Как были открыты химические элементы
Шрифт:
«Это было море ошибок, и истина в нем тонула», — так сказал однажды про историю редкоземельных элементов видный французский химик Ж. Урбэн. Хотя он слыл темпераментным и экспансивным человеком, в данном случае он ничуть не преувеличил. В самом деле, за 30 с небольшим лет (с 1878 по 1910 г.) появилось более ста сообщений об открытии новых редкоземельных элементов. И только десять открытий оказались достоверными. Непросто описывать их историю — настолько она сложна и запутанна.
Обычно к редкоземельным элементам относят лантан (Z=57) и следующие за ним четырнадцать лантаноидов от церия (Z=58) до лютеция (Z=71). Можно добавить сюда еще два элемента: иттрий (Z=39) и скандий (Z=21). Они похожи по свойствам на лантан и исторически связаны с редкоземельными
В целом редкоземельные элементы (РЗЭ) составляют 1/5 часть всех существующих в природе элементов, а их открытие растянулось на 113 лет — с 1794 г. (дата обнаружения иттрия) до 1907 г. (дата открытия лютеция). Один из РЗЭ, прометий, был много позже получен искусственным путем. Характерные особенности истории РЗЭ связаны с их специфическими свойствами, и прежде всего с их удивительным химическим подобием. Поэтому в минералах и рудах они встречаются все вместе, и разделить их смесь на составляющие — задача чрезвычайной трудности. Этим обстоятельством и объясняется обилие ложных открытий в редкоземельной области, когда якобы новые элементы на деле оказывались смесью уже открытых. И наоборот, даже действительные открытия не всегда отражают факт обнаружения нового РЗЭ в чистом виде; во многих случаях элемент был, как выяснялось впоследствии, смесью двух, а то и более неизвестных РЗЭ. Вот почему к общепринятым датам открытий некоторых РЗЭ нужно подходить с осторожностью.
Еще одна важная черта истории РЗЭ: все они были первоначально выделены в виде оксидов. Поэтому широко распространен термин «редкие земли». Землями химики прошлого называли оксиды, например, магния, кальция (сравните название «щелочные земли»), и этот термин применили (как потом стало ясно, ошибочно) к оксидам первых РЗЭ — иттрия и церия. Свободные металлы были приготовлены спустя много времени после открытия соответствующих элементов. Например, ряд тяжелых лантаноидов получен в виде чистых металлов только после второй мировой войны. Условимся поэтому, что дальше, приводя название того или иного РЗЭ, будем иметь в виду, что речь идет об оксиде.
КАК НАЧАЛАСЬ ИСТОРИЯ РЗЭ?
В 1794 г. финский химик, профессор университета в г. Або (Турку) Ю. Гадолин выделил из минерала иттербита оксид неизвестного элемента, который он назвал иттрием. Этот минерал был найден семью годами ранее в заброшенном карьере близ шведской деревушки Иттербю. Она-то и дала имя минералу (правда, потом его переименовали в гадолинит, в честь Ю. Гадолина), а затем иттрию и еще трем РЗЭ: эрбию, тербию, иттербию.
Образцы редкого иттербита стали исследовать другие химики-аналитики того времени — француз Л. Воклен и немец М. Клапрот. Они тоже находили в нем новый оксид (землю), но по-разному определяли его содержание. Методы анализа во всех случаях были одинаковыми, и объяснить наблюдавшиеся расхождения в результатах можно было так: в минералах содержится еще один неизвестный элемент, который с трудом отделяется от иттрия.
Так и оказалось в действительности, но потом, когда предполагаемого незнакомца уже обнаружили, однако в другом минерале. Это случилось в 1803 г. И. Берцелиус и В. Хизингер, с одной стороны, и М. Клапрот — с другой, независимо выделили из него оксид нового элемента и дали ему имя «церий» (по имени астероида Цереры, открытого в 1801 г. астрономом А. Пьяцци); минерал же стали называть поэтому церитом. Вместе с гадолинитом он долгие годы был единственным источником РЗЭ.
Церий был во многом похож на иттрий, хотя кое в чем от него и отличался. Но, как известно теперь, под названием «церий» в действительности фигурировала сложная смесь цериевых РЗЭ (от Ce до Gd), а под названием «иттрий» — смесь иттриевых РЗЭ (от Tb до Lu). Таким образом, действительные иттрий и церий соответственно в 1794 и 1803 гг. открыты не были. В 1826 г. ученик И. Берцелиуса — К. Мосандер заподозрил, что выделенный из церита церий не чист, сам содержит какую-то примесь. Превратить свое подозрение в уверенность ученый сумел лишь тринадцатью годами позже.
ЛАНТАН И
До того, как К. Мосандер не занялся вплотную изучением редких земель, иттрий и церий привлекали сравнительно мало внимания. Оба они были внесены в список элементов, их свойства в той или иной степени удалось изучить.
Если бы в честь вновь открытого элемента было принято высаживать деревце, то в таком воображаемом саду иттрий и церий выглядели бы как молодые, еще не окрепшие стволики. Подобная аналогия, однако, нисколько ненадуманна, ибо начиная с 1839 г. стволики эти начали интенсивно ветвиться. Так продолжалось почти семьдесят лет.
Тщательно изучая церий, К. Мосандер установил, что в нем содержатся еще два новых элемента — лантан (La) и дидим (Di). Название первого происходит от греческого слова, означающего «скрытый»; действительно, долгое время лантан ускользал от внимания исследователей. Дидим по-гречески означает «близнец», ибо оказалось, что он как две капли воды похож на лантан, и только великолепное искусство К. Мосандера позволило доказать, что лантан и дидим — это все-таки разные элементы. Вот какие побеги дал цериевый стволик:
Впоследствии на химическую индивидуальность церия и лантана покушались многие исследователи. Они хотели доказать сложность этих элементов. Однако К. Мосандер действительно получил оксиды этих элементов в относительно чистом состоянии. Другое дело дидим. В современной периодической системе вы не увидите этого символа. За ним скрывается целая история, о которой речь пойдет дальше. Здесь же заметим, что дата «1839 год» представляется более правомерной в плане действительного начала биографии церия. То же самое замечание можно сделать и в отношении иттрия. За него К. Мосандер взялся в 1843 г., вдохновленный успехами своих работ по расщеплению церия. И старый иттрий Гадолина открыл истинное лицо. Собственно, здесь было три лица: сам иттрий и два чрезвычайно на него похожих элемента: тербий и эрбий. Можно нарисовать такую схему:
Иттрий после отстоял свою индивидуальность. Имел ли К. Мосандер в своем распоряжении чистый тербий, остается загадкой до сих пор. Зато эрбий повторил судьбу дидима. Внесите еще одну поправку в официальные даты открытия элементов. Настоящий иттрий фактически выделил К. Мосандер в 1843 г. Поэтому именно Мосандера мы считаем подлинным начинателем истории РЗЭ.
После К. Мосандера список известных РЗЭ оставался неизменным на протяжении почти 40 лет. Изучая эти элементы, ученые наделали много ошибок (неправильно установили формулы оксидов, неверно определили атомные массы). В том, что «что-то здесь не так», был твердо убежден Д. И. Менделеев, который предложил изменить величины атомных масс, открытых к 1869 г. РЗЭ. Из литературы по периодическому закону известно, что он был совершенно прав. Но на дальнейшую историю РЗЭ правота Д. И. Менделеева не оказала фактически никакого влияния. Свойства этих элементов были настолько близки, что не удавалось установить надежный контроль за процессом их разделения. Тут-то и выявился парадокс: смесь элементов принималась за один элемент, и, наоборот, вновь открытый элемент оказывался смесью.
Даже спектральный анализ, так хорошо зарекомендовавший себя в открытии новых элементов, в истории редких земель наделал, пожалуй, больше ошибок, чем привел к достоверным результатам.
«ИТТЕРБИЙ», СКАНДИЙ, «ГОЛЬМИЙ», ТУЛИЙ
Почти четыре десятилетия после работ К. Мосандера редкоземельные деревца не давали новых побегов. Причин тому было несколько. Ученые никак не могли освоиться с капризной химией РЗЭ. Разделение этих элементов было основано на том, что их соли, хотя и в малой степени, различались по растворимости. Поэтому, чтобы более или менее надежно отделить одну редкую землю от другой, приходилось проводить многие сотни однотипных операций перекристаллизации.