Как были открыты химические элементы
Шрифт:
ГЛАВА IX.
ЭЛЕМЕНТЫ, ПРЕДСКАЗАННЫЕ НА ОСНОВЕ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ (ГАЛЛИЙ, СКАНДИЙ, ГЕРМАНИЙ)
«Без периодического закона мы не имели никаких поводов предсказывать свойства неизвестных элементов, даже не могли судить о недостатке или отсутствии тех или других из них. Открытие элементов было делом одного наблюдения. И оттого-то только слепой случай и особая прозорливость и наблюдательность вели к открытию новых элементов… Закон периодичности открывает в этом… отношении новый путь» [7] — этими словами Д. И. Менделеев четко высказал мысль о том, что в истории химических элементов наступило время, когда стало возможным заранее предвидеть существование еще не открытых элементов и оценивать их важнейшие свойства.
7
Менделеев Д. И. Периодический закон.
Основу для этого давала периодическая система. Уже из самой ее структуры было в той или иной степени видно, где находятся пробелы, отвечающие неизвестным элементам. Зная же свойства их известных соседей по системе, можно было посредством логических рассуждений и простых арифметических операций оценить наиболее характерные свойства незнакомых элементов, рассчитать некоторые количественные параметры (атомная масса, плотность, температура плавления и кипения и т. д.). Но для этого требовалась громадная эрудиция в области химии. Ею обладал в полной мере Д. И. Менделеев. Помноженная на научную смелость и веру в справедливость закона периодичности, эрудиция великого ученого позволила ему сделать блестящие предсказания существования и свойств некоторых новых элементов.
Гениальные предвидения Д. И. Менделеева уже давно стали хрестоматийными, и ни один учебник химии не обходится без упоминания менделеевских прогнозов экаалюминия, экабора и экасилиция, которые впоследствии воплотились в галлий, скандий и германий.
Посмотрите на те сопоставления, которые приводятся ниже.
| Экаалюминий Еа | Галлий Ga |
|---|---|
| Атомная масса ? 68 | Атомная масса 69,72 |
| Простое тело должно быть низкоплавкое | Температура плавления 29,75°C |
| Плотность металла близка к 6,0 | Плотность 5,9 (тв.) |
| Объем атома должен быть близок к 11,5 | Атомный объем 11,8 |
| На воздухе не изменяется | Слабо окисляется при красном калении |
| Должен разлагать воду при кипячении | Разлагает воду при высокой температуре |
| Образует квасцы, но труднее, чем Al | Дает квасцы NH4Ga(SO4)2•12Н2О |
| Еа2О3 должна легко восстанавливаться до металла | Ga легко восстанавливается прокаливанием Ga2O3 в токе водорода |
| Еа более летуч, чем Al, будет открыт методом спектрального анализа | Ga открыт спектроскопическим методом |
| Экабор Eb | Скандий Sc |
| Атомная масса ? 44 | Атомная масса 45,1 |
| Плотность ? 3,0 | Плотность 3,0 |
| Объем атома около 15 | Атомный объем 15 |
| Металл нелетуч и не может быть открыт спектральным анализом | Летучесть низкая |
| Образует основной оксид | Образует основной оксид |
| Воду будет разлагать при повышенной температуре | Разлагает воду при кипении |
| Eb2О3 в воде нерастворима, плотность ? 3,5 | Sc2O3 в воде не растворяется, плотность 3,864 |
| Eb2О3 с большим трудом образует квасцы | Sc2O3 образует двойную соль 3К2SО4•Sc2(SO4)3 |
| Экасилиций Es | Германий Ge |
| Атомная масса ? 72 | Атомная масса 72,60 |
| Плотность ? 5,5 | Плотность 5,327 |
| Атомный объем ? 13 | Атомный объем 13,57 |
| Плотность EsO2 ? 4,7 | Плотность GeO2 4,280 |
| Основные свойства выражены слабо | GeO2 имеет амфотерный характер |
| EsCl4 будет жидкостью, температура кипения ?90°C | GeCl4 — жидкость, температура кипения 83°C |
| Способность Es раскисляться низкая | Ge с трудом образует низшие степени окисления |
| Существует непрочное соединение EsH4 | Получен легкоразлагающийся GeH4 |
| Существует металлоорганическое соединение Es(C2H5)4 | Известно Ge(C2H5)4 |
В
Вот как объясняет употребление приставки «эка» Д. И. Менделеев: «Чтобы не вводить в науку новые названия для ожидаемых элементов, я стану называть их по имени ближайшего низшего аналога из числа четных или нечетных элементов той же группы, прибавляя к названию этого элемента санскритские слова счета (эка, два, три, чатур и т. д.)» [8] . (Санскритский язык относится к давно исчезнувшим, но от него производятся многие слова в различных современных языках.) Следовательно, ближайший аналог алюминия по группе будет экаалюминий и т. п.
8
Менделеев Д. И. Периодический закон. Основные статьи. Серия «Классики науки». М., 1958, с. 149–150.
ГАЛЛИЙ
Открытие этого элемента зафиксировано с точностью до часа. 27 августа 1875 г. в пятницу между тремя и четырьмя часами вечера я обнаружил признаки вероятного существования нового простого тела в продуктах химического исследования цинковой обманки из рудника Пьерфитта в долине Аргелэ (Пиренеи) — этими словами П. Лекок де Буабодран начал свой доклад в Парижской Академии наук. Ученый описал некоторые свойства нового элемента и отметил, что констатация его существования в природном объекте была достигнута спектральным анализом, именно так, как предсказывал пятью годами раньше Д. И. Менделеев. Буабодран жаловался, что имеет исключительно малое количество вещества. Поэтому свойства самого элемента для него пока были неясны.
Новый элемент 29 августа получает имя: П. Лекок де Буабодран предлагает назвать его галлием (в честь Галлии — древнего названия Франции). Опыты по изучению галлия между тем успешно продвигаются, ученый получает дополнительные сведения, которые включает в сообщение для Парижской Академии, а далее направляет для напечатания в академический научный журнал. В середине ноября журнал со статьей П. Лекок де Буабодрана достигает Петербурга, где его с нетерпением ждет Д. И. Менделеев. Есть все основания полагать, что Менделеев узнал о галлии раньше, но из вторых рук. Двумя неделями ранее в Русское химическое общество прибыла из Парижа корреспонденция за подписью Ф. де Клермона. В ней рассказывалось об открытии галлия и была приведена краткая характеристика его свойств. Но, конечно, для Д. И. Менделеева было важно прочитать статью самого автора его открытия.
Реакция ученого на прочитанное следует немедленно. Уже 16 ноября он делает сообщение на заседании Русского физического общества. Как гласит протокольная запись, Д. И. Менделеев заявил, что открытый металл, вероятно, является эка-алюминием. На следующий день он пишет на французском языке «Заметку по поводу открытия галлия». И наконец, 18 ноября Д. И. Менделеев рассказывает о галлии на заседании Русского химического общества. Такую деловую активность ученого легко понять. Он почувствовал, что один из предсказанных им элементов становится реальностью. Если дальнейшие исследования подтвердят идентичность свойств экаалюминия со свойствами галлия, полагает Д. И. Менделеев, это будет поучительный пример полезности периодического закона.
Всего шесть дней проходит (поразительный пример быстроты информации!), а «Заметка по поводу открытия галлия» уже попадает на страницы научного журнала Парижской Академии наук. И теперь особый интерес представляет то, как относится к ней П. Лекок де Буабодран. Он тем временем продолжает свои опыты и новую порцию результатов готовит для опубликования: 6 декабря желающие могут прочитать очередное сообщение французского ученого. По-прежнему он сетует на трудности, связанные с исключительной редкостью галлия, рассказывает о приготовлении металла (электрохимическим методом), описывает некоторые его свойства и предполагает, что формула оксида галлия должна быть Ga2O3.
Только в самом конце статьи несколько слов о заметке Д. И. Менделеева. Да, эту заметку он, П. Лекок де Буабодран, прочел с большим интересом, и вопросы классификации простых тел давно занимают его. Он никогда не знал про сделанное Д. И. Менделеевым предсказание свойств экаалюминия. Но в связи с этим П. Лекок де Буабодран не сокрушается. Напротив, он считает, что в открытии галлия ему помогли сформулированные им самим законы излучения спектральных линий элементов, сходных по химическим свойствам. Поэтому решающую роль сыграл спектральный анализ. Но ни слова о том, что Д. И. Менделеев в своих предсказаниях экаалюминия в спектральном анализе видел основной метод открытия нового элемента. По Лекок де Буабодрану же выходило, что предсказания Д. И. Менделеева долго не привели бы к открытию галлия.
Однако, сколько бы ни продолжал П. Лекок де Буабодран изучение свойств металлического галлия и его соединений, он все время получал результаты, которые удивительно точно совпадали с менделеевскими предсказаниями. Так, в мае 1876 г. французский ученый устанавливает, что галлий легкоплавок (температура плавления 29,5°C), при хранении на воздухе не меняет внешнего вида и слегка окисляется при красном калении. О тех же самых качествах экаалюминия сообщал Д. И. Менделеев в 1870 г. Но Д. И. Менделеев на основании периодической системы и величины плотностей окружающих экаалюминий элементов вычислил плотность, равную 5,9–6,0, а П. Лекок де Буабодран, пользуясь своими спектральными законами, рассчитал, что плотность экаалюминия равна 4,7, и подтвердил эту величину экспериментально. Казалось бы, и разница-то невелика, порядка менее двух единиц. Но для судеб закона периодичности это разночтение становилось существенным. До сих пор подтверждались лишь качественные предсказания свойств экаалюминия. Плотность была первым количественным свойством. Но она, как выяснилось, не выдерживала проверки действительностью.