Как были открыты химические элементы
Шрифт:
Судьбы семьдесят второго и семьдесят пятого элементов сближает еще одно обстоятельство: в открытии обоих был использован новый метод спектрального анализа (рентгеноспектральный), изучение рентгеновских спектров элементов. В 1913–1914 гг. английский физик Г. Мозли установил закон, который связывал длину волны характеристического рентгеновского излучения элемента с его порядковым номером в периодической системе. Этот закон позволял заранее рассчитать, какими должны быть рентгеновские спектры элементов. Никогда ранее открытие новых элементов не было подготовлено с такой основательностью, как в случае гафния и рения.
ГАФНИЙ
Местом рождения нового элемента с Z=72 стал Институт теоретической физики Копенгагенского университета в Дании; временем
Источником элемента № 72 явился довольно широко распространенный минерал циркон, состоящий в основном из оксида циркония. На него-то и указал экспериментаторам Н. Бор.
Почему же великий датский физик был уверен в своей правоте? Перенесемся в 70-е годы прошлого века, когда Д. И. Менделеев разрабатывал свою периодическую систему. В той ее клетке, которая располагалась ниже циркония, он оставил место для неизвестного элемента с атомной массой около 180. Можно было бы его назвать, по менделеевской терминологии, экацирконием. После того как оправдались менделеевские предсказания галлия, скандия и германия, уверенность в существовании экациркония окрепла. Вопрос заключался в том, какими же свойствами должен был бы обладать этот, пока гипотетический элемент? Д. И. Менделеев воздерживался от какой-либо определенной оценки. Вообще говоря, могло быть две возможности: или экацирконий будет элементом IV В-подгруппы периодической системы, аналогом циркония, или он принадлежит к редкоземельному семейству и является самым тяжелым в ряду РЗЭ. Вот тут-то в самый раз вспомнить название «кельтий» (см. с. 115 ).
Расщепив иттербий и выделив последний из существующих на Земле РЗЭ — лютеций, Ж. Урбэн на этом не остановился. Продолжая кропотливую работу по разделению тяжелых редких земель, он в конце концов отделил фракцию, оптический спектр которой, по мнению исследователя, содержал новые линии. Такое событие случилось в 1911 г. Надо сказать, оно не привлекло особого внимания ученого мира. Вероятно, и сам Ж. Урбэн, предложив для элемента название, не был абсолютно уверен, что оно по праву принадлежит неизвестному ранее элементу. Во всяком случае он счел не лишним послать образцы кельтия в Оксфорд в лабораторию, где работал Г. Мозли, чтобы тот изучил их рентгеноспектральным методом. По каким-то причинам рентгеновские снимки спектров оказались плохого качества. Тем не менее в августе 1914 г. Г. Мозли опубликовал сообщение, в котором со всей определенностью утверждал, что кельтий — это всего лишь смесь известных редких земель. Но указанное сообщение практически осталось ученым неизвестным. Словом, на протяжении довольно долгого времени открытие кельтия относилось к числу недостоверных, хотя символ Ct иногда появлялся на страницах научных журналов.
Тем временем Н. Бор разрабатывал теорию построения электронных оболочек в атомах, которая легла в основу теории периодической системы и, наконец, объяснила причину периодического изменения свойств химических элементов. В ходе своих рассуждений Н. Бор разрешил загадку, много лет волновавшую химиков: он установил точное число редкоземельных элементов. Их должно было быть пятнадцать, начиная от лантана и кончая лютецием. И лишь один РЗЭ, расположенный между неодимом и самарием (будущий прометий, см. с. 174 ), оставался еще неизвестным. К подобному выводу Н. Бора привели установленные им закономерности формирования электронных оболочек атомов по мере роста Z.
Итак, если считать кельтий редкоземельным элементом, то после умозаключений Н, Бора он оказывался «вне игры». Но почему бы ему не быть экацирконием? Доказав, что именно лютецием кончается ряд РЗЭ, Н. Бор столь же определенно установил, что элемент № 72 должен быть непосредственным аналогом циркония. И ничем иным. И Н. Бор посоветовал Д. Костеру и Д. Хевеши искать недостающий элемент в минералах циркония. Сейчас все это представляется нам логичным
Прочитав сообщение об открытии гафния, Ж. Урбэн понял, что кельтию приходит конец. Не всякому дано с достоинством перенести горечь поражения. Ж. Урбэну все же не хотелось расставаться с кельтием, и его очередные претензии заключались в отождествлении кельтия с элементом № 72. На помощь пришел французский спектроскопист А. Довийе, который пытался доказать оригинальность спектров кельтия и тем самым сохранить его принадлежность к редким землям.
Более того, Ж. Урбэн и А. Довийе стали заявлять, что Д. Костер и Д. Хевеши фактически переоткрыли кельтий, но дальше этого заявления дело не пошло, поскольку гафний быстро самоутвердился. Был приготовлен чистый металл, а новые спектральные исследования показали, что между гафнием и кельтием нет и не может быть ничего общего. Но каковы парадоксы истории! Ведь Ж. Урбэн имел все условия, чтобы первым обнаружить гафний. В начале 1922 г. он вместе со своим сотрудником Ш. Буланже сделал анализ редчайшего минерала тортвейтита из месторождений острова Мадагаскар. Минерал этот содержит 8% оксида циркония, а оксида гафния — еще больше. Единственный случай, когда в минерале гафний сконцентрирован в большем количестве, чем цирконий. И тем не менее Ж. Урбэн и М. Буланже прошли мимо элемента № 72. Объяснение этого досадного промаха заключается в большом химическом сходстве циркония и гафния.
РЕНИЙ
Исторически у рения есть неоспоримое преимущество перед гафнием: никто и никогда не сомневался в том, что элемент № 75 должен быть аналогом марганца, тримарганцем, по терминологии Д. И. Менделеева. Во всем же остальном определенность по отношению к рению утрачивается.
Проделаем небольшой эксперимент. Возьмем наугад несколько монографий и учебников, в которых рению уделено достаточное внимание. В одном случае авторы единодушны, в другом — они противоречат друг другу. Все до одного утверждают, что датой открытия рения должен считаться 1925 г. И наоборот, почти все называют различные природные источники, откуда был выделен рений. Вот какой набор минералов представлен здесь: колумбит и платиновая руда, самородная платина и танталит, ниобит и вольфрамит, альвит и гадолинит. Даже искушенный геохимик не сразу освоится с таким набором удивительно разнообразных по составу минералов.
Приняв к сведению это любопытное обстоятельство, назовем авторов открытия рения: немецкие химики В. Ноддак, И. Такке (впоследствии И. Ноддак), а также спектроскопист О. Берг. Их авторство никто и никогда не оспаривал. По-видимому, здесь единственный в своем роде случай, когда еще не открытым элементом заинтересовались промышленные круги. Предпринимателям хорошо были знакомы закономерности, которые вытекали из периодической системы. В электротехнике широко использовался вольфрам. И были основания считать, что элемент с порядковым номером 75 будет обладать еще более ценными для электротехники свойствами. Скорее всего, первые попытки будущих супругов Ноддак найти этот элемент стимулировались запросами практики.
Начиная с 1922 г. они приступили к этой работе, проведя тщательную подготовку. Прежде всего они собрали все публикации, в которых провозглашалось открытие аналогов марганца. Хотя эти сообщения и не нашли в свое время подтверждения, было небезынтересно их проверить. Затем ученые составили обширную программу поисков. Речь шла сразу о двух элементах. Ведь среди аналогов марганца был неизвестен не только элемент № 75, но и его более легкий предшественник — элемент № 43, судьба которого была необычной (см. с. 166 ). Периодическая система позволяла достаточно подробно прогнозировать их свойства. Сейчас можно сравнить то, что прогнозировали Ноддаки в отношении будущего рения, с действительными характеристиками некоторых свойств этого элемента. Вот это сопоставление: