вклад русских ученых в открытие химических элементов

Вклад русских ученых в открытие химических элементов

Понятие «химические элементы» всегда было и ныне остаётся основной категорией химии, так как оно выражает главный объект химической науки. Химия определилась как наука и выделилась в самостоятельную отрасль естествознания только после чёткого установления этого важнейшего понятия, в разработке которого следует специально подчеркнуть роль отца русской науки М. В. Ломоносова. После внедрения в химию научного понятия об элементе, открытие и изолирование новых элементов считалось высшим достижением химиков, к которому стремились многие выдающиеся умы. Вероятность такого открытия со временем уменьшалась и в наше время почти сведена к нулю. Имена лиц, открывших новые химические элементы, навсегда вписываются в историю развития науки. Среди таких учёных представителям России принадлежит почётное место.

Хронологические периоды открытия химических элементов

В истории открытия химических элементов можно отметить два больших периода. В первый, доменделеевский, период открытие элементов происходило эмпирически, без общей идеи, чисто аналитическим путём. Этот период занял наибольший отрезок времени и длился вплоть до последней четверти XIX в., до открытия естественной системы химических элементов. Второй, послеменделеевский, период был тесно связан с периодической системой. Вначале это вылилось в проверку самого периодического закона, предсказаний Менделеева о существовании ещё некоторых элементов. Этот этап заключает и главный триумф периодической системы — открытие Ga, Sc и Ge. Следующий этап связан с электронной интерпретацией системы Менделеева. Закономерности электронного наслоения атомов дали возможность правильно предсказать открытие, например, гафния. Последний этап, длящийся и поныне, состоит в углублении знаний атомов. Здесь речь идёт не столько о поисках естественных химических элементов, сколько об искусственных синтезах их путём осуществления ядерных реакций.

Максимальное количество открытых элементов (две трети общего числа) приходится на первый аналитический период поисков химиков. С именами русских учёных мы встречаемся уже и в доменделеевское время.

Для всех стран эпоха зарождения самостоятельных научных направлений означает начало новой эры в развитии культуры этой страны. Имя русского учёного, сделавшего выдающийся вклад в химию новых элементов, К. К. Клауса, связано именно с эпохой зарождения русских химических школ. Клаус (1796—1864) родился и проработал всю жизнь в России. Он сделал своё выдающееся открытие в период, когда химия была, «собирающей наукой». Открытие нового элемента Клаус смог осуществить благодаря своим исключительным способностям к аналитическим исследованиям. Это открытие настолько поучительно, что некоторые детали его можно напомнить, тем более, что чрезвычайно досадна недостаточная популярность некоторых русских химиков, к которым относится и Клаус.

Карл Карлович Клаус

Карл Карлович Клаус был современником и другом основоположников русских химических школ — Н. Н. Зинина (1812—1880) и А. А. Воскресенского (1809 —1880). Наиболее плодотворная деятельность Клауса относится к периоду, когда он в течение 15 лет возглавлял кафедру химии Казанского университета. Преемником и любимым учеником Клауса был А. М. Бутлеров.

К началу тонких аналитических исследований Клауса было известно пять платиновых металлов, выделенных преимущественно английскими учёными: платина, палладий, родий, осмий и иридий. В обстановке, когда всё считалось исследованным, появление сообщения об открытии ещё одного платинового элемента, вдобавок из «глухой России», не могло быть принято иначе, как с недоверием.

Русские исследователи начали заниматься платиновыми элементами давно. За границу просочились сведения о том, что в Сибири имеются россыпи платины. Иностранцы — путешественники неоднократно обращали внимание на золотоносные пески Урала. С другой стороны, русские учёные интересовались платиновыми металлами импортного происхождения. Первая публикация о группе платинидов принадлежит харьковскому проф. Ф. Гизе. Известный учёный, почётный член Петербургской и ряда других академий А. Мусин-Пушкин был одним из пионеров исследования русской платины. Ему же принадлежит авторство приготовления новой соли платинохлористоводородной кислоты. Наиболее убедительный химический анализ загадочного сибирского белого нержавеющего металла был произведён В. В. Любарским. Всё это подготовило почву для начала промышленного освоения русской платины. В 1824 г. открылся платиновый рудник. Добыча «белого золота» стала быстро возрастать и в 1829 г. дошла до 45 пудов. К этому времени П. Г. Соболевский открыл способ приготовления ковкой платины (Волластон сделал аналогичное открытие через два года), что дало возможность в 1828 г. начать чеканку платиновых монет и медалей на Петербургском монетном дворе.

Русское платиновое сырьё исследовалось и с целью нахождения в нём новых химических начал. Дважды ошибочно объявлялось об открытии новых элементов (Варвинским и Озанном). Г. В. Озанн даже дал названия трём, якобы им открытым, элементам: плюраниум, рутениум и полониум, но затем снова повторил свои исследования и отказался от ошибочного мнения. Интересно, что два из трёх названий Озанна оказались живучими и были присвоены позже открытым элементам (Ро и Ru).

Карл Карлович Клаус
Карл Карлович Клаус

Клаус начал заниматься платинидами в Казани в 1841 г. и уже в 1844 г. имел возможность письменно доложить Петербургской АН об открытии нового элемента, названного им в честь его родины «рутением» (Ruthenia — древнее название России). Ряд последующих исследований Клауса был посвящён дальнейшей разработке вопроса и получал освещение в русских академических и некоторых зарубежных изданиях. Всего платинидам Клаус посвятил 8 печатных трудов.

Открытие нового элемента наделало много шума. Вначале к нему отнеслись так же скептически, как и к многочисленным неподтверждённым заявлениям этого рода. Ведь платиновыми элементами занимались в течение 40 лет после открытия пятого из них — осмия — крупнейшие химики мира, а тут неизвестный казанский исследователь Клаус осмеливался утверждать, что он открыл новый элемент! Проба рутения была послана в Швецию Берцелиусу. Вскоре был получен ответ, что это не новый элемент, а «проба нечистого иридия». Как будто все обстоятельства складывались не в пользу учёного. Но Клаус был выдающимся химиком-аналитиком и считал, что он не мог так грубо ошибиться. Дополнительными исследованиями Клаус доказал, что был прав именно он, а не Берцелиус, и то, что он назвал рутением, действительно представляет нечто новое среди элементов. Вскоре Берцелиус вынужден был признаться в своей ошибке. За своё открытие Клаус был удостоен Демидовской премии в 1000 рублей золотом. В лаборатории университета тщательно хранятся оригинальные препараты рутения, его соединений, другие платиновые производные, приготовленные самим Клаусом.

Открытие рутения было сделано Клаусом в лаборатории Казанского университета. По оборудованию она не уступала лучшим зарубежным лабораториям. Несомненно, такая обстановка способствовала тому, что этот университет стал колыбелью русских химических школ с мировой славой. Клаусу по праву принадлежит яркая страница в истории химии. Он оказал большое содействие возвеличению своей родины. Факт открытия нового химического элемента Клаусом ещё раз доказывает, что и в прошлом развития русской химической мысли есть великие достижения, в которых проявляется превосходство русских учёных над иностранцами.

Дмитрий Иванович Менделеев

Наиболее важный в методологическом отношении период в открытии новых элементов начинается с Менделеева. Именно Дмитрию Ивановичу принадлежит направляющая научная идея в систематических поисках ещё не открытых химических начал. Поразительных результатов в своей многогранной деятельности Менделеев достиг именно в этой области. Гениальное мастерство теоретического обобщения и научной прозорливости, проявленные русским учёным в деле систематизации накопленного в течение веков химиками всех стран фактического материала, открытие важнейшего закона, которому подчиняется вещество, и предсказания на основании анализа и развития периодического закона достойны удивления.

Иногда можно встретить ошибочное мнение, что Менделеев на основании своих периодической системы и таблицы предсказал существование только трёх новых ещё не открытых элементов (речь идёт о галлии, скандии и германии). Этой ошибкой чаще всего грешат учебники, но её можно встретить и в работах авторов, незнакомых с трудами Менделеева в оригинале. Такая постановка вопроса является недооценкой Менделеева и не соответствует действительности.

На самом деле Менделеев определённо предсказал существование 11 неизвестных в то время элементов, оставил для них пустые клетки в таблице, с различной подробностью описал их свойства, наметил вероятные места их нахождения и пути их поисков (методы открытия). Кроме этих элементов, Дмитрий Иванович считал вероятным открытие ещё ряда редкоземельных, допускал существование заурановых элементов. Менделеев настолько глубоко верил в правильность открытого им закона, что решительно исправлял ряд констант многих элементов (до 20!) и требовал проверки своих теоретических выводов опытным путём. Как известно, «поправки» Менделеева были блестяще подтверждены.

Первые выводы о существовании периодической закономерности Менделеев подготовил работая над «Основами химии». Отпечатанная в виде наброска периодическая система была разослана многим химикам в 1869 г.

Эти выводы послужили основными исходными положениями, которые с исключительной плодотворностью Менделеев развивал в течение нескольких последующих лет. Он исправлял константы многих элементов и сделал полностью оправдавшиеся и далеко идущие предсказания. Выдающимся образцом стихийного применения методологии материалистической диалектики к учению о системе элементов является большая работа Менделеева, опубликованная им в 1871 г., «Естественная система элементов и применение её к указанию свойств не открытых элементов». Именно в этой работе Д. И. подробно говорит о предлагаемых им исправлениях констант ряда элементов, описывает свойства ещё никем не наблюдённых простых тел, пишет о вероятных открытиях новых редкоземельных и трансурановых элементов и т. п.

Дмитрий Иванович Менделеев
Дмитрий Иванович Менделеев

Первое сообщение Менделеева об открытом им фундаментальном законе естественной системы химических элементов было принято безразлично как в России, так и за рубежом. А когда Д. И. стал развивать свои идеи и на основании их предлагать исправления опытных данных в ряде элементов, и тем более предсказывать существование ещё не открытых, то некоторые видные европейские учёные перестали скрывать свой скепсис. В этом отношении показательно высказывание немца Лотара Мейера (одно время претендовавшего на приоритет в открытии периодического закона), который по поводу предсказаний Менделеева воскликнул: «Это уже слишком!». Но по мере подтверждения научных предвидений Менделеева безразличие и скепсис стали сменяться восхищением и изумлением.

Дело началось с поправок констант хорошо известных элементов. Исправления касались атомных весов, ошибочно определённых в связи с неточным установлением эквивалента или валентности. Так, например, у ближайших аналогов платины в то время атомные веса считались возрастающими от Pt к Os, Менделеев же, согласно своей системе, требовал диаметрально противоположного возрастания от Os к Ir и Pt. Урану приписывалась валентность, равная трём; отсюда по эквиваленту вычислялся атомный вес, равный 120. Менделеев же по свойствам увидел, что для урана наиболее естественным оказывается место под вольфрамом в 6 группе. Стало быть, максимальная валентность U по кислороду должна быть равной 6, а прежний атомный вес следует удвоить и принять равным 240. Аналогичные исправления были предложены и для некоторых других элементов. Все эти поправки вскоре подтвердились (за исключением теллура и кобальта). При исправлениях атомного веса бериллия в основу брались точные данные об эквиваленте его, определённом в 1842 г. русским учёным Авдеевым. До оригинальных экспериментов Авдеева бериллий (или глициний, как его называли) не был в должной мере изучен. В результате для Be был определён атомный вес, практически совпавший с современной величиной 9.02.

Величайший триумф Менделеева начался тогда, когда стали открывать предсказанные им новые элементы. Д. И. при жизни трижды (в 1875, 1879 и 1886 гг.) испытал счастье быть свидетелем претворения своих гениальных пророчеств. Интересно; что после опытного обнаружения предсказанных элементов были случаи, когда авторы этих открытий вначале ошибались в определении некоторых констант для обнаруженных простых тел, но потом исправляли свои ошибки, согласно указаниям Менделеева. Так случилось с удельным весом галлия и атомным весом скандия. Детали в подтверждении предсказаний Д. И. о Ga, Sc и Ge широко известны.

Ещё три элемента, предсказанных Менделеевым, были открыты в конце XIX в. Это элементы, занявшие 88, 89 и 91 клетки. А четвёртый элемент, также предсказанный Менделеевым вместе с этими тремя, был получен в результате альфа-распада актиния в виде бета-радиоактивного изотопа щелочного металла 87 с периодом полураспада в 21 минуту. Наблюдала его впервые в 1939 г. Маргарита Перей и назвала его францием Fr. О четырёх указанных элементах Менделеев писал ещё в 1871 г. Достойно удивления и то, что Менделеев в той же работе считал вероятным существование ещё заурановых элементов. Он считал уран элементом не последним, а только близким к концу периодической системы. При этом Менделеев всегда отмечал, и эта мысль оправдалась, что тяжёлых элементов типа урана, если они и существуют, должно быть немного: «… если в недрах земли и встречаются ещё некоторые неизвестные тяжёлые металлы, то можно думать, что их число и количество будут незначительны».

Достаточно определённо Менделеев высказался о вероятном существовании большой группы сходных элементов, ныне именуемых лантанидами, «редкоземельными элементами». В 70-х годах XIX в. из них знали только о Се, Er и Tb, причём они назывались вместе с иттрием «церитовыми металлами». Предложенная Д. И. поправка для атомного веса церия с изумительной точностью оправдалась: «… ныне ещё с большим, чем прежде, правом можно утверждать, что прежний атомный вес церия должен быть заменён новым: Се = 140, предугадываемым по закону периодичности». Об ожидаемых новых представителях редкоземельных элементов Д. И. писал: «Обращу внимание на тот разительный факт, что в системе элементов ныне не достаёт как раз 17 элементов, имеющих атомный вес от 138 до 182.

Это явление едва ли случайно, потому что как между элементами с меньшим атомным весом, так и между элементами с большим атомным весом нам известны уже многие члены. В это пространство, однако, может быть, будут помещены некоторые церитовые металлы, потому, что придав обыкновенной их окиси состав R2O3 или RO2, мы получим для их атома вес от 140 до 180, если известные ныне определения их эквивалентов достаточно точны». Такая научная прозорливость Менделеева в первые годы создания его гениальной системы (1871), когда его новаторские идеи принимались химической общественностью всего мира с большой сдержанностью или даже враждебно, не может не приводить в изумление.

Менделееву принято приписывать непонимание вопросов сложности атомов, происхождения и превращения элементов и смежных проблем. Авторы, пишущие об этой стороне деятельности Д. И. объясняют консерватизм в мировоззрении учёного ограниченностью его механического взгляда на эволюцию материи. Тем не менее, при внимательном изучении работ Менделеева можно встретить высказывания учёного, в которых определённо говорится о сложности атомов, об «ультиматах», происхождении и возможности превращения элементов, о допустимости существования «дефекта массы» (выражаясь современным языком), о связи законов сохранения массы и энергии и т. п. Рассматривая закон сохранения массы и энергии в обоюдной связи, Менделеев предвосхитил известное соотношение, с одной стороны, избегал упрощённого механистического понимания эволюции элементов в духе Проута, а с другой стороны, отклонением атомных весов элементов от целых чисел пытался выразить энергетический запас различных видов атомов. Здесь можно узреть и зачатки учения об эффекте упаковки и дефекте массы. В другом месте Д. И. ещё более определённо склоняется к мысли о сложности атомов, предвосхищая современное представление об элементарных частицах. Однако в старости он возражал против зарождавшегося электронного учения, не считая ею достаточно обоснованным экспериментальным материалом, возражал также против теории электролитической диссоциации, выдвинул и защищал свою механическую теорию эфира и т. п. Конечно, Менделеев не мог пройти мимо идеи о сложности атома, поскольку периодическая система ясно ставила вопрос не только о строении, но и об эволюции вещества. Стихийная диалектика Менделеева дала ему возможность в общем правильно наметить дальнейшее развитие заложенного им систематического учения об элементах и атомах.

Остановимся на том значении, которое, приписывал Менделеев массе атома, и на внесённых современными представлениями коррективах в этот вопрос. В многочисленных формулировках и комментариях своего закона Д. И. подчёркивал, что атомный вес или масса атома является наиболее фундаментальной характеристикой элементов, что подавляющее большинство других свойств является функцией атомного веса. В этом свете в классической периодической системе наиболее непонятно и досадно выглядели аномалии в нарастании атомных весов в нескольких местах таблицы: аргон Ar (39.944) — калий К(39.096) — кобальт Со (58.94) — никель Ni (58.69) и железо Fe (127.6) — йод J (126.92); позже сюда добавилось четвёртое нарушение самого принципа расположения элементов в порядке увеличения атомного веса: Th (232.12) — Ра (231). Вопрос как будто прояснился после открытия Г. Мозли (1913) и установления понятия заряда ядра и порядкового номера Z. Но теперь было оттеснено значение массы атома, и стали считать, что только Z принадлежит решающее значение в характеристике элементов. Дальнейшее развитие физики и химии показало, что роль массы атома не так второстепенна, как стали думать. Выяснилось, что большое значение имеют понятия «среднего атомного веса» и «практического атомного веса». В то время как практический атомный вес показывает в четырёх местах периодической системы аномалии, среднее арифметическое из масс изотопов элемента нарастает совершенно закономерно, параллельно Z, и никаких ненормальностей не показывает.

Выдвинутая в 1932 г. Д. Д. Иваненко теория строения ядер атомов из нейтронов и протонов, при последующем развитии привела к убеждению, что в процессе эволюции и превращения элементов масса ядра играет не менее существенную роль, чем его заряд, что изменение электрических свойств элемента (заряда ядра и электронной структуры) тесно связано с изменением массы атома.

Таким образом, диалектическое развитие учения об атоме привело исследователей к мысли, что Менделеев и в этом вопросе был не так неправ, как это казалось вначале.

Александр Михайлович Бутлеров

Большой вклад в науку сделали русские химики и в изучении разновидностей элементов — изотопов. Вероятность существования изотопов предсказывал ещё в 1879 г. величайший химик-мыслитель Александр Михайлович Бутлеров, являющийся наряду с Ломоносовым и Менделеевым гордостью русской передовой науки. Как известно, Бутлеров создал научную систему органической химии, но он также высказал ряд ценнейших идей и в области общей неорганической химии.

Александр Михайлович Бутлеров
Александр Михайлович Бутлеров

 Георгий Николаевич Антонов

Хотелось бы воскресить в памяти химиков ещё одно имя русского учёного, который внёс очень ценный вклад в изучение изотопов в связи со своими фундаментальными исследованиями по радиоактивности в дореволюционной России. Речь идёт о Георгии Николаевиче Антонове, который пять лет (1910— 1914) подробно изучал радиоактивный распад самого радия и урана, некоторое время, сотрудничая с Э. Резерфордом в Манчестере. Правила сдвига при альфа и бета-распаде в значительной степени выводились с использованием тонких экспериментальных данных Антонова. В 1911 —1913 гг. Антонов опубликовал очень важные работы, в которых сообщалось об открытии им нового радиоактивного элемента урана-игрек. Когда радиоактивные элементы были размещены в последнем десятом ряде периодической системы, UY Антонова, как элемент, имеющий заряд ядра 90, попал в одну клетку с торием. Сводку своих ценных экспериментальных исследований Антонов дал в своей диссертации на учёную степень магистра химии. Позже Антонов переключился на изучение поверхностных явлений.

Таким образом, при изучении одной из основных проблем химической науки — вопроса о выявлении элементарных начал — русские химики, благодаря выдающимся аналитическим работам К. Клауса, непревзойдённым обобщениям и гениальным предвидениям Д. Менделеева и тонким радиохимическим исследованиям Г. Антонова, ещё в дореволюционной России выдвинулись на самое передовое место в мировой науке. Особенно велики заслуги бессмертного Менделеева, который учение об элементах превратил в подлинную научную систему и, благодаря своей диалектико-материалистической методологии, смог исправить ошибки своих предшественников, предсказать большое количество новых химических начал и правильно предначертать дальнейшее развитие учения об элементах.