Внесок російських вчених у відкриття хімічних елементів

Поняття «хімічні елементи» завжди було і нині залишається основною категорією хімії, так як воно виражає головний об’єкт хімічної науки. Хімія визначилась як наука і виділилась у самостійну галузь природознавства тільки після чіткого встановлення цього найважливішого поняття, в розробці якого слід спеціально підкреслити роль батька російської науки М. в. Ломоносова. Після впровадження в хімію наукового поняття про елементі, відкриття та ізолювання нових елементів вважалося вищим досягненням хіміків, до якого прагнули багато видатних уми. Ймовірність такого відкриття з часом зменшувалася і в наш час майже зведена до нуля. Імена осіб, що відкрили нові хімічні елементи, назавжди вписуються в історію розвитку науки. Серед таких вчених представникам Росії належить почесне місце.

Хронологічні періоди відкриття хімічних елементів

В історії відкриття хімічних елементів можна відзначити два великих періоди. У перший, доменделеевский, період відкриття елементів відбувалося емпірично, без загальної ідеї, суто аналітичним шляхом. Цей період посів найбільший відрізок часу і тривав аж до останньої чверті XIX ст. до відкриття природної системи хімічних елементів. Другий, послеменделеевский, період був тісно пов’язаний з періодичною системою. Спочатку це вилилося в перевірку самого періодичного закону, пророкувань Менделєєва про існування ще деяких елементів. Цей етап укладає і головний тріумф періодичної системи — відкриття Ga, Sc і Ge. Наступний етап пов’язаний з електронною інтерпретацією системи Менделєєва. Закономірності електронного нашарування атомів дали можливість правильно передбачити відкриття, наприклад, гафнію. Останній етап, який триває і понині, полягає в поглибленні знань атомів. Тут мова йде не стільки про пошуки природних хімічних елементів, скільки про штучних синтезах їх шляхом здійснення ядерних реакцій.

Максимальна кількість відкритих елементів (дві третини загальної кількості) припадає на перший аналітичний період пошуків хіміків. З іменами російських вчених ми зустрічаємося вже і в доменделеевское час.

Для всіх країн епоха зародження самостійних наукових напрямків означає початок нової ери в розвитку культури цієї країни. Ім’я російського вченого, який зробив видатний внесок у хімію нових елементів, К. К. Клауса, пов’язано саме з епохою зародження російських хімічних шкіл. Клаус (1796-1864) народився і пропрацював все життя в Росії. Він зробив своє видатне відкриття в період, коли хімія була, «збирає наукою». Відкриття нового елемента Клаус зміг здійснити завдяки своїм винятковим здібностям до аналітичних досліджень. Це відкриття настільки повчально, що деякі деталі його можна нагадати, тим більше, що надзвичайно прикра недостатня популярність деяких російських хіміків, до яких відноситься і Клаус.

Карл Карлович Клаус

Карл Карлович Клаус був сучасником і другом основоположників російських хімічних шкіл — Н. Н. Зініна (1812-1880) і А. А. Воскресенського (1809 -1880). Найбільш плідна діяльність Клауса відноситься до періоду, коли він протягом 15 років очолював кафедру хімії Казанського університету. Наступником і улюбленим учнем Клауса був А. М. Бутлеров.

До початку тонких аналітичних досліджень Клауса було відомо п’ять платинових металів, виділених переважно англійськими вченими: платина, паладій, родій, осмій і іридій. В обстановці, коли всі вважалося дослідженим, поява повідомлення про відкриття ще одного платинового елемента, до того ж з «глухий Росії», не могло бути прийнято інакше, як з недовірою.

Російські дослідники почали займатися платиновими елементами давно. За кордон просочилися відомості про те, що в Сибіру є розсипи платини. Іноземці — мандрівники неодноразово звертали увагу на золотоносні піски Уралу. З іншого боку, російські вчені цікавилися платиновими металами імпортного походження. Перша публікація про групу платинидов належить харківському проф. Ф. Гізі. Відомий вчений, почесний член Петербурзької та ряду інших академій А. Мусін-Пушкін був одним з піонерів дослідження російської платини. Йому ж належить авторство приготування нової солі платінохлорістоводородной кислоти. Найбільш переконливий хімічний аналіз загадкового білого сибірського нержавіючого металу був проведений Ст. Ст. Любарським. Все це підготувало грунт для початку промислового освоєння російської платини. У 1824 р. відкрився платиновий рудник. Видобуток «білого золота» стала швидко зростати і в 1829 р. дійшла до 45 пудів. До цього часу П. Р. Соболевський відкрив спосіб приготування куванням платини (Волластон зробив аналогічне відкриття через два роки), що дало можливість у 1828 р. почати карбування платинових монет і медалей на Петербурзькому монетному дворі.

Російське платинове сировину досліджувався і з метою знаходження в ньому нових хімічних почав. Двічі помилково оголошувалося про відкриття нових елементів (Варвинською і Озанна). Р. В. Озан навіть дав назви трьох, нібито їм відкритим, елементам: плюраниум, рутеніум і полониум, але потім знову повторив свої дослідження і відмовився від хибної думки. Цікаво, що два з трьох назв Озанна виявилися живучими і були присвоєні пізніше відкритим елементів (Рв і Ru).

811ac7556fb539c62db4bfe51a0145e4 Внесок російських вчених у відкриття хімічних елементівКарл Карлович Клаус

Клаус почав займатися платинидами в Казані в 1841 р. і вже в 1844 р. мав можливість письмово доповісти Петербурзької АН про відкриття нового елемента, названого їм його честь батьківщини «рутенієм» (Ruthenia — давня назва Росії). Ряд подальших досліджень Клауса був присвячений подальшій розробці питання і отримував висвітлення в російських академічних та деяких зарубіжних виданнях. Всього платинидам Клаус присвятив 8 друкованих праць.

Відкриття нового елемента наробило багато шуму. Спочатку до нього поставилися так само скептично, як і до численних непідтвердженими заяв цього роду. Адже платиновими елементами займалися протягом 40 років після відкриття п’ятого з них — осмію — видатні хіміки світу, а тут невідомий казанський дослідник Клаус осмілювався твердити, що він відкрив новий елемент! Проба рутенія була послана в Швеції Берцелиусу. Незабаром була отримана відповідь, що це не новий елемент, а «проба нечистого іридію». Як ніби всі обставини складалися не на користь вченого. Але Клаус був видатним хіміком-аналітиком і вважав, що він не міг так грубо помилитися. Додатковими дослідженнями Клаус довів, що правий саме він, а не Берцеліус, і те, що він назвав рутенієм, дійсно представляє щось нове серед елементів. Незабаром Берцеліус змушений був зізнатися у своїй помилці. За своє відкриття Клаус був удостоєний Демидівської премії в 1000 карбованців золотом. В лабораторії університету ретельно зберігаються оригінальні препарати рутенія, його сполук, інші платинові похідні, приготовані самим Клаусом.

Відкриття рутенія було зроблено Клаусом в лабораторії Казанського університету. По обладнанню вона не поступалася кращим зарубіжним лабораторіям. Безсумнівно, така обстановка сприяла тому, що цей університет став колискою росіян хімічних шкіл з світовою славою. Клаусу по праву належить яскрава сторінка в історії хімії. Він справив велике сприяння звеличенню своєї батьківщини. Факт відкриття нового хімічного елемента Клаусом ще раз доводить, що і в минулому розвитку російської хімічної думки є великі досягнення, в яких проявляється перевага російських вчених над іноземцями.

Дмитро Іванович Менделєєв

Найбільш важливий в методологічному відношенні період у відкритті нових елементів починається з Менделєєва. Саме Дмитру Івановичу належить напрямна наукова ідея в систематичних пошуках ще не відкритих хімічних почав. Вражаючих результатів у своїй багатогранній діяльності Менделєєв досяг саме в цій області. Геніальне майстерність теоретичного узагальнення та наукової прозорливості, проявлені російським ученим у справі систематизації накопиченого протягом століть хіміками всіх країн фактичного матеріалу, відкриття найважливішого закону, якому підпорядковується речовина, і віщування на підставі аналізу та розвитку періодичного закону гідні подиву.

Іноді можна зустріти помилкове думка, що Менделєєв на підставі своїх періодичної системи і таблиці передбачив існування лише трьох ще не відкритих елементів (мова йде про галлії, скандии і німеччини). Цією помилкою найчастіше грішать підручники, але її можна зустріти і в працях авторів, незнайомих з працями Менделєєва в оригіналі. Така постановка питання є недооцінкою Менделєєва і не відповідає дійсності.

Насправді Менделєєв точно пророчив існування 11 невідомих у той час елементів, залишив для них порожні клітини в таблиці, з різною детальністю описав їх властивості, намітив ймовірні місця їх знаходження та шляхи їх пошуків (методи відкриття). Крім цих елементів, Дмитро Іванович вважав імовірним відкриття ще ряду рідкоземельних, допускав існування заурановых елементів. Менделєєв настільки глибоко вірив у правильність відкритого ним закону, що рішуче виправляв ряд констант багатьох елементів (до 20!) і вимагав перевірки своїх теоретичних висновків досвідченим шляхом. Як відомо, «поправки» Менделєєва були блискуче підтверджені.

Перші висновки про існування закономірності періодичної Менделєєв підготував працюючи над «Основ хімії». Віддрукована у вигляді нарису періодична система була розіслана багатьом хімікам в 1869 р.

Ці висновки стали основними вихідними положеннями, які з винятковою плідністю Менделєєв розвивав протягом кількох наступних років. Він виправляв константи багатьох елементів і зробив повністю виправдалися і далекосяжні передбачення. Видатним зразком стихійного застосування методології матеріалістичної діалектики до вчення про систему елементів є велика робота Менделєєва, опублікована ним у 1871 р., «Природна система елементів і застосування її до вказівки властивостей не відкритих елементів». Саме в цій роботі Д. І. детально говорить про пропоновані ним зміни констант ряду елементів, описує властивості ще ніким не спостережених простих тіл, пише про ймовірні відкриття нових рідкоземельних і трансуранових елементів і т. п.

01a6edda08987dce76809e73ee82730f Внесок російських вчених у відкриття хімічних елементівДмитро Іванович Менделєєв

Перше повідомлення Менделєєва про відкритий ним фундаментальному законі природної системи хімічних елементів було прийнято байдуже як в Росії, так і за кордоном. А коли Д. І. почав розвивати свої ідеї і на підставі їх пропонувати виправлення досвідчених даних в ряді елементів, і тим більше передбачати існування ще не відкритих, то деякі видатні європейські вчені перестали приховувати свій скепсис. У цьому відношенні показовим є висловлювання німця Лотара Мейєра (один час претендував на пріоритет у відкритті періодичного закону), який з приводу пророкувань Менделєєва вигукнув: «Це вже занадто!». Але по мірі підтвердження наукових передбачень Менделєєва байдужість і скепсис стали змінюватися захопленням і подивом.

Справа почалася з поправок констант добре відомих елементів. Виправлення стосувалися атомних ваг, помилково визначених у зв’язку з неправильним встановленням еквіваленту або валентності. Так, наприклад, у найближчих аналогів платини в той час атомні ваги вважалися зростаючими від Pt до Os, Менделєєв, згідно своїй системі, вимагав діаметрально протилежної зростання від Os до Ir і Pt. Урану приписувалася валентність дорівнює трьом; звідси по еквіваленту обчислювався атомна вага, що дорівнює 120. Менделєєв ж за властивостями побачив, що для урану найбільш природним виявляється місце під вольфрамом у 6 групі. Стало бути, максимальна валентність U по кисню повинна бути дорівнює 6, а колишній атомний вага слід подвоїти і прийняти рівним 240. Аналогічні виправлення були запропоновані і для деяких інших елементів. Всі ці поправки незабаром підтвердилися (за винятком телуру і кобальту). При виправлення атомної ваги берилію в основу бралися точні дані про еквіваленті його, визначеному в 1842 р. російським вченим Авдєєвим. До оригінальних експериментів Авдєєва берилій (або гліциній, як його називали) не був належною мірою вивчений. В результаті для Be був визначений атомний вагу, практично збігся з сучасною величиною 9.02.

Найбільший тріумф Менделєєва почався тоді, коли почали відкривати передбачені їм нові елементи. Д. І. за життя тричі (1875, 1879 і 1886 рр.) мав щастя бути свідком втілення своїх геніальних пророцтв. Цікаво, що після досвідченого виявлення передбачених елементів були випадки, коли автори цих відкриттів спочатку помилялися у визначенні деяких констант для виявлених простих тіл, але потім виправляли свої помилки, згідно з вказівками Менделєєва. Так сталося з питомою вагою галію і атомною вагою скандію. Деталі підтвердження пророкувань Д. І. про Ga, Sc і Ge широко відомі.

Ще три елементи, передбачені Менделєєвим, були відкриті в кінці ХІХ ст. Це елементи, які посіли 88, 89 і 91 клітини. А четвертий елемент, також передвіщений Менделєєвим разом з цими трьома, був отриманий в результаті альфа-розпаду актинія у вигляді бета-радіоактивного ізотопу лужного металу 87 з періодом напіврозпаду в 21 хвилину. Спостерігала його вперше в 1939 р. Маргарита Перей і назвала його францием Fr. Про чотирьох зазначених елементах Менделєєв писав ще в 1871 р. Гідно подиву і те, що Менделєєв у тій же роботі вважав імовірним існування ще заурановых елементів. Він вважав уран елементом не останнім, а тільки близьким до кінця періодичної системи. При цьому Менделєєв завжди наголошував, і ця думка не справдилася, що важких елементів типу урану, якщо вони й існують, має бути трохи: «… якщо в надрах землі і зустрічаються ще деякі невідомі важкі метали, то можна думати, що їх число і кількість будуть незначні».

Досить виразно Менделєєв висловився про ймовірне існування великої групи схожих елементів, нині іменованих лантанидами, «рідкісноземельними елементами». У 70-х роках XIX ст. з них знали тільки про Се, Er і Tb, причому вони називалися разом з ітрієм «церитовыми металами». Запропонована Д. І. поправка для атомної ваги церію з дивовижною точністю виправдалася: «… нині ще з більшим, ніж раніше, правом можна стверджувати, що колишній атомний вага церію повинен бути замінений новим: Се = 140, предугадываемым за законом періодичності». Про очікуваних нових представників рідкоземельних елементів Д. В. писав: «Зверну увагу на той разючий факт, що в системі елементів нині бракує якраз 17 елементів, що мають атомний вага від 138 до 182.

Це явище навряд чи випадково, тому що як між елементами з меншим атомним вагою, так і між елементами з великим атомним вагою нам відомі вже багато членів. В цей простір, однак, може бути, будуть поміщені деякі церитовые метали, тому, що надавши звичайної їх окису складу R2O3 або RO2, ми отримаємо для їх атома вага від 140 до 180, якщо відомі нині визначення їх еквівалентів досить точні». Така наукова прозорливість Менделєєва в перші роки його створення геніальної системи (1871), коли його новаторські ідеї приймалися хімічної громадськістю всього світу з великою стриманістю або навіть вороже, не може не приводити в подив.

Менделєєву прийнято приписувати нерозуміння питань складності атомів, походження і перетворення елементів і суміжних проблем. Автори, які пишуть про цей бік діяльності Д. І. пояснюють консерватизм у світогляді вченого обмеженістю його механічного погляду на еволюцію матерії. Тим не менш, при уважному вивченні робіт Менделєєва можна зустріти висловлювання вченого, в яких виразно говориться про складність атомів, про «ультиматах», походження і можливості перетворення елементів, про допустимість існування «дефекту маси» (висловлюючись сучасною мовою), про зв’язок законів збереження маси та енергії і т. п. Розглядаючи закон збереження маси і енергії в обопільному зв’язку, Менделєєв передбачив відоме співвідношення, з одного боку, уникав спрощеного, механістичного розуміння еволюції елементів в дусі Проута, а з іншого боку, відхиленням атомних ваг елементів від цілих чисел намагався висловити енергетичний запас різних видів атомів. Тут можна побачити і зачатки вчення про ефект упаковки і дефект маси. В іншому місці Д. І. ще більш виразно схиляється до думки про складність атомів, передбачаючи сучасне уявлення про елементарні частинки. Проте в старості він заперечував проти зароджувався електронного навчання, не рахуючи нею достатньо обґрунтованим експериментальним матеріалом, також заперечував проти теорії електролітичної дисоціації, висунув і захищав свою механічну теорію ефіру і т. п. Звичайно, Менделєєв не міг пройти повз ідеї про складності атома, оскільки періодична система ясно ставила питання не тільки про будову, але і про еволюцію речовини. Стихійна діалектика Менделєєва дала йому можливість в загальному правильно намітити подальший розвиток заставленого ним систематичного вчення про елементи і атомах.

Зупинимося на тому значенні, яке, приписував Менделєєв масі атома, і внесених на сучасними уявленнями корективи у це питання. У численних формулюваннях і коментарях свого закону Д. І. підкреслював, що атомний вагу або маса атома є найбільш фундаментальною характеристикою елементів, що переважна більшість інших властивостей є функцією атомної ваги. У цьому світі класичної періодичній системі найбільш незрозуміло і прикро виглядали аномалії в наростанні атомних ваг в декількох місцях таблиці: аргон Ar (39.944) — калій(39.096) — кобальт З (58.94) — нікель Ni (58.69) і залізо Fe (127.6) — йод J (126.92); пізніше сюди додалася четверта порушення самого принципу розташування елементів в порядку збільшення атомної ваги: Th (232.12) — Ра (231). Питання ніби прояснився після відкриття Р. Мозлі (1913) і встановлення поняття заряду ядра і порядкового номера Z. Але тепер було відтиснуто значення маси атома, і стали вважати, що тільки Z належить вирішальне значення в характеристиці елементів. Подальший розвиток фізики і хімії показало, що роль маси атома не так другорядна, як стали думати. З’ясувалося, що велике значення мають поняття «середнього атомної ваги» і «практичного атомної ваги». У той час як практичний атомний вага показує в чотирьох місцях періодичної системи аномалії, середнє арифметичне з мас ізотопів елемента наростає абсолютно закономірно, паралельно Z, і ніяких ненормальностей не показує.

Висунута в 1932 р. Д. Д. Іваненко теорія будови ядер атомів з нейтронів і протонів, при подальшому розвитку привела до переконання, що в процесі еволюції і перетворення елементів маса ядра грає не менш важливу роль, ніж його заряд, що зміна електричних властивостей елемента (заряду ядра та електронної структури) тісно пов’язане з зміною маси атома.

Таким чином, діалектичний розвиток вчення про атом привело дослідників до думки, що Менделєєв і у цьому питанні був не так неправий, як це здавалося спочатку.

Олександр Михайлович Бутлеров

Великий внесок в науку зробили російські хіміки і у вивченні різновидів елементів — ізотопів. Ймовірність існування ізотопів передбачав ще у 1879 р. видатний хімік-мислитель Олександр Михайлович Бутлеров, що є поряд з Ломоносовим і Менделєєвим гордістю російської передової науки. Як відомо, Бутлеров створив наукову систему органічної хімії, але він також висловив ряд цінних ідей у галузі загальної неорганічної хімії.

3caa0c2892fddbc72c5bc6de69b8e632 Внесок російських вчених у відкриття хімічних елементівОлександр Михайлович Бутлеров

Георгій Миколайович Антонов

Хотілося б воскресити в пам’яті хіміків ще одне ім’я російського вченого, який зробив дуже цінний внесок у вивчення ізотопів у зв’язку зі своїми фундаментальними дослідженнями з радіоактивності в дореволюційній Росії. Мова йде про Георгія Миколайовича Антонові, який п’ять років (1910— 1914) докладно вивчав радіоактивний розпад самого радію і урану, деякий час, співпрацюючи з Е. Резерфордом у Манчестері. Правила зсуву при альфа і бета-розпаді в значній мірі виводилися з використанням тонких експериментальних даних Антонова. В 1911 -1913 рр. Антонов опублікував дуже важливі роботи, в яких повідомлялося про відкриття ним нового радіоактивного елемента урану-ігрек. Коли радіоактивні елементи були розміщені в останньому десятому ряді періодичної системи, UY Антонова, як елемент, що має заряд ядра 90, потрапив в одну клітку з торієм. Зведення своїх цінних експериментальних досліджень Антонов дав у своїй дисертації на вчений ступінь магістра хімії. Пізніше Антонов переключився на вивчення поверхневих явищ.

Таким чином, при вивченні однієї з основних проблем хімічної науки — питання про виявленні елементарних початків — російські хіміки, завдяки видатним аналітичних робіт К. Клауса, неперевершеним узагальнень і геніальним передбаченням Д. Менделєєва і тонким радиохимическим досліджень Р. Антонова, ще в дореволюційній Росії висунулися на саме передове місце у світовій науці. Особливо великі заслуги безсмертного Менделєєва, який вчення про елементи перетворив на справжню наукову систему і, завдяки своїй діалектико-матеріалістичної методології, зміг виправити помилки своїх попередників, передбачити велику кількість нових хімічних почав і правильно предначертать подальший розвиток вчення про елементи.