Книга: Земля и космос. От реальности к гипотезе

Глава 11 Умножение элементов

Глава 11

Умножение элементов

Когда, учась в школе, я обнаруживал на уроке, что предмет изучения или учитель скучен (или скучны оба), естественно, мое внимание начинало блуждать по кабинету. Если все скучно и нечем заняться, малейшее, что может вызвать хоть какой-то интерес, становится просто спасением.

В этом отношении химия была просто замечательной наукой, поскольку, в каком бы кабинете химии я ни сидел, всегда над доской висела большая таблица Периодической системы элементов. Ее можно было изучать, не боясь быть замеченным учителем, и она была достаточно сложной, чтобы посвятить ей целые часы.

Старомодная таблица конца 1930-х привлекала меня тем, что целую группу элементов в ней умудрялись сжать в один квадратик. В этом квадратике была звездочка, и все элементы выстраивались по порядку внизу таблицы. Элементы назывались редкоземельными.

Когда я еще знал о Периодической системе относительно мало, этот маленький квадратик заставлял меня много размышлять, успешно спасая от скуки. Почему в обозначении элементов используется слово «редко»? Я часто думал об этом. Что это за «земельные»? Это тоже давало пищу для размышлений. Почему все эти элементы сгрудились так, что заняли один квадратик в таблице?

Позднее я нашел ответы на свои вопросы. И вы знаете мой характер: для меня нет ничего лучше, чем поделиться своими маленькими находками с читателями.

Древние греки (я очень люблю начинать главу со слов «древние греки» и часто это делаю) считали, что одним из самых важнейших «универсумов» (т. е. «элементов» по-латыни) является элемент «земля». Но под этим словом они подразумевали не почву, что у нас под ногами, а некую идеальную субстанцию, которую в разных пропорциях можно найти в различных составляющих земной коры.

Некоторые из этих составляющих весьма мало походили на «землю» в ее обычном понимании. К примеру, к ним относились металлы, обладающие блеском и поддающиеся ковке, в то время как компоненты земли не блестят и рассыпчаты. К этим составляющим относились также углерод и сера, у которых тоже не было блеска и которые тоже были рассыпчатыми, но они горели, в то время как на компоненты земли огонь не влияет.

Мы можем сказать, что основными свойствами земли является то, что они не имеют блеска, хрупки и не подвергаются воздействию огня. В первую очередь это песок, камни и глина.

Но мы не можем сказать, что это только песок, камни и глина, поскольку перечисленные свойства относятся к большой группе минералов, которые отличаются друг от друга. Это не привычная земля под ногами, но все же элемент «земля».

Используя современную терминологию, давайте определим «землю» древних греков как стабильный оксид с высокой температурой плавления. Из наиболее распространенных элементов в первую четверку входят кремний, алюминий, известь и магнезия — в порядке убывания их количества в земной коре. Мы можем сказать, что к элементу «земля» древних греков относятся диоксид кремния (SiO₂), оксид алюминия (Al₂O₂), оксид кальция (CaO) и оксид магния (MgO). Если взять все из четырех наиболее распространенных элементов и их соединения, то обнаружится, что они составляют примерно две трети земной коры. Невозможно взять какой-либо объемистый кусок земли без того, чтобы в нем не оказалось значительного числа каждого из этих четырех элементов.

Еще в конце XVIII столетия химики подозревали, что земля в основном состоит из оксидов металлов, и через определенный срок действительно удалось получить эти металлы из земли в чистом виде (кремний был отделен быстрее всего).

Две другие очень распространенные субстанции, которые тоже удалось быстро выделить из их соединений, были сода и поташ. В современной терминологии это карбонат натрия (Na₂CO₃) и карбонат калия (K₂CO₃). Химически они отличаются от таких «земель», как оксиды, по химики того времени особого отличия не видели.

Химики определили, что натрий и калий свободно растворялись в воде, а это для земной почвы было нехарактерно. Кроме того, как обнаружилось, натрий и калий после растворения приобретали некоторые свойства, такие, к примеру, как способность нейтрализовать кислоты.

Натрий и калий наиболее легко можно было получить путем нагревания в больших емкостях, от чего получалась зола (отсюда английское название карбоната калия поташ, «potash», из слов «pot» и «ash» — «горшок» и «зола»). Потому они были названы «alkalis», «щелочи», от арабского слова, означающего «зола» (арабы были великими алхимиками в начале Средних веков, и одно время арабские слова в химии очень ценились). Растворы натрия и калия были названы щелочными по их свойствам.

Так случилось, что из очень распространенных составляющих земли два компонента — известь и оксид магния — оказались несколько растворимыми в воде, причем их растворы показывали щелочные свойства. С тех пор их стали называть щелочноземельными — и называют так по сей день. Металлы, получаемые из извести и окиси магния (кальций и магний соответственно), а также аналогичные металлы, отделенные от сходных, но менее распространенных элементов земли (бериллий, стронций и барий), были названы щелочноземельными элементами.

Когда в последние годы XIX столетия был обнаружен удивительный элемент — радий, — оказалось, что он принадлежит к тому же семейству. Фактически по химическим свойствам он очень схож с барием. Радий тоже щелочноземельный металл.

(Не бойтесь, что дожди могут размыть почву потому, что два из важнейших земных элементов растворимы в воде. Известь и окись магния присутствуют в соединении с кремнием — как и силикат кальция, и силикат магнезии, — и в этой форме они практически нерастворимы.)

Теперь мы готовы к тому, чтобы перейти к следующей части истории.

В трех милях от Стокгольма, у деревушки, которая называлась Иттербю («внешняя деревня»), находился карьер.

Однажды в 1787 году офицер шведской армии, лейтенант Карл Аксель Аррениус (1757–1824), который увлекался минералогией, подобрал в карьере необычный черный камень. Аррениус не смог определить, из чего состоит этот камень, и справедливо рассудил, что это минерал, который учеными до сих пор не изучался. Он назвал минерал иттербит, использовав суффикс «-ит», обычно присваиваемый минералам.

Конечно, удивительный минерал привлек внимание, и в 1794 году финский химик (в то время Финляндия была частью шведского королевства) по имени Юхан Гадолин (1760–1852) химически разделил его. Оказалось, что минерал является комбинацией нескольких различных оксидов, в том числе оксида кремния.

Один из этих оксидов, который Гадолин отделил от остальных (и который, как оказалось, составлял две пятых всего минерала), поразил его своей необычностью. Оксид не был похож ни на одно прежде встречающееся вещество и вместе с тем имел все «земельные» свойства. Он не растворялся, не вел себя как металл и не подвергался воздействию тепла. Гадолин объявил, что он открыл новую «землю», и назвал ее «иттриевой землей». К этому времени было ясно, что «земли» — это оксиды, и потому новая «земля» должна быть оксидом какого-то нового металла. Этот металл смогли получить в чистом виде только через полвека, но эта было уже дело второстепенное. Главное, что минерал уже был обнаружен и было известно, что новый металл обязательно находится в минерале. Потому ученый, открывший новую «землю», стал считаться первооткрывателем нового металла. При новом открытии обычно металлы получали название по своей «земле», с общепринятым окончанием иттрий. Эта иттриевая земля была оксидом иттрия, и Гадолина стали считать первооткрывателем иттрия.

В 1812 году шотландский химик Томас Томсон (1773–1852) посетил знаменитый карьер и изучил его минералы. В своем исследовании он все еще использовал термин «земля». Но если он называл новый минерал «землей», то естественно было ожидать, что этот элемент должен часто встречаться в земной коре. Обычно «земли» в химическом смысле этого слова в большом количестве присутствовали в земной коре, так что и новая «земля» должна была присутствовать в изобилии (я не несу ответственности за подобную логику — такие вопросы часто возникают, когда обыденные термины применяются в науке).

Томсон же имел перед собой «землю», иттриевую, которую можно было найти только в одном-двух местах — и нигде больше. И он написал по этому поводу: «Невозможно себе представить какую-то особенную землю, находящуюся в необычном месте и в очень малых количествах».

Иттрий, другими словами, был «редкой землей»; Томсон счел это сочетание абсурдным, но оно весьма помогло химикам определиться с новым классом элементов. Томсон привел еще два примера редкоземельных элементов — «глуциновая земля» (оксид бериллия, BeO) и «циркониевая земля» (оксид циркония, ZrO₂). Однако по мере открытия новых элементов название «редкоземельные» стало применяться не ко всем землям, присутствие которых в земной коре незначительно, а лишь к иттриевой земле и родственным ей элементам, поскольку, как оказалось, иттриевая земля имела родственников.

Гадолин прожил долгую и почтенную жизнь, работая профессором химии в университете Або, но необходимо признать, что открытие иттриевой земли было единственным его достижением. Но и этого оказалось достаточно. То, что Гадолин назвал иттриевой землей, было названо в его честь гадолинитом, — и от физика ожидали много и в будущем.

Как только Гадолин сделал свое открытие, естественно, другие химики тоже загорелись желанием принять участие в исследованиях. Шведские минералы начали тщательно изучаться. Одним из химиков, принявших участие в этой работе, был немец по имени Мартин Генрих Клапрот (1743–1817). Он уже прославился в качестве первооткрывателя элементов. В 1789 году он открыл циркониевую землю (эта «земля» была представлена Томсоном в качестве одной из явно парадоксальных редких земель, но в наши дни цирконий редкоземельным не называют) и уран. В 1798 году он открыл титан.

В 1803 году Гадолин откопал в Швеции тяжелый минерал, который ранее не был изучен и который не походил на гадолинит. Гадолин смог отделить новый минерал — и это была не иттриевая земля и не что-то уже известное. По всей вероятности, это было что-то совершенно новое, — и он назвал минерал «terre ochroite», «бледно-желтая земля», что — я думаю, вы согласитесь, — является совершенно неудачным названием.

Примерно в то же самое время самый великий из живших тогда шведских (и европейских) химиков, Йёнс Якоб Берцелиус (1779–1848), работая со шведским геологом Вильгельм Гизингером (1766–1852), получил в чистом виде эту же землю. Клапрот был впереди буквально на шаг, так что ему и досталась слава первооткрывателя, но именно Берцелиус дал новой земле звучное имя, и в этом (что выглядит довольно странным) он следовал прецеденту, автором которого был Клапрот.

В Средние века алхимики называли различные металлы в честь планет. Когда Клапрот открыл в 1789 году новый элемент, он вспомнил, что всего за восемь лет до этого была обнаружена новая планета, впервые за историю человечества. Планета была названа Уран, и Клапроту показалось подходящим назвать новый элемент ураном в ее честь.

Когда Берцелиус и Гизингер получили свою землю в чистом виде, а это было в 1803 году, они помнили, что двумя годами раньше была открыта новая планета и ее назвали Церера. Тогда они назвали свою землю «цериевой землей». (За открытием Цереры последовало открытие ряда малых планет — астероидов — и церия, который вместе с иттрием был родоначальником целой серии сходных элементов. Подобное совпадение не встречается даже в фантастической литературе.)

Но прошло еще одно поколение, когда две родственных (поскольку они были очень схожи в химических свойствах) земли, иттриевая и цериевая, начали вызывать серьезное недоумение по крайней мере у одного из химиков. Обе земли были весьма схожи, и после их перемешивания разделить снова было трудно. Как можно быть уверенным, что одна из этих земель сама не является результатом смеси?

Химик, который задался таким вопросом, был Карл Густав Мосандер (1797–1858), ученик Берцелиуса. Он уже занимался редкоземельными элементами, когда пытался отделить металлическую часть цериевой земли, используя пары калия для того, чтобы удалить кислород. Хоть и с трудом, ему удалось (работа с парами калия — это труд, который я никому бы не пожелал) получить не очень чистый экземпляр металла, церия. Он первым получил редкоземельный металл, но в чистом виде церий и сходные с ним металлы были получены только в XX веке. Пытаясь найти новые земли, химик обработал цериевую землю азотной кислотой и обнаружил то, что подозревал, — некоторые из компонентов растворялись быстрее остальных. Растворившуюся часть он отделил; обнаружилось, что это земля, но не цериевая земля, хотя и очень похожа на нее. Химик назвал новую землю лантановой, от греческого слова, обозначающего «спрятанный», поскольку этот элемент был «спрятан» в цериевой земле (это название предложил Берцелиус).

Но Мосандер на этом не остановился. Он продолжал работать с полученной лантановой землей для того, чтобы определить, нет ли у нее примесей. Это заняло два года упорного труда, поскольку методы тех дней были очень несовершенны, но в 1841 году Мосандер пришел к радостному заключению, что и в лантановой земле, которую он добыл из цериевой, есть еще одна земля, которая до сих пор оставалась скрытой. Эту новую землю он назвал «didymia», дидимиевая земля, от греческого слова, обозначающего «близнецы», поскольку он полагал, что новая земля — это почти неотделимый близнец лантановой земли.

Все это уже стало походить на шутку. Когда была найдена одна необычная земля, иттриевая, это было выдающимся открытием — этого вполне достаточно. Но когда новые земли стали появляться одна за другой, как кролики, это начало вселять тревогу. Теперь было уже четыре земли: иттриевая, цериевая, лантановая и дидимиевая. Кто мог сказать, сколько еще их может быть?

Примерно в это время термин «редкоземельный» начал применяться уже только к этому «семейству».

Мосандер продолжил свою кропотливую работу. Он взял цериевую землю Клапрота и добыл из нее еще две новых земли. Было бы удивительно, если бы он не сделал того же с иттриевой землей Гадолина, которому было уже пятьдесят лет и который так и не смог правильно использовать свое открытие.

Мосандер принялся за изучение иттриевой земли. Очень осторожно он удалил из нее цериевую, дидимиевую и лантановую земли (а они были в исследовавшемся куске земли, поскольку любой образец с редкоземельными элементами, если его обрабатывать очень тщательно, похоже, может содержать частицы всего семейства).

Как только это было сделано, Мосандер должен был получить чистую иттриевую землю, но получилось ли у него это? Путем тщательной обработки с помощью азотной кислоты он в конце концов получил в 1843 году три разных земли с разной растворимостью в кислоте. Все три земли разнились в окраске. Бесцветная фракция оказалась самой большой, и по этой причине за ней осталось первоначальное название — иттриевая земля. Желтую землю Мосандер назвал эрбиевой землей, а розоватую — тербиевой.

Все три названия — иттриевой, эрбиевой и тербиевой земель — произошли от названия карьера, где был найден первый образец — Иттербю. В каком-то смысле схожесть названий была правильной, поскольку она показывала тесную химическую связь трех земель и их общее происхождение.

С другой стороны, для одного карьера Иттербю оказалось чересчур много чести. Число элементов ограниченно, и их названия следовало бы использовать более бережно, чтобы кого-нибудь увековечить. (Конечно, для этой цели названия не использовались; многие из элементов получили свои названия по очень прозаическим причинам, и сейчас слишком поздно с этим что-то делать.)

Более того, названия «эрбиевая земля» и «тербиевая земля» звучат столь одинаково, что очень легко их спутать. Так и случилось — то, что Мосандер назвал эрбиевая земля, потом стало зваться тербиевая земля, и наоборот. Это не имело каких-либо последствий, но все же свидетельствовало о том, что названия надо подбирать более тщательно.

Таким было положение вещей, когда появилось новое поколение ученых. У них было уже шесть редких земель, и эти земли приводили тогдашних ученых в замешательство. В 1869 году Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) создал Периодическую систему элементов, в которой они располагались в рациональном порядке, основанном на их химических свойствах. Полезность этой таблицы состояла в том, что стало возможным предсказывать существование некоторых элементов, которые еще не были открыты, и указывать их свойства с большой степенью вероятности. Все элементы должны были точно вписаться в таблицу — и два из уже известных в то время редкоземельных элементов, иттрий и лантан, вписались. Однако для четырех других места не нашлось, и со временем положение стало еще хуже: когда были обнаружены другие редкие элементы, только один из них вписался в таблицу достаточно удачно.

А 1878 году швейцарский химик Жан Шарль Галлисар де Мариньяк (1817–1894) получил эрбиевую землю (землю розового цвета, которую Мосандер поначалу назвал тербиевой землей). Дальнейшей обработкой он разделил ее на бесцветную землю и землю с более глубоким красным оттенком. Поскольку первоначальная эрбиевая земля имела цвет, он оставил это название за красной землей. Ту же землю, что была почти бесцветной, он назвал иттербиевой землей, также по названию прославленного карьера Иттербю. Таким образом, память об этом карьере сохранилась в названиях уже четырех земель, а следовательно, элементов.

На следующий год, в 1879-м, шведский химик Ларс Фредерик Нильсон (1840–1899) приступил к иттербию Мариньяка и выделил из него еще одну землю. К счастью, он не смог придумать, как заставить несчастный карьер Иттербю выдать еще одно название, так что решил дать обобщенное наименование скандиевая земля в честь Скандинавского полуострова в целом.

Эта земля прекрасно вписалась в таблицу Менделеева (если говорить о версии таблицы XIX века, то это была последняя земля, которой это удалось), причем особенно удачно. Когда Менделеев создал таблицу, он попытался предугадать свойства трех элементов, которые до того еще не были открыты. Один из этих элементов действительно был обнаружен в 1875 году и был назван галлий; он точно соответствовал предсказанию. Новая земля, скандиевая, содержала металлический элемент «скандий», который был вторым из предположенных Менделеевым элементов, и он тоже имел ожидаемые свойства.

Но если из иттербиевой земли Мариньяка можно было получить новую землю, не следовало ли еще изучить и эрбиевую землю, из которой была получена иттербиевая земля? Можно ли было добыть из эрбиевой земли что-либо полезное?

Еще один шведский химик, Пьер Теодор Клеве (1840–1905), обнаружил, что можно. В 1879 году он завершил разделение эрбиевой земли. Для главной фракции он оставил название эрбиевой земли. Две меньших по объему фракции он назвал гольмиевая земля и тулиевая земля. Гольмиевая земля была названа в честь Стокгольма — города, в котором жил Клеве. Тулиевая земля была названа в честь Туле — в древности так называли легендарную землю на Дальнем Севере, которую некоторые ученые связывали со Скандинавией.

Открытия продолжились, когда за них взялся французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран (1838–1912). Именно он открыл галлий при помощи новомодной спектроскопической техники. Оказалось, что каждый элемент дает свою собственную комбинацию спектральных линий при нагревании добела, и потому французский физик направил свой спектроскоп на редкоземельные элементы.

Теперь уже работы велись не наугад. Если два образца какой-то земли, полученные из различных минералов и при помощи различных техник, показывают разные спектры, тогда данный экземпляр не является чистым и в нем присутствует по крайней мере еще одна субстанция.

Французский физик обнаружил, что одна из найденных Мосандером земля, дидимиевая, при исследовании спектроскопом является подозрительной. Он начал ее разделять, проверяя спектр на каждом шаге. В 1879 году он отделил новую землю и назвал ее самариевой.

Кто-то подумает, что это название происходит от библейского города Самарии, но это не так. Так случилось, что руда, с которой работал французский физик, называлась самарскит. Более того, самарскит был типом руды, впервые открытой в России и названной в честь полковника Самарского — малоизвестного шахтного чиновника. Самарий стал первым элементом, названным в честь человека, но так случилось, что название элемента прославило лицо, которое не имело каких-либо значительных заслуг.

В 1886 году французский физик добился нового успеха, получив из самариевой земли еще одну землю, идентичную той, которую Мариньяк получил ранее (с меньшей уверенностью) в 1880 году. Это подтвердило, что Мариньяк действительно был первооткрывателем новой земли. Но имя ей дал французский физик. С разрешения Мариньяка он назвал новую землю гадолиниевая в честь Юхана Гадолина, с которого все началось около столетия до того и который к тому моменту уже скончался. По крайней мере, земля получила название в честь заслуживающего это человека.

Из всего списка элементов, названных в честь людей, только самарий и гадолиний являются стабильными из общего числа в восемьдесят один. В названиях элементов прославлены другие, более великие люди, но такие имена, как Менделеев, Кюри, Эйнштейн и Ферми, присвоены короткоживущим радиоактивным элементам, открытым после Второй мировой войны (к слову, эти радиоактивные элементы имеют интересную связь с редкими землями, но это другая история для другой книги).

После этого менее чем за два года было найдено шесть новых редких земель, однако все еще не было метода, который позволил бы определить, сколько еще земель осталось открыть.

К примеру, дидимиевая земля, которая была источником для самариевой и гадолиниевой, все еще выглядела подозрительно — даже после того, как эти две земли были выделены. Австрийский химик Карл Ауэр барон фон Вельсбах (1858–1929) принялся за исследования в 1885 году и обнаружил, что земля, которую поначалу назвали «близнецами», и в самом деле состоит из двух элементов. Он аккуратно разделил эти элементы.

В первый раз, однако, разделение не выявило преобладания какой-то одной фракции, за которой можно было бы оставить прежнее название. Дидимиевая земля совершенно исчезла из списка земель, и это была единственная редкая земля, которую постигла такая участь (она просуществовала в общем списке сорок лет). Две полученные фракции были названы празеодимовая земля, «praseodymia» («зеленые близнецы», поскольку у нее был зеленый оттенок), и неодимовая земля, «neodymia» («новые близнецы»).

В следующем, 1886 году Лекок де Буабодран, работая с гольмиевой землей Клеве, смог выделить еще одну новую землю, которую назвал диспрозиевая земля, по греческому слову, обозначающему «трудно получить это».

После этого дело замедлилось, но не прекратилось совсем. Новые земли открывали даже после начала XX века. В 1901 году французский химик Эжен Демарсе, столь же первоклассно владеющий спектрографом, как и Лекок, разделил самариевую землю путем серии замысловатых манипуляций и получил новую землю, которую назвал европиевой в честь всего континента.

Наконец, в 1907 году еще один французский химик, Жорж Урбен (1872–1938), сделал то же самое с иттербиевой землей и выделил еще одну редкую землю, для которой использовал довольно необычное название — лютециевая земля — по древнеримскому названию города, который позднее стал именоваться Парижем (надо ли говорить, что химик родился в Париже).

Теперь давайте сделаем временную остановку и посмотрим на редкие земли, которые были известны к 1907 году. Я перечислю их в порядке открытия:

Было открыто семнадцать редкоземельных элементов. Дидимий исчез из списка, так что осталось шестнадцать.

Шестнадцать элементов, которые формируют тесную семью очень схожих по своим химическим свойствам, невозможно было разделить до конца, используя методы XIX века! Химики не имели ни малейшего представления, сколько еще элементов могло быть найдено, и потому находились в большом замешательстве.

Периодическая система Менделеева ничем в этом отношении не могла помочь. Три из редкоземельных элементов — скандий, иттрий и лантан — имели места, куда их можно было бы определить, для остальных места в системе не было.

Редкоземельные элементы ставили перед учеными и химической наукой в целом неразрешимую проблему. Если Периодическая система верна, то в ней должно существовать место для редкоземельных элементов, так как она была самым фундаментальным достижением химии в XIX веке.

К счастью, необходимое место было найдено, но об этом потом. Прежде, в следующей главе, давайте пристальнее поглядим на Периодическую систему.