Научные сказки периодической таблицы. Занимательная история химических элементов от мышьяка до цинка - Хью Олдерси-Уильямс

Самое простое оборудование стало ключом к анализу незнакомых минералов. У него было огромное преимущество – оно могло быть использовано в полевых условиях. Один известный шведский минералог в своем руководстве замечает, что трубка была настоящей «карманной лабораторией». И даже такой упорный и проницательный ученый-любитель, каким был И.-В. Гёте, пользовался наставлениями Берцелиуса в правилах ее использования. Со временем паяльную трубку из научного обихода вытеснил спектроскоп, но она сохранялась в арсенале средств обучения аналитической химии до середины ХХ столетия. Андерс Лундгрен вспомнил, как пользовался ею в школе, и подробно описал мне, как она работает. При всей внешней простоте для получения надежных результатов она требует сильных легких и дьявольского искусства в обращении с нею. Широта возможностей трубки основана на том, что с ее помощью можно продувать поток воздуха через различные области пламени, создавая таким образом зону высокой температуры, которая способна либо окислять, либо восстанавливать (обратный химический процесс) исследуемый образец минерала.

Если исследователь достаточно внимателен и опытен в подобного рода работе, в ходе этого, на первый взгляд, довольно примитивного процесса можно получить достаточно обширную и разнообразную информацию. Если у него хватит дыхания поддерживать поток воздуха в течение 10 или 15 минут, чтобы образец минерала достиг стадии красного каления, то цвет пламени будет меняться в зависимости от того, пары каких металлов от него исходят (воздуховод трубки как раз и загнут под углом 90 градусов, чтобы исследователю было хорошо видно то место, где пламя соприкасается с минералом). Запах паров может свидетельствовать о наличии таких неметаллических ингредиентов, как сера, селен и теллурий. Даже звук, издаваемый минералом, может иметь определенное значение. Потрескивание, к примеру, свидетельствует о том, что в образце высвобождается химически связанная вода.

Паяльная трубка, на мой взгляд, воплощает в себе суть того, что Андерс называет специфически шведской «утомительной, но добротной химией». Даже ученые время от времени могли смертельно уставать, потея над непонятными минералами. В отчаянии они растворяли их и получали бесконечную последовательность почти не отличимых друг от друга солей. Этот мир был бесконечно далек от мира скандинавской мифологии, сияющего сказочным золотом и медью, янтарем и драгоценными камнями. Какие же яркие вспышки надежды мелькали в воображении скандинавских минералогов, когда они проводили свои тяжелые эксперименты. В их времена наука полностью зависела от практических умений занимавшегося ею специалиста, строилась на нечеловеческом терпении и выдержке и, конечно же, на прекрасном знании исходного минерального сырья. Именно перечисленные качества, а вовсе не личная гениальность и не экстравагантное оборудование, являются истинной причиной открытия такого большого числа элементов именно на этой северо-восточной оконечности Европейского континента. Названные качества, ну и, конечно, необычайное богатство тамошней почвы.

Редкоземельные элементы не так уж и редки, о них просто мало говорят. Эта группа элементов, многие из которых открыты были именно в Швеции, заполняет тот ряд периодической таблицы, который как будто висит под основной ее частью, подобно списку «свободных мест» под вывеской мотеля. К ним относятся: скандий, иттрий, лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций. И, хоть, как я уже сказал, не такие уж они и редкие, ничего нет удивительного в том, если вы не слышали ни об одном из них.

В них нет ничего от рыхлой земли, все это металлы среднего веса. И свое название «редкоземельные» они заслужили исключительно за то, что так долго сопротивлялись выделению из окислов, составляющих минеральное сырье. Подобная неподатливость, вероятно, служит основной общей характеристикой редкоземельных элементов. Во всех других отношениях их характеристики довольно различны. Вообще, даже может вызвать некоторое изумление, что некоторые из них, как, например, скандий и иттрий в начале ряда и лютеций в конце, принадлежат к одному списку.

Почти каждый случай выделения редкоземельных элементов – от иттрия в 1794 г. до прометия в 1945 г. – был крайне нудным и утомительным занятием. Все эти открытия (кроме достаточно аномального радиоактивного прометия) тем не менее имеют одну важную отличительную особенность – все они были сделаны серьезными и основательными химиками. Здесь не было никакой зависимости от уникальных технологий, почерпнутых из физики, как в случае с некоторыми другими группами элементов: щелочными металлами, открытыми Дэви электролитическим способом; инертными газами, обнаруженными Рамзаем в сиянии газоразрядных трубок; трансурановыми элементами, полученными на ускорителе элементарных частиц в Беркли. Выделение редкоземельных элементов было результатом обычных традиционных химических процедур. И самая типичная из них состояла в растворении исходного материала в кислоте, в результате получался раствор, содержащий смесь солей. Затем они медленно выпаривались так, что соли каждого элемента кристаллизовались по очереди. Тщательное и многократное повторение этого процесса – иногда по нескольку тысяч раз – позволяла химикам в конечном итоге отделить очень сходные вещества друг от друга и затем выделить из них новые, еще неизвестные элементы. И, как сухо заметил один историк химии, названный процесс был «грандиозным предприятием, которое в настоящее время вряд ли кто-то согласился бы поддерживать грантами».

Каким бы монотонным ни был такой труд, подобные длительные проекты были настоящей находкой для определенного типа исследователей. Швед Карл Мосандер хвастался своим совершенным незнанием химической теории и на практике продемонстрировал, насколько несущественным было оно в такого рода экспериментах, открыв больше редкоземельных элементов, чем кто-либо другой, попросту благодаря упорному сидению за лабораторным столом на протяжении многих и многих часов. В ретроспективе, при наличии имеющихся у нас сегодня знаний в теоретической и практической химии, не так уж и трудно собрать по крупицам истории открытия редкоземельных элементов. По крайней мере, сделать это сейчас словами во много раз легче, чем когда-то собирать по крупицам сами названные элементы, однако, по-видимому, подобное предприятие было бы не менее скучным и однообразным. Поэтому я не стану тратить время, в подробностях разбирая биографию каждого из них, а выберу одного или двух в качестве представителей всего ряда. В любом случае разница между ними незначительна. Они ведут себя сходным образом и применяются примерно в одинаковых областях. В некоторых сферах применения они приносят ощутимую пользу. Редкоземельные элементы широко, хотя и достаточно экономно используются в муравлении керамики, во флуоресцентных лампах, в телеэкранах, лазерах, сплавах и огнеупорных материалах. Но в большинстве случаев не имеет принципиального значения, какой конкретно из них выбрать, и потому выбор, как правило, совершается почти произвольно. Хотя, конечно, не всегда. В ряде случаев какой-то один из них демонстрирует определенные преимущества над всеми остальными.