Открытие химических элементов и единичное, особенное и всеобщее как этапы познания вещества с точки зрения Энгельса

«Единичность, особенность, всеобщность — вот те три определения, в которых движется все «Учение о понятии»»,— говорит Энгельс. В области учения о химических элементах единичное представлено индивидуальными элементами с их свойствами; особенное выступает как соотношение аналогичных элементов и их группировка в более или менее обособленные естественные группы; общее отражено в периодическом законе элементов, который обоснован современным учением о строении атомов.

 

Насколько такой взгляд обоснован не только законами мышления, но и законами природы, показывает история открытия химических элементов. До 1800 г. открытия элементов происходили только в порядке единичных событий и были поэтому очень редки. В древности были известны семь металлов, которые встречаются в природе в свободном состоянии: золото, серебро, медь, железо, олово, свинец и ртуть, а из неметаллов — сера и углерод. Кроме того, в Вавилонии знали сурьму. В средние века алхимики открыли висмут, цинк, фосфор и мышьяк.

 

Эти открытия носили случайный характер. Вследствие своей малой химической активности перечисленные элементы легко получались в виде простых веществ или встречались в свободном виде в естественных условиях.

 

Обычно такие открытия происходили следующим образом. В процессе химических операций химики-практики наталкивались на множество новых веществ, среди которых случайно оказывались отдельные, дотоле еще неизвестные химические элементы (точнее сказать, химически простые вещества). Однако никакой внутренней связи между открытием одного элемента и открытием другого не было, каждое из них представляло независимый, единичный факт. Так, к концу XVIII в. оказались по отдельности, разрозненно открытыми все главные элементы будущей V группы — азот, фосфор, мышьяк, сурьма и висмут; никакой связи между ними замечено не было, хотя с химической стороны они представляют собой близкие аналоги. Все они открывались различными способами, в различное время и в различных странах, как совершенно независимые вещества, как единичные объекты природы. Например, в 1669 г. алхимик Бранд, перегоняя мочу, совершенно случайно получил сильно фосфоресцирующее вещество, названное им «фосфором», которое обладало столь необычными свойствами, что вызвало возбуждение в умах естественников того времени.

 

Начиная с XIX в. и даже раньше, со второй половины XVIII в., наметился переход к открытию элементов целыми группами. В этих открытиях стала играть решающую роль особенность химических свойств элементов данной группы, благодаря которой устанавливалось их сходство между собой и отличие от остальных элементов. В итоге число известных элементов стало быстро возрастать. Так, в XVIII в. флогистики открыли одиннадцать новых элементов, среди них — платину; спутники железа — кобальт и никель, а позднее — марганец и хром; вольфрам; спутник серы — теллур (второй ее спутник, селен, был открыт в XIX в.); четыре газообразные элемента — водород, кислород, азот и хлор.

 

Здесь групповым способом были открыты не только последние четыре газа, но и четыре спутника железа и спутник серы. Но в XVIII в. это была еще первая ласточка. Начиная с XIX в., групповой способ открытия элементов стал правилом. «Годы с 1800 по 1870,— пишут Рабинович и Тило,— можно назвать, собственно, эпохой открытия элементов» * 27. Действительно, за первые три четверти XIX в. было открыто около 40 новых элементов. Объясняется это тем, что в связи с применением новых физических методов для целей химического анализа и улучшением способов разделения химически близких веществ элементы, начиная с первых лет XIX в., стали открываться не только в одиночку, но и целыми семействами и группами.

 

Одним из первых образцов нового типа открытий явилось открытие калия и натрия, сделанное Гемфри Дэви в 1807 г. Окиси этих металлов были известны уже давно. Едкие щелочи под именем растительной и минеральной долгое время принимались за элементы. Но уже Лавуазье стал предположительно считать их окисями неизвестных еще радикалов, т. е. элементов. Однако щелочные металлы, в отличие от ранее известных, являются химически чрезвычайно активными и дают очень прочные соединения с кислородом; поэтому известными в XVIII в. химическими способами их нельзя было выделить из их окисей (восстановить) . Нужен был новый, чрезвычайно сильный физический агент, который мог бы разорвать их связь с кислородом. Действие этого агента, не будучи ограничено областью какого-либо вещества, делало бы возможным одновременное открытие целой группы химически активных металлов, поскольку, повторяем, их окиси были уже известны к тому времени.

 

Таким «могущественным агентом» явился гальванический ток. Он получался от созданного в 1800 г. Вольтова столба.

 

«При первых моих попытках разложения нелетучих щелочей,— пишет Дэви,— я действовал... самым мощным источником электричества, которым я только мог располагать. Последний был составлен из вольтаических батарей...» 28 Заметив, что вода препятствует выделению свободного металла, Дэви взял едкое кали «в огненно расплавленном состоянии» 29, после предварительной сушки. Тогда вещество стало легко плавиться и разлагаться «мощными электрическими силами». У отрицательного электрода стали появляться «маленькие шарики с сильным металлическим блеском» 30, которые быстро реагировали с кислородом воздуха, иногда сгорая со взрывом. Это и был металлический калий. Таким же способом был получен металлический натрий.

 

В данном случае новые элементы были открыты не в одиночку, а совместно, и не случайно, а на основе заранее сложившегося взгляда, учитывавшего, что по своим свойствам они проявляют характерную для них особенность — сильнейшую химическую активность.

 

Через год тем же путем Дэви открыл новую группу металлов — группу щелочно-земельных металлов, члены которой — магний, кальций, стронций, барий — обладали также большой химической активностью, хотя и меньшей, чем щелочные металлы. Позднее (в 1855 г.) был найден литий, входящий в группу щелочных металлов. Еще раньше (в 1803 г.) были открыты спутники платины — родий и палладий (Волластоном), осмий и иридий (Теннантом). В 1845 г. Клаус в Казани нашел рутений, назвав его так в честь России.

 

Позднее открытие новых методов физического исследования снова приводит к открытию особых групп элементов. В 1860 г. Бунзен и Кирхгоф создали спектральный анализ. С помощью этого метода могут быть замечены самые ничтожные количества вещества. Более того, «спектральный анализ,— писали Бунзен и Кирхгоф,— открывает химическому исследованию еще громадное поле деятельности, простирающееся далеко за пределы земного шара и до сих пор совершенно недоступное изучению химика: он позволяет открывать в сколь угодно далеко отдаленном от нас раскаленном газе содержащиеся в нем вещества» 31. Таким способом почти одновременно Бунзен открыл два новых щелочных металла — рубидий и цезий. Немного позднее были открыты еще два металла из будущей III группы периодической системы — таллий и индий. Так, Крукс нашел, что спектр, образуемый остатками от обжига колчеданов, содержит ярко-зеленую линию нового элемента, который он назвал таллием. Два года спустя тем же путем был обнаружен индий по красивой синей линии в спектре, который давали огарки цинковой руды. А еще через пять лет Локиер тем же методом обнаружил на Солнце гелий, принадлежащий к будущей нулевой группе. Однако только гораздо позднее, уже после открытия периодического закона, Рамзаю удалось открыть всю нулевую группу, включая и гелий, не только спектроскопически, но выделив каждый газ в отдельности.

 

Особенно характерной была история открытия редкоземельных элементов. На рубеже XVIII и XIX вв. были открыты две «земли» — итриевая и цериевая. Из первой были выделены сначала три элемента — итрий, эрбий и тербий, а эрбий был последовательно разделен дальше и из него было выделено еще пять новых элементов.

 

Точно так же из второй земли были сначала выделены два элемента — церий и лантан, а лантан был последовательно разделен дальше с выделением из него четырех новых элементов. Особым приемом разделения служил здесь способ дробной (фракционной) кристаллизации солей.

 

Но если открытия отдельных элементов стали происходить, как правило, группами, то открытия самих групп до последней четверти XIX в. оставались на уровне установления единичных фактов.

 

Более высокого этапа процесс открытия элементов достиг с установлением периодического закона, благодаря которому была раскрыта всеобщая связь элементов. Поэтому в дальнейшем искание и открытие элементов становятся необходимым следствием, вытекающим из их общего закона. Рассмотрение элементов в их общей связи позволяет определить не только то, каких элементов еще не хватает, но и то, какими индивидуальными свойствами они должны обладать и даже какими особыми способами и где их следует искать.

 

Периодический закон выступил, таким образом, как всеобщее, включающее в себя моменты единичного и особенного. Без периодического закона «мы не имели никаких поводов,— пишет Менделеев,— предсказывать свойства неизвестных элементов... даже не могли судить о недостатке или отсутствии тех или других из них. Открытие элементов было делом одного наблюдения. И оттого-то только слепой случай и особая прозорливость и наблюдательность вели к открытию новых элементов. Теоретического интереса в открытии новых элементов вовсе почти не было, и оттого важнейшая область химии, а именно изучение элементов, до сих пор привлекала к себе только немногих химиков. Закон периодичности открывает в этом последнем отношении новый путь» 32.

 

Так, Менделеев определил, что в III группе имеется незанятое место между алюминием и индием, которое должен занять неизвестный еще элемент (экаалюминий).

 

«Свойства этого металла,— говорил Менделеев в 1870 г.,— во всех отношениях должны представлять переход от свойств алюминия к свойствам индия и очень вероятно, что этот металл будет обладать большею летучестью, чем алюминий, а потому можно надеяться, что он будет открыт спектральным исследованием, подобно тому, как открыты следующие за ним индий и талий, хотя он и будет, конечно, менее летуч, чем оба эти элемента, а потому и нельзя ждать для него столь резких спектральных явлений, какие привели к открытию этих последних»33.

 

Предсказания Менделеева блестяще подтвердились, вплоть до того, что галлий, в который воплотился экаалю-миний, был открыт Лекоком де-Боабодраном в 1875 г. именно с помощью спектрального анализа. Совпадение индивидуальных свойств галлия, а также его особенных свойств как элемента III группы с вытекающими из общего положения следствиями и такие же совпадения у скандия и германия Менделеев рассматривает как «реальные доказательства правильности и общности периодического закона» 34.

 

Точно так же были предсказаны Менделеевым экабор и экакремний, воплотившиеся позднее в скандий и германий.

 

Тем самым открытие новых элементов превратилось в составную часть разработки всеобщего закона.

 

В 1895 г. Рамзай открыл в некоторых природных минералах гелий, а в воздухе нашел вместе с Релеем элемент той же будущей нулевой группы — аргон; поместив оба новых элемента в систему Менделеева, Рамзай обнаружил между ними незанятое место и два пустых места ниже аргона. «По образцу нашего учителя Менделеева,— пишет Рамзай,— я описал, поскольку возможно было, ожидаемые свойства и предполагаемые отношения газообразного элемента, который должен был бы заполнить пробел между гелием и аргоном» 35. Затем, опираясь на закон Менделеева как на общую закономерность, Рамзай стал искать новые газы. Особенностью новой группы элементов была их химическая недеятельность. «Многочисленные опыты, предпринятые мною для определения возможных химических свойств этого газа,— писал Рамзай об аргоне,— дали все отрицательный результат. Казалось, что этот газ неспособен вступать в соединения» 36.

 

Возникал вопрос: где же и какими способами искать новые неизвестные еще газы? Физическое состояние, показывающее на слабость сил притяжения между молекулами, находилось в связи с их основной химической особенностью — неспособностью вступать во взаимодействия с другими веществами. Это давало указание, где и как следует искать новые элементы. «Такие индифферентные газы должны были существовать в воздухе, если только вообще их существование возможно» 37,— говорил Рамзай. Вследствие их особенности разделение их смеси химическим путем было, по крайней мере практически, невозможно. Для этого требовалось применить особый физический метод, например типа фракционной перегонки, позволяющий индивидуализировать составные части жидких смесей. Чтобы применить такой метод, следовало предварительно превратить газы в жидкость. Поэтому, как только Линде изобрел (1895) способ сжижения воздуха, Рамзай стал исследовать состав полученного жидкого воздуха; вскоре он обнаружил, что после испарения большей части жидкости в трубке остается еще некоторое ее количество. Подвергая ее фракционированию, Рамзай со своим помощником выделили газы криптон, неон и, наконец, ксенон. Когда неон был достаточно очищен, то оказалось, что это действительно был предсказанный Рамзаем еще «не открытый элемент».

 

На этом примере еще резче выявилась взаимная связь и субординация ступеней познания единичного, особенного и всеобщего при исследовании химических элементов. Не только предвидение отдельных элементов, но и выбор особого метода для их открытия определились положением этих элементов в общей периодической системе.

 

Периодический закон сделал возможным научное предвидение в области химии. Познав объективную необходимую связь между элементами, Менделеев получил возможность сознательно направлять химический эксперимент, блестяще подтвердив слова Энгельса: «Не в воображаемой независимости от законов природы заключается свобода, а в познании этих законов и в основанной на этом знании возможности планомерно заставлять законы природы действовать для определенных целей».

 

Наряду с открытием новых элементов на основании общего закона, продолжалось их групповое открытие, исходившее из учета наличия у них особенных (групповых) свойств. Когда в 1896 г. было открыто явление радиоактивности, оказалось, что радиоактивные вещества испускают электрически заряженные частицы. Поэтому с помощью электроскопа их можно обнаруживать в смесях с другими веществами. Пользуясь таким методом, в конце XIX в. Мария Склодовская-Кюри открыла полоний, а вместе с П. Кюри — радий. В начале XX в. этим же методом были открыты актиний и новый инертный газ — радон.

 

Заметим теперь, что возможности предвидения у Менделеева были все же ограничены вследствие того, что физическая причина периодического изменения свойств элементов в XIX в. не была еще найдена.

 

Работы Мозели в 1913 г. углубили знание периодического закона, подведя под него еще более общую основу. Установление порядкового номера позволило точно определить число элементов в каждом периоде. Было обнаружено, что между лютецием и танталом (по горизонтали) отсутствует элемент с порядковым номером 72. Возникал вопрос: принадлежит ли неизвестный элемент к группе редких земель (как и лютеций) или нет? В 1921 г. Бор показал, что особенностью редкоземельных элементов является достройка в атомах более глубокого электронного слоя (третьего снаружи), в отличие от других элементов, у которых происходит либо постройка самого наружного (первого) слоя, либо достройка второго слоя. Исходя из учета сравнительной устойчивости электронных структур атомов, Бор показал, что наибольшая устойчивость системы достигнута, когда в третьем слое находится 32 электрона, что имеет место у лютеция. Поэтому в следующем за лютецием элементе 72-й электрон должен включиться не в третий слой, достройка которого уже закончена, а во второй. Вследствие этого ожидаемый элемент 72 должен принадлежать не к семейству редких земель, а к IV группе, заняв место между цирконием и торием (по вертикали); поэтому он должен встречаться в природе не среди редких земель, а среди соединений циркония. Это предвидение, сделанное Бором в 1921 г., блестяще оправдалось; уже через год Костер и Хевеши открыли в цирконовой руде гафний, представляющий собой элемент 72.

 

В 1913 г. Содди и Фаянс открыли закон «сдвига», представляющий собой конкретизацию периодического закона Менделеева применительно к радиоактивным превращениям элементов. На основании закона «сдвига», следовательно, в конечном счете опять-таки на основании периодического закона, Фаянс предсказал существование неизвестного еще элемента, продуктом распада которого должен быть актиний,— протактиния. В 1918 г. протактиний был открыт теми же методами, как и остальные радиоактивные элементы.

 

Еще позднее, когда возникла трудность с выделением в чистом виде соединений протактиния, прибегли к рассмотрению особенных индивидуальных свойств этого элемента с точки зрения его положения в общей системе. «...Согласно периодическому закону,— пишет Аристид Гроссе,— следовало ожидать, что элемент 91, кроме свойств, сходных со свойствами тантала и Колумбия, обладает свойствами индивидуальными и характеристическими, отличающими его от его аналогов, которые должны были облегчить его выделение. Основываясь на этих соображениях, автору удалось выделить в 1927 г. первые два миллиграмма пятиокиси протоактиния... в чистом виде. Этот результат мы всецело приписываем руководящим идеям закона Менделеева» 39.

 

В 1925 г. на основе геохимической трактовки периодической системы элементов Ноддак и Таке открыли предсказанный Менделеевым двимарганец, назвав его рением.

 

В 1937—1940 гг. были искусственно получены четыре неустойчивых элемента, занимающие места внутри периодической системы с порядковыми номерами 43 (технеций), 61 (прометий), 85 (астатин) и 87 (франций).

 

Начиная с 1942 г. идет синтетическое получение трансурановых элементов с порядковыми номерами 93 (нептуний), 94 (плутоний) и т. д. до 104 (курчатавий). Элемент 101 получил название менделевия.

 

Практическое получение посредством синтеза элементов, отсутствующих в естественных условиях на Земле, может рассматриваться как высший этап открытия новых элементов; его основу составляет широкое применение физической теории, опирающейся на общие законы современной физики, в том числе и в первую очередь на периодический закон Менделеева в его современной форме.

 

История открытия химических элементов показывает, таким образом, не только последовательный переход от единичного через особенное к всеобщему, но и единство этих этапов познания, ибо с установлением периодического закона дальнейшее открытие отдельных элементов происходит в неразрывной связи с учетом их групповых особенностей и на основе рассмотрения их мест в общей системе. Схематически все это отображено в помещенной ниже менделеевской периодической системе, составленной в аспекте истории открытия элементов.

Категория: Наука и Техника | Добавил: fantast (24.01.2019)
Просмотров: 79 | Рейтинг: 0.0/0