Земля и космос. От реальности к гипотезе - Айзек Азимов

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).