Chemistry: A Volatile History — документальный фильм BBC 2010 года об истории химии, представленный Джимом Аль-Халили . Он был номинирован на премию British Academy Television Awards 2010 в категории Specialist Factual.
Только за последние 200 лет мы узнали, что такое элемент — вещество, которое не может быть далее разрушено посредством химической реакции .
Древние греки, не имея возможности разлагать вещества, могли основывать свои представления об элементах только на том, что могли видеть: на Земле, Огне, Воде и Воздухе.
В XVI веке алхимики пытались превратить неблагородные металлы, такие как свинец, в золото.
Швейцарский алхимик и хирург Парацельс первым бросил вызов древнегреческой идее четырех стихий .
В 1526 году Парацельс был в Базеле, когда знаменитому печатнику Фробениусу сообщили, что ему придется ампутировать ногу в ходе операции по спасению жизни. Вместо того чтобы принять полученную мудрость, он обратился к Парацельсу, который вылечил его нетрадиционным способом, используя свои алхимические знания. Это утвердило его как радикального мыслителя, придав вес его идеям, главной из которых была идея о том, что мир на самом деле состоит из трех элементов: tria prima, включающей соль, серу и ртуть.
Парацельсу не удалось убедить истеблишмент — вместо этого он сумел разозлить его, сжег его признанные медицинские тексты, и в конечном итоге ему пришлось бежать из Швейцарии в Германию.
Однако именно алхимическая погоня за золотом привела к первому прорыву в охоте за новыми элементами.
В 1669 году Хенниг Бранд искал способ извлечения золота из человеческого тела и натолкнулся на идею использования мочи, думая, что моча может содержать некоторую часть «жизненной силы», жизненно важной для поддержания человеческой жизни. Чтобы избавиться от ненужных частей, в первую очередь воды, Бранд кипятил мочу в течение нескольких дней, пока не получилась густая паста. Наконец, появились фрагменты вещества, которое горело ярче любой средневековой свечи, доступной в то время, но которое оставляло сосуд, в котором оно горело, холодным: Бранд назвал это новое вещество icy noctiluca – «холодный ночной свет».
Вскоре после своего открытия ледяная ночлежка посетила королевские дома Европы, а в 1677 году она предстала перед Королевским обществом в Лондоне, тогда под председательством Карла II , где один из его членов решил провести расследование.
В своей книге « Новые эксперименты и наблюдения, сделанные на ледяной ночлежке» Роберт Бойль описывает эксперимент, в котором смешивались порошки серы и фосфора, заставляя их яростно гореть. Это открытие стало основой для изобретения спички.
Фосфор , как теперь называют ледяную ночницу, используется во всем: от спичечных головок до зубной пасты и, в конечном счете, в бомбах Второй мировой войны, которые разрушили тот самый город, в котором Бранд его открыл, — Гамбург.
Хотя Бранд так и не открыл золото, его случайное открытие элемента, ныне известного как фосфор, породило идею о том, что элементы могут быть скрыты внутри других веществ.
Более чем за десятилетие до этого, в 1661 году, через год после открытия Королевского общества, Бойль поместил «Скептического химика» в его хранилища. Эту книгу обычно считают поворотным моментом, ознаменовавшим переход от алхимии к химии. «Скептический химик» был новаторским в нескольких отношениях: он был написан не на латыни, как это было принято для книг по алхимии, а на английском языке; в нем не использовались старые химические символы для различных элементов, вместо этого использовались английские названия; и, что самое важное, он был фактически опубликован, а не держался в секрете.
Бойль был готов поделиться своими открытиями, чтобы позволить другим развивать его работу и углубить научное понимание элементов. Он хотел поставить алхимию на более научную основу – избавившись от метафизического багажа, который она принесла с собой из предыдущего столетия.
К сожалению, эта новая эпоха химического просвещения была полна тупиков.
В 1667 году немецкий ученый Иоганн Беккер предположил, что причиной огня является эфирная, не имеющая запаха, вкуса, цвета и веса сущность, называемая флогистоном . Идея заключалась в том, что флогистон заставляет вещи гореть, сводя их к чистой форме. Например, горящая древесина выделяет флогистон, оставляя чистую форму древесины – золу, поэтому древесина состоит из золы (чистой древесины) и флогистона.
Флогистон был принят как научная истина, парализуя способность научного сообщества открывать больше истинных элементов. Один ученый даже утверждал, что выделил флогистон.
Генри Кавендиш, крупный акционер Банка Англии со связями в королевской семье, был крайне застенчивым человеком, который внес важный вклад в химию, открыв первый элементарный газ.
Он добавил немного цинка в соляной спирт ( соляную кислоту ) и собрал выделяющийся в виде пузырьков эфемерный газ. Собранный им газ не имел вкуса, запаха и цвета, и, кроме того, он издавал скрипучий хлопок в присутствии пламени — это заставило Кавендиша назвать газ горючим воздухом , который, как он считал, был тем же самым, что и флогистон.
Кавендиш, хотя он этого и не осознавал, сделал важное наблюдение о горении флогистона на воздухе; на внутренней стороне стеклянной посуды образовалась росистая жидкость: вода . Это должно было иметь огромные последствия для всего научного сообщества в 1700-х годах, которое все еще считало воду элементарным веществом. Однако, если воду можно было получить путем сжигания горючего воздуха, то вода не элемент, а соединение .
Однако Кавендишу просто не пришло в голову, что вода является соединением — вместо этого он предположил, что воздух содержит форму воды, которую флогистон преобразовал в жидкую, элементарную воду.
Флогистон дал древнегреческой идее воды как элемента кратковременную отсрочку, но теперь греческая система оказалась под пристальным вниманием, поскольку Королевское общество поручило своим членам исследовать невидимые воздухи.
К середине 1700-х годов было известно три «эйра»:
Именно этот последний воздух привлек внимание Джозефа Пристли , унитарианского священника, любимым занятием которого было исследование воздуха, в частности, связанного воздуха, выделяемого в процессе брожения на пивоваренных заводах.
Страсть Пристли к науке привела к приглашению в Bowood House , чтобы обучать детей лорда Шелбурна . Это была прекрасная возможность, учитывая, что у Пристли не было денег, как у более ранних химиков, таких как Бойль и Кавендиш, и он все еще мог свободно заниматься своими собственными исследованиями.
В 1774 году Пристли провел чрезвычайно важный эксперимент: он нагрел ртутную известь и собрал выделяющийся газ. Он обнаружил, что этот газ способен снова зажечь угли ранее зажженной деревянной лучины. Он пришел к выводу, что лучина вводит флогистон в газ, только после этого он может гореть, поэтому газ должен быть «без флогистона» — это побудило Пристли назвать его дефлогистированным воздухом .
В октябре 1775 года Пристли сопровождал лорда Шелберна в поездке в Париж, где их пригласили на обед с выдающимися учеными того времени. Именно здесь Пристли встретил французского ученого Антуана Лавуазье .
Пристли рассказал Лавуазье все подробности своих экспериментов по получению дефлогистированного воздуха. В отличие от Пристли, Лавуазье имел одну из самых хорошо оборудованных лабораторий в Европе и теперь сосредоточил свое внимание на высокоточном измерении масс веществ до и после их нагревания.
Лавуазье взвесил образец олова, затем снова взвесил его после нагревания и обнаружил, что его масса увеличилась. Это был неожиданный результат, учитывая, что считалось, что олово выделяет флогистон в процессе горения. Лавуазье был поражен новаторской мыслью — может быть, олово впитало что-то из воздуха, что сделало его тяжелее, но если так, то что?
Чтобы исследовать это дальше, Лавуазье повторил эксперимент Пристли наоборот — он нагрел немного ртути в герметичном контейнере, пока она не превратилась в ртутную известь, и измерил количество поглощенного воздуха. Затем он нагрел ртутную известь и измерил количество выделившегося воздуха и обнаружил, что количества были такими же. Лавуазье понял, что что-то поглощалось из воздуха, когда ртуть нагревалась для получения ртутной извести, и тот же самый газ выделялся, когда нагревалась ртутная известь. Лавуазье пришел к выводу, что этот газ не был связан с флогистоном, а на самом деле был совершенно новым элементом, который он назвал кислородом .
Лавуазье успешно избавился от необходимости теории флогистона и признал «дефлогистированный воздух» Пристли элементом кислородом. Несмотря на то, что именно оригинальная работа Пристли заложила основы его открытия, Лавуазье утверждал, что открыл кислород; в конце концов, Пристли не смог распознать его как новый элемент.
Лавуазье дал науке первое определение элемента: вещество, которое не может быть разложено существующими химическими средствами. Он также занялся составлением списка всех элементов — теперь 33 элемента заменили древние четыре. Его список был сгруппирован в четыре категории: газы, неметаллы, металлы и земли.
Вдобавок к этому Лавуазье создал систему классификации для постоянно увеличивающегося массива открываемых химических веществ. Как уже упоминалось, «дефлогистированный воздух» стал кислородом , «горючий воздух» стал водородом , но номенклатура соединений также была поставлена на более логичную основу, поскольку «купоросное масло» стало серной кислотой, «философская шерсть» стала оксидом цинка, а «вяжущий марсовый шафран» стал оксидом железа.
К сожалению, избавив мир от парадигмы флогистона, Лавуазье ввел два новых ошибочных элемента, которые теперь известны как чистая энергия: lumière и calorique; свет и тепло.
В отместку за его симпатии к революционерам во Франции, дом Пристли в Англии был подожжен в 1791 году, к счастью, он спасся благодаря наводке, но решил бежать в Америку. Вклад Лавуазье в науку был прерван в 1794 году революционерами, которые арестовали его по обвинению в враге французского народа и казнили на гильотине.
В 1807 году профессором химии в Королевском институте в Лондоне был корнуоллец Хэмфри Дэви . Он исследовал кристаллические соли поташа, поскольку не был убежден, что поташ является элементом, но к концу предыдущего столетия Лавуазье не смог разложить его дальше.
Однако с тех пор была изобретена первая электрическая батарея (ряды металлических пластин и картона, пропитанные соленой водой). Хотя ученые знали, что создание постоянного электрического тока было обусловлено некоторыми свойствами металлов, Дэви считал, что происходит химическая реакция. Если это было правдой, то, возможно, обратное также было правдой: электрический ток мог вызвать химическую реакцию.
Дэви нагревал поташ до тех пор, пока он не стал жидким, затем ввел два электрода и пропустил ток через расплавленный поташ. Было замечено сиреневое пламя, результат успешного разложения поташа на его составные элементы – одним из которых был ранее никогда не встречавшийся элемент калий .
Дэви продолжил добавлять шесть новых элементов к списку Лавуазье, а также подтвердил, что такие вещества, как хлор и йод, также являются элементами. К моменту его смерти в 1829 году идея элементов была прочно устоявшейся, было открыто 55 отдельных элементов, и в мире появилась новая наука: химия .
В начале 19 века было открыто только 55 из 92 встречающихся в природе элементов. Ученые не имели ни малейшего представления о том, сколько еще они могут найти, или вообще существует ли бесконечное число элементов. Они также пытались ответить на фундаментальный вопрос, а именно: есть ли закономерность в элементах?
Ученые недавно обнаружили, что когда элементы объединяются в соединения, они всегда делают это в одинаковых пропорциях по весу. Джон Дальтон считал, что для этого каждый элемент должен был состоять из своих собственных уникальных строительных блоков, которые он назвал атомами .
Дальтон предположил, что все во вселенной состоит из атомов, и что существует столько же видов атомов, сколько и элементов, каждый из которых имеет свой собственный вес подписи. Основываясь на этих идеях, работая полностью в одиночку, Дальтон попытался наложить некоторый порядок на элементы, составив список, где каждый элемент был представлен алхимическим символом, упорядоченным по атомному весу .
Хотя Дальтон не все атомные веса получил правильными, он указал науке верное направление. К сожалению, в начале 1800-х годов лишь немногие ученые приняли идею о том, что элементы имеют разные веса.
Шведский ученый Йенс Якоб Берцелиус был одним из немногих ученых, которые твердо верили в идею атомных весов и считали, что знать как можно больше об их весах жизненно важно. Когда он услышал о теории Дальтона, он приступил к гигантской задаче измерения атомного веса каждого известного элемента — без каких-либо доказательств того, что атомы Дальтона действительно существуют.
Это было даже сложнее, чем кажется на первый взгляд, если учесть тот факт, что было изобретено очень мало химической стеклянной посуды, необходимой для таких точных измерений. Берцелиусу пришлось изготовить большую ее часть самому.
Опыт Берцелиуса в выдувании стекла имел дополнительный бонус: в 1824 году он обнаружил, что одним из компонентов стекла является новый элемент — кремний . Открыв еще три элемента до кремния: торий , церий и селен , Берцелиус провел следующие десять лет, одержимо измеряя более двух тысяч химических соединений в поисках точных атомных весов элементов. В конечном итоге Берцелиус получил удивительно точные атомные веса для 45 элементов; его значение для хлора было точным в пределах 0,2% от значения, которое мы знаем сегодня.
Однако к тому времени, когда Берцелиус представил свои результаты, другие ученые уже измеряли атомные веса – и получали противоречивые результаты. Фактически, ученые искали всевозможные закономерности среди элементов.
Одним из таких охотников за образцами был немецкий химик Иоганн Дёберейнер . Он считал, что ключ к пониманию элементов лежит не в их атомных весах, а в их химических свойствах. Он заметил, что часто можно выделить три элемента, которые демонстрируют схожие свойства, например, щелочные металлы, которые он назвал триадами .
Проблема заключалась в том, что триады Дёберейнера работали только для нескольких элементов и не позволили ученым продвинуться дальше атомных весов.
В 1848 году сильный пожар уничтожил фабрику вдовы Марии Менделеевой. Столкнувшись с нуждой, она решила отправиться в 1300-мильное путешествие из Западной Сибири в Санкт-Петербург — пройдя значительную часть пути пешком — чтобы ее сын Дмитрий Менделеев смог продолжить свое образование в столице Российской империи .
В то время научное сообщество боролось с проблемой, как навести порядок в 63 элементах, которые были известны в то время. Менделеев был еще студентом, когда он посетил первый в мире международный химический конгресс , созванный для устранения путаницы вокруг атомных весов.
Сицилийский химик Станислао Канниццаро все еще был убежден, что атомные веса являются ключом к порядку элементов, и нашел новый способ их измерения. Канниццаро знал, что равные объемы газов содержат равное количество частиц, поэтому вместо работы с твердыми телами и жидкостями со всей вытекающей из этого ненадежностью он предложил измерять плотности газов для измерения веса отдельных газообразных атомов.
В то время как результаты Берцелиуса не смогли убедить никого, метод Канниццаро установил согласованный стандарт для точного измерения атомных весов. Химики вскоре обнаружили, что даже при точных атомных весах элементы по-прежнему кажутся неупорядоченными, но затем один английский химик сделал любопытное открытие.
В 1863 году Джон Ньюлендс заметил, что при упорядочивании по весу каждый восьмой элемент, по-видимому, имеет схожие свойства, например, углерод и кремний в последовательности: углерод, азот, кислород, фтор, натрий, магний и кремний. Он назвал это законом октав .
Три года спустя, в 1866 году, он представил свои идеи Химическому обществу . К сожалению для Ньюлендса, музыкальная аналогия не была хорошо принята — публика предположила, что он мог бы с таким же успехом расположить элементы в алфавитном порядке.
Сегодня октавы Ньюлендса известны как закон периодичности , и Менделеев мыслил в том же направлении.
К 1869 году Менделеев уже десять лет пытался найти порядок для элементов. Однажды ему пришла в голову идея сделать колоду карт с названиями элементов и начать играть в игру, которую он назвал «химический пасьянс». Он начал раскладывать карты снова и снова, просто чтобы посмотреть, сможет ли он сформировать узор, в котором все будет соответствовать друг другу.
До настоящего времени химики пытались сгруппировать элементы одним из двух способов:
Гениальность Менделеева заключалась в том, что он объединил эти два метода. Однако шансы были против него — было открыто чуть больше половины известных элементов: он играл неполной колодой карт.
Он не спал три дня и три ночи, а затем, наконец, 17 февраля 1869 года он уснул и увидел во сне все 63 известных элемента, разложенных в большой таблице .
Таблица Менделеева раскрывает взаимосвязь между всеми элементами в их порядке:
Обратите внимание, что углерод и кремний входят в группу IV, а летучие газы фтор, хлор и бром — в группу VII.
Менделеев был достаточно уверен в структуре своей таблицы, чтобы оставлять пробелы для неизвестных элементов, чтобы схема соответствовала ей, полагая, что позже будут открыты другие элементы , которые заполнят пробелы.
Итак, чтобы оправдать Менделеева, необходимо было заполнить пробелы, и, к счастью, в 1859 году были разработаны новые приборы для открытия элементов.
Роберт Бунзен знал, что когда определенные элементы горели в пламени его горелки, каждый из них окрашивал пламя в свой цвет. Медь горела зеленым, стронций красным, а калий сиреневым — Бунзен задавался вопросом, имеет ли каждый элемент уникальный цвет.
К Бунзену в его исследованиях присоединился Густав Кирхгоф . Кирхгоф использовал концепцию рассеивания белого света призмой при изобретении спектроскопа , прибора с призмой в центре, который расщеплял свет от пламени Бунзена на отдельные полосы составляющих его цветов – спектральные линии элемента .
Кирхгоф и Бунзен поняли, что эти спектральные линии уникальны для каждого элемента, и, используя эту технику, открыли два новых элемента: цезий и рубидий .
В 1875 году парижский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран с помощью спектроскопа открыл новый металлический элемент. Это был серебристо-белый мягкий металл с атомным весом 68 , который он назвал галлием в честь своей родной Франции. Оказалось, что у него очень низкая температура плавления , что соответствует всем ожидаемым свойствам элемента, который, как ожидал Менделеев, должен был заполнить пробел, оставленный им после цинка ; действительно, именно там элемент и был помещен в периодической таблице.
Хотя Менделеев и оставил необходимый пробел для галлия и других элементов, становилось ясно, что целая группа вообще отсутствует.
В 1868 году французский астроном Пьер Жанссен отправился в Индию как раз к полному солнечному затмению , которое произошло в августе того года. Помимо телескопа, он также отправился со спектроскопом, чтобы изучить спектральные линии света, испускаемого солнцем. Обычно из-за интенсивности солнечного света многие более слабые спектральные линии не видны рядом с чрезвычайной яркостью более сильных линий. Жанссен надеялся, что он будет наблюдать больше спектральных линий во время затмения, когда солнечный свет был менее интенсивным.
Затмение позволило Янссену наблюдать спектральную линию, которую он никогда не видел ранее и которая не была связана ни с одним известным элементом. Эту же спектральную линию подтвердил английский астроном Норман Локьер , который, думая, что элемент существует только на солнце, назвал его гелием в честь греческого бога солнца.
Однако вскоре другой британский ученый обнаружил гелий на Земле.
Растворив радиоактивную руду клевеит в кислоте, Уильям Рэмзи смог собрать газ, заключенный в породе, который имел атомный вес 4 и те же спектральные линии, которые наблюдал Локьер: гелий. До этого Рэмзи уже выделил из атмосферы новый газ: аргон с атомным весом 40.
Теперь возникла проблема — Менделеев не оставил пробелов, которые подходили бы для любого из этих двух новых элементов, что привело Рамзая к выводу, что в периодической таблице отсутствует целая группа, из которой теперь было известно о существовании только двух членов: гелия и аргона.
Рэмси успешно открыл все остальные стабильные элементы в группе, которую он назвал неон (греч. новый), криптон (греч. скрытый) и ксенон (греч. чужой). Все элементы этой новой группы имели одну ошеломляющую характеристику: отсутствие реакционной способности. Именно эта особая характеристика навела на мысль о названии новой группы: благородные газы .
Периодическая таблица Менделеева упорядочила все элементы, позволив ему делать прогнозы, которые будущие ученые проверяли и находили верными. К моменту своей смерти он был всемирно известен в химии. Его периодическая таблица была высечена на камне в Санкт-Петербурге, и в конечном итоге один из элементов был назван в его честь: менделевий .
Однако периодическая таблица не говорит нам, почему некоторые элементы очень реактивны, другие совершенно инертны, почему некоторые из них летучи, а другие менее. Только в начале 20-го века совершенно другая отрасль науки начала разгадывать ответы на эти вопросы.
В 1909 году физик Эрнест Резерфорд предположил, что структура атома похожа на структуру Солнечной системы: в основном пустое пространство с электронами, плавающими вокруг плотного ядра.
Впоследствии датский физик Нильс Бор выдвинул идею о том, что электроны занимают «фиксированные оболочки» вокруг ядра, которая получила дальнейшее развитие, когда было высказано предположение, что каждая такая оболочка может вместить только фиксированное число электронов: 2 в первой оболочке, 8 во второй оболочке, 18 в третьей оболочке и т. д., причем каждая оболочка вмещает все большее число электронов.
Химическое поведение всех элементов объясняется числом электронов на их внешних оболочках: для повышения энергетической стабильности своих электронных конфигураций атомы имеют тенденцию приобретать или терять электроны таким образом, чтобы достичь полной внешней оболочки. Натрий, имеющий 11 электронов – один в своей самой внешней занятой оболочке, перенесет электрон в присутствии фтора на свою самую внешнюю занятую оболочку, которая содержит семь электронов. В результате и натрий, и фтор теперь имеют полную внешнюю оболочку, и образуется фторид натрия.
Эта теория объясняла, почему все элементы реагируют так, как они реагируют, и почему некоторые образуют те соединения, которые они реагируют, а другие нет. Она также объясняла, почему элементы имеют те физические свойства, которые они имеют, что, в свою очередь, объясняет, почему периодическая таблица имеет такую форму. Однако один фундаментальный вопрос остался без ответа: сколько всего элементов — может ли быть бесконечное количество элементов между водородом и ураном?
Химик начала 20 века Генри Мозли предположил, что ответ на количество протонов лежит в ядре. Поджигая медь радиоактивным источником, он смог выбить электроны из ее атомов, высвобождая выброс энергии в виде рентгеновских лучей . При измерении рентгеновские лучи всегда имели одинаковую энергию, уникальную для меди. Он обнаружил, что каждый элемент испускает рентгеновские лучи с разной энергией. Гениальность Мозли заключалась в том, что он понял, что энергия рентгеновских лучей связана с количеством протонов внутри атома: атомным номером .
Поскольку это число протонов, атомный номер должен быть целым числом – не может быть никаких дробных значений. Мозли понял, что именно атомный номер, а не атомный вес определяет порядок элементов. Более того, поскольку атомный номер увеличивается в целых числах от одного элемента к другому, между водородом (атомный номер 1) и ураном (атомный номер 92) не может быть дополнительных элементов – может быть только 92 элемента, больше места нет.
Когда Мозели завершил это исследование, ему было всего 26. В возрасте 27 лет он погиб в бою во время Первой мировой войны — его застрелил снайпер.
Всего 92 элемента объединяются для образования всех соединений на Земле. Железо в сочетании с хромом, углеродом и никелем образует нержавеющую сталь . Стекло состоит из кремния и кислорода.
С доисторических времен люди занимались «ведром химии» — смешивали всевозможные химикаты, просто чтобы посмотреть, что получится. В результате многие ранние открытия в химии были случайными.
В Пруссии XVIII века Генрих Дисбах пытался получить синтетическую красную краску. Он начал с нагревания поташа (карбоната калия), не подозревая, что его поташ был загрязнен кровью. При нагревании белки в крови изменяются , позволяя им соединяться с железом в крови, в то время как карбонат реагирует с гемоглобином, образуя твердое вещество.
После нагревания полученного твердого вещества до состояния золы, фильтрации и разбавления Дисбах добавил зеленый купорос (сульфат железа), чтобы создать комплексный ион: ферроцианид железа. Наконец, добавление соляного спирта (соляной кислоты) дает яркий цвет: берлинскую лазурь .
Другой немецкий химик, Юстус фон Либих , с тех пор, как в детстве увидел фейерверки , был одержим идеей лучше понять элементы, создавая взрывчатые соединения. В частности, его интересовало взрывчатое соединение гремучее серебро .
В 1825 году он прочитал статью Фридриха Вёлера , в которой тот описал соединение, называемое цианатом серебра, состоящее из равных частей серебра, углерода, азота и кислорода, которое он описал как безвредное и стабильное. Фон Либих немедленно написал в ответ яростное письмо, осуждая Вёлера как безнадежного аналитика: именно эти элементы, объединенные в равных пропорциях, и были тем, что делало взрывоопасный гремучий серебряный газ.
Вместо того, чтобы отступить, Вёлер бросил вызов фон Либиху, чтобы тот сделал цианат серебра для себя. Результаты бы его поразили — те же самые элементы, которые соединялись по методу фон Либиха, при соединении по методу Вёлера давали два совершенно разных соединения .
Вёлер и фон Либих непреднамеренно открыли изомерию : одинаковое количество атомов одних и тех же элементов, объединяющихся по-разному, чтобы создать различные соединения. Со временем это объяснило бы, как всего 92 элемента могли создать огромный массив соединений, которые мы знаем сегодня.
Химики начали понимать, что понимание расположения атомов в соединениях имеет решающее значение, если они хотят разрабатывать новые соединения, и первый шаг в этом направлении был сделан с изучением углерода.
В 1796 году Смитсон Теннант экспериментировал с алмазами, когда решил сжечь один из них. Используя только солнечный свет и увеличительное стекло, ему удалось поджечь алмаз достаточно, чтобы он выделил газ, который он собрал и смог идентифицировать как углекислый газ.
Начав только с алмаза и кислорода и получив газ, содержащий только углерод и кислород, Теннант обнаружил, что алмазы состоят из углерода .
Не имея в то время представления об атомной теории, ученые не могли объяснить, как углерод, который уже был известен как одно из самых мягких веществ в форме графита , мог также быть единственным составным элементом самого твердого из известных веществ: алмаза .
Ровно 50 лет спустя молодой шотландский химик обнаружил, что в науке не предусмотрено никаких премий за второе место.
В 1856 году Арчибальд Скотт Купер поступил на работу к французскому химику Шарлю-Адольфу Вюрцу . В Париже у него возникла идея связей между атомами, которые могли бы объяснить, как отдельные атомы образуют соединения. Он назвал эти связи связями . Каким-то образом Купер понял, что углерод может образовывать четыре связи, тем самым прикрепляясь с разной прочностью к другим атомам углерода в соединении:
Способность углерода образовывать четыре связи также означает, что он может существовать в огромном разнообразии химических структур, таких как длинные цепи и даже кольца, что делает его редкостью среди элементов. Это помогло объяснить обилие углерода во всех формах жизни, от белка и жира до ДНК и целлюлозы, и почему углерод существует в большем количестве соединений, чем любой другой элемент.
Куперу оставалось только опубликовать свою статью...
Фридрих Кекуле был немецким ученым, который некоторое время учился в Лондоне. По-видимому, во время поездки в лондонском автобусе он натолкнулся на идею атомов, «держащихся за руки», образуя длинные цепи. Кекуле поспешил составить статью, формализующую его идеи об эквивалентной теории химических связей.
Тем временем в Париже Вюрц не спешили публиковать статью Купера, и Кекуле, чья работа появилась в печати первой, присвоил себе все заслуги. Когда Купер обнаружил, что Вюрц задержал отправку своей статьи для публикации, он пришел в ярость и был немедленно изгнан Вюрцем из лаборатории.
Сокрушительное разочарование от того, что он упустил свой шанс на научное признание, заставило его сначала уйти из науки, а затем пережить нервный срыв. Он провел годы в приюте для душевнобольных.
Однако теперь, когда ученые начали понимать, как углерод соединяется сам с собой и с другими элементами, стало возможным создавать новые соединения методом проектирования , и так родилась промышленная химия .
Спустя два десятилетия после изобретения в 1907 году первого в мире пластика — бакелита — Уоллес Карозерс успешно вытянул волокно из интерфейса двух жидкостей: гексан-1,6-диамина и декандиоил-дихлорида, которое можно было спрясть в очень тонкую, очень прочную нить. Ему дали название нейлон .
Поразительно, но всего через три недели после подачи заявки на патент на нейлон Карозерс, находившийся в депрессии, подсыпал в свой напиток еще одно соединение на основе углерода — цианистый калий — и покончил с собой.
Очевидно, промышленная химия не лишена недостатков, и один химик, возможно, в одиночку ответственен за загрязнение всей Земли свинцом .
Будучи инженером в General Motors , Томас Миджли-младший экспериментировал с множеством различных соединений, которые он добавлял в бензин в попытке предотвратить детонацию двигателей. В конце концов, он открыл одно соединение, которое работало блестяще: тетраэтилсвинец .
К 1970-м годам использование этилированного бензина стало повсеместным во всем мире, но появились исследования о том, какой ущерб он наносит людям и окружающей среде. В 1983 году Королевская комиссия задалась вопросом: «Есть ли какая-либо часть поверхности Земли или какая-либо форма жизни, которая остается незагрязненной?»
Сегодня почти весь бензин неэтилированный , хотя свинец продолжает присутствовать в аккумуляторах автомобилей.
В 1896 году французский ученый Анри Беккерель работал с кристаллами урана , когда обнаружил, что ультрафиолетовый свет заставляет их светиться. Оставив кристаллы урана на неэкспонированной фотопластинке на ночь, он вернулся на следующее утро и обнаружил, что они заставили часть пластинки, на которой они находились, проявиться.
Беккерель правильно рассудил, что единственным источником энергии, который мог вызвать это, были сами кристаллы. Он открыл радиоактивность , и молодой польский ученый начал исследовать.
Мария Кюри начала свои исследования, проверив электрометром урановую руду, называемую урановой смолкой . Она обнаружила, что она в четыре раза более радиоактивна, чем чистый уран, и задалась вопросом, не связано ли это с присутствием в урановой смолке еще более радиоактивного элемента.
Кюри начала накапливать тонны урана, а затем в самых простых мастерских с примитивным оборудованием провела множество сложных и опасных процедур в попытке выделить этот новый элемент.
В ходе этого события Кюри открыла два новых элемента: полоний, названный в честь ее родной Польши, и радий . Хотя это были природные элементы, они подстегнули научное желание создать совершенно новые, искусственные элементы.
В начале 20-го века было широко распространено мнение, что атомы никогда не меняются: атом одного элемента остается таким навсегда. Резерфорд уже открыл структуру атома, состоящую в основном из пустого пространства с плотным ядром протонов в центре, а Генри Мосли показал, что именно количество протонов придает атому его идентичность как определенного элемента. Атом элемента углерода имеет 6 протонов, в то время как атом с 7 протонами является атомом азота.
Резерфорд пришел к выводу, что число протонов в радиоактивном элементе может меняться – через процесс распада, когда части ядра выбрасываются из атома. Резерфорд назвал эти фрагменты выброшенного ядра альфа-частицами .
Резерфорд понял, что если атом теряет протоны, его идентичность меняется в то же время, поскольку идентичность атома определяется числом его протонов. Радиоактивный распад заставляет атомы одного элемента превращаться в атомы другого элемента . Затем он попытался искусственно спроектировать определенную трансмутацию.
Резерфорд закрепил источник альфа-частиц, каждая из которых содержала два протона, на одном конце цилиндрической камеры. На другом конце он закрепил экран. Каждый раз, когда альфа-частица достигала экрана, она производила вспышку. Затем он ввел в камеру азот и наблюдал дополнительные, различные вспышки на экране. Иногда альфа-частица сталкивалась с ядром азота и поглощалась им, выбивая в процессе протон. Затем эти протоны проходили через камеру к экрану, производя дополнительные вспышки.
Однако ядро азота, поглотившее два протона, но потерявшее только один, получило протон и стало ядром кислорода. Работа Резерфорда дала надежду ученым, пытающимся создать новые элементы, но было необходимо одно последнее открытие об атоме.
В 1932 году кембриджский ученый Джеймс Чедвик открыл нейтроны — электрически нейтральные частицы, которые также находятся внутри ядра вместе с протонами.
Теперь в Италии Энрико Ферми , которого коллеги прозвали «папой» за его непогрешимость, осознал потенциал недавно открытого нейтрона в поисках элементов тяжелее урана. До сих пор ученые бомбардировали уран альфа-частицами в надежде, что они попадут в ядро. К сожалению, это было очень маловероятно, поскольку и альфа-частицы, и ядра заряжены положительно — альфа-частицы никогда не могли преодолеть электростатическое отталкивание ядра.
Ферми рассуждал, что поскольку нейтроны не несут электрического заряда, у них будет гораздо больше шансов проникнуть в ядро атома урана. Поэтому Ферми приступил к обстрелу урана нейтронами. Ферми считал, что это, в сочетании с его знаниями о бета-распаде , когда нестабильное ядро пытается стабилизироваться, превращая один нейтрон в протон и выбрасывая новообразованный электрон, приведет к элементу с одним дополнительным протоном, чем у урана: элемент 93.
Действительно, Ферми открыл элементы, которые он не распознал. Он проверил элементы ниже урана в периодической таблице: радон, актиний, полоний, вплоть до свинца — ни один из них не был найден. Итак, в 1934 году непогрешимый Ферми объявил миру, что он создал элементы тяжелее урана.
В 1938 году группа немецких ученых под руководством Отто Гана решила исследовать смелое заявление Ферми. К несчастью для Ферми, они быстро опровергли его утверждение; одним из полученных элементов был барий , который с 56 протонами был далек от 92 протонов, с которых ядро начинало свое существование, когда оно было ураном.
Хан написал о своем замешательстве коллеге Лизе Мейтнер, которая, будучи австрийской еврейкой, недавно бежала из нацистской Германии в Швецию.
На Рождество 1938 года Мейтнер рассматривала проблему ядра урана, которое, по ее мнению, учитывая его относительный размер, должно быть весьма нестабильным. Она решила смоделировать ядро как каплю воды , готовую разделить при ударе одного нейтрона. Она поняла, что ядро раскололось пополам, и Ферми и Ган стали свидетелями того, что сейчас известно как ядерное деление .
Однако, выполняя расчеты для такого события, Мейтнер не смогла сбалансировать уравнения. Она вычислила, что продукты реакции деления были легче исходного урана, примерно на одну пятую протона. Каким-то образом небольшое количество массы исчезло. Затем медленно, решение этого несоответствия пришло к Мейтнер – Эйнштейн и E = mc2 – недостающая масса была преобразована в энергию.
Работа Мейтнер была опубликована в 1939 году, но, вызвав интерес среди научного сообщества, откровения Мейтнер также привлекли внимание правительств, стоявших на грани войны. Подпитываемые страхами, что нацистская Германия изучает собственное ядерное оружие, ученые были собраны в Америке для работы над Манхэттенским проектом, направленным на создание первой атомной бомбы.
Для взрыва необходимо быстрое высвобождение энергии – медленное высвобождение энергии из ядер урана дало бы урановый пожар, но не взрыв. Обе стороны приложили усилия для создания необходимых условий для цепной реакции .
В 1942 году Энрико Ферми, теперь живущий в Америке, успешно вызвал цепную реакцию в уране, но переработка урана для бомб была и сложной, и дорогостоящей. Америка только что придумала другое решение, чтобы выиграть атомную гонку.
И вот, наконец, мечта ученых о создании элемента за пределами периодической таблицы была близка к осуществлению.
В Калифорнии ученые пытались создать новый элемент тяжелее урана с помощью циклотронных машин. Это включало использование огромных магнитов для управления атомами по кругу все быстрее и быстрее, пока они не достигали десятой доли скорости света, после чего их врезались в урановую мишень.
Эдвин Макмиллан и Филип Х. Абельсон взорвали уран пучком частиц, чтобы создать первый синтетический элемент, тяжелее урана — элемент 93, который они назвали нептунием .
Следующий синтетический элемент, плутоний , появился в 1941 году, и ученые поняли, что он легко поддается делению, способному вызвать желаемую цепную реакцию. Вскоре его превратили в бомбу.
Всего через семь лет после открытия ядерного деления, 6 августа 1945 года, полграмма урана было преобразовано в энергию, когда первая в мире атомная бомба была сброшена на Хиросиму . Как предполагали расчеты Лизы Мейтнер, это преобразование высвободило энергию, эквивалентную 13 000 тонн тротила. Плутониевая бомба была сброшена на Нагасаки три дня спустя.
Используя один из крупнейших в мире ускорителей частиц, ученые, работающие в Центре исследований тяжелых ионов в Дармштадте, Германия, подтвердили существование элемента 112, который они назвали коперницием в честь польского астронома Николая Коперника.
Эти физики стали новыми химиками, проверяющими основы периодической таблицы и, следовательно, наше понимание Вселенной в свете новых открытий.
Помимо создания новых элементов, ученые также пытаются определить их свойства. Коперниций оказался летучим металлом, который был бы жидким при комнатной температуре, если бы его когда-либо было произведено в достаточном количестве — именно то, что Менделеев предсказал для элемента, который находится прямо под жидкой ртутью в периодической таблице.
В Соединенных Штатах он транслировался под названием «Открывая Вселенную». [1]
Полная версия сериала была выпущена в формате DVD для региона 2 в 2015 году голландской компанией B-Motion.