Айзек Азимов - Земля и космос. От реальности к гипотезе
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.
Глава 12
Заполняя пробелы
В 1969 году Хугтон Миффлин опубликовал мою сотую книгу. (Если возник вопрос какую, то название этой книги — «Опус 100». Это что-то вроде литературной автобиографии, с подборкой иллюстраций из ранних работ. — Примеч. авт.) «Бостон глоб» решил отметить это событие пространной статьей, следом за которой появилась еще одна статья в «Нью-Йорк таймс». Кроме того, в день публикации Хугтон Миффлин притащил меня на вечеринку с коктейлем.
От всего этого у любого закружилась бы голова, и, чтобы не забыть о скромности, которая была всегда моей добродетелью, я постоянно напоминал себе случай, произошедший с моей матерью.
В начале 1950-х годов мои родители наконец продали свой кондитерский магазин и ушли на пенсию. Естественно, отец не мог сидеть без дела, потому нанялся на работу с сокращенным рабочим днем, а мать стала учиться в вечерней школе.
Мать всегда тяжело переживала свое неумение писать по-английски. Она могла делать это по-русски и на идише, но ни на одном языке с латинским алфавитом. Умела читать по-английски, но не знала, как писать. И потому мать стала брать уроки письма и скоро добилась впечатляющих успехов. Прошло совсем немного времени, и она написала мне письмо ясным почерком.
Однажды вечером ее остановил в вестибюле один из учителей вечерней школы с ее факультета и задал вопрос, который мы дома называем «этим старым добрым вопросом»: «Извините, миссис Азимов, но вы, случайно, не родственница Айзека Азимова?»
Моя мать немедленно ответила: «Да, в самом деле. Айзек Азимов — мой сын».
Учитель воскликнул: «О! Тогда неудивительно, почему вы так хорошо пишете!»
На это моя мать, вспомнив поговорку: яблоко от яблони недалеко падает, выпрямилась во все свои сорок футов и холодно произнесла: «Прошу прощения, сэр. Неудивительно, почему он — хороший писатель».
Напомнив себе об этом, дабы призвать свою скромность, я перейду к своему предмету, который начнется с той точки, на которой окончилась предыдущая глава.
В середине XIX столетия было обнаружено примерно тридцать элементов, и это начало внушать химикам тревогу. Каждое десятилетие число элементов возрастало: три было открыто в 1770-х годах, пять — в 1780-х, пять — в 1790-х, четырнадцать — в 1800-х, четыре — в 1810-х, пять — в 1820-х и так далее.
Возникала мысль: когда же это кончится? Ученые ценят простоту, а то, что казалось им простым, становилось все сложнее и сложнее. Требовался какой-то новый порядок, в котором бы все снова стало простым. Для этого необходимо было найти некую закономерность в запутанном списке элементов, так чтобы можно было разбить элементы на отдельные «семейства». Это могло бы как-то «расчистить джунгли».
В самом деле, если бы элементы были правильно организованы, стало бы ясно, сколько элементов существует всего и сколько, таким образом, элементов осталось неоткрытыми. В середине XIX столетия, однако, это казалось невыполнимой задачей.
В то время было известно, что атомы разных элементов имеют свои атомные веса. Так, если вес атома водорода (самого легкого из известных, как тогда, так и сейчас) равен 1, атом углерода, который массивнее в 12 раз, соответственно, должен иметь атомный вес 12, атом кислорода — 16 и так далее.
Тогда для начала можно попытаться организовать элементы в порядке атомных весов, чтобы определить, будут ли у них схожими какие-нибудь семейства. Оказалось, что прямоугольная таблица может быть создана таким образом, чтобы схожие элементы распределялись столбцами или колонками (в зависимости от того, вертикально или горизонтально размещаются элементы). К сожалению, на самых первых таблицах объединялись друг с другом очень несхожие элементы, а в науке половинное решение — это не решение вообще.
Ясно, что главная проблема с организацией по атомным весам заключалась в том, что нельзя было определить, когда список завершится. Оказалось, что атомная масса углерода равна 12, азота — 14, а кислорода — 16. Как можно быть уверенным, что между ними не существует неоткрытых элементов с атомными массами 13 и 15? Кому нужна таблица, в которой зияют пустоты?
Конечно, можно возразить, что разница в 2 атомные массы очень мала, и вряд ли здесь есть промежуточный элемент, но уверенным в этом быть нельзя. Никель имеет атомную массу 58,7, а кобальт — 58,9. С такой разницей в атомной массе между углеродом и азотом могло бы уместиться девять элементов и еще девять между азотом и кислородом.
Это говорит о том, что полагаться только на атомные массы нельзя. Требуются еще какие-либо свойства, и лучше всего, если эти свойства будут представлены целыми числами, чтобы, переходя, скажем, от 1 к 2 и от 2 к 3, мы знали, что между ними ничего нет.
Первые результаты такого подхода появились в 1852 году. Английский химик Эдуард Франкланд заметил, что в химических формулах, которые были созданы к этому времени, один атом одного элемента, похоже, всегда связан с фиксированным числом атомов других элементов.
Таким образом, атом водорода никогда не связан более чем с определенным числом атомов другого вещества. Это можно назвать степенью комбинирования единицы (или валентностью, от латинского слова, обозначающего «степень»). Атом кислорода может комбинироваться с двумя атомами водорода, атом азота с тремя атомами, а атом углерода — с четырьмя, так что кислород, азот и углерод имеют валентности в 2, 3 и 4 соответственно. Эти валентности работают очень четко. Таким образом, атом углерода (валентность 4) может комбинироваться с двумя атомами кислорода (2 + 2) или с одним атомом кислорода и двумя атомами водорода (2 + 1 + 1).
