Металлы и металлоиды
Металлы и металлоиды
(хим.) - металлами называется группа простых тел (см.), обладающих известными характерными свойствами, которые в типических представителях резко отличают металлы от других химических элементов. В физическом отношении это по большей части тела твердые при обыкновенной температуре, непрозрачные (в толстом слое), обладающие известным блеском, ковкие, тягучие, хорошие проводники тепла и электричества и проч.; в химическом отношении для них является характерной способность образовать с кислородом основные окислы, которые, соединяясь с кислотами, дают соли.
Знакомство человека с металлами началось с золота, серебра и меди, т. е. с металлами, встречающимися в свободном состоянии на земной поверхности; впоследствии к ним присоединились металлы, значительно распространенные в природе и легко выделяемые из их соединений: олово, свинец, железо и ртуть. Эти семь М. были знакомы человечеству в глубокой древности. Между египетскими редкостями встречаются золотые и медные изделия, которые, по некоторым данным, относятся к эпохе, удаленной на 3000-4000 лет от Р. Х. К этим семи металлам уже только в средние века прибавились цинк, висмут, сурьма и в начале XVIII столетия мышьяк. С середины XVIII столетия число металлов быстро возрастает и в настоящее время доходит до 65. Ни одно из химических производств не способствовало столько развитию химических знаний, как процессы, связанные с получением и обработкой металлов; с историей их связаны важнейшие моменты истории химии. Свойства М. так характерны, что уже в самую раннюю эпоху золото, серебро, медь, свинец, олово, железо и ртуть составляли одну естественную группу однородных веществ, и понятие о металлов относится к древнейшим химическим понятиям. Однако воззрения на их натуру в более или менее определенной форме появляются только в средние века у алхимиков. Правда, идеи Аристотеля о природе, об образовании всего существующего из 4-х элементов (огня, земли, воды и воздуха) уже тем самым указывали на сложность металлов; но эти идеи были так туманны, так абстрактны и имели так мало реального в основе! У алхимиков понятие о сложности М. и, как результат этого, вера в возможность превращать одни металлы в другие, создавать их искусственно является основным понятием их миросозерцания. Это понятие есть естественный вывод из той массы фактов, относящихся до химических превращений металлов, которые накопились к тому времени. В самом деле, превращение металла в совершенно непохожую на них окись простым прокаливанием на воздухе и обратное получение М. из окиси, выделение одних металлов из других, образование сплавов, обладающих другими свойствами, чем первоначально взятые М., и проч., все это как будто должно было указывать на сложность их натуры. Что касается собственно до превращения металлов в золото, то вера в возможность этого была основана на многих видимых фактах. В первое время образование сплавов, цветом похожих на золото, например из меди и цинка, в глазах алхимиков уже было превращение их в золото. Им казалось, что нужно изменить только цвет, и свойства металла будут другие. В особенности много способствовали этой вере плохо поставленные опыты, когда для превращения неблагородного металла в золото брались вещества, содержавшие примесь этого золота. Например, уже в конце XVIII столетия один копенгагенский аптекарь уверял, что химически чистое серебро при сплавлении с мышьяком отчасти превращается в золото. Этот факт был подтвержден известным химиком Гитоном де Морво (Guyton de Morveau) и наделал много шума. В скорости потом было показано, что мышьяк, служивший для опыта, содержал следы серебра с золотом!
Так как из семи известных тогда металлов одни легче подвергались превращениям, другие труднее, то алхимики делили их на благородные - совершенные, и неблагородные - несовершенные. К первым принадлежали золото и серебро, ко вторым медь, олово, свинец, железо и ртуть. Последняя, обладая свойствами благородных металлов, но в то же время резко отличаясь от всех металлов своим жидким состоянием и летучестью, чрезвычайно занимала тогдашних ученых, и некоторые выделяли ее в особую группу; внимание, привлекавшееся ей, было так велико, что, как увидим далее, ртуть стали считать в числе элементов, из которых образованы М., и в ней именно видели носителя металлических свойств. Принимая существование в природе перехода одних М. в другие, несовершенных в совершенные, алхимики предполагали, что в обычных условиях это превращение идет чрезвычайно медленно, целыми веками, и, может быть, не без таинственного участия небесных светил, которым в тогдашнее время приписывали такую большую роль и в судьбе человека. По странному совпадению, М. было числом семь, как и известных тогда планет, а это еще более указывало на таинственную связь между ними. У алхимиков металлы часто носят название планет; золото называется Солнцем, серебро - Луной, медь - Венерой, олово - Юпитером, свинец - Сатурном, железо - Марсом и ртуть - Меркурием. Когда были открыты цинк, висмут, сурьма и мышьяк, тела, во всех отношениях схожие с металлами, но у которых одно из характернейших свойств металла, ковкость, развито в слабой степени, то они были выделены в особую группу - полуметаллов. Деление металлов на собственно металлы и полуметаллы существовало еще в средине XVIII столетия.
Если металлические тела сложные, то что же входит в их состав? В первое время алхимики принимали, что они образованы из двух элементов - ртути и серы. Как сложилось это воззрение - сказать трудно, но его мы находим уже в VIII столетия. По Geber'у доказательством присутствия ртути в М. служит то, что она их растворяет, и в этих растворах индивидуальность их исчезает, поглощается ртутью, чего не случилось бы, если бы в них не было одного общего с ртутью начала. Кроме того, ртуть со свинцом давала нечто похожее на олово. Что касается серы, то, может быть, она взята потому, что были известны сернистые соединения, по внешнему виду схожие с М. В дальнейшем эти простые представления, вероятно, вследствие безуспешных попыток приготовления М. искусственно, крайне усложняются, запутываются. В понятиях алхимиков, например Х-XIII столетий, ртуть и сера, из которых образованы М., не были теми ртутью и серой, которые имели в руках алхимики. Это было только нечто схожее с ними, обладающее особыми свойствами; нечто такое, которое в обыкновенной сере и ртути существовало реально, было выражено в них в большей степени, чем в других телах. Под ртутью, входящей в состав М., представляли нечто, обуславливающее неизменяемость их, металлический блеск, тягучесть, одним словом, носителя металлического вида; под серой подразумевали носителя изменяемости, разлагаемости, горючести М. Эти два элемента находились в М. в различном количестве и, как тогда говорили, различным образом фиксированные; кроме того, они могли быть различной степени чистоты. По Геберу, например, золото состояло из большого количества ртути и небольшого количества серы в высшей степени чистоты и наиболее фиксированных; в олове, напротив, предполагали много серы и мало ртути, которые были не чисты, плохо фиксированы и проч. Всем этим, конечно, хотели выразить различное отношение металлов к единственному в тогдашнее время могущественному химическому агенту - огню. При дальнейшем развитии этих воззрений двух элементов - ртути и серы - для объяснения состава М. алхимикам показалось недостаточно; к ним присоединили соль, а некоторые мышьяк. Этим хотели указать, что при всех превращениях М. остается нечто не летучее, постоянное. Если в природе превращение неблагородных М. в благородные совершается веками, то алхимики стремились создать такие условия, в которых этот процесс совершенствования, созревания шел бы скоро и легко.
Вследствие тесной связи химии с тогдашней медициной и тогдашней биологией, идея о превращении М. естественным образом отождествлялась с идеей о росте и развитии организованных тел: переход, например, свинца в золото, образование растения из зерна, брошенного в землю и как бы разложившегося, брожение, исцеление больного органа у человека - все это были частные явления одного общего таинственного жизненного процесса, совершенствования, и вызывались одними стимулами. Отсюда само собой понятно, что таинственное начало, дающее возможность получить золото, должно было исцелять болезни, превращать старое человеческое тело в молодое и проч. Так сложилось понятие о чудесном философском камне. Что касается роли философского камня в превращении неблагородных М. в благородные, то больше всего существует указаний относительно перехода их в золото, о получении серебра говорится мало. По одним авторам, один и тот же философский камень превращает М. в серебро и золото; по другим - существуют два рода этого вещества: одно совершенное, другое менее совершенное, и это то последнее и служит для получения серебра. Относительно количества философского камня, требующегося для превращения, указания тоже разные. По одним, 1 часть его способна превратить в золото 10000000 частей М., по другим - 100 частей и даже только 2 части. Для получения золота плавили какой-нибудь неблагородный металл или брали ртуть и бросали туда философский камень; одни уверяли, что превращение происходит мгновенно, другие же - мало-помалу и проч. Эти взгляды на природу М. и на способность их к превращениям держатся в общем в течение многих веков до XVII столетия, когда начинают резко отрицать все это, тем более что эти взгляды вызвали появление многих шарлатанов, эксплуатировавших надежду легковерных получить золото. С идеями алхимиков в особенности боролся Бойль. "Я бы хотел знать, - говорит он в одном месте, - как можно разложить золото на ртуть, серу и соль; я готов уплатить издержки по этому опыту; что касается меня, то я никогда не мог этого достигнуть". После вековых бесплодных попыток искусственного получения М. и при том количестве фактов, которые накопились к XVII столетию, например о роли воздуха при горении, увеличении веса М. при окислении, что, впрочем, знал еще Гебер в VIII столетии, вопрос об элементарности состава металлов, казалось, был совсем близок к окончанию; но в химии появилось новое течение, результатом которого явилась флогистонная теория, и решение этого вопроса было еще отсрочено на продолжительное время.
Тогдашних ученых сильно занимали явления горения. Исходя из основной идеи тогдашней философии, что сходство в свойствах тел должно происходить от одинаковости начал, элементов, входящих в их состав, принимали, что тела горючие заключают общий элемент. Акт горения считался актом разложения, распадения на элементы; при этом элемент горючести выделялся в виде пламени, а другие оставались. Признавая взгляд алхимиков на образование М. из 3-х элементов, ртути, серы и соли, и принимая их реальное существование в М., горючим началом в них нужно было признать серу. Тогда другой составной частью М. нужно было, очевидно, признать остаток от прокаливания металлов - их землю, как тогда говорили; следовательно, ртуть тут ни при чем. С другой стороны, сера сгорает в серную кислоту, которую многие, в силу сказанного, считали более простым телом, чем сера, и включили в число элементарных тел. Выходила путаница и противоречие. Бехер, чтобы согласовать старые понятия с новыми, принимал существование в М. земли трех сортов: собственно землю, землю горючую и землю ртутную. В этих-то условиях Сталь предложил свою теорию. По его мнению, началом горючести служит не сера и не какое-либо другое известное вещество, а нечто неизвестное, названное им флогистоном. М. образованы из флогистона и земли; прокаливание М. на воздухе сопровождается выделением флогистона; обратное получение М. из его земли с помощью угля - вещества, богатого флогистоном - есть акт соединения флогистона с землей. Хотя М. было несколько и каждый из них при прокаливании давал свою землю, последняя, как элемент, была одна, так что и эта составная часть М. была такого же гипотетического характера, как и флогистон; впрочем, последователи Сталя иногда принимали столько элементарных земель, сколько было М. Когда Кавендиш при растворении М. в кислотах получил водород и исследовал его свойства (неспособность поддерживать горение, его взрывчатость в смеси с воздухом и проч.), он признал в нем флогистон Сталя; М., по его понятиям, состоят из водорода и земли. Этот взгляд принимался многими последователями флогистонной теории. Несмотря на видимую стройность теории флогистона, существовали крупные факты, которые никак нельзя было связать с ней. Еще Геберу было известно, что М. при обжигании увеличиваются в весе; между тем, по Сталю, они должны терять флогистон: при обратном присоединении флогистона к земле вес полученного М. меньше веса земли. Таким образом выходило, что флогистон должен обладать каким-то особенным свойством - отрицательным тяготением. Несмотря на все остроумные гипотезы, высказанные для объяснения этого явления, оно было непонятно и вызывало недоумение. Когда Лавуазье выяснил роль воздуха при горении и показал, что прибыль в весе М. при обжигании происходит от присоединения к металлам кислорода воздуха, и таким образом установил, что акт горения М. есть не распадение на элементы, а, напротив, акт соединения, вопрос о сложности М. был решен отрицательно. Металлы были отнесены к простым телам, в силу основной идеи Лавуазье, что простые тела суть те, из которых не удалось выделить других тел. Этого взгляда химия держится поныне.
Металлоиды. Как мы видели, одна часть простых тел образует группу М.; по предложению Берцелиуса, остальные простые тела тоже объединены в одну группу, и он дал им название металлоидов. Основанием для этого объединения были электрохимические воззрения Берцелиуса. Он представлял атомы тел биполярными и принимал, что количество электричества на обоих полюсах может быть разное, так что атом в общем мог быть заряжен положительно или отрицательно. В разных телах количество электричества в атомах предполагалось разное. При соединении различных атомов происходила или полная нейтрализация их электричеств, или частная, так что частица сложного тела или нейтральна, или заряжена известным образом. Из соединения атом, сильнее заряженный, например, положительно, мог вытеснять другой такого же рода, слабее заряженный, и проч. Подробности см. Электрохимия. При электролизе М. выделяются на отрицательном полюсе, а остальные тела (сами по себе или в соединении с кислородом) - на положительном; следовательно, можно было себе представить, что частицы М. заряжены положительным электричеством, а других тел - отрицательным, это и есть общее в натуре металлоидов, что, по Берцелиусу, и сказывается в их свойствах и дает возможность соединить их в одну группу. Представляя химическое сродство как влияние двух электричеств, становилось понятно, что тела разных групп вообще будут легче соединяться и давать более прочные соединения, чем одной и той же, и т. п. Для характеристики металлоидов указывалось, что если М., соединяясь с кислородом, вообще дают основные окислы электроположительные, то металлоиды дают вообще кислотные - электроотрицательные. Разделяя простые тела на две группы - металлов и металлоидов, - еще Берцелиус указывал, что между ними существует крайне постепенный переход, так что на границе этих групп трудно сказать, имеем ли мы дело с М. или металлоидом. Например, мышьяк или даже марганец с удобством могут быть отнесены как в ту, так и в другую группу. После падения электрохимической теории исчезло основание, в силу которого неметаллы были соединены в одну группу. С другой стороны, с открытием новых элементов самое решение вопроса, имеется ли дело с М. или нет, на основании определений М. древних, стало крайне затруднительным, хотя во всяком случае понятие о М., выработанное веками, имеет такой же raison d' ê tre, как и понятие о щелочах, кислотах и солях. Если до сих пор делят простые тела на М. и металлоиды, то это делается в силу привычки или для удобства изложения при преподавании химии.
С. П. Вуколов. Δ.
- В статье воспроизведен материал из Большого энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона.
Ссылки
- Металлы //Википедия
- Полумета́ллы //Википедия (металлоиды, амфотерные металлы)
