История открытия и исследования элементов подгруппы азота (Дополнительный материал к § 21)

Определения и обозначения

Подгруппа азота — элементы азот, фосфор, мышьяк, сурьма и висмут. Они расположены в одной группе Периодической системы и имеют сходство строения внешнего электронного слоя. В параграфе прослеживается не только их перечень, но и история открытия и изучения.

Азот получил название от греческого слова со значением «безжизненный». Такое имя связано с тем, что газ не поддерживает дыхание и горение. Самостоятельным компонентом воздуха его установили в опытах Даниэль Резерфорд, Карл Вильгельм Шееле и другие исследователи.

Фосфор — элемент, простое вещество которого впервые получил Хенниг Бранд в XVII веке. Он перерабатывал мочу и обнаружил светящееся вещество. Название происходит от греческих слов «свет» и «несущий», потому что белый фосфор светится в темноте.

Мышьяк известен людям с древности главным образом по соединениям и рудам. Поэтому нельзя уверенно назвать одну дату открытия простого вещества: ранние способы получения описывались неполно. История мышьяка показывает, что известность соединения ещё не равна научному открытию элемента.

Как это устроено

История элементов подгруппы складывалась постепенно, потому что древние люди встречали прежде всего руды, сплавы и соединения. Простые вещества удавалось получать только при наличии подходящих печей и способов очистки. Научным открытием становилось не одно наблюдение, а последовательное накопление доказательств.

Азот выделили из воздуха в опытах, где удаляли кислород и другие активные компоненты. Оставшийся газ не поддерживал дыхание и горение, поэтому сначала его воспринимали как «испорченный» воздух. Позднейшие исследования показали, что воздух — смесь газов, а азот является её самостоятельной частью.

Фосфор Бранд искал не ради развития теории элементов, а в рамках алхимических представлений. Он предполагал, что необычные свойства мочи могут помочь найти золото или философский камень. Выпаривание и нагревание остатков неожиданно привели к образованию нового светящегося вещества, поэтому практический опыт опередил правильное объяснение.

Мышьяк и сурьма были известны задолго до современной химии, поскольку их соединения легко встречались в минералах и использовались в ремесле. Однако древние мастера не располагали понятиями элемента и чистого простого вещества. Поэтому сведения об их выделении переплетаются с описаниями руд, сплавов и лекарственных препаратов.

Висмут внешне напоминал другие тяжёлые металлы, а химические методы их различения долго оставались недостаточно точными. Из-за этого его принимали за свинец или олово. Только сравнительные исследования состава и свойств показали, что висмут образует отдельное простое вещество, то есть его признание произошло позднее первоначального использования.

История открытия и изучения элементов подгруппы азота

Таблица помогает отделить древнюю известность руды или соединения от научного выделения простого вещества. В графе об исследователях приведены наиболее часто называемые учёные, но для древних элементов сведения могут быть предположительными.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Расположите азот, фосфор и висмут от наиболее раннего выделения или распознавания как самостоятельного элемента к более позднему. Учитывайте различие между древней известностью вещества и научным исследованием.

1. Фосфор был получен Брандом в 1669 году, поэтому его научное выделение произошло раньше описания азота.
2. Азот выделили из воздуха в 1772 году, а затем исследовали его состав и свойства.
3. Висмут был известен раньше, но долго считался другим металлом; самостоятельным элементом его признали позднее.

Ответ: фосфор, азот, висмут. Порядок основан не на первом использовании вещества, а на времени его выделения или признания самостоятельным элементом.

Задача 2

Условие. По описанию опыта определите элемент: алхимик перерабатывал мочу, надеясь найти золото, а получил светящееся в темноте вещество.

1. Исходное вещество и алхимическая цель указывают на опыт Хеннига Бранда.
2. При выпаривании и нагревании остатков образовалось новое вещество, которое светилось на воздухе.
3. Сопоставляем этот признак с названием «фосфор», означающим «светоносец».

Ответ: фосфор. Его открытие связано с алхимией, потому что Бранд искал золото или философский камень, а не планировал открывать новый элемент.

Задача 3

Условие. Сравните историю азота и сурьмы: почему для азота называют исследователей, а для сурьмы трудно назвать одного открывателя?

1. Азот выделили в известном опыте с воздухом, который можно повторить и описать его результат.
2. Затем несколько учёных изучали свойства остаточного газа и состав воздуха, поэтому вклад исследователей можно разделить по этапам.
3. Сурьма была известна в древних рудах, косметике и сплавах, а ранние способы её получения не имели точного описания.

Ответ: для азота сохранилась последовательность научных опытов XVIII века, а история сурьмы складывалась из разрозненных ремесленных и средневековых сведений. Поэтому сурьму нельзя надёжно приписать одному открывателю.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать древнюю известность мышьяка или сурьмы точной датой открытия. Так делают, потому что путают использование руды с выделением элемента; проверить себя можно вопросом: известно ли, что вещество было получено в чистом виде?

Ошибка 2. Смешивать получение простого вещества с установлением его природы. Эти этапы могли разделять столетия, поэтому нужно отдельно назвать факт получения и последующее объяснение состава и свойств.

Ошибка 3. Приписывать открытие азота одному исследователю. Резерфорд выделил газ, но его свойства и состав воздуха изучали также Шееле, Пристли, Кавендиш и Лавуазье.

Ошибка 4. Путать получение фосфора с его последующим изучением. Бранд впервые получил вещество, а объяснение его природы, свойств и положения среди элементов стало результатом дальнейшей работы химиков.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно различать химический элемент и простое вещество, а также знать, что воздух является смесью газов. Положение N, P, As, Sb и Bi в одной группе Периодической системы связывает их историю с общими свойствами. Эти сведения пригодятся при изучении аллотропии фосфора, соединений азота и фосфора и роли химии в развитии науки.

Что запомнить

• Элементы подгруппы азота открывали и изучали в разные исторические эпохи.
• Азот был выделен при исследовании воздуха.
• Фосфор получил Хенниг Бранд в XVII веке.
• Мышьяк и сурьма были известны людям с древности.
• Висмут долго принимали за другие металлы.
• Открытие элемента и объяснение его природы — разные этапы научного познания.