Некоторые первичные вещества в природе — теперь их называют элементами — были известны еще в античные времена. Однако только за последнее столетие было определено их число и объяснены причины их сходства или различий.
Генрих Тетерин и Клер Терлон
В астрономии подобный прогресс принято связывать с именами Коперника и Галилея, в механике — с именем Ньютона, в биологии — с именами Дарвина и Павлова; выдающийся вклад в развитие физики атома внесли Бор и Эйнштейн. В развитии химической науки один из основных поворотных моментов наступил в 1869 году, когда русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев сформулировал закон периодичности свойств химических элементов.
Закон Менделеева позволил отказаться от архаического метода проб и ошибок в химических исследованиях в пользу современных методов, позволяющих предсказывать существование ранее неизвестных элементов.
Открытие Менделеевым периодического закона явилось как бы завершением многочисленных попыток ученых из различных стран привести в систему свойства элементов. Периодическая таблица Менделеева явилась качественным шагом вперед по сравнению с таблицей элементов, предложенной в XVIII веке французским химиком Антуаном Лавуазье. Отметим, что Лавуазье считал элементами также свет и тепло, выделяющееся при горении. Они получили у него название «невесомых флюидов».
Работы Лавуазье были ранними предвестниками строго логичной систематики Менделеева и способствовали отказу от теории флогистона — старой концепции химии, возникшей еще в Древней Греции и признававшей огонь одним из основных начал Природы. В 1803 году английским химиком Джоном Дальтоном была предложена атомистическая теория, согласно которой каждому из 23 элементов, известных Лавуазье, соответствовал присущий только ему относительный «атомный вес». Другим английским химиком — Вильямом Волластоном — было введено понятие «эквивалентного веса». С помощью этих понятий удалось установить некоторый порядок среди известных тогда элементов. Однако до эпохи Менделеева даже само понятие элемента продолжало оставаться нечетким и допускало различные толкования.
К 1850 году общее число известных элементов приблизилось к шестидесяти. Многие ученые пытались обнаружить их взаимосвязь. К их числу относятся Иоган Доберайнер, Леопольд Гмелин, Ленсен, Макс фон Петтснкофер, Жан Батист Дюма, Вильям Гиббс, Джон Гладстон и многие другие. В 1817 году Доберайнер объединил некоторые известные тогда элементы в «триады» в порядке увеличения их атомного веса. В 1850 году Гмелин увеличил число элементов в этих группах до четырех или пяти: принцип расположения оставался прежним.
Среди ученых, оказавших, по словам Д. И. Менделеева, наибольшее влияние на его научную деятельность, надо выделить французских химиков Дюма и Ленсена. Дюма предложил метод определения атомных весов элементов, а Ленсену принадлежит первая попытка предсказания атомных весов еще не открытых элементов.
В 1860 году появились новые системы классификации. Так, Александр Шанкартруа предложил располагать элементы по винтовой линии, проходящей по поверхности воображаемого цилиндра. Интересно отметить формальное сходство этого способа классификации с «двойной спиралью» современной генетики. Другой точки зрения придерживался английский химик Ньюлендс. Он в 1864 году предложил закон октав, согласно которому элементы объединялись по группам, причем восьмые элементы в этих группах имели сходные свойства.
Возможно, что систематика, предложенная немецким ученым Лотаром Мейером, в наибольшей мере способствовала возникновению новых идей. В 1864 году Мейер опубликовал таблицу, включающую 44 из 62 известных к тому времени элементов, расположенных, однако, в соответствии с их «валентностью», а не с атомным весом. Оставляя в стороне современный смысл этого термина, отметим, что валентность определяет способность атома элемента образовывать химические соединения. Так, в воде — Н2О — валентность кислорода равна двум, поскольку один атом кислорода способен соединяться с двумя атомами водорода. В первом варианте таблицы Мейера в качестве исходной величины была взята валентность водорода. Последующий вариант таблицы Мейера был основан уже на атомных весах. Эти работы, равно как и работы Других ученых — Одлинга, Хинриха и Баумгауэр, — способствовали разрешению проблемы, хотя большинство современников воспринимали их лишь как игру воображения. У Ньюлендса, во время его выступления в Британском химическом обществе, иронически спрашивали, не считает ли он, что те же самые результаты можно было бы получить, расположив элементы в алфавитном порядке.
Что же, собственно говоря, составляет сущность теории Менделеева? Коротко говоря, Менделеев предложил расположить элементы по строкам и столбцам, они называются также «периодами» и «группами», составляющим прямоугольник в порядке возрастания атомного веса слева направо в пределах одной строки. Соответствующие строки располагаются друг под другом, столбцы заполняются элементами с одинаковыми свойствами, например образующими окислы одинакового состава и строения. В этом случае число атомов соответствующего элемента в окисле возрастает от первого к седьмому столбцу. Необходимо отметить, что возможности системы, находящей широкое применение и в наше время, были сформулированы Менделеевым, когда еще было известно немногим более половины образующих ее элементов.
С самого начала Менделеев был убежден, что ему удалось обнаружить научный принцип классификации химических элементов. Более того, он понял, что открыл объективный закон.
Подобно тому как, согласно известным анекдотам, Ньютон открыл закон всемирного тяготения в тот момент, когда ему на голову упало яблоко, а Уатт, рассматривая кипящий чайник, пришел к мысли о создании паровой машины, широко бытует утверждение, что Менделеев открыл периодический закон во сне. Люди, как правило, не замечают, что хотя иногда научное открытие может, подобно вспышке света, озарить ум ученого, ему часто приходится затрачивать годы на неприметную для посторонних работу над объектом исследования. Пастер позднее заметил, что только подготовленный ум может воспользоваться представившимся случаем. Если познакомиться с деятельностью Менделеева до 1869 года, то станет совершенно ясно, что открытие периодического закона не было случайностью.
Хотя многие рассматривали таблицу Менделеева как ординарное явление в длинном ряду сомнительных гипотез, важнейшим достоинством ее является смелость научного предвидения. Прогресс, достигнутый в химии за прошедшее столетие, подтвердил правильность теории Менделеева. Менделеев утверждал, что будут открыты новые элементы, Для которых он специально оставил незаполненные клетки в таблице, и что атомные веса некоторых элементов, значения которых не отвечали требованиям системы, определены неточно.
Довольно скоро Менделеев получил доказательства своей правоты, когда в результате более точных определений были исправлены значения атомных весов церия, индия, титана, урана, итрия и некоторых других элементов. Если вес элемента заведомо не соответствовал требованиям таблицы, Менделеев смело исправлял его. Так он произвольно увеличил атомный вес урана вдвое — до 240. Сейчас мы знаем, что атомный вес урана действительно равен 238,04.
В другом, и более важном, случае Менделеев предсказал 3 новых элемента, которые были открыты и описаны в течение 16 лет после его знаменитого доклада перед собранием русских химиков.
Элементы, существование которых было предсказано Менделеевым, были первоначально названы им эка-алюминием, эка-бором и эка-кремнием (приставка «эка» означает на санскрите «за»). В дальнейшем они получили свои названия в честь стран, где жили открывшие их ученые. Эка-алюминий был получен в 1875 году французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном и был назван галлием, атомный вес — 69,72. Галлий занял место между алюминием и индием. Эка-бор, согласно предсказанию Менделеева, должен был иметь атомный вес, средний между кальцием и титаном, 40 и 48. Этот элемент был открыт в 1879 году шведским ученым Ларсом Фредериком Нильсеном. Окончательно атомный вес этого элемента был установлен в 1955 году. Третий элемент — эка-кремний — был открыт в 1886 году немецким химиком Клементом Александром Винклером, профессором химии Фрейбургской горной академии. Он был назван германием. Его свойства и атомный вес 72,59 совпали с предсказаниями Менделеева.
Дмитрий Иванович Менделеев был не только выдающимся химиком-теоретиком, но и прекрасным практиком. Он исследовал нефть бакинских месторождений и Пенсильванских промыслов США. Он занимался также изучением свойств парафинов, получаемых из бакинской нефти.
Уже после смерти Менделеева в 1907 году были открыты еще два элемента, существование которых было им предсказано. В 1925 году немецкие химики, супруги Вальтер и Ида Ноддак, получили рений, названный Менделеевым би-марганец. Рений — тяжелый серый металл, применяемый для изготовления термопар. Его атомный вес —186,20. Затем, через 70 лет после открытия Менделеева, в Париже, в Радиевом институте, Профессором Маргерит Перей был получен эка-цезий, названный францием. Атомный номер франция равен 87.
Венцом периодического закона является одно из самых выдающихся открытий прошлого века — открытие «инертного» газа аргона. Аргон был получен английским химиком Вильямом Рамсеем и лордом Релеем. Рамсей в частном письме в 1894 году сообщил Релею, что «в конце первого столбца периодической таблицы есть место для газообразного элемента». Оба химика официально заявили об открытии нового элемента позднее, при встрече в Оксфорде. Сейчас мы знаем, что аргон и подобные ему газы не являются инертными и могут вступать во взаимодействие с другими элементами. Отсутствие реакционной способности у инертных газов в обычных условиях не позволило Менделееву предсказать их существование. Спустя два года, в 1896 году, Рамсей в Англии и шведский химик Пер Теодор Клезе независимо друг от друга открыли гелий. Наличие гелия — название его происходит от греческого слова «солнце» — уже в течение нескольких лет обнаруживалось в солнечной атмосфере методом спектрального анализа. Исходя из периодического закона, Рамсей пришел к выводу, что должны существовать и другие инертные газы. И в самом деле, в 1898 году ему совместно с Теодором Траверсом удалось открыть еще три газа — неон, ксенон и криптон. Все эти элементы образовали нулевой столбец в периодической таблице.
В том же 1898 году Пьером Кюри и его женой Марией Склодовской было открыто явление радиоактивности. Это открытие поколебало одну из опор закона Менделеева — неизменность атома. Однако сам Менделеев не усмотрел противоречия между открытым им законом и наличием радиоактивных элементов.
Уже после смерти Менделеева, когда число радиоактивных элементов достигло 37, возникли опасения относительно дальнейшего использования периодической таблицы, поскольку в ней уже не было места для новых элементов.
В 1913 году, накануне первой мировой войны, английский физик Генри Мозли сделал важное уточнение, касающееся строения атомов элемента и его места в периодической таблице. Он исследовал спектры рентгеновского излучения пятидесяти одного элемента и пришел к выводу, что существует связь между атомным номером и частотой рентгеновского излучения, которое испускается элементом при воздействии на него катодных лучей; атомный номер элемента указывает на число электронов, вращающихся вокруг ядра атома. В результате работ этого выдающегося ученого — сам он погиб в 1915 году на войне — было заполнено еще 7 пустых клеток в периодической таблице. Помимо уже открытых рения и франция, были открыты технеций, гафний, астатин и протактиний. Открытие этих элементов, ставшее возможным благодаря достижениям технического прогресса, было невозможно при жизни Менделеева и, разумеется, не повлияло на первоначальное расположение элементов в таблице. Вскоре другой английский ученый Фредерик Содди ввел понятие изотопии — от греческого слова «занимающие одно и то же место». Изотопы одного элемента обладают совершенно одинаковыми химическими свойствами. Их физические свойства также совпадают, за исключением различий в весе или массе атома. Почти вся масса атома заключена в его ядре, состоящем из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Отрицательно заряженное «облако» планетарных элементов состоит из частиц, имеющих массу примерно 1/1836 от массы протона. Содди пришел к выводу, что от типа радиоактивного распада атомов материнского элемента зависит место, которое займут в периодической таблице атомы дочерних элементов. К аналогичному выводу в том же 1913 году пришел и польский химик Казимир Фаянс.
В результате альфа-распада (распад с потерей альфа-частиц) происхоит сдвиг элемента в периодической таблице на две клетки влево, а в результате бета-распада — на одну клетку вправо.
В первоначальном расположении элементов, предложенном Менделеевым, существовали аномалии. В некоторых случаях более «тяжелые» элементы предшествовали более «легким». Так, теллур 127,6 был помещен впереди йода 126,9, кобальт 58,9 впереди никеля 58,7 и торий 232,0 впереди протактиния 231. После стандартизации атомных номеров стало ясно, что если расположить элементы в порядке возрастания заряда их ядер, то в этом случае их расположение точно отвечает предложенному Менделеевым. Именно так и читают нынешние студенты-химики таблицу Менделеева, которую справедливо уподобляют «карте на стене лаборатории».
Дмитрий Менделеев: уроки пророка, «Курьер ЮНЕСКО», апрель-июнь 2019
Таблица Менделеева, «Курьер ЮНЕСКО», январь-март 2011
Дмитрий Менделеев, «Курьер ЮНЕСКО», июнь 1971
