2019 год по решению ООН провозглашен Годом Периодической таблицы химических элементов. Закон, сформулированный русским ученым Дмитрием Менделеевым, не случайно является одним из знаковых открытий. Не побоявшись отбросить заблуждения, претендовавшие на роль фактов, он заключил в одной единственной таблице большую часть знаний по химии и задал вектор развития этой науки на десятилетия вперед.
В 1869 году Дмитрий Менделеев приступил к работе над второй частью фундаментального учебника «Основы химии». Он понимал, что изложение материала должно подчиняться некой логической системе, а не формальному порядку. Первоначальный план учебника в соответствии с традициями времени представлял собой список из 63 элементов, перечисленных по возрастанию их атомных весов.
Однако в середине февраля 1969 года (по новому стилю – в начале марта) Менделеев столкнулся с глубоким противоречием. С одной стороны, согласно избранному ранее порядку, вслед за щелочными металлами (литием, натрием, калием) следовало писать о переходных (меди, серебре, ртути), с другой – в химическом отношении к щелочным металлам ближе других стоят щелочноземельные (бериллий, магний, кальций).
Столкновение этих теоретических и практических соображений представляло для ученого серьезную дилемму, разрешением которой и стала появившаяся 17 февраля (1 марта) Периодическая система химических элементов. Сегодня о ней знают все, во всех школах мира в классах химии на стене висит таблица Менделеева.
Тысячелетия поиска
Выступая 23 августа 1869 года на заседании отделения химии Второго съезда русских естествоиспытателей, Дмитрий Менделеев отмечал, что его система, основанная на величине веса атомов, выражает химическое сходство элементов, соответствует их разделению на металлы и металлоиды, отличает их атомность, сопоставляет близкие элементы разных групп, объясняет «соответственность элементов», выделяет водород как типический элемент, группирует в одном месте наиболее распространенные и взаимно сопровождающие в природе элементы и указывает даже на отношение элементов по взаимному их сродству.
Этот краткий экскурс наглядно иллюстрирует эволюцию представлений человека об окружающем мире. Древнегреческий философ Фалес Милетский полагал, что основой космоса является вода, совершающая непрерывный круговорот. Его ученик Анаксимандр поддерживал тезис о существовании базового элемента, но сомневался, что вода может претендовать на это звание. Анаксимен считал основой сущего воздух, Гераклит – огонь.
Аристотель писал о первичной материи, способной принимать форму четырех элементов (земли, воды, воздуха, огня), и классифицировал вещества, исходя из доминирующего в них начала. Металл можно расплавить до жидкого состояния, значит, в его основе – вода, полагал философ. Вся внеземная материя по Аристотелю состояла из пятого элемента – эфира. Эта концепция доминировала в науке многие столетия, не пополнялся и список известных с древности элементов (золото, серебро, медь, железо, олово, свинец, ртуть, сера, углерод).
Первым научно открытым химическим элементом стал фосфор: в 1669 году его выделил немецкий алхимик Хенниг Бранд. В последующие десятилетия другими исследователями были описаны мышьяк, антимоний, висмут и цинк. К концу XVIII века общее число известных элементов превысило 30. Свойства многих из них явственно контрастировали с теорией Аристотеля, что побудило ученых к поиску новых принципов классификации. Воздух, впрочем, считался самостоятельным химическим элементом вплоть до начала XVIII века: то, что атмосфера является смесью отдельных газов, доказали лишь работы по пневматике.
Другим долгожителем был флогистон – огненная субстанция, крест вере в существование которой поставила лишь новая теория окисления и горения Антуана Лавуазье. В 1787 году этот французский химик, объединив усилия с Гитоном де Морво, Клодом Бертолле и Антуаном де Фуркруа, представил первую классификацию химических элементов. В ней все простые вещества (те, что не могли быть разложены на составляющие) были сгруппированы на основе свойств их кислородных соединений: простые вещества, представленные во всех трех царствах природы (свет, теплород, кислород, азот, водород); простые окисляющиеся неметаллические вещества; простые окисляющиеся металлические вещества; простые солеобразующие и землистые вещества (известь, магнезия, барит, глинозем, кремнезем).
Всегда есть конкуренты…
В 1803 году Джон Дальтон составил первую таблицу относительных атомных весов некоторых элементов и соединений, приняв за единицу вес атома водорода. В изложенной пять лет спустя атомистической теории он указал, что атомный вес является важнейшим свойством химического элемента. В 1815 году собственную гипотезу о кратности атомных весов весу атома водорода выдвинул другой английский химик Уильям Праут.
Наконец, состоявшийся осенью 1860 года съезд химиков в Карлсруэ установил, что молекула – это наименьшее количество вещества, вступающее в реакции и определяющее физические свойства, а атом – наименьшее количество элемента, содержащееся в молекулах. Там же были определены понятия атомного веса.
Ограниченность представления всего многообразия элементов в виде одномерных списков осознавали многие химики. В 1817 году немец Иоганн Деберейнер выделил триады (литий, натрий, калий; хлор, бром, йод и т.д.) и обнаружил, что химические свойства составляющих их элементов меняются пропорционально атомным весам. Например, литий взаимодействует с водой более спокойно, чем калий. Позднее Петер Кремерс из Кельна предположил, что отдельные элементы могут быть частью двух триад, расположенных перпендикулярно. В 1850-х годах француз Жан-Батист Андре Дюма безуспешно пытался разработать систему математических уравнений, увязывавших химические свойства элементов с их атомными весами.
В 1862 году геолог Александр Эмиль Бегуйе пришел к выводу, что свойства элементов повторяются через определенный фиксированный интервал, и расположил их вдоль нанесенной на специальный цилиндр спиральной кривой. Сходную теорию – закон октав – в 1864 году выдвинул англичанин Джон Ньюлендс. Он же впервые оставил в своей таблице пустые клетки для еще неоткрытых элементов. Однако коллеги подвергли идеи Ньюлендса столь ожесточенной критике, что Королевское химическое общество отказалось публиковать его работу.
В 1870 году Юлиус Лотар Мейер опубликовал статью «Природа химических элементов в зависимости от их атомного веса» (Die Natur der chemischen Elemente als Function ihrer Atomgewichte). Она суммировала результаты работы ученого по разработке собственной классификации и содержала таблицу, весьма сходную с системой Дмитрия Менделеева, но повернутой по отношению к ней на 90 градусов. Менделеев и Мейер в свое время участвовали в съезде в Карлсруэ, а затем в разное время работали в Университете Гейдельберга под руководством Роберта Бунзена, который, кстати, некоторое время сомневался в состоятельности периодического закона. Менделеев утверждал, что ему ничего не было известно о работах Мейера, в то время как немецкий ученый безо всяких оговорок признал приоритет российского химика.
Мейер отмечал, что хотя его таблица и является удобной формой классификации, но целый ряд элементов не укладывается в систему, если им приписать принятые в то время атомные веса. Немец считал неправильным корректировать неподходящие величины, в то время как Менделеев не только исправил атомные веса бериллия, индия, церия, лантана, иттербия, эрбия, тория, урана, но и с большой точностью предсказал свойства еще не открытых элементов (галлия, скандия, германия). Вместе с исправлением атомных масс он уточнил валентность ряда элементов. Бериллий, например, считался трехвалентным, но в таблице для него было место только над магнием, а значит, он должен быть двухвалентным.
Массовые открытия новых химических элементов в XVIII – начале XIX века связаны со становлением химии как науки, переосмыслением сути вещества и совершенствованием методов химического анализа.
Во второй половине XIX – начале XX века катализатором открытий стал периодический закон Менделеева.
Далее катализатором открытия новых элементов стала ядерная физика.
Сегодня погоня за открытиями замедляется – пик пройден. Чем дальше, тем сложнее становится синтез новых элементов.
…и последователи
Смелость русского ученого, впрочем, не была безрассудной: он слишком хорошо знал о неприятии многими коллегами чисто теоретических работ и потому не торопился лично сообщить миру о своем открытии. В то же время медлить с публикацией работы было нельзя, а для этого было необходимо сделать устный доклад об открытии. Тогда Менделеев, сославшись на занятость, попросил выступить с соответствующим сообщением своего друга профессора Николая Меншуткина, занимавшего пост редактора «Журнала Русского химического общества». Защитив свой приоритет, Менделеев получил возможность продолжить работу над своей таблицей, лишь в ноябре 1870 года он посчитал ее в целом законченной. Тем не менее в следующие полвека точность периодического закона не раз подвергалась сомнению.
В 1894 году Уильям Рэмзи открыл аргон, а несколько лет спустя – еще четыре благородных газа: гелий, неон, криптон и ксенон. Ссылаясь на то, что эти элементы редко образуют соединения с другими и не были предсказаны Менделеевым, ряд химиков поспешил объявить их вне периодического закона. Однако спустя шесть лет благородным газам нашли место в таблице, добавив особую новую колонку.
Долгое время не утихали споры и по поводу расположения элементов в таблице Менделеева. В 1913 году начинающий голландский физик-теоретик Антониус ван ден Брук предположил, что вместо атомного веса следует использовать заряд ядра. Проверяя эту гипотезу, англичанин Генри Мозли обнаружил в рентгеновском излучении спектральные линии, число которых возрастало пропорционально квадрату порядкового номера элемента в периодической таблице, и после этого смог назвать точное число незаполненных ячеек – неоткрытых элементов. С тех пор вместо атомного веса для ранжирования элементов периодической таблицы используют атомный номер, соответствующий числу протонов в ядре. Сам термин в 1920 году предложил британский ученый Эрнест Резерфорд.
Как и подобает великому открытию, открытие периодического закона быстро обросло легендами. На протяжении своей жизни Менделеев скрупулезно сохранял любые, даже самые незначительные материалы о работе и личной жизни. Ему даже приписывают высказывание: «Тот, кто будет писать мою биографию, скажет мне спасибо».
Но в отношении периодического закона в архиве ученого сохранились лишь четыре листа бумаги с черновиками. Неудивительно, что еще при жизни Менделеева появилась история о том, что таблица химических элементов привиделась ему во сне. Сам ученый комментировал эту легенду с нескрываемой иронией. Впрочем, как и любого другого гения, его жизнь окружало множество таких мифов.
Дмитрий Менделеев, открыв периодический закон, решил задачу, над которой десятилетия работали ученые со всего мира, – классифицировал все открытые на тот момент химические элементы. Появление знаменитой таблицы сильно упростило жизнь химикам, включая самого Менделеева: стало возможным систематически говорить о группах элементов, вместо того чтобы тратить безумное количество времени на описание каждого из них по отдельности. Проще стало и запоминать всю эту информацию.
Однако Менделеев не был единственным ученым, предложившим миру подобную классификацию. Приблизительно в то же время и другие ученые создавали свои варианты аналогичных таблиц, притом менделеевская была представлена последней. Почему же тогда все лавры достались Дмитрию Ивановичу? Во-первых, только его таблица включала в себя все открытые на тот момент элементы, и, во-вторых, что самое главное, своей таблицей он предсказал элементы, о существовании которых люди могли только подозревать.
Исходя из своего периодического закона, Менделеев оставил в таблице множество пустых ячеек. Поначалу никто не отнесся к этому серьезно, а уже потом, когда были открыты новые элементы вроде галлия или германия, которые идеально вписались в таблицу, мир понял, что Менделеев действительно сделал важнейшее открытие в истории науки.
Конечно, вначале периодическая система химических элементов выглядела по-другому. Со временем в нее вошли благородные газы и радиоактивные элементы, многие из которых были синтезированы искусственно. Открытия продолжаются. Так, в 2016 году таблица пополнилась сразу четырьмя новыми элементами, получившими названия оганесон, нихоний, московий и теннессин.
Вместе с новыми открытиями меняется и таблица, и есть вероятность, что в какой-то момент в периодический закон придется внести поправки. Потому что Менделеев не мог учитывать, например, что в будущем атомы будут разгонять на скоростях, близких к скорости света, а в таких условиях они порой ведут себя не так, как должны согласно таблице.
Но открытие Менделеева до сих остается актуальной рабочей системой, на основе которой можно делать выводы и дальнейшие предсказания, что способствует развитию науки и может привести к новым поразительным открытиям.
Тут есть правда?
Менделеев придумал водку
Самый известный миф об ученом знают все: якобы он изобрел «идеальную» по своему составу водку. Это неправда: на самом деле он изучал различные аспекты соединения спирта с водой.
Менделеев занимался только химией
Он также интересовался физикой, геофизикой, экономикой, развитием промышленных технологий и сельского хозяйства, а также многими другими областями знаний. «Сам удивляюсь – чего только я не делывал в своей научной жизни», – говорил ученый.
Менделеев делал чемоданы
Часто пишут, что ученый изготавливал чемоданы и придумал даже особый рецепт клея для них. И якобы многие современники Менделеева, не сведущие в науках, знали его скорее не как ученого, а как выдающегося чемоданных дел мастера. Он на самом деле увлекался этим ремеслом, но скорее лишь в молодости.
Менделеев был признанным светилом науки
Ученый так и не стал академиком Российской академии наук и не был удостоен Нобелевской премии в области химии, хотя и был в числе номинантов на эту авторитетную награду. Есть даже миф, что свою роль тут сыграл конфликт с Нобелями, которые в начале ХХ века владели крупным нефтяным бизнесом в России, но способы их работы не вызывали одобрения ученого.
Менделеев был революционером
Различные радикальные движения ученый не поддерживал, хотя известно, например, что в 1890 году он вынужден был уйти из Петербургского университета, поскольку симпатизировал студенческому движению. Но зато Менделеев воспитал самого настоящего революционера. Один из его учеников – Леонид Равдин – был руководителем Московского рабочего союза и оставил о себе память потомкам, сочинив во время пребывания в Таганской тюрьме известную песню «Смело, товарищи, в ногу!».
Вам понравилась статья? Мы создаем только уникальный текст! Делитесь с нами вашими комментариями и впечатлениями! Мы обязательно ответим всем!
