Периодическая система химических элементов: Дмитрий Менделеев, Юлиус Лотар Мейер, Джон Ньюлендс

Эту поучительную историю следовало было бы начать с восхвалений в адрес Менделеева, наподобие следующего: со времени открытия периодического закона химических элементов прошло немало лет, но до сих пор никто не может сказать, когда будет до конца понято все глубочайшее содержание знаменитой «таблицы Менделеева».

Но, если быть честными, дело обстояло несколько иначе. Ведь научно-технический прогресс ставит перед учеными схожие задачи. Одни и те же разработки, конечно, чуть отличаясь, приводили если не к похожим выводам, то уж наверняка к похожим вопросам, которые неслучайно возникали в головах разных исследователей. Так было и с появлением периодического закона: накопление новых сведений о химических элементах к концу 60-х годов XIX века сделало очевидным их связь между собой и другими элементами, которая требовала объяснения. Уже было сформулировано понятие о валентности, то есть о способности атомов химических элементов образовывать конечное число химических связей с атомами других элементов, появились новые способы определения атомных масс, гипотеза о сложном строении атомов химических элементов английского химика Уильяма Праута (1785–1850). В 1815 году он предположил, что из самого легкого элемента (водорода) путем конденсации могут образовываться все остальные, а атомные массы всех элементов кратны массе атома водорода. Об этой гипотезе много спорили в научном сообществе, и после более точных определений атомных масс выяснилось, что целые числа в значениях атомной массы встречаются крайне редко.

Затем другой англичанин, Уильям Крукс (1832–1919), предположил, что все элементы, в том числе и водород, образованы путем уплотнения некоей гипотетической первичной материи – протила. Якобы из протила некогда состояла масса мира. Сначала он был однородный, а потом, с понижением температуры, дифференцировался, превратившись во все многообразие элементов (по Круксу, процесс этот был аналогичен эволюции растений и животных). При этом очень малый атомный вес протила, по мнению Крукса, делал возможным возникновение дробных величин в атомной массе.

В общем, в начале и в середине XIX века делалось немало попыток поиска основы для систематизации элементов. Было сделано и достаточно интересное предположение: редкие элементы все более и более пополняют пробелы между известными телами природы, что позволяет составить из этих тел непрерывный ряд, в котором всякий элемент имел бы свое определенное место. То есть определить некий закон, описывающий свойства химических элементов в зависимости от неких общих характеристик каждого из них. Решить эту задачу удалось Дмитрию Менделееву.

Дмитрий Иванович Менделеев родился в Тобольске в семье директора гимназии и попечителя народных училищ И. П. Менделеева. В 1850 году талантливый юноша был зачислен студентом физико-математического факультета Главного педагогического института. После получения высшего образования он уехал в Одессу, чтобы немного поправить здоровье. Там он работал преподавателем математики, физики и естественных наук, а в начале 1857 года стал приват-доцентом Петербургского университета.

Тридцать первого января 1865 года он защитил докторскую диссертацию, тема которой создала немало мифов. И только потому, что звучала она так: «Рассуждение о соединении спирта с водою». Но к водке, вопреки весьма популярной легенде, это не имело отношения – работа была посвящена очень узкой научной проблематике, связанной с теорией растворов.

После защиты Менделеев был утвержден профессором кафедры технической химии Петербургского университета.

Другой миф гласит, что периодическую таблицу элементов Менделеев увидел во сне, а когда проснулся, ему осталось ее только записать и обосновать. Сам Менделеев, кстати, от этого сновидения не отказывался, однако рассказывал, что увидел таблицу после того, как не спал несколько ночей подряд, пытаясь изложить на бумаге уже сформировавшиеся в его мозгу представления. Вот что он говорил своему другу, философу И. И. Лапшину, посетившему его незадолго перед открытием: «Все в голове сложилось, а выразить таблицей не могу».

Получается, что Менделеев работал как сумасшедший, дни и ночи, не ложась спать. Наконец его нервная система не выдержала, он уснул, и его посетило «озарение». «Вижу во сне таблицу, – рассказывал он потом, – где элементы расставлены, как нужно. Проснулся, тотчас записал на клочке бумаги. И только впоследствии оказалась нужной в одном месте поправка».

Собственно, эта история с вещим сном лишь подтверждает давно известное наблюдение: люди, которые интенсивно размышляют над какой-либо проблемой, просто продолжают решать ее и во сне, только в этом случае к мыслительной работе подключается подсознание. Именно оно зачастую открывает двери туда, куда разум, отягощенный стереотипами и постулатами, даже не решается постучаться.

Этот случай открытия в научном мире не единственный. Достаточно вспомнить немецкого химика Фридриха Августа Кекуле фон Штрадоница (1829–1896), который расшифровал формулу молекулы бензола во сне, где она предстала в виде правильного шестиугольника. О роли сновидений в своих открытиях упоминал и знаменитый Альберт Эйнштейн.

Открытия такой важности, как периодическая таблица химических элементов, случайными быть не могут. Конечно же, этому сновидению предшествовала огромная работа, основанная на сочетании знаний физической стороны исследуемого явления, математической и философской. Менделеев изучил описание свойств известных элементов и их соединений. После этого на карточки, вырезанные из картона, нанес название каждого элемента, его атомный вес, формулы соединений и основные свойства. Затем очень долго раскладывал эти карточки подобно пасьянсу, пытаясь систематизировать химические элементы, расставляя их в логическом порядке. Далеко не сразу Менделеев понял, что свойства элементов меняются именно с изменением атомного веса. То есть до самого сновидения концепция уже сложилась в голове ученого, ему оставалось лишь сделать финальное усилие, и это усилие совершило его подсознание.

Семнадцатого февраля (1 марта по новому стилю) 1869 года Менделеев отправил в типографию рукопись, в которой изложил свой «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». А через две недели представил в Русском химическом обществе статью «Соотношение свойств с атомным весом элементов».

Сообщение об открытии сделал редактор «Журнала Русского химического общества» профессор Н. А. Меншуткин (1842–1907) – сам Менделеев на этом заседании не присутствовал: он был в командировке в Тверской губернии.

Менделеев составил несколько вариантов периодической системы, на основе которой исправил атомные веса некоторых известных элементов. С этого момента все другие работы для него отходят на задний план. Он даже отложил работу над учебником «Основы химии» – этот труд был закончен лишь в 1871 году. Распределение элементов в составленной им таблице постоянно казалось ему несовершенным.

Эта долгая и кропотливая работа закончилась тем, что Менделеев сумел предсказать существование нескольких до того неизвестных элементов и в одной из своих статей даже подробно описал свойства трех из них: он назвал эти элементы экабором, экаалюминием и экакремнием. Так на свет появилась фундаментальная схема, которой до сих пор пользуются как школьники, так и ученые во всем мире.

Казалось бы, завершен титанический труд. Но осенью 1875 года Менделеев случайно натолкнулся на доклад французского ученого Поля Эмиля Лекока де Буабодрана (1838–1912), посвященный открытию нового элемента, названного им галлием. Французский химик указал удельный вес галлия – 4,7, что не совпадало с вычислениями Менделеева: вес экаалюминия был им определен как 5,9. И тогда Дмитрий Иванович написал во Францию, указав, что, судя по свойствам открытого Лекоком де Буабодраном галлия, это есть не что иное, как предсказанный им в 1869 году «экаалюминий». И оказался прав: более скрупулезные вычисления удельного веса галлия дали значение 5,94. Это вызвало настоящую сенсацию среди ученых, имена Менделеева и Лекока де Буабодрана стали известны всему миру.

Уже скоро периодическая таблица химических элементов получила новые подтверждения. В 1879 году шведский химик Ларс Фредерик Нильсон (1840–1899) открыл новый элемент, полностью соответствовавший описанному Менделеевым экабору. Нильсон назвал его скандием. А в 1885 году немецким химиком Клеменсом Винклером (1838–1904) был открыт элемент германий, идентичный менделеевскому экакремнию. За этим последовало открытие в 1894–1898 гг. британским химиком сэром Уильямом Рамзаем (1852–1916) группы инертных газов: аргона, гелия, неона, ксенона и криптона. Это дало возможность включить в систему так называемую «нулевую» группу. Позднее, когда ксенон вступил в химическую реакцию и стал известен его высший фторид, в котором валентность ксенона равна восьми, инертные газы перенесли в VIII группу, а нулевую упразднили.

Но и это еще не вся правда. У знаменитой периодической таблицы был еще один автор – Юлиус Лотар фон Мейер (1830–1895), доктор медицины, занимавшийся вопросами теоретической и физической химии и преподававший в университетах Бреслау, Карлсруэ и Тюбингена. В 1864 году на основании данных об атомном весе он предложил таблицу, связывающую соотношение атомных весов для нескольких характерных групп элементов. Таблица Мейера насчитывала 28 элементов, размещенных в шесть столбцов согласно валентности. Немецкий ученый намеренно ограничил число элементов в таблице, чтобы подчеркнуть закономерности изменения атомной массы в рядах сходных элементов. Позже, в 1870 году, Мейер опубликовал еще одну работу, названную им «Природа химических элементов как функция их атомных весов» и содержавшую новую таблицу, состоявшую уже из девяти вертикальных столбцов: элементы со сходными свойствами располагались в горизонтальных рядах, а некоторые ячейки таблицы Мейер оставил незаполненными.

Эта работа Мейера дала повод некоторым ученым даже утверждать что его система в некоторых отношениях совершеннее первых вариантов таблицы Менделеева. Сам Дмитрий Иванович в одной из своих статей заявил, что таблица Мейера представляла собой только простое сопоставление элементов, на что Мейер отвечал, что его таблица «в существенном идентична данной Менделеевым». Менделеев же писал: Мейер «раньше меня не имел в виду периодического закона, а после меня ничего нового к нему не прибавил». По словам Менделеева, Мейер не стал развивать свое открытие и не делал попыток на его основе дать предсказания свойств еще не открытых элементов. Тем не менее многие, особенно в Германии (это и понятно), считают именно Мейера первооткрывателем периодической системы. Как бы то ни было, в 1882 году Королевское общество присудило золотые медали совместно Менделееву и Мейеру. Наградам сопутствовала формулировка: «За открытие периодических соотношений атомных весов».

Однако для полноты картины следует упомянуть и об английском химике Джоне Ньюлендсе (1837–1898). В 1864 году он тоже составил таблицу, в которой расположил все известные тогда элементы в порядке увеличения их атомных весов. Пронумеровав элементы, Ньюлендс сделал следующий вывод: «Разность в номерах наименьшего члена группы и следующего за ним равна семи; иначе говоря, восьмой элемент, начиная с данного элемента, является своего рода повторением первого, подобно восьмой ноте октавы в музыке». Через год Ньюлендс опубликовал новую таблицу, назвав ее «законом октав». После 1866 года Джон Ньюлендс не предпринимал новых попыток разработки своей системы, тем не менее в Англии считают, что именно он впервые высказал идею о периодичности изменения свойств элементов. В 1887 году, через пять лет после награждения Менделеева и Мейера, Королевское общество присудило медаль и ему. Награде сопутствовала формулировка: «За открытие периодического закона химических элементов».