Русский ученый, химик Дмитрий Менделеев
Фото: Stock Montage / Getty Images
Ничего сравнимого с Периодическим законом российская наука мировой не дала. Это открытие высшего, нулевого уровня, так сказал о Периодической таблице химических элементов Дмитрия Менделеева вице-президент РАН Алексей Хохлов. Что позволяет отнести открытие Менделеева, которому исполнилось 150 лет, к числу важнейших в истории науки?
Таблицы с двумя недостатками
За 40 лет до Менделеева сходные по свойствам элементы объединил в триады немецкий химик Иоганн Вольфганг Дёберейнер. Известны таблицы польского химика Леопольда Гмелина, немецкого врача, химика и гигиениста Макса Йозефа фон Петтенкофера, французского химика Жана Батиста Дюма... И конечно, работы середины XIX века — «земная спираль» Александра де Шанкуртуа, «Октавы» Джона Ньюлендса, таблицы Уильяма Одлинга и Лотара Мейера 1864 года. Варианты таблиц приведены в порядке возрастания качества. Но у всех были два недостатка. Во-первых, не все известные элементы вписывались в систему; во-вторых, все таблицы включали только известные элементы. А это все равно что сложить N-лучевую звезду, обладая N-x лучами, где x>0.
Таблица с предсказаниями
6 марта 1869 года на заседании Русского химического общества Менделеев зачитал доклад «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сродстве». В следующие полтора года Менделеев уточнил характер этой зависимости и 3 декабря 1870 года вывел окончательную формулировку закона: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».
Главное в Периодической системе Менделеева — ее предсказательная способность. Он не побоялся сказать, что набор элементов неполон; что существуют неоткрытые элементы с весами более легкими, чем уже известные,— иначе не складывается единая система. В таблице Менделеева появились ячейки для «экаалюминия», «экабора» и «экасилиция». Для каждого из этих элементов Менделеев предложил примерную атомную массу, набор ключевых химических и физических свойств. Кроме того, он указал на неправильно определенную массу 9 химических элементов и впоследствии описал еще 8 неизвестных науке элементов.
Глубокий патриот
Говорят, что на здоровье [Менделеева] сильно подействовал исход Японской войны. Будучи глубоким патриотом, он очень тяжело переживал наши неудачи на Дальнем Востоке, нередко даже плакал… К 1906 г. он как-то быстро стал дряхлеть, стал часто прихварывать. В этом году он два раза ездил за границу и как будто поправился. Но дни его были сочтены, и он сам уже как бы предчувствовал близкий конец.
Таблица верна
Лотар Мейер, который выпустил в 1870 году работу «Природа элементов как функция их атомного веса», уже сослался на таблицу Менделеева. Мейер писал, что ему не хватило научной дерзости Менделеева, чтобы понять всю систему.
Но в работе русского ученого было столько нового, что часть научного сообщества встретила его исследование с недоверием. Тем более что он указывал на неправильно определенные характеристики уже открытых элементов. Прямой и жесткий, Менделеев не стеснялся открыто указывать людям на их ошибки — можно себе представить, как встретили академики его открытие.
Но в 1875 году во Франции открывают предсказанный «экаалюминий» (галлий), в 1879 году — «экабор» (скандий), а в 1885-м — «экасилиций» (германий). Характеристики каждого полностью укладываются в значения, предсказанные Менделеевым. И научный мир признает, что эта система — верная. Даже открытые сегодня, спустя 150 лет, химические элементы по-прежнему укладываются в эту систему. «Можно смело утверждать, что во Вселенной не существует химических элементов вне описанной Менделеевым системы»,— сказал декан химического факультета МГУ имени Ломоносова, член-корреспондент РАН и один из ведущих радиохимиков мира Степан Калмыков.
«Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве», рукопись Д.И. Менделеева. Это прообраз современной таблицы химических элементов
Фото: Science & Society Picture Library / SSPL / Getty Images
Слишком вкусил от физиологии
Менделеев дал мне тему, рассказал, как приготовлять вещество, азотистометиловый эфир, что делать с ним, дал мне комнату, посуду, материалы, и я с великим удовольствием принялся за работу, тем более что не имел до того в руках веществ, кипящих при низких температурах, а это кипело при 12°C. Результаты той ученической работы описал сам Дмитрий Иванович. Быть учеником такого учителя, как Менделеев, было, конечно, и приятно, и полезно, но я уже слишком много вкусил от физиологии, чтобы изменить ей, и химиком не сделался.
Таблица сокровищ
Как говорили великие люди (например, Генри Форд): «Не обязательно знать все. Главное — знать, где посмотреть». Периодический закон стал картой сокровищ для химиков, прямо указывая, какие элементы и с какими характеристиками стоит искать. Начался взрывной рост неорганической химии: понимание свойств и их изменений по группам и периодам позволило ученым либо впервые, либо более простым способом синтезировать множество новых неорганических соединений.
Но исследователи задались следующим вопросом: «Почему так, а не иначе?» В начале XX века с открытием радиоактивности, электрона, протона, а затем и нейтрона Периодический закон получил новые подтверждения, обрел дополнительный физический смысл. Оказалось, что порядковый номер элемента тождествен заряду ядра, что элементы разной массы, но с одинаковым зарядом ядра химически эквивалентны. Что электроны бегают вокруг ядра не кучкой, а по орбитам, что и приводит именно к таким химическим свойствам.
Ученые осознали и природу химической связи, из-за чего получили мощный толчок целые направления: каталитическая химия, квантовая химия, элементоорганическая химия, вычислительная химия и многие другие.
Не менее важно, пожалуй, и то, чего ученые не делали благодаря Периодическому закону. Понимая, как устроены химические элементы, исследователи не провели множества экспериментов.
Ругайся — и будешь здоров
Нельзя отрицать, что нрав у него был крутой, но он был вспыльчив, да отходчив. Слушать его крик, воркотню было иногда нелегко, но мы знали, что он кричит и ворчит не со зла, а такова уж его натура. Вероятно, в шутку он говорил, что держать в себе раздражение вредно для здоровья; надо, чтобы оно выходило наружу. «Ругайся себе направо-налево и будешь здоров».
Таблица с отклонениями
Первооткрыватель 10 трансурановых элементов, ректор Калифорнийского университета в Беркли, человек-элемент Гленн Теодор Сиборг и его коллеги в 1955 году решили назвать элемент №101 менделевием. Как писал Сиборг: «Согласно обычаю, ученые, получившие новый элемент, имеют право дать ему имя. Американские ученые предложили назвать элемент 101 менделевием — в честь великого русского химика, который первым использовал Периодическую систему для предсказания химических свойств неоткрытых элементов. Этот принцип явился ключевым при открытии почти всех трансурановых элементов и бесспорно сохранит свое значение в последующих попытках продвинуться в этой области науки».
Даже отклонения от Периодического закона, которые обнаружила при открытии последней пятерки элементов группа физиков под руководством еще одного человека-элемента, академика Юрия Оганесяна, также вытекают из этого закона. И каждое новое открытие так или иначе подтверждает величие закона Менделеева.
Он не гнался за патентованием изобретений, хотя за приоритет в открытиях бился жестко. Поэтому в признание его заслуг было бы правильно присвоить Периодической таблице его имя. И к такому решению постепенно склоняется все мировое сообщество. Неслучайно год 150-летия со дня открытия Менделеевым Периодического закона объявлен Международным годом Периодической таблицы химических элементов. Вероятно, вопрос о всемирном присвоении Периодической таблице химических элементов имени Менделеева в конце года будет поставлен на голосование перед IUPAC (Международным союзом теоретической и прикладной химии).