На пути к поиску метода организации химических элементов он преодолел сиротство, бедность и плохое здоровье. 150 лет таблице химических элементов и 185 — ее основателю.
Уже несколько тысяч лет назад человечество познакомилось с такими элементами, как медь, железо, серебро и золото. Но список известных элементов оставался практически неизменным со времен правления первых династий Древнего Египта до славной эры химии в середине XVIII века, когда элементов обнаруживали все больше, включая кислород, азот и хлор. Когда в 1789 году французский химик Антуан Лавуазье составил список обновленных элементов, их было уже 33 — вдвое больше, чем за пятьдесят лет до этого. В следующие несколько десятилетий список вновь удвоился, и в середине XIX века уже включал в себя около 60 различных элементов.
Несмотря на стремительные темпы открытий, а может, и благодаря этому в химии тогда царил полнейший хаос. Химики по-прежнему не понимали значение понятия «химический элемент». В список Лавуазье, например, помимо настоящих элементов, входили свет и тепло (которое считали веществом и называли «калорик»). Большинство ученых отвергали предположение, что элемент состоит из атомов, и попросту полагались на определение Лавуазье, который считал, что химический элемент — это материал, который в ходе химической реакции нельзя расщепить. Несмотря на неразбериху и неопределенность, накопленные знания о различных элементах и их особенностях были настолько велики, что кто-то должен был навести порядок. Найти логику, которая позволила бы понять связи между различными элементами, а возможно, и суть самих материалов.
Многие ученые пытались найти способ упорядочить список элементов таким образом, чтобы он отражал их характеристики. Несколько химиков разработали различные схемы, которые более или менее соответствуют принципам, лежащим в основе привычной нам классификации. Но когда туман битвы за этот научный прорыв рассеялся, остался один исследователь, чье имя сегодня практически неразрывно связано со знакомой каждому школьнику квадратной доской — периодической таблицей элементов.
Обожженное стекло
Дмитрий Иванович Менделеев родился 8 февраля 1834 года в маленькой деревне недалеко от города Тобольска в Сибири. Он был младшим из 14 детей директора местной школы. Когда он еще был ребенком, его отец потерял зрение и не мог больше работать. Матери Марии пришлось добывать средства к существованию семьи, и она вновь открыла стекольный завод, принадлежавший ее семье. Когда Дмитрию было 13 лет, умер его отец, а через несколько месяцев сгорела фабрика. Мария Дмитриевна, чьи старшие дети в основном уже жили отдельно, возложила надежды на младшего сына и решила дать ему как можно более хорошее образование.
Мать и сын отправились за тысячи миль на запад, через Урал, в Москву, но Менделеева отказались принять в престижный Московский университет на том основании, что он не был жителем города. Они проехали еще несколько сотен километров до Санкт-Петербурга — российской столицы тех дней. Там в университет его тоже не приняли, потому что он был бедным сибиряком. В конце концов матери удалось записать сына в учительскую семинарию, где получал образование его отец. Через несколько недель она скончалась, и молодой Дмитрий остался один, выполняя волю матери и преуспевая в учебе.
Долги и книги
Менделеев действительно был выдающимся студентом, уже во время учебы он занимался химическими исследованиями и начал публиковать статьи. В конце обучения он заболел туберкулезом, а затем отправился работать в Крым, надеясь, что более комфортный климат поможет ему выздороветь. Два года он преподавал там в средней школе, затем вернулся в Санкт-Петербург, где у него не было постоянного места работы. Он погряз в долгах, соглашался на любую работу: преподавал в школах, проводил занятия в лабораториях, давал частные уроки и даже писал заметки о химических исследованиях в журнал российского Министерства образования.
Два года спустя он выиграл стипендию, которая позволила ему учиться в Париже и немецком Гейдельберге. Там он работал у известного химика Роберта Бунзена и специализировался на спектроскопии — на тот момент относительно новой области исследований. Суть спектроскопии состоит в том, что каждый элемент по-разному реагирует на проецируемый на него свет: поглощает определенные длины волн и излучает другие. Систематическое исследование конкретного элемента на разных длинах волн позволяет определить его оптический диапазон. Аналогичным образом проекция на неизвестный материал позволяет расшифровать, из каких элементов он состоит, в зависимости от того, как он излучает или поглощает световые волны.
В 1861 году Менделеев был назначен преподавателем химии в учительской семинарии в Санкт-Петербурге. Его волновал низкий уровень изучения химии в России по сравнению с тем, что он видел в Германии, а также отсутствие хороших учебников на русском языке. В 27 лет за два месяца он написал всеобъемлющий учебник по химии. Книга получила престижный приз (Демидовскую премию) и обеспечила Менделееву признание научного сообщества страны. Не менее важно, что денежное вознаграждение позволило ему погасить почти все долги. Благодаря этой публикации он также стал профессором в Санкт-Петербургском университете еще до того, как защитил докторскую диссертацию. Только через год, в 1865 году, ему присвоили докторскую степень за исследования реакций между спиртом и водой.
Менделеев начал работать над другим важным учебником — «Основы химии», который был опубликован в 1869 году. Тогда же он приступил к научному вопросу, который будет занимать его в последующие годы и принесет мировую славу: систематизация химических элементов.
Нелогичная периодичность
В XIX веке некоторые исследователи замечали, что атомные веса различных элементов на самом деле во сколько-то раз больше атомного веса водорода. Другими словами, если вы берете массу водорода за единицу, масса каждого другого атома будет ровно во сколько-то раз больше этой единицы. Атомный вес азота в 14 раз превышает вес атома водорода и в 197 раз — вес атома золота, но нет элемента, который весил бы больше водорода в 14,5 раза. По крайней мере, такой вес не фиксировали измерительные приборы того времени.
Немецкий химик по имени Иоганн Дёберейнер заметил еще одно явление: многие элементы собираются в тройки веществ с похожим химическим поведением. Например, литий, натрий и калий вступают в схожую реакцию с кислородом. Когда он расположил эти три элемента в соответствии с их атомным весом, то заметил, что средний элемент имеет атомную массу где-то между показателями двух других.
В Гейдельберге Менделеев познакомился с итальянским химиком Станиславом Канниццаро, который в 1860 году опубликовал список атомных весов элементов по отношению к весу водорода. Благодаря этой публикации ученые смогли наблюдать периодичность атомных весов элементов и обнаружили связь между этим свойством и некоторыми другими — удельным весом (плотность вещества), температурой кипения и склонностью к образованию соединений с другими веществами.
Среди ученых, обнаруживших это независимо друг от друга, были французский геолог Александр де Шанкуртуа и английский химик Джон Ньюлэндс. Работу Шанкуртуа совершенно проигнорировали — по-видимому, потому, что он не смог ясно сформулировать свои идеи. Ньюлэндс, напротив, представил интересную классификацию элементов из восьми групп, но наиболее авторитетная научная ассоциация его дней — Королевское общество — посчитала идею спорной и отказалась публиковать его исследования. Англичанин Уильям Одлинг также пришел к идее об аналогичной таблице, но его открытие не получило огласки, потому что он занимал руководящую должность в Королевском обществе, и возникло подозрение, что он использовал свое положение для продвижения публикации Ньюлэндса. Немецкий химик Густав Хинрихс опробовал другой подход и безуспешно пытался расположить периодические элементы на алгебраической основе. Наиболее успешную схему составил другой немец — Лютер Мейер, но, по собственному признанию, он не осмеливался публиковать свои работы, опасаясь насмешек.
Сон становится явью
В отличие от некоторых предшественников, Менделеев был очень хорошо подкован в лабораторных исследованиях. Он не только читал об элементах в учебниках, но и был знаком с ними ближе, и поэтому хорошо знал их свойства. Чтобы попытаться сопоставить атомный вес с базовыми свойствами, он сделал себе что-то вроде карт, на которых описал каждый из 63 известных тогда элементов. Менделеев играл с этими картами в игру, похожую на «пасьянс», и старался выстроить их логически. Через несколько дней после 35-летия во время игры он задремал. «Во сне я видел таблицу, в которой каждый элемент был на своем месте, и когда я проснулся, я сразу же все записал», — рассказал он позже.
Чтобы сделать сон явью, Менделеев должен был пойти на некоторые изменения, от которых другие ученые отказывались. Например, он поменял местами теллур и йод: хотя теллур немного тяжелее, он решил поместить йод на его место — точно под бромом, аналогичным йоду по нескольким характеристикам.
Чтобы завершить расстановку элементов по этому принципу, Менделеев был вынужден оставить в таблице пустые места — не было элементов, чьи характеристики соответствовали бы тому, что требовалось. Было смело и, возможно, даже нагло со стороны Менделеева утверждать, что соответствующие элементы еще обнаружат. Он даже предсказывал, какими будут их физические и химические свойства.
Менделеев, например, предсказал существование атома, химические свойства которого аналогичны свойствам кремния. Но этот элемент должен был быть тяжелее и расположиться в низу периодической таблицы. Менделеев назвал его экасилиций — на основе слова на санскрите, означающего «переезд». Менделеев предсказал, что у экасилиция будет атомный вес 72 (то есть в 72 раза больше веса водорода) с удельным весом около 5,5 г на кубический сантиметр. По оценке Менделеева, он должен был быть легким металлом с относительно низкой температурой кипения, который может присоединяться к двум атомам кислорода, четырем атомам водорода или же четырем атомам хлора. Аналогичным образом он предсказал другие элементы: экаалюминий и экабор.
Прогноз сбывается
Менделеев опубликовал свою периодическую таблицу в 1869 году, а в 1871 выпустил ее в обновленной версии: более точная таблица содержала прогнозы относительно недостающих элементов. Как и любое научное открытие, таблицу Менделеева — а особенно содержащиеся в ней прогнозы — широко критиковали, тем более что стольким ученым не удалось справиться с этой задачей.
Но за несколько лет общественное мнение изменилось. В 1875 году французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран изучил богатые цинком минералы и обнаружил неизвестный элемент. Предположив, что нашел новый элемент, он начал определять его свойства, пока характеристики не показались знакомыми одному из его коллег. Короткий поиск привел к статье Менделеева четырехлетней давности, и вскоре выяснилось, что новый элемент был не чем иным, как экаалюминием. Французский ученый дал ему новое имя — галлий в честь Галлии, древнего названия его страны. Четыре года спустя история с точностью повторилась: на этот раз шведский химик Ларс Нильсон открыл экабор и назвал его скандием в честь Скандинавии. В 1886 году настал черед немецкого химика Клеменса Винклера, который нашел элемент, в точности совпадающим с экасилицием, и тоже назвал его в честь своей страны — германий.
Вскоре всем стало ясно, что периодическая таблица Менделеева — лучшая основа. Элементы, которые на тот момент не были известны, встроились в нее позднее, и даже когда обнаружили целый набор элементов (благородных газов), с правой стороны периодической таблицы каждому из них нашлось место. С годами, когда наука дошла до создания искусственных элементов, их также включили в таблицу в соответствии с характеристиками.
Внутренний порядок
По мере развития химии и физики и понимания строения атома стало ясно, почему расположение элементов в таблице Менделеева столь удачно и как оно связано с различными свойствами атомов. Теперь мы знаем, что ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и практически идентичных им нейтронов без заряда. Электроны, окружающие ядро, имеют отрицательный заряд, который электрически уравновешивает протоны, но их масса настолько мала, что незначительна по отношению к ядру.
Количество протонов в атоме — это то, что отличает элементы друг от друга. В ядре атома водорода только один протон, поэтому его атомный вес равен одному. В ядре атома азота семь протонов, так что его атомный номер — 7, и семь нейтронов, поэтому атомный вес элемента —14, как 14 атомов водорода. В ядре атома золота 79 протонов (отсюда его атомный номер) и 118 нейтронов, поэтому атомный вес элемента — 197.
Электроны расположены вокруг ядра слоями, немного похожими на луковицу. Внутренняя оболочка может содержать только два электрона, поэтому в верхнем ряду таблицы только два элемента — водород, у которого один электрон, и гелий — два электрона. Во второй оболочке есть место для восьми электронов, поэтому первый элемент второго ряда — литий — имеет полную внутреннюю оболочку и один электрон на внешней оболочке. Последующий — бериллий имеет два электрона на внешней оболочке и так далее, вплоть до неона, элемента под номером 10, с обеими заполненными оболочками. В следующих рядах элементы все тяжелее и тяжелее, а оболочек все больше.
Наиболее устойчивое состояние для атома — заполненная внешняя оболочка. Элемент, внешняя оболочка которого не полная, может достичь этого состояния, доставляя и получая электроны или соединяясь с другим атомом, так что оба будут иметь несколько электронов. Число электронов, отсутствующих во внешней оболочке, определяет связи, которые может создать атом, и, следовательно, многие его химические свойства. Менделеев устроил свою таблицу таким образом, чтобы элементы с одинаковым числом электронов во внешней оболочке находились в одном столбце, хотя ничего не знал о структуре атома. Это свойство можно увидеть и в триаде Дёберейнера: у лития, натрия и калия — один электрон во внешней оболочке, поэтому они ведут себя аналогичным образом.
Если посмотреть на современную таблицу, можно увидеть, что атомный вес большинства элементов превосходит атомный вес водорода не ровно в определенное число раз, но обычно близок к этому. Это связано с существованием изотопов — других форм одного и того же элемента, которые отличаются только количеством нейтронов и, следовательно, атомным весом. К примеру, в случае углерода около 99% атомов в природе — «нормальный» углерод, то есть шесть протонов и шесть нейтронов. Но есть несколько других изотопов, поэтому его средний атомный вес составляет 12,01. Напротив, только около 72% атомов рубидия в природе — нормальные изотопы, чей атомный вес составляет 85, и почти 28% имеют более тяжелый изотоп — 87, поэтому средний атомный вес рубидия — почти 85,5.
Структура атома и связи между атомами объясняют многие другие свойства элемента: агрегатное состояние, электрическое сопротивление, теплопроводность и так далее.
Многопрофильный ученый
Огромный успех таблицы Менделеева превратил его в одного из наиболее признанных ученых поколения, но, с другой стороны, затмил многие другие вклады исследователя в науку. Так, Менделеев много занимался нефтехимией — изучением нефти и ее продуктов, стоял у истоков создания нефтеперерабатывающих заводов в России, занимался исследованиями и разработками топлива, удобрений и взрывчатых веществ. Он также изучал физические свойства материалов и агрегатных состояний, связь между температурой и объемом материалов и свойства растворов. Некоторые из его гипотез не подтвердились. К примеру, он ошибочно полагал, что эфир может быть еще одним элементом — более легким, чем водород, и обладающим свойствами газа.
Наряду с научной работой Менделеев активно занимался экономическими и социальными делами. Он консультировал российское правительство по вопросам сельского хозяйства и торговых соглашений, работал над введением таможенных пошлин и налогов на импорт для защиты российской экономики. Ученый также одним из первых выступил за академическое образование для женщин и способствовал открытию для них лекториев и курсов.
Приведем историю, которая хорошо иллюстрирует высокое положение Менделеева в России. Когда ученый развелся с женой, то захотел жениться на другой женщине (ей было 19, а ему — 43). Он не желал ждать несколько лет, как того требовала церковь, поэтому подкупил священника, чтобы тот немедленно обвенчал их. Когда об этом стало известно, священника отстранили от должности, а Менделееву все сошло с рук. «У Менделеева две женщины, а у меня только один Менделеев», — заявил царь. Правдива эта история или нет, но в 1891 году ученый был вынужден уйти из университета из-за политической поддержки, которую оказывал радикальным студенческим группам.
Он не остался без работы и вскоре был назначен главой Бюро образцовых гирь и весов — своего рода института стандартов. Другая легенда связывает его с установлением стандарта концентрации алкоголя в водке — 40%, но, насколько известно, эта история не имеет под собой оснований. Менделеев также основал Российское химическое общество и способствовал внедрению в стране метрической системы.
Он получил множество научных наград, в том числе медаль Копли и премию Гемфри Дэви. В 1905 и 1906 годах был номинирован на Нобелевскую премию, но не получил ее. Вновь стать претендентом на эту награду он не успел. За несколько дней до своего 73-го дня рождения, 2 февраля 1907 года, Менделеев умер от гриппа. В конце концов он удостоился еще большей чести: элемент номер 101 был назван в его честь — менделевий. Таким образом ученый был увековечен в разработанной им периодической таблице.
