Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

К середине XIX в. были открыты 63 химических элемента, и попытки найти закономерности в этом наборе предпринимались неоднократно. Первым расположить элементы в порядке возрастания атомного веса попробовал Александр Эмиль Шанкуртуа (1862): в его варианте элементы разместились вдоль винтовой линии, а их химические свойства циклически повторялись по вертикали. Однако эта модель не привлекла внимания ученых.

В 1866 г. свой вариант периодической системы предложил химик и музыкант Джон Александр Ньюлендс, чья модель («закон октав») внешне напоминала менделеевскую, но была скомпрометирована желанием автора найти в таблице мистическую музыкальную гармонию. В 1864 г. Ньюлендс заметил, что если располагать элементы в порядке возрастания их атомного веса, то примерно каждый 8-й будет своего рода повторением 1-го — подобно тому как нота «до» (как и любая другая нота) повторяется в октавах через каждые 7 нот. Элементы, имеющие одинаковый атомный вес (по данным того времени), помещались под одним номером, при этом наметившиеся закономерности быстро разрушались, поскольку в системе не была учтена возможность существования еще не открытых элементов.

Ближе всего к окончательному варианту подошел Юлиус Лотар Мейер (1864), хотя за основу периодичности он взял валентность, которая не является единственной и постоянной для каждого элемента.

Фактически открытие периодического закона произошло 1 марта (17 февраля по старому стилю) 1869 г. В тот день русский химик Дмитрий Менделеев (1834–1907) собирался ехать на химический завод, руководство которого попросило помощи в решении проблем на производстве, как вдруг подумал: а ведь между массой и химическими свойствами должна быть связь. Поездку пришлось отложить — ученый с головой ушел в работу. Написав на карточках основные свойства каждого элемента, включая атомный вес и формулы окислов, он многократно перемещал эти карточки, составлял из них ряды сходных по свойствам элементов, сравнивал ряды один с другим. Тогда уже были известны группы щелочных и щелочноземельных металлов, но именно Менделеев обнаружил, что элементы этих групп попарно отличаются на одинаковое число единиц атомного веса: калий 39 ― кальций 40, натрий 23 ― магний 24. Это и послужило главным толчком к открытию периодического закона.

В первом варианте таблицы — «Опыте системы элементов, основанном на их атомном весе и химическом сходстве» — элементы были расставлены по 19 горизонтальным рядам (рядам сходных элементов, ставших прообразами групп современной системы) и по 16 вертикальным столбцам (прообразам будущих периодов). В 1870 г. Менделеев опубликовал в «Основах химии» второй вариант — «Естественную систему элементов», имеющую более привычный нам вид: горизонтальные столбцы элементов-аналогов превратились в 8 вертикально расположенных групп, а 6 вертикальных столбцов первого варианта преобразовались в периоды с щелочным металлом в начале и галогеном в конце. Каждый период был разбит на 2 ряда, а элементы разных вошедших в группу рядов образовали подгруппы.

После выхода работы в народном сознании закрепилось мнение, будто Менделеев сделал свое открытие во сне. Он сам как-то обмолвился о том, что после трех суток мучительных раздумий забылся сном и вдруг ясно увидел таблицу, «где элементы расставлены, как нужно». Слова были вырваны журналистами из контекста, информация стала передаваться из уст в уста, и в конце концов ученый в сердцах заявил: «Я над ней, может, двадцать пять лет думал, а вы полагаете: сидел, и вдруг пятак за строчку, пятак за строчку, и готово!»

Суть открытия Менделеева заключался в том, что с ростом атомной массы химических элементов их свойства меняются не монотонно, а периодически. После определенного количества разных элементов, расположенных в порядке возрастания атомного веса, свойства начинают повторяться — разумеется, не в точности, а с некоторыми изменениями. В отличие от предшественников, Менделеев взял две основы для классификации элементов: атомную массу и химическое сходство. А для того, чтобы периодичность соблюдалась полностью, немного схитрил: подправил атомные массы некоторых элементов, несколько элементов разместил вопреки принятым в то время представлениям об их сходстве с другими, а также оставил в таблице пустые клетки, где должны были разместиться пока не открытые элементы. Эти клетки Менделеев заполнил выдуманными элементами: «эка-бором», «эка-кремнием» и «эка-алюминием», что дало научной общественности повод обвинить его в подтасовках, а теорию назвать «смехотворной». Только в 1875 г., когда французский химик Л. де Буабодран сообщил об открытии галлия с удельным весом 5,9, стало ясно, что этот элемент идеально подходит на место «эка-алюминия» с таким же весом. В 1879 г. был открыт «эка-бор» — скандий, а в 1885 г. и «эка-кремний» — германий.

В начале XX в., с открытием строения атома, было установлено, что периодичность изменения свойств элементов определяется не атомным весом, а зарядом ядра, равным атомному номеру и числу электронов, распределение которых по электронным оболочкам атома элемента определяет химические свойства последнего.

Дальнейшее развитие периодической системы было связано с заполнением пустых клеток таблицы, в которые помещались все новые и новые элементы: благородные газы, природные и искусственно полученные радиоактивные элементы. В 2010 г., с синтезом 117-го элемента, был завершен седьмой период системы. Но где находится нижняя граница таблицы Менделеева, до сих пор остается загадкой.

Первые представления о том, что вещество состоит из отдельных неделимых частиц, появились в глубокой древности. Например, в I тысячелетии до н. э. философские школы Древней Индии признавали не только существование первичных неделимых частиц вещества, но и их способность соединяться в новые частицы. Наибольшее же влияние на развитие науки оказала древнегреческая атомистика, создателями которой были Левкипп (V в. до н. э.) и Демокрит (460–370 до н. э.). Излагая учение Демокрита, Аристотель писал: «Причинами всех вещей являются определенные различия в атомах. А различий этих три: форма, порядок и положение». В работах самого Аристотеля встречается понятие о миксисе — однородном соединении, образованном из различных веществ. Позднее философ Эпикур (342–271 до н. э.) ввел понятие о массе атомов и их способности к самопроизвольному отклонению во время движения.

Древние ученые догадывались, что сложное тело — это не простая смесь атомов, а целостное образование, наделенное новыми свойствами. Но понятия о «многоатомных» частицах, промежуточных между атомами и сложными телами, у греков еще не было.