История науки знает множество крупных открытий, однако немногие из них можно сопоставить с тем, что было сделано Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834–1907), разносторонним ученым, которого иногда называют «русским Лавуазье». В самом деле, хотя со времени открытия периодического закона химических элементов прошло немало лет, никто не может сказать, когда будет до конца понято все глубочайшее содержание знаменитой «таблицы Менделеева».
Этому открытию способствовало накопление к концу 60-х годов XIX века новых сведений о редких элементах, которые сделали очевидными, как говорил Менделеев, «их разносторонние связи между собой и другими элементами». Способствовало этому и многое другое, в частности, введение понятия о валентности (то есть о способности атомов химических элементов образовывать определенное число химических связей с атомами других элементов) [12] , разработка новых способов определения атомных масс, обсуждение гипотезы о сложном строении атомов химических элементов английского химика Уильяма Праута (1785–1850) и т. д.
Уильям Праут в 1815 году предположил, что из самого легкого элемента (водорода) путем конденсации могут образовываться все остальные, а атомные массы всех элементов кратны массе атома водорода.
Эта гипотеза вызвала широкий отклик в научном сообществе. Однако после того как были проведены более точные определения атомных масс, выяснилось, что целые числа в значениях атомной массы встречаются крайне редко. Затем 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, превращаясь в наши обычные элементы (по Круксу, процесс этой эволюции был аналогичен тому, как происходила эволюция растений и животных). А очень малый атомный вес протила, по мнению Крукса, делал возможным возникновение дробных атомных весов.
Все это говорит о том, что в начале и в середине XIX века появилось немало попыток найти основу для систематизации элементов. В частности, было сделано предположение, что редкие элементы «все более и более пополняют пробелы» между известными телами природы и это позволяет составить из этих тел «непрерывный ряд, в котором всякий элемент имел бы свое определенное место».
Правильно решить эту проблему удалось Менделееву.
Дмитрий Иванович Менделеев родился в Тобольске в семье директора гимназии и попечителя народных училищ И. П. Менделеева.
Дмитрий Иванович Менделеев
Осенью 1841 года, то есть в шесть лет, Дмитрий поступил в Тобольскую гимназию с условием, что останется в первом классе на два года, пока ему не исполнится восемь.
Через шесть лет умер отец Дмитрия, а еще через два года он окончил гимназию, и его мать, распродав имущество, вместе с детьми отправилась в Петербург. Ей очень хотелось, чтобы ее талантливый сын поступил в университет.
В 1850 году Менделеев-младший был зачислен студентом Главного педагогического института по физико-математическому факультету После получения высшего образования он с целью поправления здоровья уехал на юг, в Одессу Там он работал преподавателем математики, физики и естественных наук, а потом, в начале 1857 года, стал приват-доцентом Петербургского университета.
Защита докторской диссертации у Менделеева состоялась 31 января 1865 года. После защиты Менделеев был утвержден профессором кафедры технической химии Петербургского университета.
...
Фигура Менделеева всегда была окружена всевозможными мифами.
Один из самых распространенных – якобы Менделеев сделал научное обоснование стандарта русской водки в 40 градусов. Связано это с тем, что тема его докторской диссертации звучала так: «Рассуждение о соединении спирта с водою».
Но к водке это не имело никакого отношения (работа была посвящена очень узкой научной проблематике, связанной с теорией растворов).
Принято считать, что свою периодическую таблицу элементов Менделеев увидел во сне, и ему оставалось лишь записать ее и обосновать. Конечно же, это такой же миф, как и пресловутое яблоко Ньютона. Сам Менделеев, кстати, этого сновидения не отрицал, однако рассказывал, что увидел свою таблицу после того, как не спал несколько ночей подряд, пытаясь изложить на бумаге уже сформировавшиеся в его мозгу представления.
Дмитрий Иванович 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, три дня и три ночи не ложась спать. Доведя себя до крайней степени нервного истощения, он, как сейчас говорят, «отключился», и тут-то его и 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».
Три дня и три ночи? Скорее всего и это – художественная метафора. На самом деле, согласно воспоминаниям помощницы и ученицы Дмитрия Ивановича О. Э. Озаровской, сам Менделеев, отвечая однажды на вопрос, как же он все-таки открыл периодическую систему, ответил: «Я над ней, может быть, двадцать лет думал, а вы думаете: сидел, и вдруг – готово».
...
Как видим, вся эта история с вещим сном лишь подтверждает тот факт, что люди, которые очень интенсивно размышляют над какой-либо проблемой, просто продолжают решать ее и во сне, только в этом случае к мыслительной работе подключается уже подсознание. Именно оно способно на такие величайшие научные «подвиги».
Кстати сказать, случаи, когда открытия «делались во сне», довольно широко известны. Достаточно вспомнить немецкого химика Фридриха-Августа Кекуле фон Штрадоница (1829–1896), во сне расшифровавшего формулу молекулы бензола, увидев ее в виде правильного шестиугольника. О большой роли сновидений в своих открытиях упоминал и знаменитый Альберт Эйнштейн.
Конечно же, открытие Менделеева было совершено им не случайно, и уж точно не во сне. Всему этому предшествовала огромная работа, основанная на сочетании знаний физической стороны исследуемого явления, математической интуиции и философского осмысления.
Менделеев тщательно изучил описание свойств известных элементов и их соединений. После этого он сделал картонные карточки и на каждую нанес название элемента, его атомный вес, формулы соединений и основные свойства. После этого он очень долго раскладывал эти карточки подобно пасьянсу, пытаясь как-то систематизировать химические элементы, расставив их в логическом порядке. Постепенно Менделеев понял, что с изменением атомного веса меняются и свойства элементов. А тем временем наступил февраль 1869 года. Получается, что к этому времени концепция уже была в голове ученого, ему оставалось лишь сделать финальное усилие, и оно было сделано его подсознанием.
17 февраля (1 марта) 1869 года Менделеев отправил в типографию рукопись, в которой был изложен его «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Уже через две недели он представил в Русское химическое общество статью «Соотношение свойств с атомным весом элементов».
Отметим, что сообщение об открытии Менделеева было сделано редактором «Журнала Русского химического общества» профессором Н. А. Меншуткиным (1842–1907). Сам Дмитрий Иванович на этом заседании не присутствовал, так как находился в командировке в Тверской губернии.
В конечном итоге, Менделеев составил несколько вариантов периодической системы и на ее основе исправил атомные веса некоторых известных элементов.
С этого момента все другие проблемы отошли для него на задний план. В частности, он забросил работу над учебником «Основы химии» (труд этот будет закончен лишь в 1871 году). Распределение элементов в составленной им таблице постоянно казалось ему несовершенным. Каждый раз что-то стояло не на своем месте, соответствующем свойствам отдельных элементов.
Д. И. Менделеев и его таблица
Закончилось все это тем, что Менделеев сумел предсказать существование нескольких до того неизвестных элементов и в одной из своих статей он даже подробно описал свойства трех из них: он назвал эти элементы экабором, экаалюминием и экакремнием, или «экасилицием» («эка» – на санскрите означает «первый», так что название, например, «экаалюминий» означает «первый аналог алюминия»). Так на свет появилась фундаментальная схема, которой до сих пор пользуются как школьники, так и ученые во всем мире.
Казалось бы, титаническая работа была завершена. Однако осенью 1875 года Менделеев случайно натолкнулся на доклад француза Поля-Эмиля Лекока де Буабодрана (1838–1912), посвященный открытию нового элемента, названного им в честь Франции галлием. Французский химик даже указал удельный вес галлия – 4,7, но, согласно вычислениям Менделеева, у экаалюминия получалось 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 точно, более скрупулезные определения удельного веса галлия дали значение 5,94. Это вызвало настоящую сенсацию среди ученых, и имена Менделеева и Лекока де Буабодрана стали известны всему миру.
Вслед за этим ученые разных стран, вдохновленные первым подобным успехом, начали искать другие еще не открытые элементы, предсказанные Менделеевым.
И успехи не заставили себя очень долго ждать. В 1879 году шведский профессор-химик Ларс-Фредерик Нильсон (1840–1899) открыл новый элемент, полностью соответствовавший описанному Менделеевым экабору. В честь родной Скандинавии Нильсон назвал его скандием.
А в 1885 году немецкий химик Клеменс Винклер (1838–1904) открыл элемент германий, идентичный менделеевскому экакремнию.
Это уже был настоящий триумф, и со всех концов мира стали поступать сообщения об избрании Менделеева почетным членом различных университетов и академий (всего он получил свыше 130 дипломов и почетных званий).
Еще одним прекрасным подтверждением менделеевского закона стала открытая в 1894–1898 гг. британским химиком сэром Уильямом Рамзаем (1852–1916) группа инертных, то есть отличающихся крайне низкой химической активностью, газов (аргон, гелий, неон, ксенон, криптон), давшая 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 «нулевая» перестала существовать.
Сам Менделеев по этому поводу в своих «Основах химии» отмечал:
...
«Писавши в 1871 году статью о приложении периодического закона к определению свойств еще неоткрытых элементов, я не думал, что доживу до оправдания этого следствия периодического закона, но действительность ответила иначе. Описаны были мною три элемента: экабор, экаалюминий и экасилиций, и не прошло 20 лет, как я имел уже величайшую радость видеть все три открытыми и получившими свои имена от тех трех стран, где найдены редкие минералы, их содержащие, и где сделано их открытие: галлия, скандия и германия. Лекока де Буабодрана, Нильсона и Винклера, их открывших, я, со своей стороны, считаю истинными укрепителями периодического закона. Без них он не был бы признан в такой мере, как это случилось ныне. В такой же мере я считаю Рамзая утвердителем справедливости периодического закона».
И все же, справедливости ради, возвращаясь к знаменитой таблице Менделеева, необходимо отметить, что у нее был еще один «автор». Его звали Юлиус-Лотар фон Мейер (1830–1895), и был он доктором медицины, занимавшимся вопросами теоретической и физической химии и преподававшим в университетах Бреслау, Карлсруэ и Тюбингена. В 1864 году на основании данных об атомных весах он предложил таблицу, показывающую соотношение атомных весов для нескольких характерных групп элементов. В таблице Мейера было 28 элементов, размещенных в шесть столбцов согласно их валентностям. Немецкий ученый намеренно ограничил число элементов в таблице, чтобы подчеркнуть закономерное изменение атомной массы в рядах сходных элементов.
В 1870 году Мейер опубликовал еще одну работу, называвшуюся «Природа химических элементов как функция их атомных весов» и содержавшую новую таблицу, состоявшую уже из девяти вертикальных столбцов (сходные элементы располагались в горизонтальных рядах, а некоторые ячейки таблицы Мейер оставил незаполненными).
Юлиус-Лотар фон Мейер
По мнению специалистов, таблица Мейера 1870 года была в некоторых отношениях совершеннее первых вариантов таблицы Менделеева. При этом 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». Д. И. Менделеев возмущенно писал:
...
«Господин Мейер раньше меня не имел в виду периодического закона, а после меня ничего нового к нему не прибавил».
Более того, согласно Менделееву, Мейер не стал развивать свое открытие и даже не сделал попыток на его основе дать предсказания свойств еще не открытых элементов. Свое мнение по этому вопросу Дмитрий Иванович сформулировал так:
...
«По праву творцом научной идеи должно того считать, кто понял не только философскую, но и практическую сторону дела, сумел так его поставить, что в новой истине все могли убедиться, и она стала всеобщим достоянием. Тогда только идея, как материя, не пропадет».
Тем не менее многие, особенно в Германии (это и понятно), считают именно Мейера первооткрывателем периодической системы.
Как бы то ни было, в 1882 году лондонское «Королевское общество» присудило золотые медали совместно Менделееву и Мейеру. Наградам сопутствовала формулировка: «За открытие периодических соотношений атомных весов».
Следует также упомянуть 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 (элементы, имевшие одинаковые веса, имели у него один и тот же номер), 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», который формулировался следующим образом:
...
«Номера аналогичных элементов, как правило, отличаются или на целое число семь, или на кратное семи; другими словами, члены одной и той же группы соотносятся друг с другом в том же отношении, как и крайние точки одной или больше октав в музыке».
После 1866 года Джон Ньюлендс больше не предпринимал попыток дальнейшей разработки своей систематики, тем не менее именно его в Англии считают тем, кто впервые высказал идею о периодичности изменения свойств элементов.
Джон Ньюлендс
В любом случае, в 1887 году, через пять лет после Менделеева и Мейера, лондонское «Королевское общество» присудило свою медаль и ему. Награде сопутствовала формулировка: «За открытие периодического закона химических элементов». Дмитрий Иванович на это отреагировал следующей оценкой работы Ньюлендса:
...
«В этих трудах видны некоторые зародыши периодического закона».
И все же у знаменитого русского естествоиспытателя К. А. Тимирязева (1843–1920) мы читаем:
...
«Едва ли не самым выдающимся шагом вперед собственно химии явилась возможность естественной классификации элементов в периодическую систему (Ньюландс, Лотар Мейер и особенно Менделеев), дозволяющих рассматривать все свойства как функции их атомного веса».
Особенно Менделеев…
В конечном итоге, чтобы не путаться во взаимных претензиях, в большинстве химических сообществ западного мира периодическая таблица не носит имя первооткрывателя, а словосочетание «таблица Менделеева» существует только в России.
Сегодня у нас в стране имя Менделеева носит Российский химико-технологический университет. Именем Менделеева названа одна из станций московского метро, а также улицы в Москве, Санкт-Петербурге, Калининграде, Воронеже, Екатеринбурге, Владимире, Владивостоке, Липецке, Новосибирске, Туле, Уфе, Ярославле, Киеве, Харькове, Минске и других городах.
«Основы химии» при жизни ученого издавались в России восемь раз. Кроме того, они многократно выходили в переводах на английский, немецкий и французский языки. Заслуги Дмитрия Ивановича отмечались и за границей. Например, французский химик Анри-Луи ле Шателье (1850–1936) еще в 1926 году отмечал, что все учебники химии были написаны по одному образцу, и «заслуживает быть отмеченной лишь единственная попытка действительно отойти от классических традиций – это попытка Менделеева».
Памятник Д. И. Менделееву в Санкт-Петербурге
За свою жизнь Менделеев опубликовал более 500 фундаментальных работ по химии, физике, метрологии, воздухоплаванию, метеорологии, сельскому хозяйству, экономике и т. д. В 1899 году сам он написал:
...
«Сам удивляюсь, чего только я не делывал в своей научной жизни. И сделано, думаю, недурно».
Дмитрий Иванович Менделеев умер в Петербурге в 1907 году. Когда он придумывал свою таблицу, было известно лишь 63 химических элемента. В год смерти ученого был открыт лютеций , получивший 71-й номер. Сотым элементом стал фермий , впервые полученный в конце 1952 года. А в 1955 году американские ученые синтезировали элемент № 101, и ему было дано название менделевий (Md) – в честь Д. И. Менделеева.
Интересно отметить, что по состоянию на 2010 год было известно уже 118 химических элементов, из них 94 было обнаружено в природе, а остальные 24 получены искусственно в результате ядерных реакций.
|
