Рассказ о строении вещества: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Отыскивая родство между столь различными по своим свойствам веществами, Менделеев настойчиво ищет то общее свойство, которое было бы присуще всем химическим элементам.

Что же может быть общего между такими, казалось бы, различными веществами, как мягкий, легко окисляющийся на воздухе, блестящий металл натрий и жёлтый, с резким удушающим запахом, легко окисляющий другие вещества газ хлор? Или сравним гибкую легко тянущуюся в виде проволоки, хорошо проводящей электричество, медь и хрупкую, не проводящую электричество, легко загорающуюся на воздухе серу.

Понадобился гений Менделеева для того, чтобы взять за основу общее свойство, которое присуще всем столь различным веществам, свойство, на основе которого можно было найти искомое родство химических элементов. Это общее всем элементам свойство — их атомный вес.

Не является ли атомный вес элементов в то же время свойством, их связывающим?

Не зависят ли свойства простых тел от массы, веса их атомов? Ведь не могли же химики назвать двух различных простых веществ с совершенно схожими свойствами, как не могли указать и двух элементов с совершенно одинаковыми атомными весами.

Так Менделеев приходит к убеждению, что количественная характеристика элемента, общая всем веществам, — его атомный вес — должна быть связана с его качеством, с его свойствами.

«Я был с самого начала глубоко убежден в том, — пишет Менделеев, — что самое основное свойство атомов, атомный вес или масса атомов, должно определять основные свойства каждого элемента… Я уже… в первые годы самостоятельного труда чувствовал, что должно существовать обширное обобщение, связывающее атомный вес со свойствами элементов… Я искал это обобщение с помощью усидчивого труда во всех возможных направлениях. Только весь этот труд дал мне необходимые точки опоры и вселил уверенность, позволившую мне преодолевать препятствия, казавшиеся тогда непреодолимыми…В короткое время я пересмотрел массу источников, сопоставляя огромный материал. Мне надо было, однако, совершить большое усилие, чтобы в имевшихся сведениях отделить главное от второстепенного, решиться изменить ряд общепризнанных атомных весов, отступить от того, что было признано лучшими тогда авторитетами. Сопоставив все, я с неотразимой ясностью увидел периодический закон и получил полное внутреннее убеждение, что он отвечает глубочайшей природе вещей».

Чтобы наглядно сопоставить различные элементы друг с другом, Менделеев записал все химические элементы, а их было известно к тому времени уже 63, на отдельные небольшие карточки. На каждой такой карточке были указаны, кроме названия элемента, его атомный вес и основные свойства. После этого учёный расположил карточки в таком порядке, что все элементы следовали друг за другом по мере увеличения их атомных весов. Первым в этом ряду был водород — атомы его имели самый маленький вес.

Много дней изучал Менделеев полученный ряд элементов и не находил в этой последовательности никакой закономерности. И действительно, ни один элемент не походил по своим свойствам в ряду Менделеева на своего соседа. Но учёный не сдавался. Он был твёрдо уверен в том, что в созданном им ряду элементов в порядке увеличения атомных весов должна существовать какая-то закономерность. И Менделеев снова и снова всматривался в ряд элементов, ещё и ещё раз сопоставлял их свойства друг с другом.

И победа пришла. Великий учёный подметил, наконец, ту не заметную для глаза последовательность в изменении свойств химических элементов, сходство свойств различных элементов в зависимости от их атомных весов. Это сходство наблюдается не у рядом стоящих элементов, а у веществ, отстоящих друг от друга на некотором расстоянии, разделённых иными, несходными элементами. В самом деле, вот, например, в ряду Менделеева на втором месте стоит элемент литий (рис. 6).

Рис. 6. Первая таблица химических элементов, составленная Д. И. Менделеевым в 1869 году.

Этот лёгкий металл по химическим свойствам относят к так называемым щёлочным металлам. Если бросить кусочек лития в воду, он будет соединяться с ней, образуя щёлочь. Следующие за литием шесть элементов ничем на него не похожи. Но седьмой элемент — натрий — оказывается по своим свойствам близким «родственником» лития; это так же щёлочной металл, он так же бурно и жадно соединяется с водой и другими веществами[1].

Пропустите снова шесть элементов, и вы увидите элемент калий — опять активный щёлочной металл.

Возьмите теперь не второй элемент в ряду, а третий — бериллий. И опять вы увидите ближайших родственников этого элемента не рядом, а дальше в ряду и на таком же расстоянии; следующие за бериллием шесть веществ непохожи на него, но седьмой — магний — по всем своим химическим свойствам очень похож на бериллий. Ещё через шесть элементов — новый родственник бериллия — кальций и т. д.

В четвёртом ряду Менделеева стоит элемент бор; этот элемент входит в состав борной кислоты и буры. Его ближайший родственник — алюминий, седьмой по счёту от бора элемент.

Таким образом, определённые свойства элементов в ряду Менделеева повторялись через определённый промежуток, через период элементов. Поэтому Менделеев и назвал свою таблицу элементов периодической системой элементов.

Наблюдая свойства элементов, заключённых в каком-либо одном периоде, скажем, в первом — от лития до натрия — Менделеев заметил и другую замечательную закономерность. Оказывается, свойства находящихся в одном периоде элементов изменяются не случайно, а строго следуя определённому закону.

Свойства элементов одного периода отражают всё многообразие свойств различных химических элементов!

В самом деле, в таблице в начале периода стоит литий; это активный элемент с ярко выраженными металлическими свойствами. За ним следует бериллий; это чуть менее активный металл; он уже не так похож на типичный металл. Третий элемент — бор — ещё менее похож на металл, химическая активность его ниже, чем у двух первых элементов. Дальше идёт углерод — основа всех органических веществ. Это уже «переходный» элемент — от металлов к неметаллам. Следующий элемент азот — первый в периоде металлоид[2] и самый малоактивный среди них. Он входит в состав воздуха и носителей жизни — белков. Идущий за азотом кислород уже более активен — он легко вступает в химическое соединение со многими веществами. Заканчивает период элемент фтор; это самый активный и ярко выраженный металлоид.

Так, в одном периоде мы видим полный набор самых различных элементов. Тут есть и металлы и неметаллы с их характерными признаками, и химически активные элементы и неактивные, с трудом вступающие в соединения элементы.

Неудивительно поэтому, что за такой группой элементов, охватывающей все их различные свойства, следуют элементы, свойства которых повторяют свойства веществ первого периода.

Таким образом, Менделеев открыл естественную последовательность элементов, ту последовательность, какую подсказывает сама природа.

Но и это было ещё не всё! Самое замечательное было в тех выводах, которые сделал Менделеев из своего открытия.

Располагая элементы в порядке возрастания их атомных весов, Менделеев делал это не ради того, чтобы любой ценой связать их свойства с их атомными весами. Совсем нет. Великий химик только искал более всеобъемлющую связь простых тел природы, указывающую на единство всех известных элементов. И вот, когда он нашёл периодическую зависимость свойств этих элементов от их места и от их атомного веса, то сразу же сделал правильный, гениальный вывод. Ведь теперь, зная, как именно должны изменяться свойства рядом стоящих элементов, зная, сколько элементов и с какими именно свойствами должно находиться в каждом отдельном периоде, можно проверить правильность атомных весов у различных элементов; мало того, можно видеть, где, в каких местах нет элементов с нужными для полного периода качествами, то-есть можно строго научно предсказать, какие элементы должны еще существовать в природе, предсказывать свойства этих неоткрытых веществ.

Вот какой замечательный вывод сделал из своего открытия Менделеев.

А сделав такой вывод, учёный смело приступил к исправлению и дополнению своей таблицы. Так, если строго следовать установленным атомным весам элементов, то элементы иод и теллур, например, нарушали последовательность свойств элементов в природе. Если же их переставить местами, то эта последовательность восстанавливается. Значит, так именно и нужно поместить эти элементы — иод за теллуром, а не наоборот, как следовало бы сделать, руководствуясь только атомным весом.

Атомный вес урана в то время считался равным примерно 120. Если верить этому весу, уран должен располагаться в середине менделеевской таблицы. Однако химические свойства этого элемента говорили о том, что его место должно быть в самом конце таблицы, там, где расположились химические элементы с большими атомными весами. И Менделеев смело исправляет ошибку — он увеличивает атомный вес урана вдвое. Так говорит периодический закон, и так должно быть в действительности. С новым атомным весом уран становится на последнем месте таблицы.

Проверка атомного веса урана, проведённая после этого, устанавливает, что Менделеев оказался прав.

Сравнивая далее свойства элементов по периодам, Менделеев увидел в отдельных местах разрывы в последовательности свойств. Например, на месте родственника алюминия стоял совсем не похожий на него титан. А от этого нарушалось сходство в периодах и у других элементов. Значит, на месте титана должен стоять какой-то другой, еще не открытый элемент, по своим химическим свойствам обязательно схожий с алюминием. И Менделеев оставляет на этом месте в таблице пустую клетку. Мало того, он подробно описывает все химические и физические свойства этого неизвестного химикам простого вещества — его цвет, растворимость, удельный вес и пр. Он настолько ясно представляет себе свойства этого никому неведомого элемента, что даже предсказывает, как будет открыто новое простое вещество. Менделеев пишет, что этот металл будет обладать большей летучестью, чем алюминий, а потому можно надеяться, что он будет открыт спектральным исследованием (особый способ физического исследования тел).

[1] В современной таблице Менделеева повторение свойств химических элементов наблюдается не через шесть, а через семь элементов, благодаря позднее открытым так называемым инертным газам.

[2] Слово «металлоид» означает неметалл.