МЕНДЕЛЕЕВ: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

В этом описании все выглядит очень просто, но чтобы хоть отдаленно представить себе всю неимоверную трудность содеянного, надо уяснить, что кроется за несколько расплывчатым понятием «индивидуальность, выраженная в химических превращениях». В самом деле, атомный вес — понятная и легковыразимая в цифрах величина. Но как, в каких цифрах можно выразить способность элемента к химическим реакциям?

Сейчас человек, знакомый с химией хотя бы в объеме средней школы, легко ответит на этот вопрос: способность элемента давать те или иные типы химических соединений определяется его валентностью. Но в наши дни сказать это только потому легко, что именно периодическая система способствовала выработке современного представления о валентности. Как мы уже говорили, понятие о валентности (Менделеев называл его атомностью) ввел в химию Франкланд, заметивший, что атом того или иного элемента может связать определенное число атомов других элементов. Скажем, атом хлора может связать один атом водорода, поэтому оба эти элемента одновалентные. Кислород в молекуле воды связывает два атома одновалентного водорода, следовательно, кислород двухвалентен. В аммиаке на атом азота приходится три атома водорода, поэтому в этом соединении азот трехвалентен. Наконец, в молекуле метана один атом углерода удерживает четыре атома водорода. Четырехвалентность углерода подтверждается еще и тем, что в углекислом газе в полном соответствии с теорией валентности углеродный атом удерживает два двухвалентных атома кислорода. Установление четырехвалентности углерода сыграло такую важную роль в становлении органической химии, разъяснило в этой науке такое множество запутанных вопросов, что германский химик Кекуле (тот самый, который придумал бензольное кольцо) заявлял: валентность элемента так же постоянна, как и его атомный вес.

Если бы это убеждение соответствовало действительности, задача, стоящая перед Менделеевым, упростилась бы до крайности: ему нужно было бы просто сопоставить валентность элементов с их атомным весом. Но в том-то и заключалась вся сложность, что Кекуле хватил через край. Перехват этот, необходимый и важный для органической химии, был очевиден всякому химику. Даже углерод и тот в молекуле угарного газа связывал лишь один атом кислорода и был, следовательно, не четырех-, а двухвалентным. Азот же давал целую гамму соединений: N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₅, в которых он пребывал в одно-, двух-, трех-, четырех- и пятивалентном состояниях.

Кроме того, было и еще одно странное обстоятельство: хлор, соединяющийся с одним атомом водорода, следует считать одновалентным элементом. Натрий, два атома которого соединяются с одним атомом двухвалентного кислорода, тоже следует считать одновалентным. Выходит, в группу одновалентных попадают элементы, не только не имеющие между собой ничего общего, но являющиеся прямо-таки химическими антиподами. Чтобы как-то отличать такие одинакововалентные, но малопохожие элементы, химики были вынуждены в каждом случае делать оговорку: одновалентный по водороду или одновалентный по кислороду.

Менделеев ясно понимал всю «шаткость учения об атомности элементов», но так же ясно он понимал и то, что атомность (то есть валентность) — ключ к классификации. «Для характеристики элемента, кроме прочих данных, требуются два путем наблюдений опыта и сличений добываемых данных: знание атомного веса и знание атомности». Вот когда пригодился Менделееву опыт работы над «Органической химией», вот когда пригодилась ему идея о ненасыщенных и насыщенных, предельных органических соединениях. По сути дела, прямая аналогия подсказала ему, что из всех значений валентности, которые может иметь данный элемент, характеристическим, тем, который надо класть в основу классификации, следует считать наивысшую предельную валентность.

Что же касается вопроса о том, какой валентностью — по водороду или по кислороду — руководствоваться, то ответ на него Менделеев нашел довольно легко. В то время как с водородом соединяются сравнительно немногие элементы, с кислородом соединяются практически все, поэтому формой именно кислородных соединений — окислов — должно руководствоваться при построении системы. Эти соображения отнюдь не беспочвенные догадки. Недавно в архиве ученого была обнаружена интереснейшая таблица, составленная Дмитрием Ивановичем и 1862 году, вскоре после издания «Органической химии». В этой таблице приведены все известные Менделееву кислородные соединения 25 элементов. И когда спустя семь лет Дмитрий Иванович приступил к завершающему этапу, эта таблица, несомненно, сослужила ему отличную службу.

Раскладывая карточки, переставляя их, меняя местами, Дмитрий Иванович пристально всматривается в скупые сокращенные записки и цифры. Вот щелочные металлы — литий, натрий, калий, рубидий, цезий. Как ярко выражена в них «металличность»! Не та «металличность», под которой любой человек понимает характерный блеск, ковкость, высокую прочность и теплопроводность, но «металличность» химическая. «Металличность», заставляющая эти мягкие легкоплавкие металлы быстро окисляться и даже гореть в воздухе, давая при этом прочные окислы. Соединяясь с водой, эти окислы образуют едкие щелочи, окрашивающие лакмус в синий цвет. Все они одновалентны по кислороду и дают удивительно правильные изменения плотности, температуры плавления и кипения в зависимости от нарастания атомного веса.

А вот антиподы щелочных металлов — галогены — фтор, хлор, бром, йод. Дмитрий Иванович может лишь догадываться, что самый легкий из них — фтор, — по всей видимости, газ. Ибо в 1869 году еще никому не удалось выделить из соединений фтор — типичнейший и самый, энергичный из всех неметаллов. За ним следует более тяжелый, хорошо изученный газ хлор, затем темно-бурая жидкость с резким запахом — бром, и кристаллический с металлическим отблеском йод. Галогены тоже одновалентны, но одновалентны по водороду. С кислородом же они дают ряд неустойчивых окислов, из которых предельный имеет формулу R₂O₇. Это значит: максимальная валентность галогенов по кислороду — 7. Раствор Cl₂O₇ в воде дает сильную хлорную кислоту, окрашивающую лакмусовую бумагу в красный цвет.

Наметанный глаз Менделеева выделяет еще некоторые группы элементов, не столь, правда, яркие, как щелочные металлы и галогены. Щелочноземельные металлы — кальций, стронций и барий, дающие окислы типа RO; сера, селен, теллур, образующие высший окисел типа RO₃; азот и фосфор с высшим окислом R₂O₅. Прослеживается, хотя и не явное, химическое сходство между углеродом и кремнием, дающими окислы типа RO₂, и между алюминием и бором, высший окисел которых R₂O₃. Но дальше все спутывается, различия смазываются, индивидуальности утрачиваются. И хотя существование отдельных групп, отдельных семейств можно было считать установленным фактом, «связь групп была совершенно неясна: тут галоиды, тут щелочные металлы, тут металлы, подобные цинку, — друг в друга они точно так же не превращаются, как одна семья в другую. Другими словами, неизвестно было, как эти семьи между собой связаны».

В наши дни легко сказать: смысл периодического закона — установление зависимости между наивысшей валентностью по кислороду и атомным весом элемента. Но тогда, сто с лишним лет назад, из нынешних 104 элементов Менделееву были известны лишь 63; атомные веса десяти из них оказались заниженными в 1,5–2 раза; из 63 элементов лишь 17 соединялись с водородом, а высшие солеобразующие окислы многих элементов разлагались с такой быстротой, что были неизвестны, поэтому высшая валентность по кислороду у них оказывалась заниженной. Но самую большую трудность представляли элементы с промежуточными свойствами. Взять, к примеру, алюминии. По физическим свойствам — это металл, а по химическим — не поймешь что. Соединение его окисла с водой — странное вещество, не то слабая щелочь, не то слабая кислота. Все зависит от того, с чем оно реагирует. С сильной кислотой оно ведет себя как щелочь, а с сильной щелочью — как кислота.

Глубокий знаток менделеевских работ по периодическому закону академик Б. Кедров считает, что Дмитрий Иванович в своих изысканиях шел от хорошо известного к неизвестному, от явного к неявному. Сначала он выстроил горизонтальный ряд щелочных металлов, так напоминающий ему гомологические ряды органической химии.

Всматриваясь во второй ярко выраженный ряд — галогены, — он обнаружил удивительную закономерность: каждый галоген легче близкого и нему по атомному весу щелочного металла на 4–6 единиц. Значит, ряд галогенов можно поставить над рядом щелочных металлов:

Что дальше? Щелочноземельные металлы на 1–3 единицы тяжелее щелочных, стало быть, их — вниз:

Атомный вес фтора — 19, ближе всего к нему примыкает кислород — 16. Не ясно ли, что над галогенами надо поставить семейство аналогов кислорода — серу, селен, теллур? Еще выше — семейство азота: фосфор, мышьяк, сурьму, висмут. Атомный вес каждого члена, этого семейства на 1–2 единицы меньше, чем атомный вес элементов из семейства кислорода. По мере того как укладывается ряд за рядом, Менделеев все более и более укрепляется в мысли, что он на правильном пути. Валентность по кислороду от 7 у галогенов последовательно уменьшается при перемещении вверх. Для элементов из семейства кислорода она равна 6, азота — 5, углерода — 4. Следовательно, дальше должен идти трехвалентный бор. И точно: атомный вес бора на единицу меньше атомного веса предшествующего ему углерода…

В феврале 1869 года Менделеев разослал многим химикам отпечатанный на отдельном листке «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». А 6 марта делопроизводитель Русского химического общества Н. Меншуткин вместо отсутствовавшего Менделеева зачитал на заседании общества сообщение о предложенной Дмитрием Ивановичем классификации.

Изучая этот непривычный для современного взгляда вертикальный вариант менделеевской таблицы, нетрудно убедиться в том, что он, если так можно выразиться, разомкнут, что к его жесткому костяку — поставленным рядом щелочным металлам и галогенам — сверху и снизу примыкают ряды элементов с менее ярко выраженными переходными свойствами. Было в этом первом варианте и несколько неправильно расположенных элементов: так ртуть попала в группу меди, уран и золото — в группу алюминия, таллий — в группу щелочных металлов, марганец — в одну группу с родием и платиной, а кобальт и никель заняли одно место. Вопросительные знаки, поставленные около символов некоторых элементов, свидетельствуют о том, что сам Менделеев сомневался в правильности определения атомных весов тория, теллура и золота и считал спорным положение в таблице эрбия, иттрии и индия. Но все эти неточности отнюдь не должны умалить важности самого вывода: именно этот первый, несовершенный еще вариант привел Дмитрия Ивановича к открытию великого закона, побудившего его поставить четыре вопросительных знака там, где должны были стоить символы четырех элементов…

Сопоставление элементов, расположенных в вертикальных столбцах, навело Менделеева на мысль, что свойства их изменяются периодически по мере нарастания атомного веса. Это был принципиально новый и неожиданный вывод, так как от предшественников Менделеева, увлекавшихся созерцанием линейного изменения свойств сходственных элементов в группах, ускользала эта периодичность, позволившая связать воедино все казавшиеся разрозненными группы. В «Основах химии», изданных в 1903 году, есть таблица, с помощью которой Дмитрий Иванович сделал периодичность свойств химических элементов необычайно наглядной. В длинный столбец он выписал все известные к тому времени элементы, а справа и слева поместил цифры, показывающие удельные объемы и температуры плавления, и формулы высших окислов и гидратов, причем чем выше валентность, тем дальше от символа отстоит соответствующая формула. При беглом взгляде на эту таблицу сразу видишь, как периодически нарастают и убывают цифры, отражающие свойства элементов, по мере неуклонного увеличения атомного веса.

В 1869 году неожиданные перерывы в этом плавном нарастании и убывании чисел доставили Менделееву немало затруднений. Укладывая один ряд за другим, Дмитрий Иванович обнаружил, что в столбце, идущем вверх от рубидия, вслед за пятивалентным мышьяком идет двухвалентный цинк. Резкий перепад атомного веса — 10 единиц вместо 3–5, и полное отсутствие сходства между свойствами цинка и углерода, стоящего во главе этой группы, навели Дмитрия Ивановича на мысль: в перекрестии пятого горизонтального ряда и третьего вертикального столбца должен находиться не открытый еще четырехвалентный элемент, напоминающий по свойствам углерод и кремний. А поскольку цинк ничего общего не имел и с идущей далее группой бора и алюминия, Менделеев предположил, что науке еще неизвестен и один трехвалентный элемент — аналог бора. Такие же соображения побудили его предположить существование еще двух элементов с атомными весами 45 и 180.

Понадобилась поистине изумительная химическая интуиции Менделеева, чтобы сделать столь смелые предположения, и понадобилась его поистине необъятная химическая эрудиции, чтобы предсказать свойства не открытых еще элементов и исправить многие заблуждении, касающиеся элементов малоизученных. Дмитрий Иванович не случайно назвал свою первую таблицу «опытом», этим он как бы подчеркивал ее незавершенность; но в ближайший же год он придал периодической системе элементов ту совершенную форму, которая, почти не изменившись, сохранилась до наших дней.

«Разомкнутость» вертикального варианта, по-видимому, не соответствовала представлениям Менделеева о гармонии. Он чувствовал, что из хаотической кучи деталей ему удалось сложить машину, но он ясно видел, как далека эта машина от совершенства. И он решил переконструировать таблицу, разорвать тот двойной ряд, который был ее костяком, и поместить щелочные металлы и галогены на противоположных концах таблицы. Тогда все остальные элементы окажутся как бы внутри конструкции и будут служить постепенным естественным переходом от одной крайности к другой. И как часто бывает с гениальными творениями, формальная, казалось бы, перестройка вдруг открыла новые, ранее не подозреваемые и не угадываемые связи и сопоставлении.

К августу 1869 года Дмитрий Иванович составляет четыре новых наброска системы. Работая над ними, он выявил так называемые двойные сходственные отношения между элементами, которые вначале он помещал в различные группы. Так вторая группа — группа щелочноземельных металлов — оказалась состоящей из двух подгрупп: первой — бериллий, магний, кальций, стронций и барий и второй — цинк, кадмии, ртуть. Далее, уяснение периодической зависимости позволило Менделееву исправить атомные веса 11 элементов и изменить местоположение в системе 20 элементов! В итоге этой неистовой работы в 1871 году появилась знаменитая статья «Периодическая законность дли химических элементов» и тот классический вариант периодической системы, который ныне украшает химические и физические лаборатории во всем мире.

Сам Дмитрий Иванович очень гордился этой статьей.

В старости он писал: «Это лучший свод моих взглядов и соображении о периодичности элементов и оригинал, по которому писалось потом так много про эту систему. Это причина главная моей научной известности — потому что многое оправдалось гораздо позднее». И действительно, позднее многое оправдалось, но все это было позднее, а тогда…

…Тогда, в самый разгар титанической работы Менделеева над периодической системой, почти все друзья и доброжелатели в глубине души скорбели о «заблудшем химике». Деликатно, между делом они намекали Дмитрию Ивановичу, что следует-де бросить «бесплодные умозрения», заняться «делом, работой». По-видимому, особенно прямолинейно эти упреки высказал Менделееву академик Н. Зинин, поскольку под впечатлением минуты Дмитрий Иванович написал ему довольно резкое письмо.

К счастью, это письмо никогда не было отправлено, и мы теперь можем узнать, что думал Менделеев о путях химической науки в декабре 1869 года.

Сейчас с изумлением узнаешь, что большинство химиков восприняло периодическую систему лишь как удобное учебное пособие для студентов. В цитированном письме Зинину Дмитрий Иванович писал: «Если немцы не знают моих работ… я позабочусь о том, чтобы они знали». Выполняя это обещание, он попросил своего товарища химика Ф. Вредена перевести на немецкий язык его фундаментальную работу по периодическому закону, и, получив 15 ноября 1871 года типографские оттиски, он разослал их многим иностранным химикам. Но, увы, не только компетентного суждения, но вообще никакого ответа не получил на свои письма Дмитрий Иванович. Ни от Ж. Дюма, ни от А. Вюрца, ни от С. Канниццаро, Ж. Мариньяка, В. Одлинга, Г. Роско, X. Бломстранда, А. Байера и других химиков.

Дмитрий Иванович не мог понять, в чем дело. Он снова и снова перелистывал свою статью и снова и снова убеждался в том, что она полна захватывающего интереса. Разве не удивительно, что он, не производя никаких экспериментов и измерении и основываясь только на периодическом законе, доказал, что считавшийся ранее трехвалентным бериллии в действительности двухвалентен? Разве не доказана правильность периодического закона тем, что, исходя из него, Менделеев установил трехвалентность таллия, который раньше считался щелочным металлом? Разве не убедительно то, что Менделеев, исходя из периодического закона, приписал малоисследованному индию валентность, равную трем, что спустя несколько месяцев было подтверждено измерениями теплоемкости индия, сделанными Бунзеном? И тем не менее это ни в чем не убедило «папашу Бунзена». Когда один из молодых учеников попытался привлечь его внимание к менделеевской таблице, он только досадливо отмахнулся: «Да уйдите вы от меня с этими догадками. Такие правильности вы найдете и между числами биржевого листка». А нравящееся самому Дмитрию Ивановичу исправление атомных весов урана и ряда других элементов, продиктованное периодической законностью, вызвало лишь упрек со стороны германского физика Лотара Мейера, которому, по странной иронии судьбы, впоследствии пытались приписать приоритет в создании периодической системы. «Было бы поспешно, — писал он в «Либиховских анналах» о статьях Менделеева, — изменять доныне принятые атомные веса на основании столь непрочного исходного пункта».

У Менделеева начинало создаваться впечатление, что эти люди слушают — и не слышат, смотрят — и не видят. Не видят черным по белому написанных слов: «Система элементов имеет значение не только педагогическое, не только облегчает изучение разнообразных фактов, приводя их в порядок и связь, по имеет и чисто научное значение, открывая аналогии и указывая чрез то новые пути для изучения элементов». Не видят, что «по сих пор мы не имели никаких поводов предсказывать свойства неизвестных элементов, даже не могли судить о недостатке или отсутствии тех или других из них… Только слепой случай и особая прозорливость и наблюдательность вели к открытию новых элементов. Теоретического интереса в открытии новых элементов вовсе почти не было, и оттого важнейшая область химии, а именно изучение элементов, до сих пор привлекала к себе только немногих химиков. Закон периодичности открывает в этом последнем отношении новый путь, придавая особый, самостоятельный интерес даже таким элементам, как иттрии и эрбий, которыми до сих пор, должно сознаться, интересовались только весьма немногие».