К середине девятнадцатого века, когда жил и работал Дмитрий Иванович Менделеев, химики знали шестьдесят три химических элемента. Были известны все их особенности: отношение к теплу, к холоду, к свету, знали, как они соединяются друг с другом, какой имеют атомный вес, где их надо искать в природе и многое, многое другое.
Чуть ли не каждый год приносил новые открытия. Трудно стало разбираться в огромном количестве разрозненных фактов, которые накопились в науке. И это беспокоило учёных.
Тревожило это и Менделеева. В 1867 году его назначили профессором химии Петербургского университета. Влюблённый в химию молодой профессор хотел так рассказать студентам о своей науке, чтобы они поняли всё её величие, всё её значение для жизни.
Готовясь к лекциям, Менделеев ещё глубже почувствовал, какой хаос царит в химии.
Не было ничего, что объединяло бы разрозненные сведения об элементах.
Правда, уже было известно, что такие элементы, как фтор, бром, хлор, иод, составляют как бы единую семью. Также объединялись в родственную группу металлы калий, натрий и похожий на них литий.
Но Менделеева это не удовлетворяло.
«Установить, что существуют родственные группы химических элементов, ещё мало! — думал он. — Надо найти общую связь между всеми ими».
Почему одни больше похожи друг на друга, а другие резко различаются? Нет ли тут какого-то закона, которому все они подчинены?
Позднее, в письмах к сыну, Менделеев рассказывал об этих своих размышлениях.
Оказывается, ещё в студенческие годы он задумывался над тем, какое свойство элементов надо признать основным, общим для всех.
Может быть, цвет? Нет, это признак ненадёжный. Есть химические элементы, меняющие свой цвет: то он жёлтый, то он красный. Например, фосфор. Что же делать с такими?
А если запах? В этом случае тоже будет немало затруднений. Многие химические элементы не имеют никакого запаха…
Одним словом, ни цвет, ни запах, ни отношение к электричеству или теплу, к свету или холоду — не могли служить для этого дела.
Менделеев нашёл другой признак! Это — атомный вес элемента.
Атомный вес имеют все химические элементы: и окрашенные и бесцветные, и газы и твёрдые тела, и те, которые хорошо проводят электричество, и те, которые его совсем не проводят.
Размышляя над свойствами элементов Дмитрий Иванович увидел, что все они находятся в зависимости от атомного веса.
Что же такое атомный вес?
Когда жил Менделеев, учёные ещё не умели определять настоящего веса атомов. Впервые это сделали через год после его смерти.
Особыми очень точными способами определили, что атом водорода, например, весит 0, 000 000 000 000 000 000 000 001 66 грамма, а кислорода — 0, 000 000 000 000 000 000 000 027 грамма.
Но попробуй-ка пользоваться такими ничтожно маленькими величинами! Это крайне неудобно. Вот почему химики и теперь их не употребляют. Учёные уже давно условились принять за единицу измерения атомный вес самого лёгкого химического элемента — водорода. А все остальные атомные веса сравнивали с ним. Например, определили, что атомный вес натрия — 23. Это значило, что атом натрия в двадцать три раза тяжелее атома водорода.
Сосчитали, что атомы хлора в тридцать пять раз тяжелее водородных, а атомы химического элемента урана (самого тяжёлого из всех, которые были известны при Менделееве) — в двести тридцать восемь раз.
Но современная химия узнала так много нового о химических элементах, что старое определение атомного веса пришлось пересмотреть. И теперь за единицу измерения принимают не атомный вес водорода, а 1/16 атомного веса кислорода. По этой величине перечислили атомные веса всех химических элементов.
В девятнадцатом веке расчёты были не так точны. Сопоставляя свойства элементов с их атомными весами, Менделеев обнаружил несколько ошибок в вычислениях.
И прежде чем выводить какие-то общие законы, пришлось исправить эти ошибки… Постоянно думал он о своих элементах.
«Я искал это обобщение, — пишет Менделеев, — с помощью усидчивого труда во всех возможных направлениях… Я пересмотрел массу источников, сопоставлял огромный материал…»
Изучая элементы от самого лёгкого — водорода до самого тяжёлого — урана, Менделеев после долгих трудов увидел то, чего никто из учёных до сих пор не наблюдал.
Оказалось, что свойства химических элементов, расположенных по атомному весу, периодически повторяются.
Например, атомный вес лития — 7. Это лёгкий серебристый металл, который не может жить на открытом воздухе, взрывается на воде, образует щёлочи. Через некоторый промежуток от лития находится натрий. А ведь мы уже знаем, что у него почти такие же свойства. Атомный вес натрия — 23. Через такой же определённый промежуток стоит калий с атомным весом 39, похожий на натрий…
Такая же закономерность обнаружилась в положении фтора, хлора, брома и иода.
И другие химические элементы, схожие между собой, также располагались на совершенно определённых расстояниях друг от друга.
Менделеев с радостью увидел, что периодические повторения разбивают построенный им ряд элементов на несколько отчётливых родственных групп. Чтобы облегчить свой труд и сделать его более наглядным, Менделеев приготовил из картона шестьдесят три карточки и выписал на них все известные тогда химические элементы. На каждой карточке под названием элемента он записал атомный вес и все остальные его свойства.
«Это был, — как он пишет, — заключительный аккорд, итог всего предыдущего труда».
Расположив карточки в порядке возрастания атомного веса, Менделеев получил несколько групп химических элементов. Так объединились все щелочные металлы. Нельзя было больше считать случайностью семейное сходство между фтором, бромом, иодом и хлором.
Эти элементы, как и все остальные, подчинялись строгому закону природы. Он получил название периодического закона.
В сложном хозяйстве природы вечно существовал этот железный порядок, но до Менделеева его никто не увидел.
Нашлись у Менделеева противники. Они пытались доказать, что Менделеев фантазирует, выдумывает несуществующие законы. А когда множество фактов подтвердило верность взглядов русского учёного, появились люди, желающие приписать себе честь открытия периодического закона.
В одной из книжечек иностранного учёного излагалась сущность периодического закона. Автор сообщал, что не Менделеев его открыл, а он, этот учёный. Менделеев прочёл эту книжку и возмутился:
— Очень дикое переложение моего закона!
Он доказывал своё первенство не из честолюбия. Ему хотелось отстоять честь русской науки!
И Менделеев вышел победителем из этой борьбы. Его противники сдались, почувствовав свою неправоту, слабость своих доказательств.
Открыв периодический закон, Дмитрий Иванович Менделеев определил место каждому элементу. Он построил особую таблицу, которая носит его имя: Менделеевская таблица химических элементов.
В клеточках этой таблицы расположились элементы. Учёный словно выдал каждому элементу документ с точным указанием всех его примет и особенностей.
Некоторые клеточки в таблице остались пустыми.
— Здесь, — говорил Менделеев, — встанут те химические элементы, которые ещё не открыты…
Он заранее вычислил их атомные веса, описал их вид и сообщил все свойства.
Это было не колдовство, не гадание на картах. Это было научное предвидение, основанное на точном знании закона природы.
Ведь каждый предсказанный им элемент существовал не сам по себе, а как член какой-то определённой «химической семьи», как член всего ряда химических элементов. Он, этот ещё не открытый, но существующий элемент, тоже подчинялся периодическому закону.
А это значит, что «семейные» свойства в нём зависели от того, между какими элементами в общем строю находится его место.
Случай с предсказанием астатина не единственный. Ещё при жизни Менделеева химики открыли предсказанные им несколько элементов. Сам он не надеялся, что это произойдёт при его жизни.
Но, к счастью, наука его порадовала.
В 1906 году он писал:
«Я не думал, что доживу до оправдания следствия периодического закона. Но действительность ответила иначе. Описаны были мною три элемента… Не прошло 20 лет, как я имел уже величайшую радость видеть все три открытыми.»
Более восьмидесяти пяти лет прошло с тех пор, как Менделеев создал свою таблицу. За это время во многих областях науки свершились целые революции. Подверглись изменениям и химия и физика. Но ни одна из научных революций не поколебала периодического закона.
Наоборот, всякое новое открытие вновь его укрепляло.
Учёные открыли за эти годы много новых элементов, и все они разместились в пустых клетках Менделеевской таблицы. Встали на те самые места, которые предназначил для них великий учёный.
