Мысль о «внутреннем порядке» элементов овладевает Менделеевым. До глубокой ночи просиживал великий ученый в своем кабинете.
Менделеев шаг за шагом изучал все характерные свойства известных тогда 63 элементов. Он сравнивал их удельные веса, отношение к водороду и к кислороду, теплопроводность, электрические и магнитные свойства, атомный вес и остановился в конце концов на атомном весе как основе своей будущей классификации элементов.
Спустя несколько лет, когда сделанное им открытие уже прогремело на весь мир, он так рассказывал о своих исканиях:
«…Искать же чего-либо, хотя бы грибов или какую-либо зависимость, нельзя иначе, как смотря и пробуя.
Вот я и стал подбирать, написав на отдельных карточках элементы с их атомными весами и коренными свойствами, сходные элементы и близкие атомные веса, что быстро привело к тому заключению, что свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса».
Менделеев расположил все элементы в порядке возрастающих атомных весов и заметил, что свойства изменяются от элемента к элементу в определенном порядке.
Вот, например, литий — необычайно горючий, ярко выраженный металл, он блестящ, ковок. Следующий по порядку элемент — бор. Но ведь бор совсем не похож на литий. Это порошок бурого цвета или кристаллы, твердые, как алмаз. Металлических свойств бор почти не имеет. Почему же он должен стоять рядом с литием? После бора идет углерод. В природе он встречается в виде алмаза, угля и графита. Углерод нельзя ни ковать, ни тянуть — в нем нет ничего металлического. А вот за углеродом стоит бериллий — легкое, блестящее, белое, ковкое вещество, самый настоящий металл, но только его атомный вес почему-то указан 13,5. Здесь Менделеев заподозрил ошибку. Безусловно, химик, определявший атомный вес бериллия, допустил оплошность. Атомный вес бериллия должен быть иным. Менделеев решительно перечеркивает на карточке бериллия 13,5 и пишет 9, а карточку бериллия кладет по соседству с литием, отодвигая вправо бор и углерод, так как элементы должны располагаться в порядке убывания металлических свойств: литий, бериллий, бор, углерод.
За углеродом выстроились типичные неметаллы, так называемые металлоиды: газы азот, кислород и бледножелтый удушливый фтор. Это активнейший металлоид, который жадно соединяется со всеми металлами, не исключая даже таких стойких, как золото, серебро и платина.
В современной таблице Менделеева за фтором стоит неон, но о существовании неона Менделеев не знал и поэтому перешел к натрию. Это опять легкий, блестящий, ковкий и необычайно горючий металл. По всем своим признакам он похож на литий, как его родной брат.
За натрием следует магний. Он тоже блестящ и легок, но его металлические свойства (ковкость, тягучесть) выражены не так резко, как у натрия. Он уступает натрию и в горючести. Магний самопроизвольно не вспыхивает. Магниевую проволоку или ленту надо поджечь, тогда она горит ослепительно белым пламенем. По своим химическим свойствам магний родствен бериллию.
За магнием в списке стоит алюминий — не очень блестящий, хрупкий, плохо поддающийся ковке белый металл. Его трудно паять. Спичкой поджечь невозможно. Алюминий горит только тогда, когда его измельчат в порошок.
Кремний, который следует за алюминием, уже совсем не имеет металлических свойств. Он подобен углероду и даже по внешнему виду похож на графит. Кремний, так же как и углерод, разграничивает металлы от неметаллов.
За кремнием идут типичные металлоиды — фосфор, подобный по своим химическим свойствам азоту, сера, подобная кислороду, и замыкает эту группу элементов желтовато-зеленый ядовитый газ хлор, который является двойником фтора, ибо похож на фтор так же, как натрий похож на литий.
О существовании аргона Менделеев не знал; в его списке за хлором шел калий, почти точная копия натрия, и за ним кальций, похожий на магний.
Менделеев раскладывал свои карточки так, чтобы в горизонтальных рядах разместились элементы, у которых постепенно слабеют металлические свойства и нарастают свойства металлоидов. Под первым рядом литий — фтор легли карточки элементов от натрия до хлора. Под вторым рядом Менделеев подобрал третий, под третьим четвертый и т. д. Все родственные элементы сошлись вместе в вертикальных столбцах. В первом столбце оказались щелочные металлы: литий, натрий, калий, рубидий, цезий. В четвертом — элементы, пограничные между металлами и металлоидами: углерод, кремний. В седьмом — яркие металлоиды: фтор, хлор, бром, йод.
Так была создана таблица периодической системы элементов, получившая мировую известность.
Менделеев во время этой работы ничего не взвешивал и не занимался химическими исследованиями. Руководствуясь исключительно тем местом, какое занял в его таблице тот или иной элемент, Менделеев исправил атомные веса бора, урана, титана, церия, индия. Открытый им периодический закон позволил взвешивать элементы без весов.
После заполнения таблицы некоторые ее клетки оставались свободными. Среди известных Менделееву элементов не было ни одного, который мог бы занять 21-ю, 31-ю и 32-ю клетки.
Менделеев высказал смелую мысль, что пустующие клетки будут заняты элементами, которые безусловно существуют в кладовой природы, но еще не найдены химиками. Гениальный русский ученый дал неизвестным элементам условные названия: эка-бор, эка-алюминий и эка-силиций (приставка эка означает — подобный, похожий). Не видя этих элементов, не взвешивая и не исследуя их, Менделеев предуказал их атомный и удельный веса и основные химические свойства.
Это замечательное открытие было сделано в 1871 году.
Прошло четыре года. Из Парижа пришло известие, что французский химик Лекок де Буабодран открыл новый химический элемент, названный им галлием и в точности соответствующий эка-алюминию. Еще через четыре года шведский химик Нильсон нашел другой предсказанный Менделеевым элемент — эка-бор — и назвал его скандием.
Излагая историю открытия скандия, Нильсон писал: «…так подтверждаются самым наглядным образом мысли русского химика, позволившие не только предвидеть существование названного простого тела, но и наперед дать его важнейшие свойства».
В 1886 году Менделеев получил письмо от немецкого химика Винклера, открывшего элемент, тождественный по своим свойствам с эка-силицием.
«Уведомляю Вас о… новом триумфе Вашего гениального исследования и свидетельствую Вам свое почтение и глубокое уважение», — писал Винклер Менделееву.
Открытие периодического закона элементов и практическое его подтверждение явились важнейшим этапом в истории химии и вообще всей науки. Менделеев доказал всему миру, что подлинный ученый обязан факты не только видеть, но и предвидеть. Именно поэтому Энгельс оценил открытие Менделеева как «научный подвиг».
Периодический закон Менделеева является широким обобщением огромнейшего арсенала химических знаний, накопленных человечеством в течение многих столетий.
Периодический закон получил полное признание. Им руководствовались все ученые, он пригодился не только химикам, но и физикам, и геологам.
В XIX веке химики считали атом последней неделимой частицей вещества. Однако Менделеев вскоре после открытия периодической системы элементов высказал предположение о делимости атома.
«…Легко предположить, но пока нет возможности доказать… — писал Менделеев, — что атомы простых тел суть сложные вещества, образованные сложением некоторых еще меньших частей (ультиматов), что называемое нами неделимым (атом) — неделимо только обычными химическими силами».
Такого же мнения придерживался и современник Менделеева, другой величайший русский химик А. М. Бутлеров.