Сказать, что открытие Д. И. Менделеева сразу было принято восторженно, было бы неверно. Оно было воспринято с осторожностью. В науке вообще редко что-либо кардинально новое проходит «на ура». На то это и наука. Ей необходим здоровый скептицизм. Восторженность ученых слишком дорого может обойтись науке и человечеству.
Одни химики встретили открытие периодического закона с нескрываемым интересом, потому что они сразу же увидели в нем большое подспорье их собственным работам. Другие отнеслись к нему отрицательно и изо всех сил старались опорочить предложенную систему, отыскивая в ней изъяны.
Но и тем и другим работа Менделеева казалась чрезвычайно смелой, и как у сторонников, так и у противников было к создателю периодического закона немало вопросов.
Посмотрите таблицу, представленную на фотографии. Дмитрий Иванович демонстрировал ее Русскому химическому обществу в 1870 году. Состоит она из восьми вертикальных столбцов, которые содержат восемь групп элементов. При этом номера групп определяют валентность элементов по кислороду.
Валентность — свойство атома образовывать химические связи с определенным числом других атомов — одно из характернейших химических свойств элементов.
С водородом элементы первых четырех групп обычных соединений не давали. Зато население IV, V, VI и VII групп с водородом соединялось охотно. При этом их валентность по водороду с увеличением номера группы падала.
Все записанные друг под другом элементы образовывали одно семейство похожих друг на друга веществ.
Менделеев твердо считал периодичность законом природы, и потому там, где атомный вес менялся не плавно от одного известного элемента к другому, а совершал скачок, он оставил в таблице пустые клетки и вписал в них среднее значение атомных весов еще не открытых и никому не известных элементов, которые, по его мнению, непременно должны были существовать. Этим «неизвестным» он давал названия предшествующих аналогов — соседей по группе, но с приставкой «эка», что на древнем санскритском языке означало «один». То есть «первый аналог».
Так, на свободное место в третьей группе по горизонтали между кальцием — 40 — и титаном — 48 — Дмитрий Иванович вписал атомный вес 44. А сам элемент назвал по соседу сверху, расположенному в том же столбце, экабором, предсказав его физические и химические свойства.
Так выглядела таблица элементов Менделеева в первом издании его книги «Основы химии»
Прошло меньше десяти лет, и химик Л. Ф. Нильсон открыл среди редких земель новый элемент, названный им по имени своей родины скандием. И тотчас же другой химик, П. Т. Клеве — соотечественник Нильсона, — указал, что свойства нового элемента полностью идентичны экабору, предсказанному Менделеевым…
В своей классической статье «Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых еще элементов» Дмитрий Иванович Менделеев предсказал свойства еще нескольких элементов, неизвестных современникам. И со временем все его предсказания блестяще сбылись.
Но были и трудности, не дававшие химикам безоговорочно принять систему, предложенную Менделеевым. И начинались эти трудности с самого первого элемента периодической системы — с водорода… Казалось бы, чего проще: водород — старый знакомый химиков. Еще со времен Парацельса и Бойля этот горючий газ — постоянный спутник многочисленных опытов, во второй половине XIX века он не должен бы вызывать никаких сомнений. Но химики не могли согласиться с тем, что Менделеев поставил водород в первую группу таблицы, потому что в химическом отношении он совсем не походил на другие элементы той же группы.
Вопрос о водороде осложнялся еще и тем, что тесно связывался с проблемой единства материи. Эта старая философская традиция вовсе не умерла в XIX столетии. Представьте себе, как заманчиво было бы найти единую материю, из которой разными способами удалось бы собрать все имеющиеся в распоряжении человечества элементы…
Водород, если принять его вес за единицу, очень подходил для такой роли. На это обратил внимание еще в начале XIX века английский врач и химик Уильям Праут. И с тех пор химики пытались как можно точнее определить атомные веса химических элементов. К сожалению, многие из них выражались дробными, а не целыми числами. И в конце концов гипотезу Праута пришлось оставить.
А теперь давайте от первого элемента таблицы перейдем к последнему, к урану.
Во времена Менделеева это был весьма малоизученный элемент. Открыт он был, правда, довольно давно, еще в 1789 году. Но за сто лет о нем узнали мало что нового. Да не очень-то и интересовались. Атомный вес урана всеми принимался за 120. Поэтому сам элемент должен был, согласно периодическому закону, идти следом за оловом — 118, — которое Дмитрий Иванович поместил в IV группу таблицы, и стоять перед сурьмой — 122 — из V группы… Но известные химикам свойства урана не пускали его на это место.
Менделеев был абсолютно уверен в справедливости своего закона. Раз химические свойства урана не соответствуют его месту по атомному весу, стало быть, атомный вес найден неправильно! И Дмитрий Иванович передвигает уран на более подходящее ему место в III группу таблицы и записывает его после кадмия — 112. Здесь, вроде бы, и валентность ему более подходящая и бор с алюминием в родственники годятся. А как быть с атомным весом? Менделеев заменяет его на величину 116… Но всякое решение должно быть проверено. И Менделеев много времени проводит в лаборатории. Вместе с ним над изучением и проверкой свойств упрямых элементов, не соответствующих определенным им местам в таблице, занимались и его ученики. Редкого урана среди реактивов лаборатории не было. Менделеев попросил по старой дружбе А. Бородина — профессора Медико-хирургической академии прислать ему хоть какие-нибудь соединения этого элемента.
Но у Бородина урана тоже не оказалось. Менделеев вспомнил, что на Парижской выставке 1867 года химик Менье демонстрировал сплавленный образец нужного ему металла. Он написал во Францию. И снова неудача. Оказалось, что Менье все количество имевшегося у него урана передал другим исследователям.
Оставался путь теоретических размышлений на основании чужих исследований и чужих результатов. После долгих раздумий Дмитрий Иванович пришел к выводу, что и новое избранное им для урана место в периодической системе тоже не годится. И вообще для того, чтобы сошлись концы с концами, атомный вес урана надо… удвоить, а сам элемент поместить в VI группу.
Многим химикам тогда это казалось чистым произволом. Но прошло несколько лет, и были опубликованы новые работы по химии урана, поставленные в различных лабораториях мира. Атомный вес его оказался действительно удвоенным. Подтвердилось и место его в VI группе таблицы.
Д. И. Менделеев вовсе не считал, что уран — последний элемент из существующих. Вслед за ним в пустые клетки таблицы он вписал атомные веса предполагаемых элементов следующих групп. Правильность этого прогноза великого химика подтвердилась уже в наши дни, много лет спустя после опубликования периодического закона и периодической системы химических элементов.
Немало сил Дмитрий Иванович отдал и поискам единой праматерии, которую в те годы искали все.
Химическая лаборатория середины ХIХ века
В 1903 году Менделеев выдвинул гипотезу, что мировой эфир — таинственная субстанция, берущая свое начало от пятой сущности Аристотеля и до сей поры никем из естествоиспытателей не обнаруженная, — есть не что иное, как легчайший инертный газ, заполняющий космическое пространство. «Мировой эфир, — писал он, — можно представить, подобно гелию и аргону, газом, неспособным к химическим соединениям. Эфир есть простое тело, лишенное способности сжиматься и вступать в частичное химическое соединение». В опубликованной позже таблице Менделеев помещает в нулевой группе инертных газов неизвестные элементы, атомный вес которых предполагался меньше, чем у водорода. Какие могли быть у химиков основания думать, что система элементов ограничивается в сторону легчайших элементов водородом?..
Менделеев назвал наилегчайший элемент нулевой группы ньютонием. Атомный вес его не должен был превышать миллионной доли атомного веса водорода. «Это и есть эфир», — писал он в заключении статьи.
Сегодня мы знаем, что никакого эфира не существует, а водород должен занимать первое место в таблице, поскольку атом его имеет наименьший заряд ядра. Понятно нам и то, что между водородом и гелием нет никакого другого элемента.
Вызывали недоумение также элементы меди, серебра и золота. Действительно, как можно было помещать их вместе со щелочными металлами в I группу и одновременно в VIII, вместе с металлами группы железа?
Не могли химики согласиться и с размещением в таблице «редкоземельных элементов»…
Время изменило первоначальный вид таблицы, дополнило ее, оставило в клетках лишь те элементы, которые в полной мере соответствовали периодическому закону, открытому замечательным нашим соотечественником Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Периодический закон открыл перед химиками новые горизонты, но он же и поставил перед учеными новые вопросы.
Еще во времена Менделеева было ясно, что между элементами, лежащими в основе материального мира, должна существовать глубокая внутренняя связь. Должна, но в чем она заключалась? На каком уровне ее искать? В чем истинная причина периодичности элементов? И почему свойства родственных элементов повторяются, строго следуя открытому Менделеевым периодическому закону: 8, 18, 32?..
Нужно было срочно, немедленно искать ответы на эти вопросы, потому что они тормозили развитие науки о строении вещества, тормозили поиск первоначал мира. Но здесь начинается уже совсем другая часть этой истории, часть, которая связана не с химией, а со смежной наукой, которая с давних времен стоит в школьных расписаниях коротким словом: физика.