Закон Менделеева

Следующий основополагающий шаг в науке о химических превращениях веществ в природе сделал другой наш знаменитый соотечественник, Д. И. Менделеев.

В 1871 году в третьем томе "Журнала Русского физико-химического общества" была опубликована статья, На которую сначала мало кто обратил внимание. Статья называлась "Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов". В ней автор писал о том, какие должны быть открыты химические элементы, подробно описывая свойства этих простых тел. Это было великое научное предвидение!

С незапамятных времен были известны людям простые виды материи: золото, медь, железо, олово. Позднее стали обычны серебро, свинец, ртуть, сера. Как уже говорилось, в конце XVII века химики знали около пятнадцати веществ, которые считались неразложимыми. В начале XIX века химики открыли калий, натрий, барий, магний и кальций. Поиски простых тел природы приводили все к новым и новым открытиям. Не проходило года-двух без того, чтобы кто-нибудь из химиков не находил новое, химически неразложимое вещество.

Изучались свойства найденных элементов, определялись их атомные веса. Найдя и выделив в чистом виде новый химический элемент, исследователь сравнивал, насколько он тяжелее или легче уже известных (за единицу измерения был принят сначала самый легкий химический элемент водород, атомный вес водорода стали считать равным 1). Устанавливаются единые для всех стран химические обозначения - значки химических элементов. А число "начал" мира все растет. К 50-м годам прошлого столетия в химических руководствах описывалось уже свыше пятидесяти различных Неразложимых веществ.

Открытиям новых элементов не видно конца. Не означает ли это, что различных химических элементов в природе может быть почти так же много, как и самих тел? Нет ответа и на вопрос о том, что же объединяет химические элементы.

Ко второй половине XIX века в химии накопился богатейший опытный материал: изучены свойства не только всех известных к тому времени элементов, но и свойства их многочисленных соединений. Во всем многообразии химических соединений надо было разобраться, свести их в единую стройную систему. Эту систему дал науке Менделеев.

В архиве ученого были найдены первоначальные наброски периодической системы химических элементов. Эти документы показывают, что великий закон был открыт не "по наитию", а в результате многолетнего, упорного творческого труда, на основе огромных знаний.

Что может быть общего между такими, казалось бы, различными веществами, как мягкий, легко окисляющийся на воздухе, блестящий металл натрий и желтый, с резким удушающим запахом, легко окисляющий другие вещества газ хлор? Размышляя над этими вопросами, Менделеев приходит к убеждению, что количественная характеристика элемента, общая всем веществам,- его атомный вес - должна быть связана с качеством вещества, с его свойствами. "Меня неоднократно спрашивали,- пишет он,- на основании чего, исходя из какой мысли, найден был мною и упорно защищаем периодический закон? Приведу... свой посильный ответ... Посвятив свои силы изучению вещества, я вижу в нем два таких признака или свойства: массу, занимающую пространство и проявляющуюся в притяжении, а яснее или реальнее всего в весе, и индивидуальность, выраженную в химических превращениях, а яснее всего формулированную в представлении о химических элементах... невольно зарождается мысль о том, что между массою и химическими элементами необходимо должна быть связь, а так как масса вещества, хотя и не абсолютная, а лишь относительная, выражается окончательно в виде атомов, то надо искать... соответствия между индивидуальными свойствами элементов и их атомными весами".

Великий химик прежде всего старался установить связь между элементами с резко различными свойствами. Именно в этом заключалась основная идея, которой руководствовался он в своем открытии. "В сопоставлении несходных элементов заключается, по-моему, основной признак, отличающий мою систему от систем моих предшественников",- писал в 1871 году в статье, помещенной в журнале "Русского физико-химического общества", автор великого закона.

Он сопоставил прежде всего две наиболее несходные группы химических элементов - группу галогенов, к которой относятся хлор, бром, фтор и йод, и группу Щелочных металлов - лития, калия, натрия, магния, кальция, стронция, бария. И это определило успех великого открытия.

Начав с сопоставления друг с другом различных групп элементов, Менделеев после огромного творческого труда, после многих сопоставлений, предположений открыл наконец ту общую зависимость всех химических элементов, тот общий непрерывный их ряд, в котором свойства элементов повторяются закономерно. Ученый подметил 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, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, разделенных иными, несходными элементами. Например, в таблице Менделеева на втором .месте стоит элемент литий (Li). По химическим свойствам этот легкий металл относится к щелочным металлам. Если бросить кусочек лития в воду, он соединяется с ней, образуя щелочь. Следующие за литием семь элементов ничем на него не похожи. Но восьмой - натрий (Na) - оказывается по своим свойствам близким родственником лития: это также щелочной металл, он так же бурно соединяется с водой и с другими веществами.

Пропустите еще один период - семь элементов - и вы увидите элемент калий (К) - опять активный щелочный металл.

Возьмите третий элемент таблицы - бериллий (Be). Следующие за ним семь веществ непохожи на бериллий, но восьмой - магний (Mg) - по химическим свойствам очень напоминает бериллий. Еще через семь элементов - новый "родственник" бериллия - кальций (Са).

"По мере возрастания атомного веса,- пишет Д. И. Менделеев,- элементы сперва имеют все новые изменчивые свойства, а потом эти свойства вновь повторяются в новом периоде, в новой строке и в ряде элементов, и в той же последовательности, как в предшествовавшем ряду". А потому закон периодичности можно формулировать следующим образом: "свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости (то есть правильно повторяются) от их атомного веса".

Подмеченная закономерность наблюдается лишь до четвертого периода. Дальше мы видим уже иную закономерность: родственные элементы располагаются не через 7, а через 17 элементов. Так, следующий за калием (№ 19) щелочной металл рубидий располагается под № 37; еще через 17 элементов идет щелочной металл цезий. За галогеном хлором - снова через 17 элементов - галоген бром и т. д.

Таким образом, повторение свойств в периодической таблице наблюдается через 7 или через 17 элементов. Каждый восьмой или каждый восемнадцатый элемент в таблице близки по своим свойствам друг другу. В этом, по существу, и заключается простой, но вместе с тем глубокий смысл открытия Менделеева.

Периодический закон явился ключом к решению многих и многих задач науки. Огромное значение закона показал прежде всех сам Менделеев. Найдя периодическую зависимость свойств элементов от их места в таблице и от их атомного веса, великий химик сделал из этого гениальный вывод. Зная, как именно должны изменяться свойства рядом стоящих элементов, сколько элементов и с какими именно свойствами должно находиться в каждом отдельном периоде, можно видеть, где, в каких местах нет элементов с нужными для полного периода качествами. Другими словами, можно строго научно предсказать, какие элементы должны еще существовать в природе и даже каковы будут свойства этих не открытых еще веществ.

Опираясь на открытый им закон, Менделеев предсказал, что в будущем будут открыты химические элементы, похожие по своим свойствам на кремний, алюминий и бор. Ученый уже ясно представлял себе эти еще никому не известные элементы; он подробно описал их физические и химические свойства. Прошло около 20 лет, и все три предсказанных Менделеевым элемента были открыты! При этом все свойства вновь открытых элементов оказались именно такими, как предсказал Менделеев.

Утверждением закона Менделеева заканчивается важнейший этап в многовековой борьбе за познание основ нашего мира, за освобождение науки от идеалистических, религиозных взглядов прошлых веков. Ни вода и ни воздух, ни земля и ни огонь, ни ртуть и ни сера, ни все эти вещества вместе, ни каждое из них в отдельности не являются теми простыми веществами, из которых строится все многообразие мира. Элементов мира больше, всего их в природе 92: от самого легкого - водорода, до самого тяжелого - урана. Так говорил великий закон Менделеева.

Д. И. Менделеев дает новое, диалектическое представление о химических элементах, об их глубокой взаимосвязи и взаимозависимости. Химический элемент есть вид атомов, которому в периодической системе соответствует определенное место. Огромное мировоззренческое значение периодического закона состоит в том, что он объединяет все химические элементы как ступени развития единой материи. Химические элементы составляют одну большую семью.

Разбитые на группы и периоды, они наглядно показывают свое родство, при этом мы видим как бы развитие каждого более легкого элемента, заключенного в первом периоде таблицы, в более тяжелый и сложно устроенный элемент.

Мы уже говорили о химическом составе человека. Из таких же химических элементов - основ мироздания - строятся все другие тела природы. И это понятно: жизнь так же материальна, как и все существующее вокруг нас.

Приписывая живой природе особое, нематериальное начало, идеалисты утверждают, что материя сама по себе мертва. Такой взгляд лежит в основе всех религий. Религиозные учения утверждают, что человек появился после того, как бог вдохнул в' него живую душу. Душа - это якобы "божье творенье", и познать поэтому сущность жизни нельзя. Между тем материалистическая наука о жизни убедительно показывает, что жизнь так же материальна, как и все окружающее.

Долгое время идеалисты всех мастей приписывали живой природе особую, "жизненную" силу. Не может быть, говорили защитники "жизненной силы" - виталисты (вита - по-латыни жизнь), никакого сходства между живым и неживым. Что может быть общего между мясом или кровью животных и, скажем, какой-нибудь горной породой или воздухом?

Несуществующая "жизненная сила" была, по существу, той же "тонкой материей", философской "субстанцией" алхимиков, тем же мифическим "элементом-свойством".

Исследования состава многочисленных тел живого, органического происхождения не обескураживали защитников неведомой "силы". Вполне возможно, говорили виталисты, что живые организмы состоят из тех же самых элементов, что и неживые тела. Но попробуйте-ка создать такие органические тела искусственно?

И в самом деле, долго не могли химики получить искусственным путем ни одного органического соединения - продукта живой природы. В учебнике химии, выведшем в 20-х годах прошлого века, один из крупнейших химиков того времени, Берцелиус, убежденно писал: "...в живой природе элементы повинуются иным законам, чем в безжизненной" и делал заключение, что под влиянием обычных физических и химических сил, известных химикам, органические вещества не могут образовываться.

Однако причина здесь была в другом: органические вещества, как правило, значительно сложнее по строению, чем тела неживой природы. Пришел день, когда впервые создали искусственное органическое вещество. Это была щавелевая кислота, полученная в 1824 году химиком Велером, учеником того самого Берцелиуса, который всю органическую химию называл "химией веществ, образующихся под влиянием жизненной силы".

Через четыре года Велер синтезировал другое органическое вещество - мочевину, продукт жизнедеятельности живого организма. А в 1842 году знаменитый русский химик Н. Н. Зинин получил в лаборатории основу красителей - анилин, вещество, которое раньше вырабатывали только из сока растений. Затем ученью успешно синтезировали ряд органических кислот: уксусную, винную, лимонную, яблочную, искусственные жиры и другие вещества живой природы. В 1851 году А. М. Бутлеров получил в своей лаборатории искусственный сахар.

Закон Менделеева подтвердил свою незыблемость не только для Земли. Временами на землю падают "небесные камни" - метеориты. Когда-то этим камням поклонялись как "посланцам богов". Из каких же химических элементов состоят эти камни? Исследования показали, что они состоят из тех же химических элементов, которые объединены в таблице Менделеева. Ни одного нового, неизвестного нам на земле элемента в составе метеоритов нет!

Определили ученые и состав раскаленных небесных тел - Солнца и звезд. Например, в настоящее время в составе Солнца удалось обнаружить уже более шестидесяти химических элементов, и все они знакомы нам по таблице Менделеева.

Великий периодический закон имел и имеет громадное значение для развития естествознания. Он могучее орудие познания природы, ее закономерностей. Когда на рубеже XIX и XX веков были открыты радиоактивные химические элементы, их изучению во многом помог закон Менделеева. Периодическая система позволила понять и изучить свойства новых элементов. Руководствуясь законом Менделеева, ученые успешно раскрыли строение атома и научились освобождать энергию его недр.

А теперь, продолжая наш рассказ о том, как развивалась, набираясь знания и сил, химическая наука, познакомимся с отдельными представителями "семейства неразложимых" - тех подлинных основ, из которых природа постоянно создает свои неповторимые формы существования материи.