1. История открытия

В 1871 году в III томе «Журнала Русского физико-химического общества» появилась статья, в которой были даны подробные характеристики нескольких ещё никем не виданных элементов. Автор статьи предсказывал, какие еще должны быть открыты химические элементы, подробно описывал их свойства.

Что это было? Неосторожные высказывания какого-то химика, пытающегося на счастье угадать будущее? Нет, это было обоснованное научное предвидение крупного учёного. Это означало конец той неизвестности, той случайности, которые существовали до сих пор в науке об основных веществах мира.

В конце XVII и начале XVIII века было известно около 15 веществ, которые считались неразложимыми. Наступает вторая половина XVIII столетия, и учёные устанавливают, что число химических элементов значительно больше 15. К этому времени учёные открывают один за другим несколько ранее не известных газов, в том числе азот, водород, кислород, убеждаются в том, что сера и фосфор — это простые, неразложимые вещества, и т. д.

В конце этого же столетия был составлен первый наиболее полный для того времени список всех химических элементов. В этом списке уже 35 различных названий. Правда, лишь 23 из них — действительно химические элементы. Остальные 12 — это или несуществующие, невещественные элементы — теплород и другие, либо сложные вещества, такие, как едкий натр и едкий калий.

Но и этот список продолжает расти. С начала XIX столетия открытия новых химических элементов начинают происходить ещё более часто.

Теперь уже почти не проходит года-двух без того, чтобы кто-нибудь из химиков не открывал новый вид атома, новое химически не разложимое вещество.

«Охота» за новыми химическими элементами становится основным занятием многих крупных учёных-химиков.

Вместе с этим идёт изучение свойств вновь открытых элементов, определение их атомных весов.

Устанавливаются единые для всех стран химические обозначения — значки химических элементов. Каждый химический элемент получает свой значок, состоящий из начальной или начальной и одной из последующих букв его латинского названия. Так, углерод отныне отмечается буквой С, водород — Н, сера — S, ртуть — Нg и т. д.

А число «начал» мира растёт и растёт!

К 50-м годам прошлого столетия в химических руководствах описывалось уже свыше 50 различных неразложимых веществ.

И тогда новые сомнения начали одолевать учёных. Всё новые и новые элементы присоединяются к ранее открытым. И таким открытиям не видно конца. Не означает ли это, что различных сортов атомов в природе может быть почти так же много, как и самих тел?

Правда, узнавая состав сложных тел, химики видят, что большинство веществ состоит из небольшого числа элементов. Так, им уже известно, что в состав десятков тысяч веществ органического, «живого» происхождения входит всего-навсего каких-либо 6–8 простых веществ — углерод, водород, азот, кислород и некоторые другие.

Анализ наиболее распространённых на Земле минералов говорит о том же: и здесь чаще всего встречаются одни и те же немногие элементы — железо, кремний, кислород, алюминий, магний, кальций.

Однако поскольку всё время открывались, пусть редкие, но новые элементы, вопрос о числе элементов для химиков прошлого века не терял своей остроты.

И всё это усугублялось ещё одним обстоятельством. Открытия новых элементов были совершенно случайными. Учёные работали вслепую. Никто не знал, где мог оказаться новый элемент, каковы должны быть его свойства.

Действительно, так, например, был открыт новый элемент иод. Изучая золу морских водорослей, химик прибавил к ней однажды большее количество серной кислоты, чем обычно. И вдруг над раствором показались пары фиолетового цвета. Это оказался иод.

Так же случайно были впервые обнаружены бром, кадмий и другие элементы.

Всё было случайно!

А число элементов увеличивалось.

Где же был конец этим случайностям? Где тот закон, которому подчиняются сами атомы?

Ответ пришёл из России.

В марте 1869 года на заседании Русского физико-химического общества было зачитано замечательное сообщение молодого, но уже известного к тому времени химика Д. И. Менделеева. В своём сообщении Менделеев писал, что им создана естественная система всех химических элементов. На основе этой системы автор смело предсказывал также свойства новых, еще не известных ни одному человеку, простых веществ мира.

Помещённая через два года в журнале Русского физико-химического общества статья Менделеева уже более подробно излагала основы великого открытия. Статья называлась «Естественная система элементов и применение её к указанию свойств неоткрытых элементов». В ней Д. И. Менделеев писал:

«Свойства простых тел (элементов), а также формы и свойства соединений их находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».

Таким образом, Менделеев открыл давно искомое родство химических элементов, установил связь между разрозненными отдельными элементами мира, единство основных веществ мира, единство материи. Это было открытие нового великого закона природы, закона, которому подчинялись атомы всех элементов.

Дмитрий Иванович Менделеев родился в 1834 году в семье директора Тобольской мужской гимназии. Получив высшее образование в Петербургском педагогическом институте, Дмитрий Иванович очень быстро становится известным учёным. Двадцати двух лет он защищает диссертацию на степень магистра химии. В 1865 году, на тридцать втором году жизни, Менделеев получает учёную степень доктора наук.

Трудно немногими словами рассказать хотя бы об основных работах, выполненных великим русским химиком. В самых различных областях знания работал Менделеев. Он был одним из пионеров воздухоплавания; он разработал новый способ изготовления бездымного пороха; он подготовил введение в нашей стране метрической системы мер и весов; он первый указал на возможность подземной газификации углей, на значение подземных богатств Донбасса и Урала, на необходимость более полной, комплексной переработки нефти, на огромную энергию русских рек. И это только незначительная часть сделанного им.

Великий русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев.

Но, несомненно, главнейшей заслугой Менделеева перед наукой и человечеством является его знаменитая периодическая, как ее называют, система элементов.

Какими же путями пришёл Менделеев к открытию великого закона природы и в чём сущность этого закона?

Еще студентом, досконально изучив всё, что было известно химикам его времени, Менделеев много думал над тем, каково общее число различных видов атомов, образующих различные элементы, что именно роднит, связывает друг с другом все химические элементы. Ответить на этот вопрос, интересовавший многих учёных и до Менделеева, было очень трудно. Слишком различные свойства имели известные химикам простые вещества. Тут были твёрдые тела, жидкости и газы; металлы и землистые вещества; вещества твёрдые и мягкие, стойкие и неустойчивые, тяжёлые и лёгкие.

Как найти общее в пестроте всех этих свойств? Как установить порядок в самих элементах? Чем объяснить их свойства?

Ответить на эти вопросы до Менделеева оказалось не под силу ни одному химику. Для этого нужен был человек с блестящими химическими знаниями, учёный, обладающий необыкновенным даром обобщения и предвидения, убеждённый в правоте своих взглядов и выводов, человек, мыслящий диалектически. Именно таким человеком и был Менделеев.

Отыскивая родство между столь различными по своим свойствам веществами, Менделеев настойчиво ищет то общее свойство, которое было бы присуще всем химическим элементам.

Что же может быть общего между такими, казалось бы, различными веществами, как мягкий, легко окисляющийся на воздухе, блестящий металл натрий и жёлтый, с резким удушающим запахом, легко окисляющий другие вещества газ хлор? Или сравним гибкую легко тянущуюся в виде проволоки, хорошо проводящей электричество, медь и хрупкую, не проводящую электричество, легко загорающуюся на воздухе серу.

Понадобился гений Менделеева для того, чтобы взять за основу общее свойство, которое присуще всем столь различным веществам, свойство, на основе которого можно было найти искомое родство химических элементов. Это общее всем элементам свойство — их атомный вес.

Не является ли атомный вес элементов в то же время свойством, их связывающим?

Не зависят ли свойства простых тел от массы, веса их атомов? Ведь не могли же химики назвать двух различных простых веществ с совершенно схожими свойствами, как не могли указать и двух элементов с совершенно одинаковыми атомными весами.

Так Менделеев приходит к убеждению, что количественная характеристика элемента, общая всем веществам, — его атомный вес — должна быть связана с его качеством, с его свойствами.

«Я был с самого начала глубоко убежден в том, — пишет Менделеев, — что самое основное свойство атомов, атомный вес или масса атомов, должно определять основные свойства каждого элемента… Я уже… в первые годы самостоятельного труда чувствовал, что должно существовать обширное обобщение, связывающее атомный вес со свойствами элементов… Я искал это обобщение с помощью усидчивого труда во всех возможных направлениях. Только весь этот труд дал мне необходимые точки опоры и вселил уверенность, позволившую мне преодолевать препятствия, казавшиеся тогда непреодолимыми…В короткое время я пересмотрел массу источников, сопоставляя огромный материал. Мне надо было, однако, совершить большое усилие, чтобы в имевшихся сведениях отделить главное от второстепенного, решиться изменить ряд общепризнанных атомных весов, отступить от того, что было признано лучшими тогда авторитетами. Сопоставив все, я с неотразимой ясностью увидел периодический закон и получил полное внутреннее убеждение, что он отвечает глубочайшей природе вещей».

Чтобы наглядно сопоставить различные элементы друг с другом, Менделеев записал все химические элементы, а их было известно к тому времени уже 63, на отдельные небольшие карточки. На каждой такой карточке были указаны, кроме названия элемента, его атомный вес и основные свойства. После этого учёный расположил карточки в таком порядке, что все элементы следовали друг за другом по мере увеличения их атомных весов. Первым в этом ряду был водород — атомы его имели самый маленький вес.

Много дней изучал Менделеев полученный ряд элементов и не находил в этой последовательности никакой закономерности. И действительно, ни один элемент не походил по своим свойствам в ряду Менделеева на своего соседа. Но учёный не сдавался. Он был твёрдо уверен в том, что в созданном им ряду элементов в порядке увеличения атомных весов должна существовать какая-то закономерность. И Менделеев снова и снова всматривался в ряд элементов, ещё и ещё раз сопоставлял их свойства друг с другом.

И победа пришла. Великий учёный подметил, наконец, ту не заметную для глаза 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, отстоящих друг от друга на некотором расстоянии, разделённых иными, несходными элементами. В самом деле, вот, например, в ряду Менделеева на втором месте стоит элемент литий (рис. 6).

Рис. 6. Первая таблица химических элементов, составленная Д. И. Менделеевым в 1869 году.

Этот лёгкий металл по химическим свойствам относят к так называемым щёлочным металлам. Если бросить кусочек лития в воду, он будет соединяться с ней, образуя щёлочь. Следующие за литием шесть элементов ничем на него не похожи. Но седьмой элемент — натрий — оказывается по своим свойствам близким «родственником» лития; это так же щёлочной металл, он так же бурно и жадно соединяется с водой и другими веществами.

Пропустите снова шесть элементов, и вы увидите элемент калий — опять активный щёлочной металл.

Возьмите теперь не второй элемент в ряду, а третий — бериллий. И опять вы увидите ближайших родственников этого элемента не рядом, а дальше в ряду и на таком же расстоянии; следующие за бериллием шесть веществ непохожи на него, но седьмой — магний — по всем своим химическим свойствам очень похож на бериллий. Ещё через шесть элементов — новый родственник бериллия — кальций и т. д.

В четвёртом ряду Менделеева стоит элемент бор; этот элемент входит в состав борной кислоты и буры. Его ближайший родственник — алюминий, седьмой по счёту от бора элемент.

Таким образом, определённые свойства элементов в ряду Менделеева повторялись через определённый промежуток, через период элементов. Поэтому Менделеев и назвал свою таблицу элементов периодической системой элементов.

Наблюдая свойства элементов, заключённых в каком-либо одном периоде, скажем, в первом — от лития до натрия — Менделеев заметил и другую замечательную закономерность. Оказывается, свойства находящихся в одном периоде элементов изменяются не случайно, а строго следуя определённому закону.

Свойства элементов одного периода отражают всё многообразие свойств различных химических элементов!

В самом деле, в таблице в начале периода стоит литий; это активный элемент с ярко выраженными металлическими свойствами. За ним следует бериллий; это чуть менее активный металл; он уже не так похож на типичный металл. Третий элемент — бор — ещё менее похож на металл, химическая активность его ниже, чем у двух первых элементов. Дальше идёт углерод — основа всех органических веществ. Это уже «переходный» элемент — от металлов к неметаллам. Следующий элемент азот — первый в периоде металлоид и самый малоактивный среди них. Он входит в состав воздуха и носителей жизни — белков. Идущий за азотом кислород уже более активен — он легко вступает в химическое соединение со многими веществами. Заканчивает период элемент фтор; это самый активный и ярко выраженный металлоид.

Так, в одном периоде мы видим полный набор самых различных элементов. Тут есть и металлы и неметаллы с их характерными признаками, и химически активные элементы и неактивные, с трудом вступающие в соединения элементы.

Неудивительно поэтому, что за такой группой элементов, охватывающей все их различные свойства, следуют элементы, свойства которых повторяют свойства веществ первого периода.

Таким образом, Менделеев открыл естественную последовательность элементов, ту последовательность, какую подсказывает сама природа.

Но и это было ещё не всё! Самое замечательное было в тех выводах, которые сделал Менделеев из своего открытия.

Располагая элементы в порядке возрастания их атомных весов, Менделеев делал это не ради того, чтобы любой ценой связать их свойства с их атомными весами. Совсем нет. Великий химик только искал более всеобъемлющую связь простых тел природы, указывающую на единство всех известных элементов. И вот, когда он нашёл периодическую зависимость свойств этих элементов от их места и от их атомного веса, то сразу же сделал правильный, гениальный вывод. Ведь теперь, зная, как именно должны изменяться свойства рядом стоящих элементов, зная, сколько элементов и с какими именно свойствами должно находиться в каждом отдельном периоде, можно проверить правильность атомных весов у различных элементов; мало того, можно видеть, где, в каких местах нет элементов с нужными для полного периода качествами, то-есть можно строго научно предсказать, какие элементы должны еще существовать в природе, предсказывать свойства этих неоткрытых веществ.

Вот какой замечательный вывод сделал из своего открытия Менделеев.

А сделав такой вывод, учёный смело приступил к исправлению и дополнению своей таблицы. Так, если строго следовать установленным атомным весам элементов, то элементы иод и теллур, например, нарушали последовательность свойств элементов в природе. Если же их переставить местами, то эта последовательность восстанавливается. Значит, так именно и нужно поместить эти элементы — иод за теллуром, а не наоборот, как следовало бы сделать, руководствуясь только атомным весом.

Атомный вес урана в то время считался равным примерно 120. Если верить этому весу, уран должен располагаться в середине менделеевской таблицы. Однако химические свойства этого элемента говорили о том, что его место должно быть в самом конце таблицы, там, где расположились химические элементы с большими атомными весами. И Менделеев смело исправляет ошибку — он увеличивает атомный вес урана вдвое. Так говорит периодический закон, и так должно быть в действительности. С новым атомным весом уран становится на последнем месте таблицы.

Проверка атомного веса урана, проведённая после этого, устанавливает, что Менделеев оказался прав.

Сравнивая далее свойства элементов по периодам, Менделеев увидел в отдельных местах разрывы в последовательности свойств. Например, на месте родственника алюминия стоял совсем не похожий на него титан. А от этого нарушалось сходство в периодах и у других элементов. Значит, на месте титана должен стоять какой-то другой, еще не открытый элемент, по своим химическим свойствам обязательно схожий с алюминием. И Менделеев оставляет на этом месте в таблице пустую клетку. Мало того, он подробно описывает все химические и физические свойства этого неизвестного химикам простого вещества — его цвет, растворимость, удельный вес и пр. Он настолько ясно представляет себе свойства этого никому неведомого элемента, что даже предсказывает, как будет открыто новое простое вещество. Менделеев пишет, что этот металл будет обладать большей летучестью, чем алюминий, а потому можно надеяться, что он будет открыт спектральным исследованием (особый способ физического исследования тел).

Таким же образом Менделеев оставляет пустые места и ещё для двух неоткрытых элементов — родственников кремния и бора.

Оставляя пустые клетки в своей таблице и описывая свойства ещё никем не виданных химических элементов, Менделеев был твёрдо уверен в правоте своего закона. Он был убеждён, что эти неизвестные пока элементы рано или поздно будут открыты.

«Мы не имели до сих пор никакой возможности предвидеть отсутствие тех или других элементов, — писал русский учёный, — потому именно, что не имели никакой строгой для них системы, а тем более не имели повода предсказывать свойства таких элементов. Решаюсь сделать это ради того, чтобы хотя со временем, когда будет открыто одно из этих предсказываемых мною тел, иметь возможность окончательно увериться самому и уверить других химиков в справедливости тех предположений, которые лежат в основании предлагаемой мною системы».

С другой стороны, открытый закон говорил о том, что нечего искать какой-либо неизвестный щёлочной металл, скажем, между натрием и калием; или пытаться обнаружить элементы, которые по своим свойствам и атомному весу могли бы расположиться между азотом и кислородом. Таких элементов в природе нет — так говорил закон Менделеева.

Но так ли всё это обстоит в действительности?

Слово было за будущим. Подтвердит ли оно научное предвидение Менделеева?

 

2. Проверка временем

Уже давно, около 300 лет назад, было установлено, что обычный белый свет, идущий к нам от солнца или какого-либо искусственного источника, — свет сложный. Он содержит в себе сумму, или, как говорят, спектр различных цветных лучей — красных, оранжевых, жёлтых, зелёных, голубых, синих и фиолетовых.

Мы часто видим эти цвета во многих природных явлениях, например в радуге. При этом явлении белый солнечный свет как раз и разлагается на свои составные части — отдельные цветные лучи. Можно такого разложения добиться и у себя в комнате. Для этого достаточно луч белого света пропустить через трёхгранную стеклянную призму. Пройдя такую призму, свет преломится и распадётся на составные цвета (рис. 7).

Рис. 7. Трехгранная стеклянная призму разлагает сложный белый свет в спектр.

Объясняется это тем, что различные цветные лучи преломляются в призме под разными углами.

Это было известно давно.

Но вот в середине прошлого века, незадолго до открытия Менделеева, изучая спектры света, идущего от различных источников, учёные установили один замечательный факт. Было замечено, что пока свет идёт от какого-либо раскалённого и благодаря этому светящегося тела, твёрдого или жидкого, спектр этого света всегда одинаков и подобен спектру солнечных лучей. Какое бы тело ни было взято, спектр его сплошной, цветные лучи следуют друг за другом и в одном и том же порядке.

Но стоит превратить какое-то твёрдое или жидкое тело в раскалённые газы, как свет, испускаемый этими газами, начинает давать уже совсем иной, так называемый линейчатый спектр. Такой спектр состоит не из цветных полосок, а из цветных линий, разделённых тёмными промежутками. При этом — и это самое замечательное — каждый химический элемент, входящий в состав тела, даёт свой собственный, отличный от всех других, линейчатый спектр!

Так, пары калия дают спектр, состоящий из красной и фиолетовой линий; в спектре водорода три характерные линии: красная, зелёно-голубая и синяя.

Таким образом был открыт новый, замечательный способ исследования различных тел природы — спектральный анализ. В самом деле, стоило лишь каким-либо путём раскалить неизвестное испытуемое вещество так, чтобы раскалённые пары его начали светиться, и направить затем свет, идущий от паров, в аппарат — спектроскоп (основной частью которого является трёхгранная призма), как можно было легко увидеть по спектру излучения, с каким веществом мы имеем дело. И что особенно важно — чувствительность этого нового метода анализа была необычайно велика. Миллионные и миллиардные доли грамма какого-либо элемента обнаруживали своё присутствие в спектроскопе!

Рис. 8. Внешний вид одного из современных спектроскопов: А — зрительная труба; Б — система призм в «оправе»; В — трубка, перед которой ставится испытуемое вещество.

Какой это был чудесный незаменимый способ для открытия новых элементов! Ведь, если только исследователь нападал где-либо на малейшие количества нового, ещё не известного простого вещества, спектральный анализ немедленно обнаруживал этот элемент: в спектроскопе появлялось новое, неизвестное до сих пор сочетание цветных лучей — линий. Обнаружение таких малых количеств неизвестного элемента химическими способами часто бывает невозможно.

Вооружившись этим новым оружием познания, изучив спектры всех известных элементов, химики и физики всех стран ринулись на поиски новых, не известных ещё науке химических элементов.

И в первые же годы применения спектрального анализа учёные открывают ряд новых элементов — тантал, рубидий, цезий, таллий. Но и при помощи этого нового, чудесного средства исследования тел поиски новых элементов остаются все так же случайными.

И несмотря на то, что в 1869–1871 годах Д. И. Менделеев публикует в печати свой великий закон и предсказывает свойства будущих, неизвестных элементов, «охота за неизвестными» продолжается, как и прежде, «вслепую». Мало кто из прочитавших сообщение Менделеева понял всю важность этого открытия. А подавляющее большинство химиков мира и совсем ничего не знало об этом, пока… пока не наступил 1875 год.

В этом году французский химик Лекок-де-Буабодран обнаружил новый элемент в минерале цинковая обманка, привезенном с Пиренейских гор. Незнакомец выдал себя фиолетовым лучом, обнаруженным при помощи спектроскопа, когда Буабодран исследовал несколько крупинок цинковой обманки.

Назвав новый элемент галлием и известив об этом коротким письмом Парижскую академию наук, Буабодран продолжал свою работу. Вскоре он уже смог выделить несколько сотых долей грамма галлия и определить некоторые его свойства. Новый элемент по характеру своих соединений был похож на алюминий. Это сообщение было напечатано в протоколах Парижской академии наук.

С этим сообщением к русскому учёному пришла мировая слава. Ведь это был найден тот самый родственник алюминия — экаалюминий, как его назвал Менделеев, открытие которого он предсказал четыре года назад.

Но тогда должны подтвердиться и предсказанные Менделеевым свойства этого элемента, например, его удельный вес должен быть около 6, атомный вес 68. И Менделеев спешит сообщить обо всём учёному миру, 6 ноября 1875 года он выступает на заседании Русского физико-химического общества. Сообщение Менделеева протоколируется: «Менделеев обратил внимание на то, что элемент, открытый недавно Лекок-де-Буабодраном… совпадает с долженствующим существовать экаалюминием, свойства которого указаны четыре года назад и выведены Менделеевым на основании периодического закона. Если галлий тождественен с экаалюминием, то он будет иметь атомный вес 68, плотность 5,9…».

Такое же сообщение Менделеев направил в Париж.

Между тем, химик, открывший новый элемент, продолжал исследование. И вот, наконец, он держит в руках такое количество галлия, что можно уже определить удельный вес нового вещества Не теряя времени, Буабодран ставит опыт, исследует свойства найденного им элемента.

И удельный вес нового элемента оказывается 4,7, а не 5,9, как предполагал Менделеев на основании периодического закона.

Выходит, Менделеев ошибся. Ведь опыт — великий законодатель науки, он последний судья, решающий участь любой теории. Результат опытов Буабодрана говорит о том, что периодический закон неверен, что свойства элементов случайны, что нет путеводной нити, позволяющей уверенно искать новые элементы.

Но Менделеев уверен в своей правоте. Он такой же сторонник опыта, как и другие химики, но ведь опыт может быть и ошибочен!

И русский химик пишет в Париж новое письмо, в котором утверждает, что его французский коллега ошибся. Удельный вес галлия не может быть 4,7; он должен быть от 5,9 до 6,0. Это было очень смелое утверждение. В самом деле, как это может химик из Петербурга, не видя в глаза нового элемента, не присутствуя при опытах с ним, так смело упрекать в ошибках человека, открывшего и исследовавшего новый элемент. Но Менделеев настаивает. И тогда Буабодран решает ещё раз проверить себя. Получив новую порцию очищенного от примесей галлия, он проверяет опыт. И… удельный вес нового элемента оказывается равным 5,94!

Так блестяще подтвердился великий закон, открытый русским химиком. Это означало конец слепых поисков, конец случайностям в поисках новых атомов. Великий закон давал в руки учёных могучее орудие научного предвидения!

Но, может быть, случай с галлием был только единственным «счастливым совпадением»? Нет! Через 5 лет после Буабодрана открывают новый элемент — скандий. На этот раз уже все химики мира ищут для скандия место в менделеевской таблице. И это место находится. Это тот элемент, который был описан Д. И. Менделеевым под названием экабора.

Указывая в своей статье на совпадение свойств скандия со свойствами экабора, существование которого за десять лет до его открытия было предсказано Д. И. Менделеевым, учёный, открывший новый элемент, пишет: «…так подтверждаются самым наглядным образом мысли русского химика, позволившие не только предвидеть существование названного простого тела, но и наперед дать его важнейшие свойства».

И еще через 6 лет — в 1886 году — немецкий химик Винклер открывает элемент германий и пишет Менделееву:

«Уведомляю Вас о… новом триумфе Вашего гениального исследования и свидетельствую Вам своё почтение и глубокое уважение».

Германий — это менделеевский экакремний.

Казалось бы, справедливость великого закона природы была окончательно доказана.

Но нет! В 1894 году закон Менделеева подвергается ещё одному испытанию. В этом году учёные открывают новый химический элемент — аргон. Необыкновенны свойства этого элемента: он не даёт никаких соединений с другими химическими элементами! Это совершенно инертный, бездеятельный газ. Позднее были открыты ещё пять таких же инертных газов — гелий, неон, криптон, ксенон и радон.

Как быть с этими элементами? Им, казалось бы, нет места в существующей таблице Менделеева.

Но это было только кажущимся затруднением. Периодический закон сам наталкивал на мысль о необходимости существования элементов со свойствами инертных газов. Трудно, действительно, представить себе непосредственный переход от активного металлоида фтора к активному металлу натрию и от активного металлоида хлора к активному металлу калию. Невольно рождалась мысль о необходимости существования группы элементов со свойствами, одинаково чуждыми и свойствам металлов и свойствам металлоидов.

Этими необычайными элементами и явились инертные газы. Они заняли уготованную им в периодической таблице нулевую группу.

Интересно отметить, что существование в природе инертных газов предсказал задолго до их открытия известный революционер учёный Н. А. Морозов. Осуждённый царским правительством на пожизненное заключение, этот замечательный человек просидел в одиночестве в Шлиссельбургской крепости 28 лет. Освобождённый революцией 1905 года, он вынес на волю много томов научных трудов, написанных в заключении. В числе его работ имеется книга «Периодические системы строения вещества». В ней Н. А. Морозов, давая несколько замечательных научных предсказаний, говорит о существовании химических элементов нулевой группы. В периодической таблице элементов, помещённой в книге, Н. А. Морозов вводит нулевую группу и в ней на месте открытых в будущем инертных газов проставляет числа 4, 20, 40, 82 и т. д., соответствующие атомным весам предсказываемых элементов.

Это предсказание Н. А. Морозов сделал в 1883 году.

Так, пополняясь и уточняясь с каждым новым открытием, таблица Менделеева приобрела в наше время вид, изображённый на рисунке 9.

Рис. 9. Современная периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева.

Всего Менделеевым было предсказано существование одиннадцати неизвестных в его время элементов. Все они теперь найдены.

Утверждением справедливости закона Менделеева заканчивается важный этап в многовековой борьбе за познание основ нашего мира.

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 всё многообразие мира. Элементов мира много больше, всего их в природе 92 — от самого легкого — водорода до самого тяжёлого — урана. Так говорил великий закон Менделеева.

«Менделеевская „периодическая система элементов“ ясно показывает, какое большое значение в истории природы имеет возникновение качественных изменений из изменений количественных» (Сталин, Соч., т. 1, стр. 301).

Д. И. Менделеев завершает период, начатый в химии Ломоносовым. Он открывает новую эпоху в развитии учения о строении вещества. Менделеев дает новое, диалектическое представление о химических элементах, о глубокой взаимосвязи и взаимозависимости различных атомов, существующих в мире.

Химические элементы составляют одну большую семью. Разбитые Менделеевым на группы и периоды, они наглядно показывают своё родство — свойства каждого элемента повторяются из периода в период; при этом в таком повторении мы видим как бы развитие каждого более лёгкого элемента, заключённого в первом периоде таблицы, в более тяжёлый и более сложно устроенный элемент — свойства этого элемента, в основном, повторяют качества своего более лёгкого родственника, но в то же время они не тождественны — это свойства нового, более сложного элемента. Так, более тяжёлый магний, в основном, повторяет качества бериллия, но при этом он активнее бериллия, легче загорается и т. д.

Таким образом, закон Менделеева не только утверждает единство материи нашего мира, но и показывает, что уже в самом единстве материи заложено её развитие, движение.

Выдержавший испытание истории великий закон Менделеева с каждым годом укреплялся и становился всё более всеобъемлющим. Было установлено, что закон этот справедлив не только для нашего мира. Это закон всей Вселенной. Вся необъятная Вселенная с её огромными мирами без конца и без края построена из тех же самых материалов, что и наша Земля. Об этом людям рассказали сами звёзды. Далёкий свет, идущий от небесных тел, был исследован учёными при помощи спектроскопа, и оказалось, что в состав миров Вселенной входят уже знакомые нам по таблице Менделеева элементы, и только эти элементы!

В том же нас убеждает и анализ «небесных камней» — метеоритов. Падающие на Землю из глубин Вселенной, они состоят из элементов, которые имеются в таблице Менделеева.

Мир, Вселенная построены из одних и тех же материалов!

Более того. Периодический закон явился огромным толчком к дальнейшему развитию наук, могучим незаменимым помощником учёных в новых исследованиях вещества. Таким же помощником учёных великий закон является и в наши дни!

 

3. Что же такое атом?

Открытый гением Менделеева великий закон порождал новые смелые мысли. В самом деле, периодическая система элементов открыла их родство друг с другом. Но чем объяснить, что свойства всех атомов, какие только существуют в природе, изменяются так закономерно? Ведь ещё Менделеев говорил о том, что свойства различных атомов зависят как от их массы, так и от их состава. А что значит состав атома? Ведь химики XIX века привыкли думать, что атом — это действительно «атом», то-есть нечто «неделимое» («атом» — по-гречески «неделимый»). Но так ли это в действительности? Да и как можно себе представить, что существуют какие-то, пусть самые мельчайшие, частички, которые никак нельзя разделить? Не правильнее ли будет предположить, что атом — это такая частичка вещества, которая неделима только в том смысле, что является самой маленькой частичкой, отражающей свойства какого-то вполне определённого вещества? Ведь это будет равносильно тому же, что мы наблюдаем и при делении какого-либо сложного вещества.

Возьмём, скажем, воду. Мы можем её делить до тех пор, пока у нас не останется самая крохотная частичка этого вещества — его молекула. Молекула воды будет наименьшей частичкой, имеющей свойства воды. Дальнейшее деление такой частички приведёт уже к исчезновению воды как вполне определённого вещества. Тем не менее разделить молекулу воды можно, её можно разбить на три части — один атом кислорода и два атома водорода. Эти частички — осколки молекулы воды — уже не будут иметь ничего общего с водой, но они реально существуют.

Почему же нельзя допустить нечто подобное и по отношению к атомам различных веществ?

О сложности строения атомов говорит и другое важное обстоятельство. Мы уже знаем, что свойства атомов периодически повторяются по мере возрастания их атомных весов так, как будто бы в строении атомов повторяются какие-то сходные черты. Об этом писал Менделеев сразу же после открытия своего замечательного закона:

«…При всей видимой простоте дела ныне еще нет возможности утверждать какую-либо гипотезу, достаточно объясняющую этот закон периодичности… Легко предположить, но ныне пока нет возможности доказать… что атомы простых тел суть сложные вещества, образованные сложением некоторых еще меньших частей (ультиматов), что называемое нами неделимым (атом) — неделимо только обычными химическими силами».

К этой же мысли приходили и другие, наиболее прозорливые умы прошлого века. Первым совершенно чётко об этом сказал другой замечательный русский химик XIX столетия А. М. Бутлеров, так много сделавший для изучения строения молекул сложных химических соединений:

«…атомы…неделимы не по своей природе, а неделимы только доступными нам средствами и сохраняются лишь в тех химических процессах, которые известны теперь, но могут быть разделены в новых процессах, которые будут открыты впоследствии. Такое строгое отношение к понятию об атоме вполне отвечает духу точной науки…»

Об этом же в прошлом столетии писал Энгельс: «…Атомы отнюдь не являются чем-то простым, не являются вообще мельчайшими известными нам частицами вещества».

Интересно высказывание Н. А. Морозова.

«Можно ли заключить, — писал он в прошлом веке, — что атомы не распадаются никогда на более первоначальные частички при каких-либо иных космических условиях, вроде тех небесных пожаров, которые обнаруживаются время от времени при спектральном исследовании внезапно вспыхивающих звезд?

Конечно нет! Есть много данных, что атомы химических элементов совершают свою эволюцию в бесконечной истории мироздания».

Морозов считал, что атомы состоят из центральной части и лёгких электрических частиц.

Более того, о сложном строении атома уверенно говорил московский профессор М. Г. Павлов еще в первой четверти прошлого века! Убеждённый атомист, он писал в те годы в своих лекциях, что атом представляет собой сложную систему, наподобие солнечной.

Подробную картину строения атома, основанную на математических расчетах, давал в конце прошлого века русский химик Б. Н. Чичерин.

Новый великий вопрос встал перед наукой XIX века: что же таит в себе атом? Как устроена, из чего состоит эта мельчайшая частичка вещества?

Решили эту новую загадку вещества учёные нашего, XX века.