Творческий процесс работы Д. И. Менделеева над составлением периодической таблицы.

В отличие от Ньюландса, Менделеев главным считал не столько атомные веса, сколько химические свойства, химическая индивидуальность. Об этом он думал постоянно. Вещество…Вес… Вещество… Вес… Решений всё не приходило.

А тут ещё попал Дмитрий Иванович в лютый цейтнот. И получилось совсем худо: не то чтобы «сейчас или никогда», но либо сегодня, либо дело снова откладывалось на несколько недель.

Давно уже дал он в Вольном экономическом обществе обещание съездить в феврале в Тверскую губернию, обследовать тамошние сыроварни и представить свои соображения о постановке этого дела на современный лад. На поездку было уже испрошено дозволение университетского начальства. И «отпускное свидетельство» - тогдашнее командировочное удостоверение – было уже выправлено. И последняя напутственная записка секретаря Вольного экономического общества Ходнева получена. И ничего не оставалось, как отправляться в назначенный вояж. Поезд, на котором предстояло ему пропутешествовать до Твери, отходил от Московского вокзала 17 февраля, вечером.

«Утром, ещё в кровати, он неизменно выпил кружку тёплого молока… Встав и умывшись, он уходил сейчас же в свой кабинет и там пил одну - две, иногда три больших, в виде кружки, чашки крепкого не очень сладкого чаю» (из воспоминаний его племянницы Н.Я. Капустиной-Губкиной).

След от чашки, сохранившейся на оборотной стороне записки Ходнева, датированной 17 февраля, свидетельствует, что она получена была рано утром, до завтрака, вероятно, принесена посыльным. А это в свою очередь свидетельствует о том, что мысль о системе элементов не покидала Дмитрия Ивановича ни днем, ни ночью: рядом с отпечатком чашки листок хранит зримые следы незримого мыслительного процесса, приведшего к великому научному открытию. В истории науки – случай редчайший, если не единственный.

Судя по вещественным доказательствам, дело происходило так. Допив свою кружку и поставив её на первое попавшееся место – на письмо Ходнева, он тут же схватился за перо и на первом попавшемся клочке бумаги, на том же письме Ходнева, записал мелькнувшую у него в голове мысль. На листке появились, один под другим, символы хлора и калия… Далее натрия и бора, потом лития, бария, водорода…Перо блуждало, как и мысль. Наконец он взял нормальную осьмушку чистой бумаги – этот листок тоже сохранился – и набросал на нём одну под другой, в порядке уменьшения, шеренги символов и атомных весов: наверху щелочноземельные, под ними галогены, под ними группа кислорода, под нею азота, под нею группа углерода и т.д. Было видно на глаз, как близки между собой разности атомных весов у элементов соседних шеренг. Менделеев тогда не мог знать, что "неопределенная зона" между явными неметаллами и металлами содержит элементы - благородные газы, открытие которых в дальнейшем существенно видоизменит Периодическую систему.

Он торопился, поэтому то и дело ошибался, делал описки. Сере приписал атомный вес 36, вместо 32. Вычитая их 65 (атомный вес цинка) 39 (атомный вес калия), получил 27. Но не в мелочах дело! Его несла высокая волна интуиции.

В интуицию он верил. Вполне сознательно ею пользовался в самых разных случаях жизни. Анна Ивановна, жена Менделеева писала: «Если ему

Предстояло решить какой-нибудь затруднительный, важный жизненный вопрос он быстро-быстро своей легкой походкой входил, говорил, в чем дело, и просил сказать по первому впечатлению моё мнение. «Только не думай, только не думай», - повторял он. Я говорила, и это было решением».

Однако ни чего не получалось. Исписанный лист вновь превратился в ребус. А время шло, вечером надо было отправляться на вокзал. Главное он уже нащупал, ощутил. Но этому ощущению надо было непременно придать ясную логическую форму. Можно представить себе как, он в отчаянии или ярости носился по кабинету, оглядывая всё, что в нём было, выискивая способ, как бы по быстрее сложить систему. Наконец, он схватил стопку кар-точек, раскрыл на нужной странице – там, где был список простых тел – свои «Основы» и принялся изготавливать невиданную карточную колоду. Изготовив колоду химических карт, он стал раскладывать невиданный пасьянс. Пасьянс явно задавался! Первые шесть шеренг выстроились без всяких скандалов. Но дальше все стало расползаться.

Снова и снова хватался Дмитрий Иванович за перо и стремительным своим подчерком набрасывал на листе колонки чисел. И снова, с недоумением, бросал это занятие и принимался крутить цигарку и так пыхтеть ею, что в голове совсем уже мутнело. Наконец глаза у него начали слипаться, он бросился на диван и крепко заснул. Такое для него не было в диковинку. На этот раз он спал не долго – может быть, несколько часов, но может быть и несколько минут. Точных сведений об этом не осталось. Он проснулся от того, что увидел во сне свой пасьянс, причём не в том виде, в котором он оставил его на конторке, а в другом, более стройном и логичном. И тут же вскочил на ноги и принялся составлять на листе бумаги новую таблицу.

Первым отличием её от предыдущего варианта было то, что элементы выстраивались теперь не в порядке уменьшения, а в порядке возрастания атомных весов. Вторым – то, что пустые места внутри таблицы были заполнены вопросительными знаками и атомными весами.     

 

Рис. 8. Черновой набросок, составленный Д. И. Менделеевым ходе открытия периодического закона (в ходе раскладывания «химического пасьянса»). 17 февраля (1 марта) 1869 года.

Долгое время к рассказу Дмитрия Ивановича о том, что он увидел свою таблицу во сне, относились как к анекдоту. Находить что-либо рациональное в сновидениях считалось суеверием. Ныне наука уже не ставит глухого барьера между процессами, происходящими в сознании и подсознании. И не видит ничего сверхъестественного в том, что картина, не сложившаяся в процессе осознанного обдумывания, была выдана в готовом виде в результате неосознанного процесса.

 Менделеев, убежденный в существовании объективного закона, которому подчиняются все многообразные по свойствам элементы, пошел принципиально отличным путём.

Будучи стихийным материалистом, он искал в качестве характеристики элементов нечто материальное, отражающее всё многообразие их свойств, взяв в качестве такой характеристики атомный вес элементов, Менделеев сопоставил известные в то время группы по величине атомного веса их членов.

Написав группу галогенов (F = 19, Сl = 35,5, Вг = 80, J = 127) под группой щелочных металлов (Li =7, Na = 23, К = 39, RЬ = 85, Cs = 133) и расположив под ними другие группы сходных элементов (в порядке возрастания величины их атомных весов), Менделеев установил, что члены этих естественных групп образуют общий закономерный ряд элементов; при этом химические свойства элементов, составляющих такой ряд, периодически повторяются. Разместив по значению атомных весов все известные в то время 63 элемента в общую «периодическую систему», Менделеев обнаружил, что установленные ранее естественные группы органически вошли в эту систему, утратив прежнюю искусственную разобщённость. Позднее Менделеев так формулировал открытый им периодический закон: «Свойства простых тел, также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической зависимости от величин атомных весов элементов».

Д, И, Менделеев

Первый вариант таблицы химических элементов, выражавшей периодический закон, Менделеев опубликовал в виде отдельного листка под названием «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве» и разослал этот листок в марте 1869г. многим русским и иностранным химикам.

Рис. 9. «Опыт системы элементов, основанный на их весе и химическом сходстве».

Первая таблица ещё очень несовершенна, она далека от современного вида периодической системы. Но эта таблица оказалась первой графической иллюстрацией открытой Менделеевым закономерности: «Элементы, расположенные по величинам их атомного веса, представляют явственную периодичность свойств» («Соотношение свойств с атомным весом элементов» Менделеев). Эта статья явилась итогом размышлений учёного в ходе работы над «Опытом системы…». Сообщение об открытом Менделеевым соотношении между свойствами элементов и их атомными весами было сделано 6(18) марта 1869 на заседании Русского химического общества. Менделеева на этом заседании не было. Вместо отсутствовавшего автора его доклад прочитал химик Н. А. Меншуткин. В протоколах Русского химического общества появилась сухая запись о собрании 6 марта: «Н. Меншуткин сообщает от имени Д. Менделеева «опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». За отсутствием Д. Менделеева обсуждение этого вопроса отложено до следующего заседания». Выступление Н. Меншуткина опубликовано в «Журнале Русского химического общества» («Соотношение свойств с атомным весом элементов»). Летом 1871 Менделеев подытожил свои многочисленные исследования, связанные с установлением периодического закона, в труде «Периодическая законность для химических элементов». В классическом труде «Основы химии», выдержавшем при жизни Менделеева 8 изданий на русском языке и несколько изданий на иностранных языках, Менделеев впервые изложил неорганическую химию на основе периодического закона.

При построении периодической системы элементов, Менделеев преодолел большие трудности, так как, многие элементы еще не были открыты, а из 63 известных к тому времени элементов у девяти были неправильно определены значения атомных весов. Создавая таблицу, Менделеев исправил атомный вес бериллия, поставив бериллий не в одной группе с алюминием, как это обычно делали химики, а в одной группе с магнием. В 1870-71 Менделеев изменил значения атомных весов индия, урана, тория, церия и других элементов, руководствуясь их свойствами и уточнённым местом в периодической системе. На основании периодического закона он поместил теллур перед йодом и кобальт перед никелем, чтобы теллур попал в один столбец с элементами, валентность которых равен 2, а йод попал в один столбец с элементами, валентность которых равна 1, хотя величины атомных весов этих элементов требовали обратного расположения.

Менделеев видел три обстоятельства, которые, по его мнению, способствовали открытию периодического закона:

-во-первых, были более или менее точно определены величины атомных весов большинства химических элементов;

-во-вторых, появилось чёткое понятие о группах сходных по химическим свойствам элементов (естественных группах);

-в-третьих, к 1869 г. была изучена химия многих редких элементов, без знания которой трудно было бы прийти к какому-либо обобщению.

Наконец, решающий шаг к открытию закона заключался в том, что Менделеев сопоставил между собой все элементы по величине атомных весов. Предшественники же Менделеева сравнивали элементы, сходные между собой. Т. е. Элементы естественных групп. Эти группы оказывались не связанными. Менделеев логично объединил их в структуре своей таблицы.

Впрочем, даже после огромной и тщательной работы химиков по исправлению атомных весов, в четырех местах Периодической таблицы элементы "нарушают" строгий порядок расположения по возрастанию атомных весов. Это пары элементов:

₁₈Ar(39,948) – ₁₉K (39,098);₂₇Co(58,933) – ₂₈Ni(58,69);

₅₂Te(127,60) – ₅₃I(126,904) ₉₀Th(232,038) – ₉₁Pa(231,0359).

Во времена Д. И. Менделеева подобные отступления считались недостатками Периодической системы. Теория строения атома расставила все на свои места: элементы расположены совершенно правильно - в соответствии с зарядами их ядер. Как же тогда объяснить, что атомный вес аргона больше атомного веса калия?

Атомный вес любого элемента равен среднему атомному весу всех его изотопов с учетом их распространенности в природе. Случайно атомный вес аргона определяется наиболее "тяжелым" изотопом (он встречается в природе в большем количестве). У калия, наоборот, преобладает более "легкий" его изотоп (то есть изотоп с меньшим массовым числом).

Менделеев так охарактеризовал течение творческого процесса, который представляет собой открытие периодического закона: «…невольно зародилась мысль о том, что между массой и химическими свойствами необходимо должна быть связь. А так как масса вещества, хотя и не абсолютная, а лишь относительная, то надо искать функциональное соответствие между индивидуальными свойствами элементов и их атомными весами. Искать же что-либо, хотя бы грибы или какую-нибудь 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 и привело к тому заключению , что свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса , причём , сомневаясь во многих неясностях, я ни минуты не сомневался в общности сделанного вывода, так как случайность допустить было невозможно».