Глава 3. Трудный путь периодического закона.

Пробелы и предсказания Д. И. Менделеева.

Принципиальная важность и новизна Периодического закона заключалась в следующем:

Устанавливалась связь между НЕСХОДНЫМИ по своим свойствам элементами. Эта связь заключается в том, что свойства элементов плавно и примерно одинаково изменяются с возрастанием их атомного веса, а затем эти изменения ПЕРИОДИЧЕСКИ ПОВТОРЯЮТСЯ.

В тех случаях, когда создавалось впечатление, что в последовательности изменения свойств элементов не хватает какого-нибудь звена, в Периодической таблице предусматривались ПРОБЕЛЫ, которые надо было заполнить еще не открытыми элементами.

Рис. 10. Первые пять периодов Периодической таблицы Д. И. Менделеева. Инертные газы еще не были открыты, поэтому они в таблице не показаны. Еще 4 неизвестных к моменту создания таблицы элемента отмечены знаками вопроса. Свойства трех из них Д. И. Менделеев предсказал с высокой точностью (часть Периодической таблицы времен Д. И. Менделеева в более привычном для нас виде).

Принцип, которым пользовался Д. И. Менделеев для предсказания свойств еще не известных элементов изображен на рисунке 11.

Li	Be	B
Na	Mg	Al
K	Ca	Sc

                                     Рис. 11.

Опираясь на закон периодичности и практически применяя закон диалектики о переходе количественных изменений в качественные, Менделеев указал уже в 1869 г., на существование четырёх ещё не открытых элементов. Впервые в истории химии было предсказано существование новых элементов и даже ориентировочно определены их атомные веса. В конце 1870г. Менделеев, основываясь на своей системе, описал свойства еще неоткрытого элемента III группы, назвав его «экаалюминий». Ученый также высказал предположение, что новый элемент будет открыт с помощью спектрального анализа. И действительно, в 1875 г. французский химик П.Э.Лекок де Буабодран, исследуя с помощью спектроскопа цинковую обманку, открыл в ней менделеевский экаалюминий. Точное совпадение предполагаемых свойств элемента с экспериментально определенными стало первым триумфом и блестящим подтверждением предсказательной силы периодического закона. Описания свойств «экаалюминия», предсказанного Менделеевым и свойства галлия, открытого Буабодраном даны в таблице 1.

Табл. 1

В 1879г. шведский химик Л. Нильсон нашел элемент скандий, полностью соответствующий описанному Менделеевым экабору; в 1886 немецкий химик К. Винклер открыл элемент германий, соответствующий экасилицию; в 1898 г. французские химики Пьер Кюри и Мария Склодовская Кюри открыли полоний и радий. Менделеев считал Винклера, Лекока де Буабодрана и Нильсона «укрепителями периодического закона».

Оправдались и сделанные предвидения Менделеев: открыты тримарганец - нынешний рений, двицезий - франций и др.

После этого ученым всего мира стало ясно, что Периодическая таблица Д. И. Менделеева не просто систематизирует элементы, а является графическим выражением фундаментального закона природы - Периодического закона.

Этот закон обладает предсказательной силой. Он позволил вести целенаправленный поиск новых, еще не открытых элементов. Атомные веса многих элементов, определенные до этого недостаточно точно, подверглись проверке и уточнению именно потому, что их ошибочные значения вступали в противоречие с Периодическим законом.

Вся деятельность Менделеева и все его труды свидетельствуют о том, насколько ясно и глубоко он понимал значение предвидения в развитии науки. Менделеев в 1870 г. писал: «Судить об элементах, стоящих внутри системы в тех пределах, для которых известны уже многие элементы, мы имеем полное право; но нельзя того же сказать об элементах, долженствующих помещаться в крайних частях системы».

«Крайними частями» оказываются не только области начала и конца периодической системы (её нижний и верхний края), но и такие области внутри системы, как семейство редкоземельных элементов или семейства VIII группы (правый край короткой таблицы элементов) и отчасти область системы, примыкающая слева к VIII группе. Более того, крайними частями можно было бы считать и сами химические элементы, сами атомы, которые составляли в XIX в. (до 1895 г.)нижнюю границу наших знаний о строении материи, знание достигнутого тогда крайнего предела её делимости и разложимости.

Естественно, что возможность предвидения неизвестного за такого рода крайними областями системы и вообще возможность наших знаний о химических элементах были лишены той обоснованности и той определённости, какие были характерны для предвидения элементов в областях системы, окружённых со всех сторон известными уже элементами. По этому поводу Менделеев заметил, что кроме «несомненно возможных и, вероятно, ещё только не открытых элементов, есть целый ряд других, самое существование которых до некоторой степени подвержено ещё сомнению…». Значит, здесь предугадывание возможно лишь в порядке смелых гипотез и догадок, причём степень уверенности зависит от степени наличного, хотя бы частичного, знания об элементах, стоящих на том или ином – внешнем или внутреннем – краю системы.

В 1902 г. Менделеев сформулировал суть двух существенно различных способов предугадывания чего-либо неизвестного на основании периодического закона: способ интерполирования (когда неизвестное находится между известными данными) и способ экстраполирования (когда оно находится за пределами известного) при условии, что известен общий закон, которому подчиняются все данные предметы вообще – как уже известные, так и ещё не известные. Так, говоря о своих предсказаниях неизвестных ещё элементов, воплотившихся позднее в галлий, скандий и германий, Менделеев писал: «Предсказания эти были по существу тем, что называется в математике интерполированием, т. е. нахождением промежуточных точек на основании крайних, когда известен закон (или направление кривой, его выражающей), по которому точки следуют друг за другом. Поэтому оправдание предсказанного есть не что иное, как способ утверждения законности… экстраполировать, т. е. находить точки вне пределов известного, нельзя было на основании ещё не упорядоченной законности. Но когда она утвердилась, можно было на это решиться…».

В случае прогнозов, составленных по способу интерполирования, Менделеев выступает с твёрдой уверенностью, без всяких колебаний, ясно и чётко формулируя выводы, которые делает в порядке предсказаний. Напротив, в случае прогнозов, полученных по способу экстраполирования и содержащих в той или иной форме большой элемент «гадательности», он проявляет неуверенность, колебания, часто отказывается от своих первоначальных предсказаний, а сами предсказания высказывает без достаточной ясности и чёткости в форме смутных догадок, робких намёков или отдалённых предчувствований. Незадолго до смерти Менделеев писал: «Когда я прилагал периодический закон к аналогам бора, алюминия и кремния, я был на 33 года моложе, во мне жила полная уверенность, что рано или поздно предвиденное должно непременно оправдаться, потому что мне всё там было ясно видно. Оправдание пришло скорее, чем я мог надеяться. Теперь же у меня нет ни прежней ясности, ни бывшей уверенности. Тогда я не рисковал, теперь рискую. На это надобна решимость. Она пришла, когда я видел радиоактивные явления… и что, быть может, мои несовершенные мысли наведут кого-нибудь на путь более верный, чем тот возможный, какой представляется моему слабеющему зрению».

Экспериментальное определение зарядов ядер элементов, проведенное Г. Мозли в 1914 году, подтвердило правоту Д. И. Менделеева, который отдал предпочтение химическим свойствам, а не атомным весам элементов при определении их окончательного места в Периодической таблице. С момента появления Периодического закона химия перестала быть описательной наукой. Как образно заметил известный русский химик Н. Д. Зелинский, Периодический закон явился "открытием взаимной связи всех атомов в мироздании". Дальнейшие открытия в химии и физике многократно подтвердили фундаментальный смысл Периодического закона. Были открыты инертные газы, которые великолепно вписались в Периодическую таблицу. Порядковый номер элемента оказался равным заряду ядра атома этого элемента. Многие неизвестные ранее элементы были открыты благодаря целенаправленному поиску именно тех свойств, которые предсказывались по Периодической таблице. Вклад Д. И. Менделеева в науку был столь огромен, что и по сей день работают специальные комиссии по изучению его научного наследия. Вначале это открытие не получило должного признания и было встречено многими химиками крайне скептически. Одним из критиков периодической системы оказался как раз Бунзен, полагавший, что никакого реального научного значения подобные построения не имеют.

Ирония судьбы заключается в том, что сначала сам Бунзен, а затем разработанный им спектральный анализ и дали первые подтверждения правильности периодического закона. 

 При составлении периодической системы Менделееву довольно много хлопот доставил индий. Первооткрыватели элемента Ф. Рейх и И. Рихтер приписывали этому металлу атомную массу, равную 75,4, но с таким значением массы индию места в периодической системе не находилось. Провозившись с индием больше года, Менделеев, в конце концов, сделал предположение, что данный металл имеет валентность не два, как считали первооткрыватели, а три и, следовательно, его атомную массу надо увеличить в полтора раза, т. е. изменить с 75 до 113. Для обоснования своих предположений Дмитрий Иванович в 1870 г. решил провести проверку атомной массы индия, определив его удельную теплоёмкость. Проведённые опыты убедили учёного в правильности размещения индия в третьей группе периодической системы. Уверенности русскому химику придало также то, что ему стало известно об опытах по определению теплоёмкости паров индия, проведенных Бунзеном. Результаты, полученные немецким химиком (0,057), хорошо согласовывались со значением, полученным Менделеевым (0,055).

Таким образом, Бунзен, сам того не желая, подтвердил теоретические идеи Менделеева, причем сделал это с помощью эксперимента.

Первое издание «Основ химии» было завершено в 1871 году, ровно через два года после выхода в свет их первой части, написанной еще до открытия периодического закона. Два года ушли на превращение неуклюжего опытного образца в хорошо отработанную, добротную модель. Вторая часть «Основ» была оснащена уже той самой менделеевской таблицей, с которой

мы привыкли иметь дело – существенные отличия заключались лишь в отсутствии группы благородных газов, к тому времени ещё не открытых, и дополнительных строчек для лантаноидов и актиноидов, большая часть которых, также ещё не была известна.

Пять русских университетов избрали Менделеева своим почётным членом; Кембриджский, Оксфордский и другие старейшие университеты Европы присвоили ему почётные учёные степени; он был избран членом Лондонского королевского общества, Римской и Парижской, Берлинской и других академий, также почётным членом многих научных обществ России, Западной Европы и Америки.

Два года (1880 и 1881) были очень тяжелыми в жизни Менделеева. В декабре 1880 года Петербургская академия наук отказала ему в избрании академиком: "за" проголосовало девять, а "против" - десять академиков. Особенно неблаговидную роль при этом сыграл секретарь академии некто Веселовский. Он откровенно заявил: "Мы не хотим университетских. Если они и лучше нас, то нам все-таки их не нужно".

В 1895 году Менделеев ослеп, но продолжал руководить Палатой мер и весов. Деловые бумаги ему зачитывали вслух, распоряжения он диктовал секретарю. Профессор И. В. Костенич за две операции удалил катаракту, и вскоре зрение вернулось…