Менделеев

То, что некоторые элементы проявляют черты совершенно явного сходства, ни для одного химика тех лет не было секретом. Сходство между литием, натрием и калием, между хлором, бромом и йодом или между кальцием, стронцием и барием бросалось в глаза любому. И от внимания Дюма не ускользнули интересные соотношения атомных весов таких сходственных элементов. Так, атомный вес натрия равен полусумме весов соседствующих с ним лития и калия. То же самое можно сказать о стронции и его соседях кальции и барии. Больше того, Дюма обнаружил такие странные цифровые аналогии у сходственных элементов, которые воскрешали в памяти попытки пифагорейцев найти сущность мира в числах и их комбинациях. В самом: деле, атомный вес лития равен 7, натрия — 7 + (1 X 16) = 23, калия — 7 + (2 X 16) = 39!

В 1853 году английский химик Дж. Гладстон обратил внимание на то, что элементы с близкими атомными весами сходны по химическим свойствам: таковы платина, родий, иридий, осмий, палладий и рутений или железо, кобальт, никель. Спустя четыре года швед Ленсен объединил по химическому сходству несколько «триад»: рутений — родий — палладий; осмий — платина — иридий; марганец — железо — кобальт. Немец М. Петтенкофер отметил особое значение чисел 8 и 18, так как разности между атомными весами сходственных элементов оказывались нередко близкими 8 и 18 либо кратными им. Были сделаны даже попытки составить таблицы элементов. В библиотеке Менделеева сохранилась книга германского химика Л. Гмелина, в которой в 1843 году была опубликована такая таблица. В 1857 году английский химик В. Одлинг предложил свои вариант. Но…

«Все замеченные отношения в атомных весах аналогов, — писал Дмитрий Иванович, — не привели, однако, по сих пор ни к одному логическому следствию, не получили даже и права гражданства в науке по причине многих недостатков. Во-первых, не явилось сколько то мне известно, ни одного обобщении, связывающего все известные естественные группы в одно целое, и оттого выводы, сделанные для некоторых групп, страдали отрывочностью и не вели к каким-либо дальнейшим логическим заключениям, представлялись необходимым и неожиданным, явлением… Во-вторых, замечены были такие факты… где сходные элементы имели близкие атомные веса. В выводе поэтому можно было только сказать, что сходство элементов связано иногда с близостью атомных весов, а иногда с правильным возрастанием их величины. В-третьих, между несходными элементами и не искали даже каких-либо точных и простых соотношений в атомных весах…»

В библиотеке Менделеева до сих пор хранится книга германского химика А. Штреккера «Теории и эксперименты для определения атомных весов элементов», которую Дмитрий Иванович привез из первой заграничной командировки. И читал он ее внимательно. Об этом свидетельствуют многочисленные пометки на полях, об этом свидетельствует отмеченная Дмитрием Ивановичем фраза: «Вышевыставленные отношения между атомными весами… химически сходственных элементов, конечно, едва ли могут быть приписаны случайности, но ныне мы должны предоставить будущему отыскание закономерности, проглядывающей между указанными числами». Слова эти были написаны в 1859 году, а ровно десять лет спустя настало время открытия этой закономерности.

«Меня неоднократно спрашивали, — вспоминает Менделеев, — на основании чего, исходя из какой мысли, найден был мною и упорно защищаем периодический закон?.. Моя личная мысль во все времена… останавливалась на том, что вещество, силу и дух мы бессильны понимать в их существе или в раздельности, что мы можем их изучать в проявлениях, где они неизбежно сочетаны, и что в них, кроме присущей им вечности, есть свои — постижимые — общие самобытные признаки или свойства, которые и следует изучать на все лады. Посвятив свои силы изучению вещества, я вижу в нем два таких признака или свойства: массу, занимающую пространство и проявляющуюся… яснее или реальнее всего в весе, и индивидуальность, выраженную в химических превращениях, а яснее всего в представлении о химических элементах. Когда думаешь о веществе… нельзя, для меня, избежать двух вопросов: сколько и какого дано вещества, чему и соответствуют понятия массы и химических элементов… Поэтому невольно зарождается мысль о том, что между массою и химическими элементами необходимо должна быть связь, а так как масса вещества… выражается окончательно в виде атомов, то надо искать функционального соответствия между индивидуальными свойствами элементов и их атомными весами… 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…»

В этом описании все выглядит очень просто, но чтобы хоть отдаленно представить себе всю неимоверную трудность содеянного, надо уяснить, что кроется за несколько расплывчатым понятием «индивидуальность, выраженная в химических превращениях». В самом деле, атомный вес — понятная и легковыразимая в цифрах величина. Но как, в каких цифрах можно выразить способность элемента к химическим реакциям?

Сейчас человек, знакомый с химией хотя бы в объеме средней школы, легко ответит на этот вопрос: способность элемента давать те или иные типы химических соединений определяется его валентностью. Но в наши дни сказать это только потому легко, что именно периодическая система способствовала выработке современного представления о валентности. Как мы уже говорили, понятие о валентности (Менделеев называл его атомностью) ввел в химию Франкланд, заметивший, что атом того или иного элемента может связать определенное число атомов других элементов. Скажем, атом хлора может связать один атом водорода, поэтому оба эти элемента одновалентные. Кислород в молекуле воды связывает два атома одновалентного водорода, следовательно, кислород двухвалентен. В аммиаке на атом азота приходится три атома водорода, поэтому в этом соединении азот трехвалентен. Наконец, в молекуле метана один атом углерода удерживает четыре атома водорода. Четырехвалентность углерода подтверждается еще и тем, что в углекислом газе в полном соответствии с теорией валентности углеродный атом удерживает два двухвалентных атома кислорода. Установление четырехвалентности углерода сыграло такую важную роль в становлении органической химии, разъяснило в этой науке такое множество запутанных вопросов, что германский химик Кекуле (тот самый, который придумал бензольное кольцо) заявлял: валентность элемента так же постоянна, как и его атомный вес.

Если бы это убеждение соответствовало действительности, задача, стоящая перед Менделеевым, упростилась бы до крайности: ему нужно было бы просто сопоставить валентность элементов с их атомным весом. Но в том-то и заключалась вся сложность, что Кекуле хватил через край. Перехват этот, необходимый и важный для органической химии, был очевиден всякому химику. Даже углерод и тот в молекуле угарного газа связывал лишь один атом кислорода и был, следовательно, не четырех-, а двухвалентным. Азот же давал целую гамму соединений: N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5, в которых он пребывал в одно-, двух-, трех-, четырех- и пятивалентном состояниях.

Кроме того, было и еще одно странное обстоятельство: хлор, соединяющийся с одним атомом водорода, следует считать одновалентным элементом. Натрий, два атома которого соединяются с одним атомом двухвалентного кислорода, тоже следует считать одновалентным. Выходит, в группу одновалентных попадают элементы, не только не имеющие между собой ничего общего, но являющиеся прямо-таки химическими антиподами. Чтобы как-то отличать такие одинакововалентные, но малопохожие элементы, химики были вынуждены в каждом случае делать оговорку: одновалентный по водороду или одновалентный по кислороду.

Менделеев ясно понимал всю «шаткость учения об атомности элементов», но так же ясно он понимал и то, что атомность (то есть валентность) — ключ к классификации. «Для характеристики элемента, кроме прочих данных, требуются два путем наблюдений опыта и сличений добываемых данных: знание атомного веса и знание атомности». Вот когда пригодился Менделееву опыт работы над «Органической химией», вот когда пригодилась ему идея о ненасыщенных и насыщенных, предельных органических соединениях. По сути дела, прямая аналогия подсказала ему, что из всех значений валентности, которые может иметь данный элемент, характеристическим, тем, который надо класть в основу классификации, следует считать наивысшую предельную валентность.