В далеком 1869 году уже достаточно уважаемый, но далеко еще не знаменитый русский химик Дмитрий Иванович Менделеев написал: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов». Это (незамеченное, кстати, поначалу) открытие изменило всю химию и повлияло на великое множество смежных наук.
Вообще попытки отыскать какую-то логику в большом количестве окружающих человека веществ, точнее, в их составе, начались еще на заре истории, примерно тогда, когда люди открыли для себя существование прославленных 7 металлов: золота, серебра, меди, свинца, олова, железа и ртути. Помимо металлов, из элементарных веществ люди античности знали также серу и углерод.
Поскольку наука в древности пребывала в зачаточном состоянии, все сущее осмыслялось с религиозно-мифологических позиций. В результате каждое вещество было сопоставлено с планетами, звездами, днями недели и по аналогии наделено множеством удивительных свойств, которыми едва ли обладало. Этот подход определил отношение к химическим элементам на века и даже на тысячелетия, заложив идеологию алхимии.
Временем ее расцвета стало, несомненно, Средневековье. В Индии, арабских странах, Европе и даже России в XII–XIV веках жило множество алхимиков, мечтавших о трансмутации элементов и получении философского камня – таинственного «сверхэлемента», который мог превращать в золото любое другое вещество, прежде всего металл. Насчет получения золота история оставила нам довольно смутные свидетельства, но в ходе тысяч опытов алхимики и металлурги смогли выделить новые вещества, такие как висмут, мышьяк, сурьму, цинк, фосфор…
Конец XVII века знаменовал собою оформление новой области знания, позднее названной технологической химией. В это время благодаря практическому изучению различных металлических руд и поиска способов выделения из них металлов были открыты платина, кобальт, никель.
На протяжении следующих ста лет стал складываться действительно научный химико-аналитический метод. Для изучения элементарных веществ стали использовать качественный и количественный весовой анализ. Это позволило открыть магний, кальций, марганец, барий, молибден, вольфрам, теллур, цирконий, стронций (земля), титан, хром, бериллий, иттрий, тантал, церий и ряд других элементов. В конце XVIII века были открыты водород, азот, кислород и хлор, а в начале следующего столетия – калий, натрий, кальций, стронций, барий и магний.
Первая половина XIX века ознаменовалась совершенствованием химико-аналитических методов, благодаря чему были открыты бор, литий, кадмий, селен, кремний, бром, алюминий, иод, торий, ванадий, лантан, эрбий, тербий, рутений, ниобий…
В середине века был открыт и стал широко применяться спектральный анализ. Благодаря ему наука узнала о цезии, рубидии, таллии и индии.
Все это время шли поиски способа классификации химических элементов.
Еще в 1787 году прославленный французский естествоиспытатель, основатель современной химии Антуан Лоран Лавуазье, составил «Таблицу простых тел», разделив все простые вещества на четыре группы: «I. Простые вещества, представленные во всех трех царствах природы, которые можно рассматривать как элементы тел: 1) свет, 2) теплород, 3) кислород, 4) азот, 5) водород. II. Простые неметаллические вещества, окисляющиеся и дающие кислоты: 1) сурьма, 2) фосфор, 3) уголь, 4) радикал муриевой кислоты, 5) радикал плавиковой кислоты, 6) радикал борной кислоты. III. Простые металлические вещества, окисляемые и дающие кислоты: 1) сурьма, 2) серебро, 3) мышьяк, 4) висмут, 5) кобальт, 6) медь, 7) олово, 8) железо, 9) марганец, 10) ртуть, 11) молибден, 12) никель, 13) золото, 14) платина, 15) свинец, 16) вольфрам, 17) цинк. IV. Простые вещества, солеобразующие и землистые: 1) известь (известковая земля), 2) магнезия (основание сульфата магния), 3) барит (тяжелая земля), 4) глинозем (глина, квасцовая земля), 5) кремнезем (кремнистая земля)».
Несколько позднее английский ученый-самоучка с энциклопедическими знаниями – Джон Дальтон (автор множества открытий) – ввел в научный оборот принципиально важную количественную характеристику атомов химических элементов: относительный вес атомов или атомный вес. Внимание к атомному весу усиливалось, начали появляться все новые работы, благодаря которым постепенно закладывалась основа для понимания самой логики взаимосвязи между элементами. Благодаря трудам немецкого химика Иоганна Деберейнера удалось сделать первые шаги «вглубь». При сопоставлении атомных весов сходных химических элементов – лития, кальция, хлора, серы, марганца, натрия, стронция, брома, селена, хрома, калия, бария, йода, теллура, железа, он в 1829 году обнаружил, что они образуют своеобразные триады, где атомный вес среднего элемента равен полусумме атомных весов элементов крайних. Благодаря этому другой немецкий химик, автор уникального справочника «Руководство по теоретической химии» Леопольд Гмелин, доказал существование многочисленных групп сходных элементов.
В середине XIX века наука уже довольно близко подошла к идее систематизации химических элементов. Французом Александром де Шанкуртуа была предпринята попытка выстроить их в порядке возрастания атомных весов в виде «винтовой линии», а англичанином Джоном Александром Ньюлендсом в 1865 году была предложена таблица из 62 элементов в порядке возрастания атомных весов. Поступали и другие предложения, однако они были неудачными и часто сталкивались с критикой и саркастическими оценками коллег.
В 1868 году Дмитрий Иванович Менделеев начал работать над курсом «Основы химии» и в ходе его подготовки столкнулся с необходимостью логически скомпоновать учебный материал, каким-то образом классифицировав 63 известных тогда химических элемента. Результатом его поисков и стал первый вариант Периодической системы химических элементов, который появился в марте 1869 года.
Двумя неделями позже на заседании Русского химического общества ученый представил доклад «Соотношение свойств с атомным весом элементов», в котором обсуждались возможные принципы классификации химических элементов по их отношению к водороду (формулы гидридов); по их отношению к кислороду (формулы высших кислородных окислов); по валентности и по величине атомного веса.
Кратко описав особенности предложенной таблицы, Д.И. Менделеев сделал вывод о том, что «элементы, расположенные по величине их атомного веса, представляют явственную периодичность свойств».
Дмитрий Иванович Менделеев в своём кабинете. 1897 г.
На общем фоне это сообщение прошло почти незамеченным. Но Менделеев не успокоился и продолжил перепроверять обнаруженные в первом варианте «Системы элементов» закономерности и работать над устранением нестыковок. Так продолжалось несколько лет, а потом внимание великого химика привлекли другие проблемы. На них он и сосредоточился. В специальной литературе почти не упоминались слова русского ученого: «По мере возрастания атомного веса элементы сперва имеют все новые и новые изменчивые свойства, а потом эти свойства вновь повторяются в новом порядке, в новой строке и в ряде элементов и в той же последовательности, как и в предшествовавшем ряде. А потому Закон периодичности можно сформулировать следующим образом: “Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости (т. е. правильно повторяются) от их атомного веса”. Законы природы исключений не терпят… Утверждение закона возможно только при помощи вывода из него следствий, без него невозможных и неожидаемых, и оправдания тех следствий и опытной проверке. Поэтому-то, увидев периодический закон, я со своей стороны (1869–1871) вывел из него такие логические следствия, которые могли показать, верен он или нет. К числу их относится предсказание свойств неоткрытых элементов и исправление атомных весов многих, мало в то время обследованных элементов… Надобно что-либо одно – или считать периодический закон верным до конца и составляющим новое орудие химических знаний, или его отвергнуть».
Тут надо напомнить читателям, что любое научное открытие имеет одно неотъемлемое свойство: если некий новообретенный закон является истинным, то он позволяет предсказать новые, основанные на нем, открытия. Наука требует подтверждения практикой, фактами.
В 1875 году французский химик Лекок де Буабодран сообщил, что обнаружил новый элемент, получил его соль и определил его свойства. Элемент был назван галлием. В первом сообщении об открытии удельный вес галлия был найден равным 4.7, однако Менделеев на основании своего закона указал на ошибку. Более тщательная проверка подтвердила правоту Дмитрия Ивановича: удельный вес галлия оказался равен 5.96.
В 1879 году шведский химик Ларс Нильсон поведал об открытии нового химического элемента – скандия, редкоземельного элемента, который, как вскоре оказалось, представляет собою не что иное, как предсказанный Д.И. Менделеевым экабор.
Аналогично в феврале 1886 года произошло и с открытием германия, в котором уверенно был опознан предсказанный экасилиций.
Таким образом, открытый русским ученым закон и сделанные на его основе предсказания были неоднократно подтверждены. Более того, теоретические выкладки позволили исправить невольные ошибки в экспериментах. Все это привело к тому, что в 80-х годах XIX века Периодический закон был признан одним из важнейших законов природы, а место химического элемента в Периодической системе стало важнейшей его характеристикой.
Со временем стало ясно, что система Дмитрия Ивановича Менделеева гораздо глубже, чем предполагал ее создатель. В то время наука только-только подходила к пониманию того, что атом не является чем-то неделимым, а состоит из разных элементарных частиц. Как оказалось, место элемента в таблице связано и со структурой его атома, количеством протонов и электронных оболочек. В результате закон был переформулирован и сегодня звучит следующим образом: свойства простых веществ и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра (атома) элемента.