Герман Смирнов - МЕНДЕЛЕЕВ

• Название: МЕНДЕЛЕЕВ
• Автор: Герман Смирнов
• Издательство: Издательство ЦК ВЛКСМ "Молодая гвардия"
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1974

Книга рассказывает о жизни и деятельности Дмитрия Ивановича Менделеева. В представлении большинства людей он в первую очередь химик, создавший периодическую систему элементов. Но, оказывается, собственно химии посвящено менее одной десятой части менделеевских трудов. И с гораздо большим основанием Менделеева можно было бы считать физикохимиком, технологом, экономистом, геофизиком, метрологом.

Менделеев называл себя «ратником русской науки». О нем можно говорить и как о «ратнике русской культуры», ибо самобытная фигура его всегда находилась в центре не только научной, но и общественной и культурной жизни России.

---

Создается впечатление, что с 1902 года Менделеев перестал пристально следить за появляющимися в изобилии новыми работами по радиоактивности. По-видимому, он не мог всерьез воспринимать утверждения о превращениях элементов, и в 1904 году в письме к одному из своих коллег он с раздражением пишет о том «полуспиритическом состоянии, в которое ныне хотят вовлечь нашу науку». Кончается это письмо словами: «Нам надобно ее отстаивать, покуда еще можем действовать».

И Менделеев действовал. В 1903–1904 годах в Главной Палате начали проводиться первые в России исследования радиоактивности. А Дмитрий Иванович готовился к новым работам. «Чтобы идти далее в познании самих атомов, — писал он, — неизбежно выяснить опытным путем исходные понятия о массе, о притяжении и об «эфире»…» Для выполнения этой задачи в Главной Палате сооружалась железная труба высотой 35 метров, был заказан золотой шар стоимостью в 75 тысяч рублей для изготовления маятника, с помощью которого Менделеев собирался изучать законы тяготения. Но, увы, осуществить эту смелую программу исследований Дмитрию Ивановичу не пришлось…

Радиоактивность, электроны, взаимопревращения элементов доставили творцу периодической системы немало переживании и тягостных раздумий. Но ни на единый миг не усомнился он в своем детище. «Периодическому закону, — твердо написал он за полтора года до смерти, — будущее не грозит разрушением, а только надстройки, и развитие обещается». И последовавшие события подтвердили его правоту.

Они показали, что периодическую систему к какой-то степени можно считать произведением искусства. Располагая недостаточной информацией, не зная высшего закона, управляющего периодической изменяемостью химических элементов, Дмитрий Иванович возвел стройное и совершенное здание периодической системы по вдохновению, как создает свои шедевры великий ваятель или художник. Вдохновение и интуиция не обманули его. Он сделал все абсолютно правильно, и ни одно последующее открытие не внесло в периодическую систему сколько-нибудь серьезных изменении. Более того, все беспокоившие его на склоне лет угрозы одна за другой обернулись новыми триумфами периодического закона.

Все это произошло уже после смерти Менделеева, но тогда, на переломе столетий, он не мог даже предполагать, что открытия, доставившие ему столько волнений и переживаний, есть начало блестящих успехов в решении, той главной задачи, которую он сформулировал еще в 1889 году. «…Периодическая изменяемость простых и сложных тел, — писал он в пятом издании «Основ химии», — подчиняется некоторому высшему закону, природу которого, а тем более причину, ныне еще нет средства охватить. По всей вероятности, она кроется в основных началах внутренней механики атомов и частиц».

Рентгеновские лучи, радиоактивность, первые опыты взаимопревращении элементов положили начало стремительному развитию той области знании, где химия тесно сплетена с «внутренней механикой атомов и частиц», где периодическая система неизменно оставалась надежным путеводителем для исследователей и где каждое новое открытие, обращенное на саму систему, постепенно все яснее и яснее раскрывало тот «высший закон», который управляет периодичностью свойств элементов.

Столетие — отличный срок для подведения итогов. И трудно сыскать в истории науки открытие, которое, подобно периодическому закону, все время оставалось бы в центре научных интересов человечества на протяжении целого столетия. «Каждая гениальная работа характеризуется двумя чертами, — говорил на X юбилейном съезде в сентябре 1969 года английский химик Ч. Коулсон, — в ней говорится о большем, чем известно в данное время, и она может плодотворно развиваться в направлениях, которые еще нельзя предвидеть. По обоим этим признакам периодическая система является работой гения».

И действительно, периодическая система за прошедшие с момента ее открытия сто лет показала колоссальную способность к развитию, которое постепенно изменяло и уточняло даже самую формулировку периодического закона. Советский химик профессор В. Семишин считает, что в изменении формулировок периодического закона можно выделить три этапа, отражающих глубину наших знаний и представлений о структуре материн. И, как ни удивительно, при переходе от одной формулировки к другой система становилась все стройнее, и одна за другой исчезали все те шероховатости, противоречия и нарушения, которые так долго беспокоили Дмитрия Ивановича.

Начало первому — химическому — этапу положила формулировка самого Менделеева: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».

Система по этому принципу строится очень просто: все элементы, от легчайшего водорода до тяжелейшего урана, располагаются в порядке возрастания их атомного веса. Поскольку свойства элементов через определенный период повторяются, их можно разбить на восемь групп, каждая из которых характеризуется одинаковой максимальной валентностью. Мы уже знаем, как удачно еще при жизни Менделеева разрешился вопрос с инертными газами, составившими еще одну — нулевую — группу.

Но сколько непонятного содержится в периодической системе на химическом этапе, сколько в ней необъяснимого, основанного только на изумительном химическом чутье самого Менделеева! Неизвестно, например, должны ли быть элементы между водородом и гелием. Неизвестно, сколько должно быть редкоземельных элементов и почему все они помещены в одну клетку. Непонятно, почему в восьмой группе из девяти элементов только у двух — рутения и осмия — валентность равна восьми. Необъяснимо и то, что более тяжелые аргон, кобальт и теллур вопреки принципу помещены соответственно перед более легкими калием, никелем и йодом.

Исследования, к которым с такой тревогой присматривался Менделеев, шли и шли своим чередом, пока в 1913 году ряд открытий не убедил ученых в том, что атомы — это не однородные упругие шарики, а сложные системы, состоящие из очень плотного, положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него электронов, образующих так называемую электронную оболочку атома.

И оказалось: заряд ядра в точности равен порядковому номеру, под которым тот или иной элемент стоял в периодической системе. Ничего не зная о сложном строении атома, не подозревая о существовании ядер и электронных оболочек, Дмитрий Иванович расположил все элементы в точном соответствии с возрастанием заряда их ядра. Вскоре были открыты изотопы — элементы с одинаковым зарядом ядра и разными атомными весами. С этого момента менделеевская формулировка периодического закона стала звучать иначе: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел находятся в периодической зависимости от величин заряда ядер их атомов».

Новая формулировка объяснила многое, что прежде было неясным: теперь можно было смело утверждать: между водородом с зарядом ядра, равным 1, и гелием с зарядом ядра, равным 2, не может быть промежуточных элементов. Между водородом и ураном можно разместить лишь те 90 элементов, которые указал Менделеев, поэтому никакой фундаментальной перестройки внутри периодической системы в будущем не предвидится. Наконец, нашло исчерпывающее объяснение помещение более тяжелых аргона, кобальта и теллура перед более легкими калием, никелем и йодом: заряд ядра первых ровно на единицу меньше, чем у вторых. Интуиция позволила Менделееву пренебречь тем случайным фактом, что в природных аргоне, кобальте и теллуре содержится тяжелых изотопов больше, чем в природных калии, никеле и йоде.

И тем не менее новая формулировка не отвечала на вопрос, почему при монотонном возрастании атомного веса и заряда ядер свойства элементов меняются периодически. Ответ на этот вопрос дало изучение электронных оболочек атомов, которые оказались построенными по строгим математическим законам. Так, атом водорода состоит из ядра и вращающегося «округ него одного-единственного электрона. В атоме гелия — 2 электрона, вращающихся примерно на одном уровне. Переход к литию добавляет еще одна электрон. Но стоп! Первый, ближайший к ядру уровень может содержать лишь 2 электрона, поэтому в литии третий электрон открывает счет на более далеком от ядра втором уровне. В отличие от первого этот уровень для насыщения требует 8 электронов, и постепенный переход от лития, с одним электроном на втором уровне к неону с восемью дает нам второй период из восьми элементов. Третий уровень может содержать еще 8 электронов — так возникает третий период системы от натрия до аргона. Примерно такая же картина и в пятом периоде, содержащем еще 18 элементов.

В шестом периоде картина усложняется еще больше. В него входят редкоземельные элементы, у которых на внешнем — шестом уровне находятся два электрона, а число электроном на четвертом уровне последовательно растет с 18 до 32, поэтому в шестом периоде содержится уже 32 элемента.