Почти в каждой химической лаборатории на нас со стен смотрит периодическая таблица химических элементов. Ее создание, как правило, ставят в заслугу русскому химику Дмитрию Менделееву, который в 1869 году выписал известные элементы (которых в то время было 63) на карточки, а затем расположил их по столбцам и строкам в соответствии с их химическими и физическими свойствами. В ознаменование 150-летия этого поворотного момента в науке ООН провозгласила 2019 год Международным годом периодической таблицы химических элементов.
Но на самом деле периодическая таблица началась не с Менделеева. Расположить химические элементы в определенном порядке пытались многие. За несколько десятков лет до этого химик Джон Далтон (John Dalton) попытался упорядочить элементы в таблицу, а также придумать для них некоторые довольно интересные символы (они не «прижились»). И всего за несколько лет до того, как Менделеев взялся за дело со своей колодой самодельных карточек, Джон Ньюлендс (John Newlands) также создал таблицу, распределив элементы в соответствии с их свойствами.
Вы обратили внимание на вопросительные знаки в первоначальной таблице Менделеева? Например, рядом с символом Al (алюминий) есть пустая клетка для неизвестного металла. Менделеев предсказал, что у него будет атомная масса 68, плотность шесть граммов на кубический сантиметр и очень низкая температура плавления. Шесть лет спустя Поль Эмиль Лекок де Буабодран (Paul Émile Lecoq de Boisbaudran) открыл галлий и, конечно же, вписал его в таблицу прямо в свободную клетку с атомной массой 69,7, плотностью 5,9 г/см3 и температурой плавления настолько низкой, что он становится жидким в руке. Такие же пустые клетки в таблице Менделеев оставил для скандия, германия и технеция (который был открыт лишь в 1937 году, через 30 лет после его смерти).
На первый взгляд таблица Менделеева не очень похожа на ту, с которой мы знакомы. Во-первых, в современной таблице есть множество элементов, которые Менделеев упустил из виду (и не смог оставить для них пустые клетки) — прежде всего речь идет о благородных, инертных, газах (таких как гелий, неон, аргон). Кроме того, таблица устроена не так, как наш современный вариант этой системы, элементы в которой мы теперь располагаем в виде двухмерной таблицы — столбцов и строк.
Но как только вы развернете таблицу Менделеева на 90 градусов, становится очевидным ее сходство с современным вариантом. Например, галогены — фтор (F), хлор (Cl), бром (Br) и йод (I) (в таблице Менделеева обозначено символом J) — все оказываются рядом друг с другом. Сегодня они расположены в 17-м столбце таблицы (или 17-й группе, как предпочитают называть его химики). Переход от этого варианта к знакомой схеме может показаться незначительным, но спустя годы после публикаций Менделеева было много экспериментов с альтернативными вариантами расположения элементов. Еще до того, как таблица приобрела свой постоянный вид с разворотом под прямым углом, люди предлагали целый ряд странных и замечательных конфигураций.
Одним особенно ярким примером является опубликованная в 1870 году спиральная система элементов Генриха Баумгауера (Heinrich Baumhauer), в центре которой расположен водород, а элементы в порядке увеличения их атомной массы расположены от центра по спирали. Элементы, попадающие на каждый из радиусов спирали, имеют общие свойства, как и элементы столбца (группы) в современной таблице. Была и довольно странная «гантелеобразная» конфигурация периодической системы, предложенная в 1892 году Генри Бассетом (Henry Basset).
И все же к началу XX века таблица приняла знакомую нам горизонтальную форму, и ее вариант, предложенный в 1905 году Генрихом Вернером (Heinrich Werner), выглядел на удивление современно. Впервые инертные газы оказались в своем (знакомом сегодня) положении на правом краю таблицы. Вернер также попытался последовать примеру Менделеева, оставив пробелы, хотя он довольно переусердствовал с предположениями об элементах легче водорода и еще одном элементе, который должен был занять место между водородом и гелием (ни одного из них не существует). Несмотря на этот довольно современный вид таблицы, предпринимались дальнейшие попытки изменить ее конфигурацию.
Особенно авторитетным был вариант, предложенный Шарлем Жанетом (Charles Janet). К составлению таблицы он подошел с точки зрения физики и, используя недавно открытую квантовую теорию, создал вариант расположения элементов, основанный на электронных конфигурациях. Многие физики по-прежнему предпочитают созданную им «левостороннюю» таблицу. Интересно, что Жанет тоже оставил свободные клетки для элементов — вплоть до 120, несмотря на то, что в то время было известно только 92 элемента (сегодня нам известно лишь 118).
Современная таблица фактически представляет собой непосредственную доработку варианта, предложенного Жанетом. Щелочные металлы (группа, на первом месте в которой находится литий) и щелочноземельные металлы (группа, начинающаяся с бериллия) были перенесены с крайней правой стороны на левый край таблицы, в результате чего получилась периодическая таблица очень широкая по виду (длиннопериодная форма). Проблема с таблицей такой конфигурации заключается в том, что она не помещается на странице или плакате, поэтому — в основном по эстетическим причинам — элементы f-блока обычно выносятся за пределы основной таблицы и помещаются под ней. Именно так и появился вариант признаваемой сегодня периодической таблицы. Это не значит, что люди не пытаются создать другие конфигурации таблицы, зачастую пытаясь продемонстрировать взаимосвязи между элементами, которые не являются очевидными в обычной таблице. Существуют буквально сотни вариантов таблицы (посмотрите базу данных Марка Лича), среди которых особенно популярны спиральные и трехмерные конфигурации, не говоря уже о более шутливых вариантах.
А как насчет приведенного ниже моего собственного варианта, в котором объединены два традиционных изображения — таблица Менделеева и схема лондонского метро Генри Бека (Henry Beck)? Или головокружительный набор имитаций, цель которых — придать ощущение научности при классификации чего бы то ни было — от пива до диснеевских персонажей, а также моей любимой «иррациональной чепухи». Все это показывает, как периодическая таблица элементов стала традиционным, культовым символом науки.