6 марта 1869 года Дмитрий Менделеев представил Русскому химическому обществу способ организации химических элементов. Чтобы отпраздновать 150-летний юбилей этого события, Генеральная ассамблея ООН и ЮНЕСКО объявили 2019 год Международным годом периодической системы.
Когда французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран (Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran) в 1875 году исследовал минералы Пиренейских гор, он открыл новый элемент, которому дал название галлий в честь римского названия Франции. Он сообщил о своем открытии, но вскоре получил письмо, в котором его просили еще раз исследовать плотность элемента, потому что он, вероятно, измерил ее неверно. Де Буабодран так и сделал и обнаружил, что отправитель письма, российский химик Дмитрий Менделеев, был прав. Плотность элемента была не 4,7 грамма на квадратный сантиметр, как он изначально думал, а 5,9 — практически такая, как предсказал Менделеев.
«Именно после этого таблица Менделеева и прославилась на весь мир», — говорит Майкл Гордин (Michael Gordin), профессор современной истории в Принстонском университете и автор книги «Хорошо упорядоченная вещь: Дмитрий Менделеев и тень периодической таблица» (A Well-Ordered Thing: Dmitrii Mendeleev and the Shadow of the Periodic Table).
Все началось в Санкт-Петербурге в феврале 1869 года. Дмитрий Менделеев писал учебник по химии в двух томах. Первая часть уже была готова: первые 500 страниц книги он посвятил четырем элементам — углероду, кислороду, водороду и азоту. В последней главе Менделеев описывает так называемые галогены: фтор, хлор, бром и йод — группу элементов, чьи свойства очень похожи. Например, они легко реагируют с металлами и образуют соли, такие как хлорид натрия, то есть обычная пищевая соль.
Второй том должен был стать не менее толстым. Но из 63 известных элементов химик рассказал в первой части лишь о восьми.
«У него оставались 55 элементов, которые следовало представить во втором томе. Поэтому он пытался найти способ организовать их так, чтобы можно было описать их как можно более экономично», — говорит Майкл Гордин.
Для начала Дмитрий Менделеев задумался о щелочных металлах — литии, натрии, калии и рубидии. Все это мягкие и легкие металлы, которые активно взаимодействуют с водой, образуя щелочную основу, иными словами — раствор с высоким pH. Сравнив их атомный вес, или атомную массу (показатель, сколько весит один атом вещества), он обнаружил, что разница между двумя щелочными металлами очень похожа на разницу между двумя галогенами.
«Он начал думать, что, возможно, существует некая естественная система, объясняющая это явление», — говорит Майкл Гордин.
Есть много распространенных мифов о том, как Дмитрий Менделеев додумался до периодической системы. Одни говорят, что у него была карточная игра со свойствами химических элементов на картах, другие — что финальное решение пришло к нему во сне. Но, по словам Майкла Гордина, это не соответствует действительности. Документы Менделеева свидетельствуют, что он выстраивал таблицу шаг за шагом, в процессе работы отталкивался от галогенов и щелочных металлов, а затем старался найти подходящие места для других элементов.
Наконец он понял, что все готово, переписал начисто рукопись и отправил ее в печать. Работа вышла 17 февраля 1869 года, что на самом деле означает 1 марта 1869, ведь тогда Россия еще не перешла на грегорианский календарь. Заголовок Дмитрий Менделеев написал на русском и на французском: «Опыт классификации элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве» (склонности реагировать с другими элементами). Затем он передумал и вычеркнул слово «классификация», написав вместо нее «система», но забыл внести поменять артикль во французском варианте: оставил une от classification («классификация», женский род) вместо un для système («система», мужской род).
«Вот откуда в самых первых печатных версиях периодической системы опечатка», — объясняет Майкл Гордин.
Первая таблица Дмитрия Менделеева не была похожа на периодические системы, которые сейчас висят в каждом классе химии по всему миру. Но его идея была правильной, а прорыв в науке — настолько значительным, что Генеральная ассамблея ООН и ЮНЕСКО объявили 2019 год Международным годом периодической системы, чтобы отметить ее 150-летний юбилей.
Удивительнее всего, что Менделеев не мог знать, почему его таблица выглядит именно так. Элементы в ней упорядочены по атомному номеру, то есть по количеству протонов в ядре атома. Но британский физик Генри Мозли (Henry Moseley) выяснил это только в 1913 году — через шесть лет после смерти Менделеева. То, в какой столбец попадает элемент, определяется организацией электронов на валентной оболочке атома, но электроны были открыты лишь в 1897 году Джозефом Джоном Томпсоном (Joseph John Thomson), другим британским физиком.
«Менделеев относился к электронам с большим подозрением, он не определился, верить в них или нет. И он точно ничего не знал о квантовой механике. Нильс Бор (Niels Bohr) сформулировал периодическую систему в терминах квантовой теории лишь в 1923 году», — рассказывает Майкл Гордин.
С самого начала Дмитрий Менделеев понял, что в его таблице не хватает как минимум трех элементов. Когда в 1871 году он опубликовал улучшенную версию таблицы, он дал им названия экабор, экаалюминий и экакремний, где «эка» значит «один» на санскрите. Он также сделал очень подробные предсказания об их свойствах и о том, как их можно обнаружить. Вот почему он был настолько уверен, что Буабодран неверно измерил плотность галлия, ведь все остальные его свойства совпадали с экаалюминием. Затем в 1879 году был открыт скандий, а в 1886 — германий.
«В первую очередь германий невероятно напоминал экакремний. Когда его открыли, это был блестящий успех периодической системы, который по-настоящему прославил Менделеева на весь мир», — говорит Майкл Гордин.