Атомы и электроны - Бронштейн Матвей Петрович

В 1863 году англичанин Дж. А. Ньюлендс, воспользовавшись атомными массами Канниццаро, нашёл, что если расположить элементы в порядке возрастания их атомных масс, то такой список элементов естественно разлагается на октавы, т. е. на строчки по семь элементов в каждой, где каждый элемент обладает большим сходством с одинаковым по номеру элементом предыдущей и последующей октав. Приведём первые три октавы Ньюлендса:

H, Li, Be, B, C, N, O;

F, Na, Mg, Al, Si, P, S;

Cl, K, Ca, Cr, Ti, Mn, Fe.

Аналогия проявляется в том, что все элементы, стоящие на втором месте в своей октаве (литий, натрий, калий), являются так называемыми щелочными металлами, образующими соединения по одному и тому же типу, например дающими соли LiCl, NaCl, KCl; элементы, стоящие на третьем месте в октаве (бериллий, магний, кальций), являются так называемыми щёлочноземельными металлами, дающими тоже похожие друг на друга, но уже иного типа соединения, например соли BeCl2, MgCl2, CaCl2. Фтор весьма похож по своей химической природе на стоящий под ним хлор, азот обнаруживает некоторые аналогии с фосфором, кислород — с серой и т. д. Заметим, впрочем, что всё получается так хорошо и убедительно лишь в первых октавах Ньюлендса: в дальнейших октавах было гораздо больше путаницы, и в некоторых случаях для её устранения Ньюлендс позволил себе отступить от принятого им плана и располагать элементы не совсем в порядке возрастания атомной массы. Так или иначе, эта предложенная Ньюлендсом классификация, являвшаяся конкретным воплощением старой идеи Марне, не имела никакого успеха среди химиков. Когда Ньюлендс попробовал рассказать о своей классификации химических элементов съезду английских естествоиспытателей, его почти не хотели слушать, и председатель химической секции съезда насмешливо спросил Ньюлендса, — а не пробовал ли он располагать химические элементы в порядке алфавита и не получалось ли и при этом каких-нибудь закономерностей.

Через несколько лет после этой попытки Ньюлендса она была повторена двумя другими учёными, работавшими над вопросом естественной классификации элементов совершенно независимо друг от друга. Одним из них был Юлиус Лотар Мейер, профессор университета в Бреслау (ныне Вроцлав в ПНР), другим — Дмитрий Иванович Менделеев, профессор университета в Санкт-Петербурге. И Мейер, и Менделеев сообразили, что могут существовать и элементы, ещё не открытые химиками, а поэтому, если этого требует классификация, можно оставлять в таблице пропуски, соответствующие ещё не открытым элементам.

Периодическая таблица элементов, опубликованная в 1869 г. Д. И. Менделеевым.

Кроме того, они сочли схему Ньюлендса с её одинаковыми строчками чрезмерно узкой и допустили, что строчки (периоды) могут становиться длиннее к концу таблицы. Мы приводим «периодическую таблицу элементов», которую опубликовал Д. И. Менделеев в 1869 году в немецком журнале «Zeitschrift fur Chemie» (таблица приводится в несколько изменённом виде, но так, что все идеи Менделеева, содержащиеся в его статье, переданы правильно).

В этой таблице курсивом даны те элементы, которые были поставлены Менделеевым неправильно вследствие незнания их атомных масс или по другим причинам (в 1870 году Менделеев исправил большую часть этих ошибок). Уже в четвёртой строке таблицы классификация потребовала оставления пустых мест. На этих пустых местах должны находиться какие-то ещё не открытые элементы, а именно должен быть один элемент между кальцием и эрбием (впрочем, эрбий здесь поставлен по ошибке, и уже в 1870 году Менделеев правильно поставил вместо эрбия титан) и два элемента между цинком и, мышьяком. Этим элементам Менделеев дал следующие названия: элементу, который должен стоять после кальция, он дал имя экабор{2}, а двум элементам, которые должны идти за цинком, — имена экаалюминий и экакремний (экабор, как видно из таблицы, должен быть аналогичен бору, а экаалюминий и экакремний — алюминию и кремнию). Менделеев был настолько убеждён в своей классификации, что имел смелость заранее описать свойства этих трёх элементов, прежде чем их откроют. Чтобы предсказать свойства, например, экакремния, он сообразил, что экакремний по своим свойствам должен быть чем-то средним между цинком и мышьяком (но заметно ближе к мышьяку) и что, с другой стороны, он должен иметь много сходства с кремнием и с элементом под ним, т. е. с оловом, будучи чем-то средним между кремнием и оловом. (Всё это читатель легко поймёт, пользуясь приведённой таблицей.)

И что же? Предсказания Менделеева блестящим образом сбылись. Летом 1875 года французский химик Лекок де Буабодран, исследуя найденный в Пиренейских горах кусок руды (цинковой обманки), обнаружил в этой руде новый химический элемент, который но своим свойствам был совершенно таким же, как предсказанный Менделеевым экаалюминий. Найденному им элементу Лекок де Буабодран дал название галлий (от латинского слова Галлия, что значит Франция). В 1879 году шведские химики Нильсон и Клёве нашли в одном редком норвежском минерале эвксените предсказанный Менделеевым экабор и назвали его скандием (по-латыни Скандия значит Швеция), И наконец, в 1885 году немецкий химик К. Винклер, исследуя только что открытый в фрейбургских рудниках в Саксонии минерал аргиродит, нашёл в нём предсказанный Менделеевым экакремний. Продолжая тот же ряд патриотических названий, Винклер назвал экакремний германием.

Чтобы убедиться, насколько точны были предсказания Менделеева, сравним свойства экакремния и германия:

Свойства экакремния (обозначался Es), предсказанные Менделеевым в 1871 г.

Экакремний — серый металл, плавится с трудом, атомная масса — 72.

Плотность экакремния должна быть 5,5 г/см3.

Окись экакремния должна иметь формулу EsO2 и плотность 4,7 г/см3. Под действием водорода из неё должен выделяться экакремний.

Хлористый экакремний EsCl должен иметь плотность 1,9 г/см3 и кипеть при 90 °C.

Фтористый экакремний EsF4 не летуч.

Сернистый экакремний EsS2 должен растворяться в сернистом аммонии.

Экакремний этил Es(C2H5)4 должен иметь плотность 0,96 г/см3 и кипеть при 160 °C.

Свойства германия (обозначается Ge), изученные К. Винклером в 1886 г.

Германий — серый, трудно возгоняющийся металл, атомная масса — 72,6.

Плотность германия 5,409 г/см3.

Плотность окиси германия GeO2 4,703 г/см3. Под действием водорода из неё выделяется германий.

Хлористый германий GeCl4 имеет плотность 1,887 г/см3 и кипит при 86 °C.

Фтористый германий GeF4∙3H2O — твёрдое белое вещество.

Сернистый германий GeS2 растворяется в сернистом аммонии.

Германий этил Ge(C2H5)4 имеет плотность 0,991 г/см3 и кипит при 160 °C.

Пожалуй, можно сказать, что Менделеев предвидел в этом элементе всё, кроме его названия.

После такой блестящей победы никто уже не мог сомневаться в том, что «периодический закон» Менделеева действительно выражает какое-то весьма глубокое свойство химических элементов и что атомы химических элементов могут быть расположены в какой-то «системе родства». Но что означает это родство химических элементов, эти связи между разными атомами, не имеющими, казалось бы, ничего общего друг с другом, — этого в те времена ещё никто — в том числе и сам Менделеев — не сумел бы сказать.

Периодический закон Менделеева, как выразился один историк химии,