В попытках найти философский камень ученые постоянно исследовали состав окружающей их материи. В результате этого ажиотажа было открыто множество элементов. Например, в 1669 году немецкий алхимик Хеннинг Бранд открыл фосфор. В попытках создать философский камень он кипятил мочу в кастрюле, пока там не образовалось характерное светящееся вещество. Благодаря подобным изысканиям ученые поняли, что элементы по сути — мельчайшие блоки, из которых построена вся вселенная. Осознание этого породило в умах современников множество вопросов. Сколько всего элементов существует? А главное — есть ли законы, по которым их можно организовать?
В 1829-м немецкий физик Иоганн Вольфганг Дёберейнер предпринял первую значимую попытку систематизировать элементы. Он обнаружил, что некоторые из них, схожие по свойствам, можно объединить в группы по три. Так и появился "закон триад", согласно которому атомная масса среднего элемента триады была близка к полусумме (среднему арифметическому) атомных масс двух других крайних элементов. Его подход, хоть и стал прообразом периодического закона, был слишком несовершенным. Например, хоть Дёберейнер и видел, что свойства фосфора (Р), мышьяка (As), сурьмы (Sb) и висмута (Bi) похожи, он не мог систематизировать эти элементы из-за того, что слишком сосредоточился на тройственных союзах и не отступился от заданной закономерности. Однако, несмотря на конечную неудачу, таблица Дёберейнера ясно показала, что существует связь между атомной массой и свойствами элементов с их соединениями.
Абсолютная (реальная) масса атомов очень мала, поэтому для упрощения систем, в химии пользуются относительной массой атома или просто атомной массой. Она показывает, во сколько раз масса атома одного элемента больше массы атома другого элемента, принятого за единицу.
В 1862 году французский геолог и химик Александр де Шанкуртуа нанес на боковую поверхность цилиндра, размеченную на 16 частей, линию под углом в 45°, на которой разместил точки, соответствующие атомным массам открытых элементов. В результате развертывания поверхности цилиндра элементы, чьи атомные массы отличались на 16 или на число, кратное 16, оказались на одной вертикальной линии. При этом они обладали аналогичными химическими свойствами. Химик назвал свою таблицу "Земная спираль".
Однако у этой системы были недостатки: на одной линии с близкими по химическим характеристикам элементами иногда оказывались те, которые демонстрировали совершенно иное химическое поведение. Например, в группу щелочных металлов попадал марганец, а в группу кислорода и серы — титан, который не имел с ними ничего общего.
Вскоре после этого, в 1866 году, свою периодическую таблицу предложил английский химик Джон Александр Ньюлендс. Он попытался сопоставить химические свойства элементов с их атомными массами. В результате он обнаружил, что схожие свойства появляются у каждого восьмого элемента, если расположить их в порядке возрастания атомных масс. С детства увлеченный музыкой Ньюлендс назвал это законом октав по аналогии с музыкальной гаммой. Ученый группировал элементы по семь по вертикали, поэтому элементы с похожими свойствами оказывались на одной горизонтальной линии. Однако и этот подход не был совершенным: иногда в горизонтальных, похожих рядах оказывались элементы, отличные по физико-химическим свойствам. В результате разработку эксперта приняли скептически. Окончательный же прорыв совершил именно Менделеев.
Как открыли периодический закон?
На мысль о создании периодической таблицы Дмитрия Ивановича Менделеева натолкнула работа над курсом лекций по общей химии. После многих лет напряженной работы и изучения работ предшественников система наконец-то была готова: 17 февраля 1869 года был завершен первый вариант привычной нам периодической таблицы. Позже, в 1871 году, он вылился в первую формулировку периодического закона: "Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от атомного веса". Другими словами, если расположить элементы по росту атомного веса, то их физико-химические свойства меняются не монотонно, а периодически. Так, натрий похож на хлор, а золото — на серебро и медь. Для того чтобы доказать правоту своей системы, Менделееву пришлось даже исправить атомные массы некоторых элементов, разместив их в своей таблице вопреки существующим на тот момент принципам. Кроме того, Менделеев оставил своей таблице пустые клетки для новых, еще не открытых элементов.
Теория химика подтвердилась: после открытия некоторых предсказанных ученым элементов (галлия, скандия и германия) его правота считалась непоколебимой.
Спустя годы после создания периодической таблицы, когда ученым удалось понять структуру атома, периодический закон был доработан. Оказалось, что свойства элементов определяются не атомной массой, а количеством электронов, которые содержатся в их атомах. Так периодический закон обрел современную формулировку, визуальным воплощением которой стала периодическая таблица элементов: свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов.
Может ли устареть таблица Менделеева?
Сейчас развитие периодической системы связано с заполнением пустующих клеток в таблице и поиском новых, сверхтяжелых элементов. В них и кроется ответ.
Один из самых тяжелых естественных элементов — уран, атомный номер которого составляет 92. Это означает, что в его ядре находится 92 положительно заряженных протона. Однако современная таблица Менделеева насчитывает 118 элементов, а это значит, что есть элементы еще тяжелее урана. Однако они не существуют в природе просто так, и для их получения необходимы ускорители: в них более легкие ядра произвольно сталкиваются с тяжелыми, вследствие чего иногда сливаются, образуя новые элементы. Но такие соединения очень нестабильны и быстро распадаются. По продуктам распада, сохранившимся в ускорителе, физики делают выводы о том, что именно произошло и какой элемент получился. Например, если бомбардировать ядра урана ядрами неона, то можно получить ядра нобелия, синтетического элемента под номером 102.
На сегодняшний день самым тяжелым из всех синтезированных элементов является оганесон, который стоит в таблице под номером 118 (его период полураспада составляет около половины миллисекунды). А начиная с 2020 года ученые пытаются открыть элементы под номером 119 и 120.
Именно на этих отдаленных участках периодической таблицы начинаются проблемы. Нет уверенности, что новые элементы будут вести себя так, как предсказывает таблица и периодический закон. Несмотря на то что на данный момент эксперты ожидают лишь незначительные отклонения, по мере роста номеров элементов эти нестыковки могут увеличиваться, что ставит под угрозу целостную структуру периодической таблицы и в некотором роде существующее понимание вселенной.
Однако, несмотря на все сомнения, периодическая таблица остается в центре изучения химии. Она не растворилась и не потеряла актуальности, а эволюционировала и адаптировалась, сохранив фундаментальные идеи Менделеева неизменными.
Мария Богрянова