Знаменитый периодический закон был открыт Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907) в начале 1869 года. Благодаря этому закону Менделеев, вероятно, является единственным отечественным учёным, имя которого известно школьникам всех стран мира — по крайней мере, тем, кто изучал в школе химию. Задуматься над классификацией элементов Менделеева заставила работа над учебником «Основы химии».
Нужно было как-то распределить обширный материал по свойствам элементов и их соединений. Открытый им закон позволял сделать это на научной основе.
Что имел в своём распоряжении Менделеев, когда задумался над классификацией элементов?
Чуть более 60 элементов.
Менделеев не просто расставил их в порядке увеличения атомных масс и заметил при этом определённые закономерности (например, повторяемость свойств элементов) — это до него делали и другие химики. Заслуга Менделеева (и, соответственно, честь открытия нового закона) заключается в том, что он видел в своей таблице не просто удобный способ классификации элементов, а глубокий внутренний закон (недаром свою систему элементов Менделеев назвал «естественной»).
Правда, физическая сущность закона оставалась для него непонятной (объяснение периодического закона с точки зрения строения атомов было дано только в XX веке).
Основываясь на своей уверенности, Менделеев оставил в таблице пустые места для ещё не открытых элементов.
Более того, он отважился предсказать их свойства! Впоследствии учёные разных стран открыли эти элементы (галлий, скандий и германий) и подтвердили предсказания Менделеева, таблица которого быстро получила признание во всём мире, а её автору она принесла заслуженную всемирную славу.
Опубликовав 17 февраля (1 марта по новому стилю) 1869 года свою первую таблицу, Менделеев внёс в неё принципиальные новшества по сравнению с предшественниками.
Как и раньше, за основу была взята атомная масса элемента, а элементы располагались в порядке её возрастания.
Но Менделеев подошёл к этому принципу критически, считая, что химические свойства элемента важнее для определения места этого элемента, чем его атомная масса. В первом варианте своей таблицы Менделеев располагал элементы последовательно не по горизонтали, а по вертикали.
Через два года он изменил этот принцип, и его таблица, включённая во вторую часть учебника «Основы химии», изданного в 1871 году, имеет уже почти современный вид. Основной принцип построения таблицы был нарушен, в отличие от системы Ньюлендса, только в одном месте.
Теллур с атомной массой 128 оказался над йодом (атомная масса 127). Именно этого требовала, вопреки формальному правилу, логика размещения элементов в соответствии с их химическими свойствами. На всякий случай Менделеев поставил возле символа теллура (Те) знак вопроса: вдруг атомная масса этого элемента определена неточно и окажется всё-таки меньше, чем у йода (относительно хорошо изученного йода таких сомнений не было).
Последующие исследования показали, что, действительно, атомная масса теллура была немного завышена; но всё равно теллур оказался тяжелее йода! По современным данным, атомная масса теллура равна 127,60, а йода — 126,9045.
В современной таблице есть ещё несколько таких мест, нарушающих общий принцип, которого придерживался Менделеев, — закономерного увеличения атомных масс элементов. Аргон (атомная масса 39,948) стоит перед калием (атомная масса 39,0983); кобальт (атомная масса 58,9332) стоит перед никелем (атомная масса 58,6934); торий (атомная масса 232,0381) стоит перед протактинием (атомная масса 231,0359)-Исключительно высокая точность, с которой в настоящее время определяются атомные массы, говорит о том, что об ошибках в этой области не может быть и речи.
«Нарушения» в таблице имеют объяснение.
Оно связано с тем, как и в каком количестве образуются изотопы разных химических элементов. Сейчас известно, что атомы всех без исключения элементов, в том числе и тех, из которых состоит тело человека, были когда-то синтезированы в звёздах в результате ядерных реакций.
При взрывах звёзд атомы рассеиваются в космосе, потом из них формируются новые звёзды, а также планеты.
Как уже говорилось, большинство химических элементов в природе существует в виде смеси изотопов, массы которых отличаются.
При определении атомной массы элемента химик имеет дело с природной смесью изотопов. И изредка получается, что у элемента, который в таблице стоит впереди, тяжёлых изотопов синтезировалось в звёздах немного больше, чем у следующего элемента.
Возьмём конкретный случай йода и теллура, по поводу которого Менделеев поначалу сомневался. У элемента йода в природе нет изотопов, все его атомы имеют одинаковую массу.
А вот у теллура изотопов много — целых шесть; масса самого лёгкого 119,9040, а самого тяжёлого — 129,9062.
Но лёгких изотопов в природном теллуре мало, а двух тяжёлых, масса которых больше, чем у йода, — много (65,5%). Так что в среднем атомы теллура немного тяжелее атомов йода.
То же происходит и в случае других «исключений из правила». Но всё это стало известно уже после жизни Менделеева, когда учёные выяснили, как устроен атом, и были открыты изотопы элементов.
Наиболее важное новшество таблицы Менделеева по сравнению с таблицами, предлагавшимися другими химиками, заключалось в теоретическом предсказании новых химических элементов.
По логике построения своей таблицы он не мог в некоторых случаях найти известный элемент с «нужными» свойствами, чтобы поставить его на определённое место. И вместо того чтобы пытаться как-то приспособить таблицу, как это делали его предшественники, Менделеев оставил в ней пустые места, сделав очень смелое предположение: эти места соответствуют ещё не открытым элементам.
Если же элементы следовали без пропусков, это означало, что никакие новые элементы с соответствующими свойствами туда втиснуть уже невозможно, так что и открыты они никогда не будут!