Рассказ о строении вещества

Трудно немногими словами рассказать хотя бы об основных работах, выполненных великим русским химиком. В самых различных областях знания работал Менделеев. Он был одним из пионеров воздухоплавания; он разработал новый способ изготовления бездымного пороха; он подготовил введение в нашей стране метрической системы мер и весов; он первый указал на возможность подземной газификации углей, на значение подземных богатств Донбасса и Урала, на необходимость более полной, комплексной переработки нефти, на огромную энергию русских рек. И это только незначительная часть сделанного им.

Великий русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев.

Но, несомненно, главнейшей заслугой Менделеева перед наукой и человечеством является его знаменитая периодическая, как ее называют, система элементов.

Какими же путями пришёл Менделеев к открытию великого закона природы и в чём сущность этого закона?

Еще студентом, досконально изучив всё, что было известно химикам его времени, Менделеев много думал над тем, каково общее число различных видов атомов, образующих различные элементы, что именно роднит, связывает друг с другом все химические элементы. Ответить на этот вопрос, интересовавший многих учёных и до Менделеева, было очень трудно. Слишком различные свойства имели известные химикам простые вещества. Тут были твёрдые тела, жидкости и газы; металлы и землистые вещества; вещества твёрдые и мягкие, стойкие и неустойчивые, тяжёлые и лёгкие.

Как найти общее в пестроте всех этих свойств? Как установить порядок в самих элементах? Чем объяснить их свойства?

Ответить на эти вопросы до Менделеева оказалось не под силу ни одному химику. Для этого нужен был человек с блестящими химическими знаниями, учёный, обладающий необыкновенным даром обобщения и предвидения, убеждённый в правоте своих взглядов и выводов, человек, мыслящий диалектически. Именно таким человеком и был Менделеев.

Отыскивая родство между столь различными по своим свойствам веществами, Менделеев настойчиво ищет то общее свойство, которое было бы присуще всем химическим элементам.

Что же может быть общего между такими, казалось бы, различными веществами, как мягкий, легко окисляющийся на воздухе, блестящий металл натрий и жёлтый, с резким удушающим запахом, легко окисляющий другие вещества газ хлор? Или сравним гибкую легко тянущуюся в виде проволоки, хорошо проводящей электричество, медь и хрупкую, не проводящую электричество, легко загорающуюся на воздухе серу.

Понадобился гений Менделеева для того, чтобы взять за основу общее свойство, которое присуще всем столь различным веществам, свойство, на основе которого можно было найти искомое родство химических элементов. Это общее всем элементам свойство — их атомный вес.

Не является ли атомный вес элементов в то же время свойством, их связывающим?

Не зависят ли свойства простых тел от массы, веса их атомов? Ведь не могли же химики назвать двух различных простых веществ с совершенно схожими свойствами, как не могли указать и двух элементов с совершенно одинаковыми атомными весами.

Так Менделеев приходит к убеждению, что количественная характеристика элемента, общая всем веществам, — его атомный вес — должна быть связана с его качеством, с его свойствами.

«Я был с самого начала глубоко убежден в том, — пишет Менделеев, — что самое основное свойство атомов, атомный вес или масса атомов, должно определять основные свойства каждого элемента… Я уже… в первые годы самостоятельного труда чувствовал, что должно существовать обширное обобщение, связывающее атомный вес со свойствами элементов… Я искал это обобщение с помощью усидчивого труда во всех возможных направлениях. Только весь этот труд дал мне необходимые точки опоры и вселил уверенность, позволившую мне преодолевать препятствия, казавшиеся тогда непреодолимыми…В короткое время я пересмотрел массу источников, сопоставляя огромный материал. Мне надо было, однако, совершить большое усилие, чтобы в имевшихся сведениях отделить главное от второстепенного, решиться изменить ряд общепризнанных атомных весов, отступить от того, что было признано лучшими тогда авторитетами. Сопоставив все, я с неотразимой ясностью увидел периодический закон и получил полное внутреннее убеждение, что он отвечает глубочайшей природе вещей».

Чтобы наглядно сопоставить различные элементы друг с другом, Менделеев записал все химические элементы, а их было известно к тому времени уже 63, на отдельные небольшие карточки. На каждой такой карточке были указаны, кроме названия элемента, его атомный вес и основные свойства. После этого учёный расположил карточки в таком порядке, что все элементы следовали друг за другом по мере увеличения их атомных весов. Первым в этом ряду был водород — атомы его имели самый маленький вес.

Много дней изучал Менделеев полученный ряд элементов и не находил в этой последовательности никакой закономерности. И действительно, ни один элемент не походил по своим свойствам в ряду Менделеева на своего соседа. Но учёный не сдавался. Он был твёрдо уверен в том, что в созданном им ряду элементов в порядке увеличения атомных весов должна существовать какая-то закономерность. И Менделеев снова и снова всматривался в ряд элементов, ещё и ещё раз сопоставлял их свойства друг с другом.

И победа пришла. Великий учёный подметил, наконец, ту не заметную для глаза последовательность в изменении свойств химических элементов, сходство свойств различных элементов в зависимости от их атомных весов. Это сходство наблюдается не у рядом стоящих элементов, а у веществ, отстоящих друг от друга на некотором расстоянии, разделённых иными, несходными элементами. В самом деле, вот, например, в ряду Менделеева на втором месте стоит элемент литий (рис. 6).

Рис. 6. Первая таблица химических элементов, составленная Д. И. Менделеевым в 1869 году.

Этот лёгкий металл по химическим свойствам относят к так называемым щёлочным металлам. Если бросить кусочек лития в воду, он будет соединяться с ней, образуя щёлочь. Следующие за литием шесть элементов ничем на него не похожи. Но седьмой элемент — натрий — оказывается по своим свойствам близким «родственником» лития; это так же щёлочной металл, он так же бурно и жадно соединяется с водой и другими веществами [1].

Пропустите снова шесть элементов, и вы увидите элемент калий — опять активный щёлочной металл.

Возьмите теперь не второй элемент в ряду, а третий — бериллий. И опять вы увидите ближайших родственников этого элемента не рядом, а дальше в ряду и на таком же расстоянии; следующие за бериллием шесть веществ непохожи на него, но седьмой — магний — по всем своим химическим свойствам очень похож на бериллий. Ещё через шесть элементов — новый родственник бериллия — кальций и т. д.

В четвёртом ряду Менделеева стоит элемент бор; этот элемент входит в состав борной кислоты и буры. Его ближайший родственник — алюминий, седьмой по счёту от бора элемент.

Таким образом, определённые свойства элементов в ряду Менделеева повторялись через определённый промежуток, через период элементов. Поэтому Менделеев и назвал свою таблицу элементов периодической системой элементов.

Наблюдая свойства элементов, заключённых в каком-либо одном периоде, скажем, в первом — от лития до натрия — Менделеев заметил и другую замечательную закономерность. Оказывается, свойства находящихся в одном периоде элементов изменяются не случайно, а строго следуя определённому закону.

Свойства элементов одного периода отражают всё многообразие свойств различных химических элементов!

В самом деле, в таблице в начале периода стоит литий; это активный элемент с ярко выраженными металлическими свойствами. За ним следует бериллий; это чуть менее активный металл; он уже не так похож на типичный металл. Третий элемент — бор — ещё менее похож на металл, химическая активность его ниже, чем у двух первых элементов. Дальше идёт углерод — основа всех органических веществ. Это уже «переходный» элемент — от металлов к неметаллам. Следующий элемент азот — первый в периоде металлоид [2] и самый малоактивный среди них. Он входит в состав воздуха и носителей жизни — белков. Идущий за азотом кислород уже более активен — он легко вступает в химическое соединение со многими веществами. Заканчивает период элемент фтор; это самый активный и ярко выраженный металлоид.