В связи с принятым ООН решением нередко возникает вопрос о том, насколько актуально сегодня обсуждать события, связанные с открытием Менделеева. В мире считают, что это величайшее открытие по-прежнему способствует развитию многих наук. Исследователи и сейчас ищут ответ на многие природные загадки, используя Периодическую таблицу. Кроме того, изучая материалы, связанные с её созданием, видишь порой абсолютно нелинейный процесс того, как делается наука. Именно это в значительной степени является целью рассказа о самой таблице, времени, в которое она создавалась, и её авторе.
Дмитрий Иванович Менделеев родился в семье директора Тобольской гимназии Ивана Павловича Менделеева и Марии Дмитриевны Корнильевой, дочери небогатого сибирского помещика, 27 января (8 февраля) 1834 года. В семье он был семнадцатым ребёнком. В детстве Дмитрий Иванович не отличался особым прилежанием в учёбе. В гимназии у него были весьма скромные оценки по латинскому языку и Закону Божьему. Охотно он занимался только математикой и физикой. Его отец скончался, когда Дмитрию было 10 лет. Матери его достался небольшой стекольный завод, которым она управляла в период учёбы сына в гимназии. В 1849 году, когда Дмитрий оканчивал гимназию, завод сгорел, и семья переехала сначала в Москву, а потом в Петербург.
Менделееву не сразу удалось продолжить образование, но всё же в 1850 году он был принят на отделение естественных наук физико-математического факультета Главного педагогического института Петербурга. Впрочем, и здесь продолжились проблемы с учёбой. На первом курсе он умудрился провалить все предметы, кроме математики. Перелом произошёл в конце обучения. В 1855 году за отличный аттестат Менделеев получил золотую медаль, а заодно и направление на должность старшего преподавателя гимназии в южный город — Симферополь. Здесь он познакомился с Николаем Ивановичем Пироговым, русским хирургом, естествоиспытателем и педагогом, профессором, основоположником военно-полевой хирургии. Однако вскоре из-за начавшейся Крымской войны перевёлся в Одессу, где работал учителем в Ришельевском лицее.
В 1856 году Менделеев возвратился в Петербург и в университете защитил диссертацию на степень магистра химии. Там же он начал работать и читать курс органической химии. В 1864-м Менделеев был избран профессором химии Петербургского технологического института, а годом позже, в 1865-м, защитил докторскую диссертацию. Через два года он уже возглавил кафедру неорганической химии Петербургского университета.
Сохранились сведения, что учителем литературы Дмитрия Ивановича в Тобольской гимназии был известный впоследствии поэт Пётр Павлович Ершов, автор знаменитого «Конька-Горбунка». Весной 1862 года в Петербурге падчерица Ершова, Феозва Лещева, которая была старше Менделеева на шесть лет, стала его первой женой. Но отношения между супругами не складывались, и этот брак в 1881 году завершился разводом. Вторая жена, Анна Ивановна Попова, была моложе своего супруга на 26 лет. Она училась в консерватории по классу фортепиано, посещала школу рисования в Санкт-Петербурге. С 1876 по 1880 год Анна училась в Академии художеств. Опуская многие подробности этого романа, упомяну лишь, что Менделеев по крайней мере два раза прерывал свою работу в университете и ездил к ней в Италию. В 1881 году, давая согласие на развод, церковь тем не менее наложила на Менделеева шестилетнее покаяние; в течение этого срока он не мог венчаться вновь. Однако в апреле 1882 года, вопреки этому решению, священник Адмиралтейской церкви по фамилии Куткевич за десять тысяч рублей обвенчал Менделеева и Попову. За нарушение запрета Куткевич был лишён духовного звания.
От двух браков родилось семеро детей. Одна из его дочерей, старшая от второго брака, Любовь Менделеева, стала женой великого поэта Серебряного века Александра Блока.
В Петербургском университете Дмитрий Иванович Менделеев работал вплоть до 1890 года, и именно с этим периодом связано самое важное его открытие — создание Периодической таблицы химических элементов. Готовя лекционный курс под названием «Основы химии», Менделеев заметил определённую периодичность в свойствах химических элементов. Эта закономерность особенно ярко проявилась, когда он расположил элементы в соответствии с их атомными массами, даже несмотря на то что некоторые эти значения нуждались в корректировке. Кроме того, именно на основе этого подхода стало обоснованным предсказание некоторых, тогда ещё неизвестных, химических элементов.
История не даёт однозначного ответа на ряд вопросов, связанных с окончанием работы над первой версией Периодической таблицы. Известно, что в понедельник, 17 февраля 1869 года, Менделеев завершил разработку рукописной версии таблицы «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Необходимая дополнительная информация содержалась в статье, которая была написана в последней декаде февраля и опубликована также в 1869 году в «Журнале Русского химического общества».
С самого начала Менделеев отчётливо сознавал, что для его открытия необходимо международное признание. Поэтому ещё в феврале он разослал свою таблицу западноевропейским коллегам. Кроме того, 6 (18) марта 1869 года знаменитый доклад Менделеева с тем же названием, что и статья, был прочитан первым редактором журнала РХО профессором Николаем Александровичем Меншуткиным на заседании Русского химического общества. Вот как об этом писал Дмитрий Иванович в 1905 году: «В начале 1869 г. я разослал многим химикам на отдельном листке “Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве”, а в мартовском заседании 1869 г. сообщил Русскому химическому обществу “О соотношении свойств с атомным весом элементов”».
В этой фразе не уточняется, почему сам автор не выступил со своим докладом. По некоторым сведениям, ещё 17 февраля он должен был отправиться в поездку для обследования артельных сыроварен в Тверской губернии. Отъезд не состоялся потому, что этот день стал днём «открытия Периодического закона», и поездку перенесли на начало марта. Менделеев предполагал попутно заехать в свою усадьбу Боблово, где в это время шла работа по реконструкции его дома. В других записях того времени отмечается, что доклад был прочитан лично Д. И. Менделеевым. Но все эти детали отступают на второй план по сравнению с самой завершённой работой.
Развитием учения о периодичности Менделеев занимался вплоть до конца 1871 года, шаг за шагом разрабатывая «естественную систему химических элементов». В тот год он лично посетил ряд высококлассных химических центров, где выступил с рассказом о своей работе, постоянно улучшая её первую версию. Возможно, что открытие Периодического закона стало одним из примеров, позволившим нобелевскому лауреату 1963 года, американскому физику венгерского происхождения Юджину Вигнеру в своей нобелевской лекции, посвящённой структуре атомных ядер, сформулировать философию научного поиска. По его словам, «наука начинается тогда, когда среди доступных природных явлений выявляются логика, согласованность и закономерность, позволяющие предложить их объяснение путём создания концепции или дать их интерпретацию естественным образом».
Как это часто бывает с важными открытиями, для которых настало время, ряд учёных в разных странах примерно в этот же период также пришли к выводу о периодичности в системе химических элементов. Наиболее известны среди них Лотар Мейер (1830—1895), работавший в Германии, и английский химик Джон Ньюлендс (1837—1898). О них я расскажу чуть позже, а сейчас особо следует упомянуть итальянского химика Станислао Канниццаро (1828—1910). Его судьба очень непроста. Получив образование в университетах Палермо и Пизы, он принял участие в народном восстании на Сицилии, после подавления которого был осуждён на смертную казнь. Некоторое время Канниццаро прожил в эмиграции и только после этого начал работу в ряде итальянских университетов. В 1871 году он был избран в итальянский Сенат, позднее стал его вице-президентом. Как член совета народного просвещения, курировал научное образование в Италии.
Главной научной заслугой Канниццаро стала предложенная им система основных химических понятий. Именно он установил наиболее точные для того времени величины атомных весов, что в дальнейшем, очевидно, способствовало открытию Периодического закона химических элементов. Свою теорию Канниццаро изложил в брошюре, которую лично раздал участникам Международного химического конгресса в Карлсруэ в 1860 году, среди которых были Д. И. Менделеев и уже упомянутый Юлиус Лотар Мейер.
В связи с этим нужно напомнить, что Юлиус Лотар Мейер — немецкий химик, иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук с 1890 года — по-своему стремился навести порядок в системе химических элементов. На его родине, в городе Фарель (Нижняя Саксония), установлен мемориал с тремя скульптурными портретами: Мейера, Менделеева и Канниццаро.
В 1864 году Мейер опубликовал таблицу, содержавшую 28 элементов, размещённых в шесть столбцов согласно их валентностям. Очевидно, что эта таблица указывает на близость свойств ограниченного числа химических элементов, расположенных в вертикальных столбцах. Именно с этой целью и было ограничено их число. Менделеев писал, что таблица Л. Мейера представляла собой только простое сопоставление элементов по валентности, считавшейся их коренным свойством. Понятно, что валентность не является единственной постоянной для отдельно взятого элемента, поэтому такая таблица не могла претендовать на полноценное описание элементов и не отражала присущий их распределению периодический закон. Лишь спустя полгода после первого варианта таблицы Менделеева, в 1870 году, Мейер опубликовал работу «Природа элементов как функция их атомного веса», содержавшую новую таблицу и график зависимости атомного объёма элемента от атомного веса.
Примерно одновременно с публикацией Мейером таблицы химических элементов в соответствии с их валентностью английский химик Джон Ньюлендс предложил свой вариант периодической системы элементов. Началось с того, что в начале 1864 года Ньюлендс прочитал статью, в которой утверждалось, что атомные веса большинства элементов с большей или меньшей точностью кратны восьми. Мнение автора было ошибочным, однако Ньюлендс решил продолжить исследования в этой области. Он составил таблицу, в которой расположил все известные элементы в порядке увеличения их атомных весов. В статье, датированной 20 августа 1864 года, он отметил, что «в этом ряду наблюдается периодическое появление химически сходных элементов». Пронумеровав элементы и сопоставив их свойства, Ньюлендс сделал вывод: «Разность в номерах наименьшего члена группы и следующего за ним равна семи; иначе говоря, восьмой элемент, начиная с данного элемента, является своего рода повторением первого, подобно восьмой ноте октавы в музыке…» Эта мистическая музыкальная гармония в конечном счёте скомпрометировала всю работу, которая внешне несколько напоминала Периодическую таблицу Менделеева.
Спустя год, 18 августа 1865-го, Ньюлендс опубликовал новую таблицу элементов, назвав её «законом октав». 1 марта 1866 года он выступил с докладом «Закон октав и причины химических соотношений среди атомных весов» на заседании Лондонского химического общества, который не вызвал особого интереса. История сохранила лишь ехидное замечание профессора физики Лондонского университетского колледжа Джорджа Фостера: «Не пробовал ли докладчик располагать элементы в порядке начальных букв их названий и не обнаружил ли при этом каких-либо закономерностей?»
В 1887-м Лондонское Королевское общество присудило Ньюлендсу одну из самых почётных наград того времени — медаль Дэви, которая вручается ежегодно с 1877 года за достижения в химии. Ньюлендс её получил «за открытие Периодического закона химических элементов», хотя пятью годами ранее, в 1882-м, этой награды были удостоены Д. И. Менделеев и Л. Мейер «За открытие периодических соотношений атомных весов». Награждение Ньюлендса выглядело несколько сомнительным, хотя неоспоримой заслугой английского учёного является то, что он действительно впервые констатировал факт периодического изменения свойств химических элементов, нашедший отражение в «законе октав». По высказыванию Д. И. Менделеева, «…в этих трудах видны некоторые зародыши Периодического закона».
Теперь несколько примеров того, как связана Периодическая система с геологией и, прежде всего, с науками о веществе земных оболочек. Всем понятно, что минералогия, постоянно обогащая представления о минералах и соответственно о химических элементах, содержащихся в их составе, способствовала созданию Периодической системы. Сама же система сразу указала на ряд узких мест в научных представлениях о химических элементах. Одним из первых результатов её использования был пересмотр атомных весов урана и редкоземельных элементов, а также их перевод из двухвалентных аналогов кальция в группу трёхвалентных элементов. В наши дни значение этой коррекции становится всё более очевидным. Потребление редкоземельных элементов только в России составляет более двух тысяч тонн в год. Примерно 70% используется в современной электронике и фотонике, поэтому во всём мире идёт охота за этим видом минерального сырья.
Периодическая таблица строилась не только на основе атомных весов. В ней также были учтены и свойства химических элементов. Благодаря этому Менделеев смог предсказать экаалюминий (галлий) и экасилиций (германий). Оба элемента были вскоре открыты — в 1876 и 1886 годах соответственно. Они также очень важны в полупроводниковых технологиях, в связи с чем потребность в них весьма велика. Наконец, следует упомянуть, что ещё при жизни Менделеева было открыто семейство благородных газов. Это открытие отчётливо позволило отойти от аналогии периодов с музыкальными октавами и указало на выделение в таблице октетов химических элементов с повторением близких свойств на девятом элементе. Стоит добавить, что помимо использования этих элементов в технике они рассматриваются как важнейшие компоненты глубинных оболочек газовых гигантов.
Дополнения в таблицу связаны не только с открытиями новых химических элементов. Нужно отметить, что в Периодической таблице не всегда положение элемента, определяемое его атомным весом, полностью соответствовало его химическим свойствам, которым Менделеев отдавал предпочтение. Так возник вопрос: есть ли у элемента более фундаментальное свойство, чем его атомный вес? В 1913 году, через шесть лет после кончины Дмитрия Ивановича Менделеева, молодой английский физик Генри Мозли ввёл представление об атомном номере элемента — положительном заряде атомного ядра. Выполненные Мозли расчёты атомных спектров в дальнейшем привели к открытию четырёх до этого неизвестных элементов: гафния, рения, технеция и прометия.
Модель электронного строения атомов способствовала пониманию особенностей их поведения в геохимических процессах. В частности, когда немецкий минералог Гуго Штрунц открыл в 1958 году первый галлиевый минерал галлит CuGaS2, все стали думать, что галлий следует искать в широко известном халькопирите CuFeS2, поскольку оба минерала имеют однотипную структуру. Но это было абсолютно безуспешно. Причина состоит в том, что у железа в халькопирите и у галлия в галлите разные внешние электронные оболочки. У галлия они содержат 18 электронов, а у железа — только 13. Этот пример показывает, что Периодическая система позволяет многое понять в науке о рудных минералах.
Большая роль менделеевской системы в минералогии была сразу оценена молодым профессором МГУ Владимиром Ивановичем Вернадским, построившим в конце ХIХ века таблицу изоморфно замещающихся элементов — так называемые ряды Вернадского. Радиусы атомов тогда ещё не были известны, и замещения рассматривались лишь внутри вертикальных рядов или групп Периодической системы. Поэтому ряды Вернадского не встретили признания у минералогов и геохимиков, а вместе с этим уходила на второй план и сама Периодическая система.
Положение коренным образом изменилось после того, как Виктор Гольдшмидт в 1926 году сформулировал правило для изоморфных замещений. Он указал, что при изоморфизме размер замещаемых ионов не может различаться больше чем на 10—15%. Поэтому в середине 40-х годов прошлого века прозвучали призывы Александра Николаевича Заварицкого и Анатолия Георгиевича Бетехтина не забывать о Периодической системе при рассмотрении не только изоморфных замещений, но и геохимических процессов. Сама же Периодическая система теперь, кроме атомного веса и порядкового номера элемента, дополнялась значением его ионного радиуса. Таким образом, в Периодической таблице выявились диагональные ряды, соответствующие допустимым изоморфным замещениям. Их иллюстрацией могут служить: Li+ — Mg2+ — Sc3+; Na+ — Ca2+ — Y3+ — Th4+; Al3+ — Ti4+ — Nb5+ — W6+. Этому диагональному закону большое внимание уделял Александр Евгеньевич Ферсман. Стало понятно, почему натрий и кальций замещают друг друга в любых пропорциях в полевых шпатах — главных породообразующих минералах земной коры. При этом для сохранения зарядового баланса гетеровалентный изоморфизм протекает по схеме: Na+ + Si4+ = Ca2+ + Al3+. Далее на диагонали расположен иттрий, а с ним и вся группа редких земель. В минералах химические элементы этой группы почти всегда связаны с кальцием, и это, как уже отмечалось, явилось причиной того, что вначале им приписали валентность +2.
В целом результаты этих работ расширили представления о периодическом изменении новых, ранее неизвестных свойств химических элементов — ионных радиусов, потенциала ионизации и других понятий энергетической кристаллохимии.
Факты из жизни Менделеева говорят о том, что он был весьма разносторонним человеком, которого очень многое восхищало и интересовало. Одним из необычных его увлечений было изготовление чемоданов. Его изделия отличались высоким качеством и добротностью. Секрет заключался в особом рецепте приготовления клеевой смеси, который учёный изобрёл сам. Все купцы Москвы и Петербурга стремились заполучить чемоданы «от самого Менделеева».
В последние годы жизни Менделеев много сделал для открытия первого университета в Сибири, в Томске, содействовал открытию в Киеве Политехнического института. В 1866 году он стал одним из создателей первого в Российской империи химического общества. В 1890 году Менделеев был вынужден покинуть Петербургский университет из-за своей поддержки студенческого движения, связанного с недовольством условиями жизни и учёбы, а также из-за разногласий с министром народного просвещения. В 1892 году министр финансов С. Ю. Витте предложил Менделееву стать хранителем Депо образцовых мер и весов, которое в 1893-м по инициативе Дмитрия Ивановича было преобразовано в Главную палату мер и весов. Он считал необходимым введение в России метрической системы мер, которая по его настоянию в 1899 году в принципе была принята. В начале 1907 года Д. И. Менделеев заболел воспалением лёгких и вскоре скончался. Он похоронен на Волковском кладбище в Санкт-Петербурге.
Подводя некоторый итог истории создания Периодической таблицы химических элементов, нужно ещё раз подчеркнуть особую приоритетную роль Д. И. Менделеева. Определённо это было признано международным научным сообществом ещё при его жизни. В 1905 году он был удостоен высшей награды Лондонского Королевского общества — медали Копли, вручаемой с 1731 года, «За вклад в химические и физические науки». Менделеев был избран членом Лондонского Королевского общества, а также членом Национальной академии наук США и Королевской Шведской академии наук. В 1876 году Дмитрий Иванович стал членом-корреспондентом Петербургской академии наук. Однако кандидатура Менделеева в академики в 1880 году была незаслуженно отвергнута, несмотря на его международную известность и на то, что в значительной степени благодаря ему Петербург стал признанным центром химии. Очевидно, что для него это было весьма унизительно.
Менделеев трижды выдвигался на Нобелевскую премию: в 1905, 1906 и 1907 годах. Однако номинировали его только иностранцы. Члены Императорской академии наук при тайном голосовании неоднократно отвергали его кандидатуру. Каждый раз его выдвигали один-два человека, тогда как конкурентов номинировали 20—30 учёных. Известно, что Нобелевская премия даётся прежде всего за результаты недавних исследований, поэтому возникали разногласия: насколько создание Периодической таблицы может считаться современной работой? Одним из весьма убедительных аргументов в пользу её актуальности было абсолютно логичное размещение в ней открытых в то время благородных (инертных) газов. В 1905 году Нобелевский комитет рассматривал кроме работ Д. И. Менделеева работы двух других химиков: А. фон Байера (Германия, органическая химия) и А. Муассана (Франция, неорганическая химия). В итоге премию присудили фон Байеру. В 1906 году Нобелевский комитет по химии рекомендовал Д. И. Менделеева к присуждению премии общему собранию Королевской Шведской академии. Результаты голосования на заседании комитета были 4:1 в пользу Менделеева. Единственный голос был подан за Муассана. За него очень активно выступал член Нобелевского комитета Петер Класон. Он не преуменьшал значение работы Менделеева, но очень настойчиво подчёркивал, что без полученных Канниццаро точных значений атомных весов создание Периодической таблицы было бы вряд ли возможно. Он же и предложил рассматривать Менделеева и Канниццаро вместе как кандидатов на Нобелевскую премию. На первый взгляд это предложение представлялось достаточно разумным. Однако рассмотрение Канниццаро как кандидата на премию в 1906 году было уже невозможно, поскольку выдвижение было закончено 31 января. Поэтому премию 1906 года присудили А. Муассану. На следующий, 1907 год Менделеев и Канниццаро, теперь уже вместе, были выдвинуты на Нобелевскую премию. Однако в том году Менделеев скончался, а по правилам Нобелевского комитета эта премия не присуждается посмертно.
Конечно, отсутствие имени Менделеева в списке нобелевских лауреатов — огромная ошибка. Периодическая таблица химических элементов висит в каждом классе или аудитории, где преподаётся химия. Его имя по-прежнему хорошо известно во всём мире.
В 1905 году Менделеев написал: «По-видимому, Периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает». Прошедшие 150 лет полностью доказали справедливость этого высказывания, а сам закон ускорил развитие всех естественных наук.
В статье использованы материалы из публикации: Hargittai B., Hargittai I. Year of the periodic table: Mendeleev and the others. Structural Chemistry, 2019, vol. 30, № 1, pp. 1—7.
