Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.

До индустриальной революции получение жара высокого накала было делом трудно достижимым, и одна из прометеевых процедур заключалась в краже огня у Солнца посредством мощных линз. Новое оружие свалилось в руки встряхивателей вещества с появлением гальванического элемента и возможности использовать электрический ток. Так, Хемфри Дэви (1778-1829) подключал электроды почти ко всему, что лежало в окрестностях Королевского общества, и в течение недели в октябре 1807 г. впервые получил калий с помощью электролиза расплавленного поташа (нитрата калия), а затем натрий с помощью электролиза расплавленной соды (углекислого натрия). Джон Дэви, брат Хемфри, рассказывал, что Хемфри «безумствовал и плясал от радости» вокруг своего открытия. Всего Дэви открыл шесть новых элементов (натрий, калий, кальций, магний, стронций и барий). Волна открытий, в основном обязанная своим происхождением использованию электролиза, довела к 1818 г. число элементов до пятидесяти девяти. Шведский химик Йене Берцелиус (1779-1848) сам открыл три элемента (цезий, селен и торий) и отсоединил символические обозначения элементов от чуть-чуть алхимического и неудобного для типографий стиля Дальтона, введя более практичные буквенные обозначения, используемые нами и сегодня, такие как Ce для цезия, Se для селена и Th для тория. Дальтон был чрезвычайно рассержен этим иностранным вторжением на его территорию и получил первый из своих двух ударов во время спора с коллегой о символах.

В картинке-головоломке трудно увидеть рисунок, пока не подобрано достаточно много составляющих ее фрагментов. Первый рисунок, отображающий свойства вещества, начал проявляться в 1820 г., когда собирание фрагментов было завершено почти наполовину. Существовало два аспекта этой головоломки: во-первых, качественные свойства элементов, их подобия и различия, и во-вторых, возникающая количественная характеристика атомов элементов, их атомный вес. Иоганн Доберейнер (1780-1849) из Йены, необразованный, но наблюдательный сын кучера, достигший впоследствии звания профессора университета, заметил нечто весьма необычное, нечто приводящее в гармонию эти две составляющих загадки. Он заметил, что некоторые тройки химически подобных элементов имеют атомные веса, такие, что вес одного из этих элементов близок к среднему арифметическому двух других. Например, хлор, бром и йод химически подобны, а их атомные веса равны соответственно 35, 80 и 127 (среднее от 35 и 127 равно 81). Доберейнер обнаружил три таких тройки и этим призвал к жизни идею о том, что элементы, по каким-то причинам, образуют нечто вроде гобелена.

Охота за организующим принципом началась. У меня нет намерения в деталях описывать историю этой охоты или воздавать должное всем действующим лицам, поскольку я больше заинтересован представить здесь результаты, чем усилия, затраченные на их получение. Но двое из участников заслуживают того, чтобы пригласить их на сцену. Джон Ньюлэндс (1837-98) имел англо-итальянское происхождение, и, подобно Канниццаро был настолько охвачен националистическим энтузиазмом, что в двадцать три года отправился на Сицилию сражаться вместе с краснорубашечниками Гарибальди. Остепенившись, он вернулся в Англию и обнаружил еще одну составляющую рисунка. Он увидел, что Доберейнер заметил только разбросанные триады, в то время как существует более систематический узор, по крайней мере для более легких элементов. А именно, он обнаружил, что если выстроить легкие элементы в порядке возрастания атомного веса, то подобия их свойств повторяются через каждые восемь элементов (газообразные элементы гелий, неон и аргон были в то время неизвестны). Не слишком благоразумно, с ретроспективной точки зрения, он уподобил эту повторяемость нотам музыкального ряда и отнес ее на счет своего «закона октав». Эта фантастическая аналогия дорого ему обошлась: над ним насмехались за столь возмутительное и заведомо произвольное предложение, а кое-кто предлагал ему расположить элементы по алфавиту или использовать какой-нибудь другой замысловатый критерий.

Однако он был прав. Свойства ранних элементов действительно повторяются как ноты музыкального ряда, но отнюдь не по музыкальной причине. Как мы видели, структуры атомов у элементов действительно периодически повторяются, поскольку внутренние оболочки заполняются и схема заселения орбиталей повторяется снова. Но такое теоретическое основание находилось слишком далеко в будущем, и ничем не могло помочь в начале девятнадцатого века, когда атомы еще пребывали в концептуальном младенчестве, а электроны не были известны.

Вторым участником был, конечно, Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), согласно некоему источнику, младший среди детей одиннадцати, четырнадцати и семнадцати лет (триада чисел Доберейнера!), сын торговца лошадьми (Менделеев — мену делать — меняться) и матери, героически сделавшей все возможное для своего выдающегося и не по годам развитого меньшего сына. Ко времени, когда Менделеев сел писать свой предварительный главный труд по химии, Основы химии, число известных элементов достигло шестидесяти одного. Перед ним стояла проблема, как организовать материал, чтобы представить его читателю в логической, последовательной форме. Именно в этом пункте рождественская история, по-видимому, отклоняется от суровой правды.

Рождественская история рассказывает о том, как Менделеев трудился многие дни, а возможно, и недели, чтобы прийти наконец к некоторой логической организации. Истощенный этими усилиями, он заснул 17 февраля 1869 г. [21] и увидел «во сне стол, на котором все элементы лежали в нужном порядке. Проснувшись, я немедленно записал их на лист бумаги» (рис. 5.9). Еще одной популярной составляющей этой истории является то, что страсть Менделеева к раскладыванию пасьянсов для коротания времени в долгих поездках привела его к мысли записать названия элементов на карточки и раскладывать пасьянсы из них. Власть этих образов и точность с которой был датирован сон оказались такими, что заставили принять все это за чистую монету. Однако все было, по-видимому, не так: свидетельства очевидцев вступают в противоречие с обеими составляющими рождественской сказки. Сновидения не было, и даже правдоподобная сказка об элементах в виде пасьянса оказывается не столько фактом, сколько украшением.

21

По юлианскому календарю (или 1 марта по григорианскому).

Рис. 5.9.Факсимиле страницы из Zeitschrift f"ur Chemie( Журнал химии) 1869 г., в котором Менделеев анонсировал раннюю версию периодической таблицы.

Какой бы ни была правда, фактом является то, что Менделеев представил миру таблицу, свою периодическую таблицу, которая собрала все элементы в некое подобие генеалогического дерева. Он использовал атомные веса для упорядочения элементов и обнаружил повторяемые подобия через периоды в восемь, восемь и восемнадцать элементов. Ему пришлось перекраивать таблицу то тут, то там (обычно это описывается как химический инсайт, но на самом деле больше похоже на метод, которым пользовался Прокруст по отношению к своим жертвам, не помещавшимся на его ложе). Так, порядок элементов, основанный на атомном весе, не везде согласовывался с картиной химического подобия, поэтому Менделеев проигнорировал этот порядок и избрал свой собственный. Теперь мы знаем, что эта процедура была правильной, поскольку атомный вес не является наилучшим критерием для упорядочивания элементов: элементы лучше всего упорядочивать по их атомным номерам и, по причинам, теперь полностью понятным, атомный вес не всегда дает точно тот же порядок, что и атомный номер. Кроме того, в таблице имелись приводящие в замешательство щели. Но в этом случае замешательство пошло на пользу дела, так как Менделеев был столь уверен в своей формулировке таблицы, что смог, с помощью интерполяции свойств известных элементов, предсказать свойства еще не открытых элементов в этих щелях. Так, он предсказал существование и свойства элементов, которые он назвал эка-алюминием и эка-кремнием ( экав санскрите значит один), позднее открытых во Франции под именем галлий и в Германии под именем германий соответственно. Он также делал и ошибки, предсказывая элементы, которых в действительности не существует; но, благодаря доброй воле благодарных последователей, эти ошибки были благополучно забыты.

Сегодня мы знаем около 110 элементов, и щели в корпусе таблицы отсутствуют. Мы знаем это потому, что атомные номера последовательно и без пропусков пробегают ряд от 1 до 110. Имеются спорадические сообщения об открытии элементов до номера 114, но они появляются и исчезают, и номер 113 все еще не появился. Это бесполезный «академический» конец периодической таблицы, и тот факт, что он с краю немного потрепан, не имеет большого практического значения.

Современная форма периодической таблицы показана на рис. 5.10. Как мы можем видеть, он повернут на 90° по сравнению с картинкой Менделеева, но основные черты его схемы легко узнать. Вертикальные колонки называются группами, а горизонтальные ряды называются периодами.

Рис. 5.10.Современная форма периодической таблицы. Я показал только некоторые элементы, т.е. которые, насколько я могу судить, достаточно хорошо известны, или стоящие во главе своих групп (K это калий, Na — натрий, Fe — железо, Pb — свинец, Sn — олово: химики время от времени залезают в латынь). Пронумерованные вертикальные колонки называются группами, а горизонтальные ряды назывался периодами. Водород (несколько идиосинкразически, но, на мой взгляд, разумно) поставлен во главе всей таблицы и не приписан ни к какой группе. Светло-серым отмечены металлы, темно-серым неметаллы, а просто серым — металлоиды, элементы, по своим свойствам застрявшие между металлами и неметаллами. Двухрядный блок элементов внизу таблицы следовало бы вставить в указанное место, но это сделало бы таблицу слишком нескладной. Таблица постепенно растет, по мере того как создаются новые элементы.

Октавы Ньюлэндса еще слышны в периодах 2 и 3, а триады Доберейнера разбросаны там и тут. Вертикальные группы содержат элементы, имеющие значительные подобия, так же как и все типы соединений, которые они образуют, и демонстрируют систематические изменения от верхнего к нижнему краю. Элементы в горизонтальных периодах демонстрируют плавное изменение при перемещении слева направо. Например, металлы оказываются в левом конце периода, а неметаллы на правом. Элементы в длинной тонкой центральной секции, такие как железо (Fe) и платина (Pt), являются переходными металлами, поскольку они представляют переход между очень реактивными металлами, такими как натрий (Na) или кальций (Ca) в левой части таблицы, и много менее реактивными металлами, такими как олово (Sn) или свинец (Pb) справа. Очень тонкая секция из двадцати восьми элементов, помещенная ниже основной части, состоит из внутренних переходных металлов. Эту полосу следовало бы, на самом деле, вставить в основную таблицу, но это сделало бы таблицу слишком длинной и тонкой для того, чтобы напечатать ее приемлемым образом. Внутренние переходные металлы все очень похожи по своим химическим свойствам и находились среди элементов, выделенных и идентифицированных в самую последнюю очередь. Самая нижняя линия, следующая за ураном (U), фактически состоит только из элементов, полученных искусственно.

Периодическая таблица все еще растет. Ученые используют ускорители частиц, чтобы швырять ядра одного элемента в ядра других элементов, в надежде, что два ядра сольются и образуют ядро еще неизвестного элемента. Так был получен элемент 112 (еще не имеющий названия). Однако такие ядра очень неустойчивы, и жизнь нескольких атомов, сделанных таким способом, была весьма быстротечной.

Я надеюсь, что теперь вы получили возможность понять, почему химики считают периодическую таблицу своей единственной самой главной концепцией. Она суммирует свойства элементов — изменение их физических свойств, таких как плотность, изменение свойств атомов, таких как их диаметры, и изменение их химических свойств, таких как число и тип связей, которые они образуют с другими атомами (рис. 5.11). Просто взглянув на нее, мы можем узнать, имеет ли элемент характерные свойства металла (железо), неметалла (сера) или чего-то промежуточного (кремний). Мы можем предвидеть химические свойства элемента, замечая свойства его соседей и думая о тенденциях, ожидаемых при движении вниз по группе или вдоль по периоду. Говоря коротко, периодическая таблица — это в высшей степени сжатое и полезное резюме свойств элементов, обладающее значительной предсказательной силой. Мы проделали долгий путь от первоначальной периодической таблицы, содержавшей землю, воздух, огонь и воду в обыкновенном квадрате!