Великий закон русского химика
В жизни каждого человека, даже не имеющего отношения к науке, бывают такие минуты, когда он невольно задумывается над тайнами мироздания. Это бывает почти всякий раз, когда человек, как говорят, один на один сталкивается со спокойным величием природы. Так бывает теперь, так было и раньше.
Чем грандиознее картина природы, тем сильнее она приковывает внимание человека, тем чаще останавливает он на ней свой взор и внимание, постепенно переходя от пассивного созерцания к активному наблюдению и изучению. Вот почему картина звездного неба, самая грандиозная из всех картин вечной природы, давным-давно останавливала на себе взор мыслящего человечества.
Темно-синий, почти черный купол ночного неба с бесчисленным множеством трепетно мерцающих звезд: крупных и ярких, мелких и тусклых, то одиноких, то собранных в причудливые фигуры созвездий, пересеченный широкой лентой Млечного пути, в тумане которого сосредоточено огромное количество звезд, стоящих на границе нашего зрительного восприятия, производит своеобразное величественное впечатление.
И взгляд невольно скользит по глубинам ночного неба от одного светила к другому, от одного мира, затерянного в пространствах Вселенной, к другому, выделяя их в правильные фигуры созвездий, многие из которых известны каждому человеку. Мы не говорим о Луне, прославленной и воспетой поэтами всех времен и народов. Мы не говорим о Солнце, дающем нам свет, тепло, жизнь. Мы говорим о звездном небе, уже в отдаленные времена привлекавшем к себе внимание человека.
Со времени глубокой древности человек, отрываясь от вопросов насущного хлеба и мелочей жизни, на крыльях мысли стремился вторгнуться в глубь мироздания, не только созерцая, а наблюдая, не только восхищаясь, а стараясь понять некоторые тайны мироздания. И вопрос: из чего, из какого вещества состоят окружающие человека тела, сам он, вся Вселенная, — одним из первых возникал в мозгу человека.
Наивными кажутся в наши дни ответы на этот вопрос, соответствовавшие, однако, передовым представлениям своего времени. Так, например, древние египтяне, все материальное благополучие которых и даже сама жизнь зависела от разливов Нила, хотя и не поднялись в своем созерцании природы до первых ступеней натурфилософии, все же считали воду первоосновой всех вещей природы, о чем свидетельствует надпись на стене древнего храма: «Вода произвела все живые вещи, из воды выходит все». За основу всех вещей принимал воду и древнегреческий философ-материалист Фалес Милетский (624–547 гг. до н. э.).
Широкое распространение воды в природе, огромные скопления ее (моря и океаны), необходимость для жизни человека, животных и растений были основой того, что мысль о воде, как первооснове мира, долгое время господствовала в умах ученых и философов.
Анаксимен (585–528 гг. до н. э.), другой ученый древности, первоначалом всех веществ считал воздух, от уплотнения которого получались, по его мнению, облака, а из них вода, земля и все остальные тела природы. От разрежения же воздуха возникает огонь. Философ Гераклит (530–470 гг. до н. э.), основатель античной диалектики, первоначало всех вещей видел в огне. Из огня возникло когда-то Солнце, звезды, вся Вселенная, которая, по учению Гераклита, через бесконечное время в результате движения материи превращается в огонь, дает начало новому миру. И так будет вечно, утверждал Гераклит, так как вечна материя и ее движение. «…Мир, единый… был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим…», — учил Гераклит.
Философ Ксенофан (565–473 гг. до н. э.) первоматерией считал землю: из нее все возникает и в нее все обращается.
Однако среди ученых древности был распространен также взгляд, согласно которому Вселенная мыслилась состоящей не из одного, а из нескольких простых видов материи. В философских воззрениях древних индусов количество таких первооснов, или «элементов», мира определялось нечетными числами: 3, 5, 7. В старинных рукописях Китая говорилось о пяти составных частях Вселенной: воде, земле, дереве, металле и огне.
Представление о строении Вселенной из нескольких основных видов материи развивал также философ-материалист, виднейший политический деятель древней Греции, оратор, поэт и врач Эмпедокл из Агригента. Развивая учение о вечности материи, он полагал, что основными «корнями» ее являются вода, земля, огонь и воздух, из различных сочетаний которых состоят все тела природы, вся Вселенная.
Учение Эмпедокла о четырех «корнях» Вселенной было изменено в самой основе Аристотелем (384–322 гг. до н. э.). Материалистический взгляд Эмпедокла на природу Аристотель заменил идеалистическим представлением об основных свойствах тел, называемых Аристотелем «принципами». Таких «принципов» Аристотель считал четыре: тепло, холод, сухость, влажность. Все тела природы, утверждал он, состоят из различного сочетания этих «принципов», причем от соединения их по два образуются чистейшие носители их — «элементы»: земля = сухость + холод, вода = холод + влажность, воздух = тепло + влажность, огонь = тепло + сухость. Различие тел природы объяснялось Аристотелем тем, что в одних телах больше влажности, в других — тепла и т. д. Таким образом, свойства вещества отрывались от самого вещества и возводились в основные элементы мира. Кроме этого, по учению Аристотеля, основными качествами управляет некая нематериальная сила, названная им «пятой сущностью» (квинтэссенцией). Учение Аристотеля, поддержанное авторитетом отцов католической церкви, просуществовало многие века и оказало в общем отрицательное влияние на развитие науки.
Учение Аристотеля послужило благоприятной почвой для развития целого направления в химии, получившего название алхимии. Алхимики развили мысль о возможности превращения неблагородных металлов в золото. Для осуществления этой возможности необходимо было отыскать только то вещество, считали алхимики, которое подобно аристотелевской квинтэссенции может наделять превращаемые тела недостающими качествами. С течением времени алхимические воззрения сблизились с религиозными верованиями; гипотетическому веществу, могущему превращать неблагородные металлы в золото, начали приписывать все большее и большее число чудесных свойств; оно, по выражению Ф. Энгельса, «обладает многими богоподобными свойствами». И не случайно на поиски этого чудесного вещества, известного под названиями «универсал», «эликсир мудрецов», «красная тинктура», «великий магистерий», и особенно «философский камень», ушло 12 столетий.
Сейчас трудно указать первопричины, послужившие толчком к отысканию «философского камня». Несомненно, что в основе возникновения этих поисков лежали известные с древних времен превращения веществ. Возможно, что случайное наблюдение над попавшим в костер куском оловянной руды, внешне не отличавшимся от других камней, на которых костер был разложен, и давшим после обжига серебристый слиток металла, впервые утвердило мысль о превращении одних веществ в другие. И если камень «превращался» в металл, то почему же любому металлу не превратиться в золото?
Возможность таких «превращений» подтверждалась наглядными примерами из металлургии, зачатки которой существовали уже в глубочайшей древности, и в частности примером получения похожей по цвету на золото бронзы из красной меди и серебристого олова. Изменения цвета, блеска и других свойств металлов, известные с давних пор индийским и египетским ювелирам, укрепляло мысль о возможности превращения одних металлов в другие, и, естественно, толкало на отыскание способов получения золота из других металлов.
В условиях феодализма, когда с ростом богатства и власти в руках представителей эксплуататорских классов, с разорением, обнищанием и усилением гнета и политического бесправия крестьян в деревне и ремесленников в городе золото как материальная ценность приобретало неслыханную силу, для идей алхимии создается благоприятная почва. Жажда богатства, стремление к накоплению ценностей вообще и золота в особенности порождают низменные побуждения и жадность людей. Приобретение богатства превращается в одну из важнейших целей жизни. И войны, которые ведутся в этих условиях только ради грабежа, становятся постоянным занятием мелких феодальных государств.
Правда, феодальный строй открывал и другие пути к накоплению богатств, но ни один из них — торговля, ростовщичество, разнообразные формы эксплуатации крепостных — не давал такого быстрого эффекта к накоплению золота, как грабительские войны. «Недаром высятся грозные стены вокруг новых укрепленных городов»[1].
Но человеческая фантазия открывала еще один путь к неограниченному получению золота: путь превращения одних неблагородных металлов в другой — благородный, в золото. Как известно, уже в глубокой древности под звездным небом Ассирии и Вавилонии родилась астрономия. Первые исследователи путем наблюдения светил, их положения и движения на «своде небесном» установили существование определенной связи между Землей и небом. Явление сна, приходящееся на темную часть суток, смена времен года по мере движения Солнца на небе, зависимость морских приливов от положения Луны и целый ряд подобных явлений натолкнули затем наблюдателей на мысль, что все явления и вещи на земле имеют непосредственную связь с небом и его светилами. Так возникает астрология — «искусство» предсказывать будущие события и, в частности, судьбу человека по положению светил на небесном своде[2].
По «учению» астрологов, светила производят таинственное влияние и на металлы, которые, согласно этому «учению», рождаются от лучей небесных планет. А так как в древности число известных планет равнялось числу известных металлов, то каждой планете и «заведующему» этой планетой божеству приписывался один какой-либо металл.
Вот почему круг с точкой в центре
В более позднее время египтяне, перенявшие астрологию у вавилонян, изображали вращение небесных тел как восхождение по семи лестницам через семь ворот, из которых первые были из свинца, вторые — из олова, третьи — из меди, четвертые — из железа, пятые — из ртутного сплава, шестые — из серебра, наконец, седьмые — из золота.
Еще позднее греки, олицетворяя в планетах своих богов, дали металлам те же обозначения, которые служили символами для обозначения характерных признаков этих богов. Так, признаки бога войны Марса — копье и щит, изображавшиеся знаком
Так появились первые символы для обозначения первых известных в те времена металлов. Этими знаками пользовались египтяне и греки, персы и арабы. От арабов эти знаки внедрились в алхимию, где, сохранившись на протяжении веков, дополнялись многочисленными символами, произвольно вводимыми каждым алхимиком.
Алхимики верили, что металлы подобны живым существам, что они рождаются, живут и умирают в земле. Светила, по мнению алхимиков, оказывали влияние не только на рождение металлов, но и на дальнейшее их развитие и совершенствование. Конечным итогом совершенствования является будто бы образование золота. Однако различные причины мешают этому совершенствованию и получаются неблагородные металлы: медь, свинец, железо, которые можно усовершенствовать, т. е. превратить в золото. По учению Аристотеля, различие между золотом и другими металлами заключается лишь в количестве основных «принципов» — сухости, влажности, тепла и холода. Отыскание нужного сочетания этих «принципов» и составляет задачу алхимии. Решить же эту задачу возможно с помощью «философского камня». Каких только веществ и их смесей в самых разнообразных сочетаниях при различных условиях не перепробовали алхимики — от кусочков «небесных» камней — метеоритов до экскрементов вшей, от срезанных с пальцев умерших красавиц ногтей до растертых в порошок эмбрионов.
В поисках способов получения золота или «философского камня» алхимики проделывали неисчислимое количество опытов. Эти опыты позволили установить ряд фактов, послуживших основанием для создания новых алхимических «элементов» мира. Так, наблюдая способность ртути растворять (а тогда считалось — поглощать) в себе некоторые металлы и выделять их при нагревании, алхимики ввели в обиход отвлеченное представление о «философской ртути» как носителе металлических свойств. Способность серы соединяться со многими металлами, с образованием землистых масс, из которых при известных условиях (обжиг и т. д.) вновь выделялся металл, послужила поводом для появления в обиходе алхимиков нового «элемента» мира — «философской серы». Она являлась носителем изменяемости металлов от действия огня. Позднее в число алхимических «элементов» мира была включена «философская соль» — носитель вкуса, твердости, растворимости и вообще изменяемости от действия воды.
Но алхимические «элементы» мира, конечно, не могли способствовать развитию науки. Прогресс химических знаний был незначителен и определялся открытием отдельных химических соединений, случайно получавшихся в неисчислимом количестве опытов, связанных с поисками «философского камня». Схоластическая направленность знаний, слепой догматизм, метафизика, вера в колдовство, лженаучные теории астрологии, на которые опиралась алхимия, — все это было зданием на песке, и оно должно было неизбежно рухнуть.
Экономическая жизнь и дальнейшее развитие в городах таких отраслей промышленности, как металлургия, стеклоделие, красильное производство и др., становились невозможными без соответствующих практических данных химии. Алхимия же, запутавшись в поисках «философского камня» среди отвлеченных «элементов» мира — «ртути», «серы» и «соли» — не могла, конечно, удовлетворить практических запросов жизни. И все же «без алхимии не было бы и химии» (Ф. Энгельс).
В результате многовековых бесплодных поисков стало понятно, что для познания законов природы и сущности ее вещей недостаточно слепого преклонения перед авторитетом Аристотеля, а необходимо опытное изучение природных явлений и их закономерностей. Опыт показывал, что число основных веществ, из которых построена Вселенная, значительно больше четырех «элементов» Аристотеля и трех алхимических и что сами неблагородные металлы являются простыми, далее неразложимыми и не превращающимися в другие вещества природы.
В 1668 г. четырнадцатый сын Ричарда, графа Йоркского, Роберт Бойль, выдающийся ученый XVII столетия, опубликовал книгу под заглавием «Скептик-химик или сомнения и парадоксы относительно элементов алхимиков». В этой книге Бойль отрицал элементы-качества Аристотеля и «элементы» алхимиков и впервые в истории науки о веществе дал понятие об элементе, вытекавшее из экспериментальных наблюдений. Изучая природу металлов, Бойль заявлял: «Я очень хотел бы знать, каким образом можно разложить металлы на ртуть, серу и соль; я обязуюсь покрыть все издержки, необходимые для этого. Заверяю, что я никогда не мог этого достичь».
На основании многочисленных опытных данных Бойль называет «…элементами … некоторые первоначальные и простые, вполне несмешанные тела; эти тела не состоят из других тел или друг из друга и являются составными частями, из которых сложены все вполне смешанные тела и на которые последние в конце концов распадаются».
Таких неразложимых химическими средствами простых веществ, или элементов Бойля, к концу XVII в. насчитывали 15. Но сколько их есть в природе? Этого никто не знал. И на этот вопрос, казалось, нельзя было дать ответа даже с помощью опыта, который мог только указать: простое или сложное то или иное вещество. А так как средства химического анализа были весьма ограничены, то и этот вопрос не всегда разрешал опыт.
Если к сказанному добавить, что груз алхимического прошлого еще тяготел над мышлением ученых, и сам Бойль явился основоположником учения о «сверхтонкой материи огня» (флогистоне), то становится ясным, как далеко было до ответа на поставленный вопрос[3]. Потребовалось еще много времени, потребовался гений М. В. Ломоносова, сумевшего в опытах по прокаливанию металлов в запаянных сосудах (без доступа воздуха) доказать отсутствие «сверхтонких материй» — тепла, холода, огня и других, которыми так плодовит был XVIII в., прежде чем вопрос об элементах стал на научную основу.
Спустя столетие после работ Р. Бойля французский ученый Антуан Лоран Лавуазье составил первый список химических элементов. Из тридцати пяти названий в нем только 23 действительно являлись элементами. К первой трети XIX в. число химических элементов достигло трех десятков, а к середине XIX в. их количество перевалило за пятьдесят. И по-прежнему никто из ученых не знал, сколько же элементов находится в природе, хотя в химических методах определения элементов теперь уже никто не сомневался. Никто не знал и того, конечно или бесконечно число элементов. А так как начиная с пятидесятых годов XIX в. почти не проходило года, чтобы кто-нибудь из химиков не открывал новый элемент, то некоторые ученые стали думать, что число различных элементов может быть столь же велико, как и число тел природы.
Многим «охотникам» за элементами казалось, что стремление найти ответы на эти вопросы является столь же бессмысленным, как было бессмысленно в свое время и отыскание «философского камня». Вот почему особенно величественно выступает из массы таких исследователей фигура гениального русского химика-ученого Дмитрия Ивановича Менделеева, поставившего перед собой цель разобраться во всем многообразии химических элементов и их соединений, свести их в единую естественную систему мира, отыскать закон природы, с помощью которого можно было бы предсказывать свойства еще не открытых химических элементов и соединений, которые они образуют.
Каким же образом поставленная Менделеевым задача была разрешена? Отвечая на этот неоднократно задаваемый ему вопрос, Д. И. Менделеев писал: «Посвятив свои силы изучению вещества, я вижу в нем два таких признака или свойства: массу, занимающую пространство и проявляющуюся в притяжении, а яснее или реальнее всего в весе, и индивидуальность, выраженную в химических превращениях, а яснее всего формулированную в представлении о химических элементах…». Отсюда, продолжал Д. И. Менделеев, «…невольно зарождается мысль о том, что между массою и химическими элементами необходимо должна быть связь, а так как масса вещества, хотя и не абсолютная, а лишь относительная, выражается окончательно в виде атомов, то надо искать … соответствия между индивидуальными свойствами элементов и их атомными весами». Так, в бесконечном многообразии свойств, присущих различным веществам, Менделеев усмотрел то общее свойство, которое, оказавшись присущим всем химическим элементам, привело его к открытию величайшего закона природы, ставшего руководящим законом не только химиков и физиков, но и любых специалистов, занимающихся изучением вещества. Таким общим, присущим всем веществам свойством, оказался вес составляющих их атомов — атомный вес[4].
Сопоставляя между собой известные в то время химические элементы, Менделеев после колоссальной работы открыл, наконец, ту замечательную зависимость, ту общую закономерную связь между отдельными элементами, в которой они предстают как единое целое, где свойства каждого элемента являются не чем-то оторванным, самостоятельным, само собой существующим, а периодически и правильно повторяющимся явлением.
Менделеевым был открыт закон, который по периодической повторяемости свойств элементов, расположенных в порядке увеличения атомных весов, был назван им периодическим. В знак признания великой заслуги Менделеева открытый им закон стали называть периодическим законом Менделеева.
Расположив похожие по свойствам химические элементы один под другим в порядке возрастания атомных весов и установив явственную периодичность свойств, Менделеев создал естественную классификацию, которая под названием периодической системы химических элементов известна в настоящее время всему миру. В честь ее творца она называется в настоящее время периодической системой элементов Д. И. Менделеева, или, часто, просто таблицей Менделеева.
Фотокопия первого варианта периодической системы элементов Д. И. Менделеева, написанного его рукой с примечаниями для типографии.
В таблице Менделеева каждый химический элемент занимает определенное место, отмечающееся соответствующей цифрой, — порядковым номером химического элемента.
Некоторые места в таблице, созданной Менделеевым, оказались незаполненными, так как элементы, которые должны были бы занимать эти места, еще не были открыты. Таким образом, пустые места в периодической системе указывали на наличие в природе еще не открытых химических элементов, а по числу свободных мест в таблице можно было установить и число неоткрытых элементов. Изучая свойства известных химических элементов, окружающих свободное место в таблице, можно заранее предсказать свойства еще не открытых элементов.
В марте 1869 г. Менделеев сообщил Русскому химическому обществу об открытом им законе в статье «Соотношение свойств с атомным весом элементов» и тогда же сформулировал основные положения открытого закона. Из них особенно замечательны следующие: «Величина атомного веса определяет характер элемента, как величина частицы определяет свойства сложного тела. Должно ожидать открытия еще многих неизвестных простых тел … Некоторые аналогии[5] элементов открываются по величине веса их атома».
Пользуясь законом, Менделеев предсказал и подробно описал свойства некоторых еще не известных элементов. Дальнейшие открытия химических элементов подтвердили правильность предсказаний Менделеева и, явившись подлинным торжеством науки, поставили имя Менделеева на первое место в истории не только химии, но и всего естествознания. Всего Менделеевым было предсказано существование одиннадцати химических элементов, в том числе и таких, как полоний, радий, протактиний.
Закон Менделеева — могучее оружие познания природы и ее закономерностей; он по праву занимает в настоящее время ведущее место в науке о веществе. С помощью закона Менделеева ученые успешно раскрывали и раскрывают тайны природы. Когда на рубеже XIX и XX вв. были открыты радиоактивные элементы, периодический закон помог ученым не только изучить их свойства, но и проникнуть внутрь атома, что в свою очередь увенчалось величайшим достижением XX в. — использованием атомной энергии в практических целях. Не только химия, но многие науки, в числе их такие, как физика, биология, медицина и другие, пользуются законом Менделеева. Безусловно, прав выдающийся ученый академик А. Е. Ферсман, который, оценивая значение закона Менделеева, писал: «Будут, конечно, появляться и умирать новые теории, блестящие учения физики и химии будут изменять устаревшие понятия, будут открываться новые широкие горизонты, но несомненно, что периодический закон Менделеева будет жить всегда!».
Руководствуясь периодическим законом, Менделеев ответил и на тысячелетней давности вопрос о числе основных веществ природы, о числе тех разновидностей строительного материала, из которого состоят Земля, Луна, Солнце, звезды, вся Вселенная.
В своей статье «Периодическая законность для химических элементов» Менделеев в 1871 г. писал: «…судя по тому, что в метеорных камнях, на солнце и звездах существуют те же элементы, какие мы знаем, … можно думать, что число доступных нам элементов очень ограничено и если существуют немногие новые тяжелые элементы внутри массы земли, то число и количество их очень ограничено».
К настоящему времени все пустые места в периодической системе заполнены, атомы десяти следующих за ураном и искусственным путем полученных элементов радиоактивны, неустойчивы и быстро распадаются; если учесть, что при дальнейшем увеличении веса атома он, согласно данным современной науки, будет столь неустойчив, что его существование нельзя считать практически значимым, то общее число химических элементов, достоверно известных науке в настоящее время, равняется ста трем.
В заключение краткого введения к рассказам об элементах дадим самое сжатое изложение основных понятий и определений, которые встречаются в тексте.
Вещества могут быть простыми и сложными: в сернистом железе — сложном веществе — находятся элементы сера и железо. Но до соединения серы с железом каждое из них в отдельности представляло простое вещество. Водород и кислород в обычных условиях как простые вещества — это газы, но в одном из их соединений — перекиси водорода, содержатся не простые вещества, а элементы.
Одни простые вещества нельзя превратить в другие обычными химическими способами, а ядерные превращения, с помощью которых возможно осуществить такие превращения, принципиально отличаются от методов химии.
Сложные вещества могут быть разложены, но не всегда при этом образуются простые: окись ртути при разложении дает два простых вещества — ртуть и кислород, но карбонат кальция распадается при нагревании на окись кальция и углекислоту, которые сами представляют собой вещества сложные. Сложное вещество не всегда получается непосредственно из простых. Так, гидрат окиси натрия получают из окиси натрия и воды. Таким образом, можно сказать, что простые вещества состоят из одного элемента, сложные — из различных элементов. Простое вещество водород — из элемента водорода, сложное вещество вода — из различных элементов.
Общепризнано и бесспорно, что все материальные тела состоят из атомов. Атом — это наименьшая частица элемента, которую нельзя измельчить, раздробить дальше без потери свойств данного элемента.
Атомы при взаимодействии образуют молекулы простых и сложных веществ. Молекулы многих простых веществ состоят из одного атома (например инертных газов).
Атомы химических элементов имеют сложную структуру.