Глава четвертая, в которой Менделеев разгадывает загадку бериллия

БЕРЦЕЛЕУС ИЛИ АВДЕЕВ?

Атомный вес бериллия — 14,1. Значит, его место между азотом и кислородом.

Но в таком случае нарушался строй всей первой семерки элементов. Получалось, как в известном с давних времен анекдоте, когда весь взвод шел не в ногу, а в ногу шагал только один поручик.

Надо было к этому странному "поручику" присмотреться получше.

…С глубокой древности были известны и высоко ценились прозрачные, густо-зеленые изумруды и зеленовато-голубые аквамарины.

А такие же по форме кристаллы, но бесцветные, называли "бериллами", от греческого слова "бериллос" — "блестящий", "сверкающий".

Изумруды и аквамарины вставляли в короны и скипетры царей, а бериллы знатные римляне употребляли вместо очков или, точнее, вместо луп.

Во второй половине XVIII века, когда химики начали подвергать анализу все природные минералы, этой участи не миновал и берилл.

Именно тогда удалось установить, что изумруд, аквамарин и берилл — это, в сущности, одно и то же. Потому и форма кристаллов у них одинаковая. А разный цвет зависит от ничтожных примесей других веществ: в аквамарине есть железо, в изумруде — железо и хром.

Из чего же состоят эти драгоценные камни?

Считалось, что из глинозема — земли, из которой впоследствии был выделен элемент глиний, позже названный алюминием, и из кремнезема — земли, из которой впоследствии был выделен элемент кремний.

И только в 1798 году француз Луи Никола Воклен открыл в берилле, помимо кремнезема и глинозема, еще одну новую землю.

Она была очень похожа на глинозем. Но были у нее и кое-какие отличия — они и помогли ее выделить. Например, в одной из мягких щелочей — в углекислом аммонии — глинозем ни за что не хотел растворяться, а новая земля растворялась довольно легко. И еще: образуемые этой землей соли имели сладкий вкус.

По этому признаку Воклен и решил назвать открытую им в берилле новую землю глициной — от греческого слова "гликос" или "глюкос", что означает "сладкий". (От этого же греческого прилагательного образовано слово "глюкоза").

Но в то же примерно время был открыт элемент иттрий, и его соли тоже оказались сладкими. И шведский химик Экеборг предложил землю, полученную из берилла, так и называть — берилловой.

У нас в стране выделенный из берилловой земли элемент долго именовался глицием, глицинием, глицинитом и даже сладимцем. Но в конце концов, как и в других странах, его стали называть бериллием.

Из-за трудности отделения окиси бериллия от окиси алюминия (глинозема) бериллий принято было считать родственником алюминия.

И раз алюминий был трехвалентным, считалось, что и бериллий тоже трехвалентен и что окись бериллия, подобно глинозему, имеет формулу Ве₂О₃. И что хлористый бериллий, подобно хлористому алюминию, имеет формулу ВеСl₃. Так писал известнейший химик первой половины XIX века швед Иенс Якоб Берцелиус.

Правда, с Берцелиусом не соглашался русский химик Иван Васильевич Авдеев. Он долгое время работал на Урале, богатом аквамаринами, изумрудами и бериллами, и хорошо изучил их, а также сделал анализы сернокислого глиция и хлористого глиция, и двойных солей глиция с калием. Авдеев доказывал, что чаще всего глиций ведет себя подобно магнию, а вовсе не подобно алюминию. Но в Западной Европе не очень считались с исследованиями русских химиков. И мнение Авдеева общепринятым не стало.

Менделеев эти работы Авдеева, опубликованные в том же "Горном журнале", в котором была напечатана и первая статья Менделеева, знал и высоко ценил. И, задумавшись о месте бериллия в таблице, он сразу же вспомнил об исследованиях Авдеева.

ЗАКОН ЕСТЬ ЗАКОН

А что если прав Авдеев, а не Берцелиус? — думал Менделеев. Если бериллий действительно собрат не алюминия, а магния? Если он двухвалентен, а не трехвалентен?

Ведь тогда и место ему будет не в шеренге алюминия, а в шеренге магния.

Менделеев убрал карточку с символом "Ве" с ее прежнего места.

Теперь азот и кислород сомкнули ряды, и здесь восстановился такой же полный порядок, как во второй семерке: после пятивалентного элемента с атомным весом 14 шел шестивалентный с атомным весом 16.

Но куда девать бериллий? В шеренге магния есть только одно незанятое место рядом с литием. А с литием встать ему никак нельзя — бериллий с атомным весом 14,1 будет тогда стоять раньше бора, а у бора атомный вес всего 11 — на три единицы меньше…

Впрочем, если уж верить Авдееву, так до конца!

Откуда взялся у бериллия его атомный вес — 14,1? Одно из определений было таким. Разложили хлористый бериллий на бериллий и хлор. Взвесили и то и другое. Оказалось, на 35,5 грамма хлора приходится 4,7 грамма бериллия. Атомный вес хлора известен — 35,5. Каков же атомный вес бериллия? А это зависит от того, сколько атомов бериллия в одной молекуле соли. По Берцелиусу, в хлористом бериллии на один атом хлора приходится три атома металла, как и в хлористом алюминий. Значит, чтобы найти атомный вес бериллия, надо эти самые 4,7 умножить на три. Вот и получилось 4,7X3=14,1.

Но ведь по Авдееву, на один атом хлора приходится не три, как у алюминия, а два, как у магния, атома бериллия. И тогда его атомный вес…

Менделеев перечеркнул на карточке бериллия цифры "14,1" и размашисто вывел новые цифры: "9,4". И поставил карточку туда, где она должна была находиться в соответствии с новым атомным весом, — между литием и бором.

Теперь эта семерка выглядела так. Первым шел одновалентный металл литий, вторым — двухвалентный металл бериллий, третьим — трехвалентный промежуточный элемент бор, четвертым — четырехвалентный промежуточный элемент углерод, пятым — пятивалентный неметалл азот, шестым — шестивалентный неметалл кислород, седьмым — семивалентный неметалл фтор.

Уже не одна семерка, а четырнадцать карточек подтверждали то, что Менделеев предчувствовал, а именно — соответствие химических свойств атома его физическим свойствам.

Не простое соответствие, далеко не простое! Расположи элементы в один ряд — и ничего не увидишь. Но вот так, когда стоят они в семь шеренг, видно, это строй этот — естественный.

В самом деле, вот первый из четырнадцати, литий. Очень активный металл, на воздухе он сразу покрывается рыхлой коркой окисла, а уже при слабом нагреве воспламеняется. С водой дает едкую щелочь.

Второй, бериллий, тоже металл, но менее активный. На воздухе окисляется медленно. И пленка окисла у него тоненькая, плотная. А чтобы воспламенить его, нужен очень сильный нагрев. Раствор окисла в воде тоже имеет щелочные свойства, но слабые.

Третий, бор, кое в чем еще проявляет металлические свойства, но в основном ведет себя уже как неметалл. На воздухе, при нормальной температуре, не окисляется совсем. Раствор окисла в воде почти не обнаруживает щелочных свойств, чаще обнаруживает кислотные.

Четвертый, углерод, еще ближе к неметаллам. Соединение углекислого газа с водой — это уже настоящая кислота, хоть и слабенькая.

Следующий, пятый в первой семерке элемент, азот — это уже типичный неметалл; правда, еще очень неактивный. С кислородом не желает вступать в соединения до тех пор, пока его как следует не разогреют — выше 1000 градусов! Но с водой окись азота дает сильную азотную кислоту.

Куда более агрессивен шестой элемент, кислород. Вот уж неметалл так неметалл! С активными металлами он соединяется яростно, со взрывом. Только несколько самых стойких, благородных металлов, вроде золота, платины, серебра, не поддаются окислению.

Еще более активный неметалл — седьмой элемент, фтор. Он до такой степени активен, так цепко соединяется с другими веществами, что в то время, о котором идет речь, его никто еще не сумел выделить в свободном виде.

Казалось бы, конструируй мир атомов человек, он сделал бы восьмой элемент еще более активным неметаллом, чем фтор, но… на восьмом месте, рядом с фтором, стоял натрий, такой же и даже еще более активный щелочной металл, чем литий, с которого все началось. Круг замкнулся. А верней — с натрия элементы пошли на второй круг.

Девятый, магний, был подобен второму — бериллию. Десятый, алюминий — третьему, бору. Одиннадцатый, кремний — четвертому, углероду. И так вплоть до четырнадцатого, хлора подобного седьмому, фтору.

Менделеев взглянул на пятнадцатую карточку. Это был калий. Опять скачок, опять переход от медленного, постепенного изменения свойств к внезапному, резкому, контрастному: от самого активного неметалла к самому активному металлу. Элементы уходили на третий круг.

Так вот каким оно было — долго скрывавшееся от людских глаз соответствие между физическими и химическими свойствами атомов! Химические свойства зависели от атомного веса, они изменялись в соответствии с его изменением, но не однообразно, а периодически, сперва плавно, потом скачком, потом опять плавно, потом опять скачком и так далее.

Но скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается…

ПУСТЫЕ МЕСТА

Собственно, только эти пятнадцать элементов пока не портили общую прекрасную картину.

Уже следующий за калием кальций, хоть и шел, подобно магнию, после очередного щелочного металла, но становиться в одну шеренгу с магнием и бериллием не желал. Для того чтобы мало-мальски прилично расположить другие семейства элементов — ванадия, ниобия, тантала или хрома, молибдена, вольфрама или меди, серебра, ртути — пришлось кальций, стронций и барий оторвать от других щелочноземельных элементов — бериллия и магния — и поставить отдельно дополнительной шеренгой.

И при этом получалось, что между бериллием и магнием стояло семь элементов, между магнием и кальцием тоже семь, а между кальцием и следующим щелочноземельным элементом стронцием — уже семнадцать.

То же самое получалось и с щелочными: литий от натрия и натрий от калия отделяли семь элементов, а калий от рубидия — семнадцать.

Почему в одном месте семь, а в другом семнадцать?

Непонятно. Но хорошо уж и то, что через семнадцать повторялись все семейства, что они подчинялись какому-то пусть непонятному, но одному и тому же закону.

Странно выглядело и положение первого, самого легкого элемента, водорода: он стоял особняком. Рядом с ним, одновалентным газом, не было ни двух-, ни трех-, ни четырех-, ни пяти-, ни шести-, ни семивалентных элементов, хотя от атомного веса водорода атомный вес его ближайшего соседа лития отделяли шесть единиц.

Это казалось странным потому, что между литием и его ближайшим соседом бериллием разница в весе едва превышала две единицы. И разница между бериллием и следующим за ним бором, между бором и следующим за ним углеродом, между углеродом и следующим за ним азотом и далее тоже была примерно в две единицы.

Но водород еще не разрушал весь порядок. В конце концов его можно поставить самым первым, как бы вывести за скобки. Правда, непонятно за что водороду такая честь. Но подобные вопросы следовало пока отложить.

Можно было "закрыть глаза" и на некоторые неясности с малоизученными элементами.

Например, по скудным сведениям об эрбии, иттрии, индии, тербии, церии, лантане, дидиме нельзя было судить об их химических свойствах. Их атомные веса совпадали с атомными весами других, и притом достаточно хорошо известных элементов. Например, атомный вес у индия значился около 75. Но именно таков был вес атома прекрасно изученного мышьяка. А эрбию приписывали атомный вес 56, такой же атомный вес был и у железа, изученного еще более подробно, чем мышьяк. Эти новые редчайшие элементы не входили в основные семейства и поэтому они пока особенно не метали. Придет время, их изучат получше, тогда все и утрясется.

Но был элемент, который входил в одно из главных семейств, обязан был входить по своим химическим свойствам, а вот по атомному весу не имел на это права. Речь шла о теллуре — тоже довольно редком, но все же неплохо наученном элементе. Очень похожем на селен, и вместе с ним входящем в одну семью с серой и кислородом.

По своему положению в шеренгах он мог располагаться только в одном месте; между сурьмой, принадлежащей к семейству кремния-углерода, и йодом из семейства галогенов. Но вот бода: атомный вес сурьмы 122, атомный вес йода 127, а вес атома теллура 128.

Что делать?

Менделеев поступил с теллуром точно так же, как еще раньше с бериллием — поставил куда следовало, не считаясь с его общепринятым атомным весом.

Правда, для бериллия было некоторое основание: исследования Авдеева. А с теллуром таковых не было, если не считать совершенно отчетливо проглядывающего, несмотря на все огрехи и непонятности, закона природы. Закона, связывающего скачкообразной, периодической зависимостью атомный вес элементов с их химическими свойствами.

Закон есть закон!

В данном случае диктовали химические свойства, а вес… вес мог быть определен неправильно.

Так же неправильно, по всей вероятности, определен был атомный вес редкого металла тория, потому что такой же вес значился у достаточно распространенного олова — 118.

Так или иначе, почти все карты нашли свое место. И символы элементов с их атомными весами значились на листке черновика, окруженные со всех сторон всевозможными пометками — следами размышлений и подсчетов.

Однако посередине таблицы зияла дыра — пустое место между мышьяком, цинком, оловом, ураном, кремнием, алюминием.

Занять пробелы соседними карточками было невозможно. Если влево сдвинуть стоящее справа от пустого места олово с атомным весом 118, то оно примкнет к мышьяку с атомным весом 75 — явная несуразность. Не может стоять после мышьяка и кремний: его атомный вес всего-навсего 28. И олово и кремний могли заполнять пустое место только одной ценой — уничтожением последовательности атомных весов элементов. Но тогда только что найденный закон превратился бы в полное беззаконие.

А если пустое место заняли бы соседи не с боков, а сверху либо снизу?

Нет, и это уничтожало закон. Опустившись вниз, мышьяк из своего семейства пятивалентных попадал бы в чуждое семейство, четырехвалентных. По той же причине не мог подняться и цинк, Если бы мышьяк или цинк это сделали, то было бы нарушено соответствие между атомными весами и химическими свойствами элементов.

Но не мог же строй элементов оставаться с пустыми местами!