Д.И.Менделеев. Из лекций о периодическом законе

Можно сделать за­ключения о следующих, чрезвычайно важных обстоя­тельствах, которые оправдываются при рассмотрении всех элементов, а именно: свойства вещества или данно­го соединения зависят не только от того или от тех эле­ментов, которые в нем содержатся, не только от свойств атомов, которые в нем содержатся, не только от того, что находится хлор или кислород и ртуть, не только от того, как они расположены, т. е. от изомерии известного рода, но и от того, какого рода типу они отвечают, например типу металлов, подобных магнию, или типу металлов, подобных калию.

А если это так, то невольно рождается вопрос о том, от чего зависят те формы, в которые выливаются соеди­нения данного металла? Отчего калий — КХ? В чем тут дело? …Основной способ познания в истинном смысле или, правильнее сказать, обладание предметом, предвидение того, что будет, так или иначе определяется отношениями, значит, надобно узнать, от чего зависит эта способность элементов давать одно­атомные соединения или представляться элементами двухатомными.

Вообще, законом природы называется отношение или функция, т. е. зависимость переменных величин, по край­ней мере, двух. В этом простейшем виде всякую закон­ность можно представить геометрически, откладывая на плоскости по одной из осей, например перпендикуляр­ных, одну переменную, а по другой восставляя перпенди­куляры, соответствующие величинам другой переменной. Вершины восстановленных перпендикуляров и дадут, собственно говоря, выражение закона: это будет или прямая, или кривая; или прогнутая периодически, или ка­кая-нибудь другая линия.

Большинство явлений природы таково, что выража­ется сплошными кривыми, например, изменение внут­реннего сопротивления цепи и силы тока. Малейшие из­менения одной переменной влекут за собой тотчас и ма­лейшие изменения другой. Или, скажем, переменяется температура, с ее переменой изменяется объем тела и это идет последовательно, так что малейшая прибавка в изменении температуры отвечает столь же малой переме­не объема. Нет скачков: маленькое изменение одной пере­менной не влечет за собой быстрых скачков в значениях другой переменной, быстрых или резких.

Но, кроме такого рода законов, имеются законы или явления природы, выражающиеся периодическими кри­выми. Ну, самый простейший пример представляет в на­туре, например, изменение температуры воздуха с воз­растанием времени: от начала дня температура возра­стает, примерно, до часу или до двух, затем падает, затем minimum температуры настает в известный час ночи, за­тем опять начинается поднятие, пока не дойдет опять до максимума в определенный час дня. И кроме этих ма­леньких волн, дням отвечающих, есть еще и большие волны, отвечающие временам года. Словом, во всех час­тях, — с переменою годов повторяется и этот вид перио­дов, — следовательно, в натуре предмета лежит сущест­вование периодической законности.

Все это нужно напомнить, когда мы приступаем к одному из законов химии, который и получил свое на­звание от того, что его свойство главное, выдающееся, можно сказать, состоит именно в том, что он представля­ет случай периодического закона и закон этот так и на­зывается периодическим законом, к нему мы теперь и об­ратимся.

Но, чтобы понять периодический закон, нужно обра­тить внимание и на то, что в химических явлениях на­блюдаются разрывные законы. Так, например, один из первых, закон кратных отношений, представляет следую­щее: на данное количество некоторого вещества количе­ство другого вещества в определенном соединении, ими образуемом, является не во всех возможных пропорциях, а только в определенных, только скачками. Очевидно, что здесь есть разрывы, не все возможные промежуточ­ные формы здесь существуют, а существуют только не­которые, отрывочные, единичные.

Таков и периодический закон; он в одно и то же вре­мя представляет явление периодичности и явление раз­рывности.

Из всех открытий химии, можно сказать, особо вы­дающимся, характернейшим, после закона вечности вещества Лавуазье, самоважнейшим должно считаться открытие дальтоновского закона кратных отношений, приведшее к понятиям атомистическим, обнимающим всю химию. То есть мы пришли к тому, что самое простейшее представ­ление о природе химических соединений получается тог­да, когда мы представим себе, что атомы или малейшие доли простых тел уже далее не делимы и представляют целиком входящую в состав соединения массу, которая может быть выделена в другие соединения и выделена из других. А следовательно, относительный атомный вес, или то, что называется проще атомным весом, есть вели­чина, характеризующая, кроме, например, способности атомов хлора давать кислоты, а атомов натрия толь­ко щелочи, еще и другие химические свойства. Химиче­ские свойства выражаются, следовательно, в величине веса атомов.

Следовательно, за одну переменную, относящуюся к элементам, удобнее, возмож­нее и проще всего принять величины атомных весов, по­тому, что это величины несомненные. Это и будет основ­ная переменная; за тот х в координатах, которыми выра­жаются свойства элементов в разных их соединениях, за одну переменную следует выбрать их атомные веса.

По прямой линии отложим возрастающие величины атомных весов и восставим перпендикуляры, выражаю­щие то или иное свойство, элементам принадлежащее, например кислотность или основность. Тогда мы сумеем их мерить, например кислотность выражать вниз, отри­цательными величинами, а основность — положитель­ными; более основные элементы — большими перпенди­кулярами, менее основные — меньшими перпендикуляра­ми. Мы получим известное отношение. Точно так же можно выразить и всякие другие хими­ческие и физические свойства.

Но до тех пор, пока мы не систематически, а отрывоч­но будем искать отношение свойств, принадлежащих элементам и зависящих от величины их атомных весов, мы не уловим никакого общего, единообразного, всем элементам принадлежащего закона. Закон, очевидно, не должен представлять не только исключений, но и каких-нибудь частных случаев: иначе это не есть закон приро­ды, а мнемоническое правило вроде грамматических, за которыми всегда следуют исключения. Как же в этом случае поступить? Нужно избрать некоторую величину, другую характерную для данного элемента величину и между величиной атомного веса и этой другой величиной, точно находимой для элемента, найти ту функциональ­ную зависимость, которая связывает эти две различные переменные.

Рассматривая все то, что мы имеем в этом отношении, легко можно заметить, что, кроме величины атомного ве­са, твердо, несомненно, без всяких предвзятых предпо­ложений стоят лишь немногие в настоящее время несом­ненные свойства элементов. Но одно наиболее харак­терно из них — это свойство элементов давать те или другие формы соединений, выливаться в соединениях в те или другие формы атомных сложений или атомных кон­струкций, в которых участвуют элементы. Например, все соединения калия с галоидом X будут выражаться всегда тем, что мы назвали формой соединения одноэк-вивалентных металлов, т. е. будут иметь формулу КХ. Для кальция — все его соединения будут выражаться формулой СаХ₂. Заменяя галоид X по закону замещения соответствующим количеством кислорода, водным остат­ком, водородом, мы можем отсюда перейти ко всем ча­стностям, как это было раньше высказано. И поэтому калий будет характеризоваться свойством 1, если каль­ций будет характеризоваться свойством 2 или величи­ной 2; точно так же, например, для углерода эта величи­на будет не 1, не 2, а 4, потому что углерод соединяется с 4 атомами водорода, с 2 атомами кислорода, которые также эквивалентны четырем атомам водорода. Следо­вательно, если для калия 1, для кальция 2, то для угле­рода 4 и т. д.

Но как же найти? Из чего видеть? В каких соедине­ниях это число лучше всего выражено?

Кислород представляет элемент, ко­торый соединяется почти со всеми другими элементами и его соединения представляют главную массу веществ, в земной коре находящихся. Все кислородные соединения хорошо исследованы, следовательно, кислород представ­ляет наиудобнейший элемент.

Например, азот образует не только закись N₂O, азотноватый ангидрид N₂O₄, но и окись N₂O₂, азо­тистый ангидрид N₂O₃ и азотный N₂O₅, следовательно, атомов кислорода при азоте может быть от одного до пяти. Какое же число атомов будет характерно для азота?

Чтобы выбрать, чтобы уловить здесь закон природы, надобно обратить внимание на следующее. Всякий эле­мент, соединяясь с кислородом, достигает известного ро­да предела, которого больше не переходит, и потому этот предел для разных элементов различный. Например, мы знаем, что углерод в высшей степени соединения дает СО₂, или, если мы будем для параллелизма писать 2 ато­ма окисляемого элемента, то будет: С₂О₄. Но кроме этого углерод образует и окись углерода СО или С₂О₂, но более высоких степеней окисления углерода не образуется. Итак, существует высшая степень окисления. Следова­тельно, есть предел, к которому стремятся кислородные соединения каждого элемента.

На графике на каж­дой величине атомного веса восставим перпендикуля­ры, которые будут равны количеству кислорода т, при­соединяющегося в высшей форме соединения к двум атомам данного элемента. Для азота будет этой величи­ной 5, для углерода 4, для хлора 7 и т. д.; таким обра­зом, получится ряд перпендикуляров. Что же мы увидим? В этом случае выступает закон природы как за­кон периодический. Мы увидим, что вершины перпенди­куляров будут представлять форму пилы, ибо количест­во кислорода т будет возрастать с атомным весом до 8 и затем снова приходить к 1. Следовательно, на графике будут периоды повторяющиеся, и притом те элементы, которые представляют аналогию между собою, будут находиться всегда в определенных местах периода или на известном месте зубцов этой пилы. Другие элементы будут находиться в других местах; например, щелочные в начале этих периодов, галоиды будут в конце. Сколь­ко же элементов в периоде? Да нечего и обсуждать — 8. В каждом малом периоде, определяемом количеством кислорода (есть и большие периоды), будет содержаться наибольшее количество, 8 элементов, или, как увидим дальше, меньше. И это определяет суть периодического закона, потому что здесь видна, во-первых, повторяе­мость, а во-вторых, разрывы сплошности самой кривой, потому что вдруг от такого элемента, который имеет наи­большее содержание кислорода, например 7 или 8, вдруг мы переходим к элементу с малым содержанием кисло­рода. В-третьих, периодичность частная.

Ну вот и сущность периодического закона. Как же ее выразить в простейшем виде или формулировать после этого предварительного описания или введения? Где формулировка, чрезвычайно простая и связанная со всей историей изучения природы? Ведь в изучении природы надо отличить время классической древности, когда при­роду, можно сказать, хотели из себя выдумать или об­щими наблюдениями хотели уразуметь ее основные за­коны, не мерили или мало мерили и не находили тех общих, точнее всеобщих законов, которым природа под­чиняется. Это время должно отличать от того времени, которое начинается с Галилея и Ньютона, старавшихся и успевших при численном измерении открыть истинные законы природы, в одном случае — закон падения тел, а в другом случае — закон падения светил или их взаим­ного притяжения, старавшихся в числах находить и вы­ражать законы, управляющие отношениями веществ. Вь знаете, что введенные формулы, введенная формулиров­ка законов, как Галилея, так и Ньютона, даже и Кепле­ра, заключает в себе понятие массы. Понятие о массе ве­щества составляет главную характеристику этих новей­ших направлений в изучении природы.

Это понятие о массе надобно, очевидно, приложить к химии, оно в самом начале развития химии, со времен Лавуазье, и дало все направление науке химии. Ведь Лавуазье оттого и просветил все поле химических иссле­дований, что начал с химического реагирования в мас­сах и начал с того, что вещество не творится и не пропа­дает, так как масса остается неизменной. Точно так же законы Дальтона и все последующие прикасаются так или иначе к понятию о массе. И, следовательно, перио­дический закон также включает в себя понятие о массе.

Свойства элементов, а так как очень часто смешива­ют понятие простых тел и элементов, то прибавим, и про­стых тел, ими образуемых, и сложных тел, эти элементь заключающих, представляют периодическую функцию от величины атомных весов, элементам свойственных.

Это формулировка периодического закона. Мы уви­дим, что и другие свойства такой же периодичности под­чиняются и что на основании этого закона, как на ос­новании всякого рода закона, можно предвидеть многое из того, что не видим, т. е. предугадывать.

Этот закон сам по себе, как и всякие другие, говорит о малом, говорит немного. Говорят, ведь закон извлека­ется из фактов, следовательно, это только сокращенное изложение фактов, а что же он прибавляет? Но вот те­перь мы и остановимся на том, что он прибавляет, и уви­дим следующее.

Для такого человеческого дела, как изучение пред­мета, можно иметь в виду пользу двоякую такого рода. Во-первых, сокращение времени. Это одна сторона, которую я сейчас и выставлю по отношению к этому закону, а во-вторых, узнавание того, что мы не знаем, т. е. другими словами, обладание предметом. Когда мы имеем факты, мы имеем только глаза, конечно, разумом управляемые, но управляют-то нашими глазами внешние предметы; другими словами, мы становимся рабами фактов. Знание же требует, и его основная задача есть обладание фактами, т. е. иметь такой факт, которого не видели глаза, не имели руки и который познается, вос­принимается органами чувств только благодаря закону. Тут факт только проверяет точность или справедливость закона, после чего является уверенность. Законы тем и могут быть важны, что они дают обладание вместо раб­ства, они дают возможность предугадывать то, что фак­тически неизвестно.

И поэтому эту двоякого рода выгоду, пользу, значе­ние законов выставим по отношению к периодическому закону. Итак, сперва, сокращение времени. Время при изучении предмета тра­тится, во-первых, на изучение его, а во-вторых, на сли­чение, сопоставление того, что известно для одного эле­мента, с тем, что известно для другого. Вот эта сторона приобрела с периодическим законом совершенно ясное и определенное значение.

Гораздо более достойна разбора другая сторона предмета или другие выгоды, которые доставляет перио­дический закон. Он дозволяет предвидеть то, чего фак­тически мы не знаем, чего органы не воспринимали, на­пример, существование таких элементов, которые еще не­известны, или таких свойств, которые еще не измерены. Чтобы понять возможность этого, достаточно сказать сле­дующие немногие слова в этом отношении.

Представим себе, что мы бы знали в одной из строк один элемент из первой группы, один из второй, один из четвертой, пятой, шестой и седьмой и знали бы их на ос­новании уже известных соединений. Так как атомные веса возрастают, то, если элемент третьей группы неиз­вестен, мы сейчас узнаем атомный вес этого элемента: ведь он средний между атомными весами элемента вто­рого и четвертого ряда, т. е. R₂O₂ и R₂O₄, и кроме того, он средний между атомным весом верхнего и нижнего. Следовательно, взяв эти два средних, мы найдем число, отвечающее атомному весу этого недостающего элемен­та. Точно так же мы узнаем все его свойства, например его формы соединений, прямо по периодической системе, а следовательно, и плотность паров. Свойства химиче­ские, кислотные или основные идут последовательно: натрий совсем щелочной, а хлор совершенно кислотный. На этом основании мы узнаем химические и физические свойства промежуточного элемента. Но проверку зако­на могут составлять и действительно составляют те фак­ты, которые были предвидены умственным образом и ко­торые с течением времени оказываются верными. Это касается всей совокупности свойств, до удельного веса окисей, теплоемкости, плотности паров всех соединений включительно. Только тогда периодический закон долж­но считать было оправданным.

Менделеев Д.И. Избранные лекции по химии. – М., 1968. - С.143-167.