Краткая история науки - Уильям Байнум

Многие химики активно взялись за классификацию этих соединений, пытаясь понять, из чего они состоят и как вступают в реакции – и не в последнюю очередь потому, что упомянутые вещества оказались нужны для промышленности. Постепенно такие промышленные химикалии начали изготавливать не в лабораториях, а прямо на заводах. Вырос спрос на удобрения, краски, лекарства, пигменты и, в особенности после 1850-х, на нефтепродукты.

Тогда зародилась современная химическая индустрия, и химия стала профессией, а не просто увлечением любопытных богачей.

Элементы тоже обладают уникальными химическими и физическими свойствами. По мере того как их открывали больше и больше, химики находили определенные шаблоны. Все выглядело так, словно отдельные атомы некоторых элементов, такие как водород, натрий или хлор, только и ждут, чтобы соединиться с другим одиночным атомом. Например, один атом водорода и один хлора в комбинации создают соляную кислоту (HCl). Одиночные атомы других, таких как кислород, барий или магний, обладали удвоенной емкостью для соединения с другими атомами или радикалами: так, требуется два атома водорода и один кислорода, чтобы получилась вода.

Третьи элементы выглядели еще более гибкими, и всегда появлялись исключения, не позволявшие установить четкие правила. Элементы (и радикалы) также различались по своей готовности вступать в химические реакции, фосфор был столь активен, что с ним требовалось особое обращение, кремний, наоборот, ни на что не реагировал и выглядел безопасным.

По физическим свойствам элементы тоже в значительной степени различались. При обычной температуре водород, кислород, азот и хлор были газами, ртуть и натрий – жидкостями. Большая часть представала в виде твердых тел: металлы вроде свинца, меди, никеля и золота. Многие другие, в первую очередь углерод и сера, оба хорошо изученные, тоже выглядели твердыми.

Но поместите большую часть таких твердых тел в обычную печь, и они без труда расплавятся, а некоторые испарятся (превратятся в газ). Жидкие ртуть и натрий тоже очень легко (и опасно) перевести в газообразное состояние.

У химиков девятнадцатого века не было возможности понизить температуру так, чтобы газы вроде кислорода или водорода превратились в жидкость или более того – в твердую субстанцию. Но они признавали, что проблема чисто техническая и что в принципе каждый элемент может существовать в одном из трех состояний: твердом, жидком или в виде газа.

В середине девятнадцатого века химия становилась зрелой наукой, и в этот воодушевляющий период имелось много тем для обсуждения: относительная атомная масса, то, как молекулы (группы разных атомов) соединяются между собой, разница между органическими и неорганическими соединениями и так далее. Многое, что сейчас выглядит обычным, тогда казалось удивительным: например, международная научная конференция.

В эпоху до телефона, электронной почты и легких путешествий ученые редко встречались и большей частью общались с помощью писем. Редко получалось так, что им удавалось послушать коллегу во время выступления, а затем поучаствовать в обсуждении. Первые конференции прошли в 1850-х, когда поезда и пароходы сделали поездки легче и быстрее, позволили людям науки встречаться с коллегами и обмениваться мнениями.

Благодаря конференциям по миру начала распространятся та вера, которую разделяло научное сообщество: наука сама по себе объективна и интернациональна, она превыше религии и политики, а то и другое разделяет людей и часто приводит к войнам между нациями.

Конгресс химиков 1860 года состоялся в городе Карлсруэ, в Германии.

На него прибыли многие ведущие ученые со всей Европы, и среди них оказались те, кто определил развитие этой науки до конца века. Цели конференции были установлены немцем Августом Кекуле (1829-96): он хотел, чтобы химики из разных стран пришли к согласию по поводу терминов, используемых для идентификации веществ, с которыми они работали, а также обсудили природу атомов и молекул.

Вспыльчивый итальянец с Сицилии Станислао Канниццро (1826–1910) и ранее активно выступал с такой инициативой, так что он охотно принял участие. Приехал и увлеченный своей работой русский химик из Сибири Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907). Делегаты обсуждали предложения Кекуле на протяжении трех дней, и хотя полного согласия достичь не удалось, начало было положено.

На конгрессе многие делегаты получили копию статьи, опубликованной Канниццро в 1858 году. В этой работе он обозрел историю химии в первой половине столетия. Итальянец призвал коллег принять всерьез результаты своего земляка Авогадро, проводившего четкое различие между молекулой и атомом. Канниццро также утверждал, что жизненно важно определить относительную атомную массу элементов, и показал, как это может быть сделано.

Менделеев принял вызов.

Он многим обязан своей выдающейся матери, которая перевезла Дмитрия, последнего из ее четырнадцати детей, в Санкт-Петербург, где Менделеев мог получить хорошее образование. Подобно многим выдающимся химикам того времени он написал учебник, основанный на его собственных экспериментах и на том, чему он сам учил студентов.

Подобно Канниццро Менделеев желал упорядочить набор открытых к тому времени элементов. Были обнаружены многие шаблоны, например, то, что именовали семейством галогенов – хлор, бром и йод, вступавшие в реакцию сходным образом. Элементы эти также могли легко заменять друг друга в химических взаимодействиях. Некоторые металлы, такие как медь и серебро, тоже вели себя сходным образом.

Менделеев попытался расположить элементы в порядке возрастания их относительной атомной массы, используя водород как единицу, и результаты своих усилий представил в 1869 году.

Русский ученый не просто составил упорядоченный список элементов, он придумал таблицу с рядами и колонками. Вы можете читать ее по диагонали точно так же, как и сверху вниз и справа налево, и увидеть разные связи между элементами со схожими свойствами. Поначалу эта «таблица элементов», как он назвал ее, выглядела очень грубой, и мало кто обратил на нее внимание.

Но по мере того, как Менделеев заполнял ее, все чаще происходило нечто интересное: то тут, то там появлялось пустое место, все выглядело так, словно некоего элемента не хватает в перечне тех, что известны ученым. На самом деле в таблице имелась целая недостающая колонка, предсказанная системой относительной атомной массы. Через много лет она оказалась заполнена не вступающими в реакцию газами (благородными или инертными).

Подобно благородному дворянину, не желающему иметь место с теми, кого он считает ниже, эти газы держатся в стороне от химических реакций. Основные элементы этой группы были открыты в 1890-х, и Менделеев поначалу не принял это открытие. Вскоре, однако, он понял, что гелий, неон и аргон были предсказаны его собственной таблицей.

В 1870–80-х химики, используя таблицу, открыли некоторое количество элементов, существование которых предвидел русский ученый. Многие коллеги поначалу отвергли его «безумные измышления» по поводу того, что элементы, впоследствии названные бериллием и галлием, должны существовать. Но по мере того как начали заполняться бреши в таблице, мнение понемногу изменилось, ценность таблицы Менделеева была осознана в полной мере. Она помогала открывать новые элементы и объясняла, на что будет похож каждый из них и как он станет вступать в реакцию с другими.