В XV и XVI веках алхимия все больше и больше теряет свое значение. В естествознании вырисовываются материалистические взгляды и воззрения, которые начинают освобождаться от оков религии и астрологии, от мистики, веры в демонов, духов и других суеверий. В начале XVI века Парацельс[23], хотя и подвластный некоторым мистическим представлениям, отверг философский камень и отнес его к области сказок. Истинной целью химии он считал не получение золота, а изготовление лекарств.
Химики-скептики
Через сто лет пробил час рождения химических элементов, ибо им было впервые дано научное определение в нашем сегодняшнем понимании. Немецкий ученый Иоахим Юнгиус в диссертации "Doxoscopiae Physicae Minores"[24], написанной в 1630 году и опубликованной в 1642 году[25], отбросил четыре элемента древности и три элемента алхимии, а также постулат о превращении металлов. Химические элементы, объявил он, являются едиными и неделимыми далее веществами.
Несколько позднее англичанин Роберт Бойль в известном труде "The Sceptical Chemist"[26] задает риторический вопрос: действительно ли существуют элементы, иначе называемые началами? И сам же отвечает: "Под элементами я понимаю определенные исходные и простые, или полностью несмешанные вещества... Они являются составными частями, из коих слагаются все так называемые полностью смешанные вещества и на каковые последние можно разложить[27]".
После 1700 года эпоху алхимии сменил период флогистонной химии[28]; последняя, хотя и исходила из неверных предпосылок при объяснении процесса горения, однако позволила классифицировать ряд химических превращений. С открытием кислорода в 1771 году[29] и правильным объяснением процесса горения Лавуазье закончился этот отрезок истории химической науки[30].
Благодаря французу Антуану Лавуазье химия приобрела характер точной науки -- учения об элементах и веществах и их соединении в определенных отношениях. Превращение элементов друг в друга отбрасывалось как невозможное. В труде "Traite elementaire de chimie"[31], изданном в 1789 году в Париже, Лавуазье приводит уже 22 из известных сегодня химических элементов. Среди них азот, кислород, водород, углерод, сера, фосфор и все известные в то время металлы. Французский химик ошибочно отнес к списку элементов также оксид алюминия, барит, известь, магнезию и кварц[32]. Лишь позднее поняли, что здесь, в действительности, речь идет о соединениях таких химических элементов, которые еще не умели выделить в виде простых веществ.
К началу XIX века, который после изобретения паровой машины обещал стать веком промышленного прогресса, удалось с помощью электрического тока выделить такие элементы, как алюминий, барий, кальций, магний и кремний, а также щелочные металлы, галогены и тяжелые металлы.
В 1804 году английский химик Дальтон установил закон кратных отношений[33]. В соответствии с ним химические элементы должны соединяться только в определенных, постоянных соотношениях. Дальтон развил представления Лавуазье, приняв, что в основе таких превращений лежат мельчайшие кирпичики природы -- атомы химических элементов.
Шведский химик Берцелиус в 1818 году впервые опубликовал таблицу, в которой привел атомные массы всех известных к тому времени химических элементов Он ввел символику химических элементов, которая в основном принята и в настоящее время. В ту пору быстро поняли, насколько важно точно знать атомные массы для выяснения химических реакций и нахождения формул соединений, потому вклад Берцелиуса был высоко оценен[34].
Бунзен и Кирхгоф[35] использовали спектральный анализ как новый метод для идентификации химических элементов. Они обнаружили, что отдельные простые вещества в газообразном состоянии при их возбуждении испускают свет определенной длины волны, в результате чего появляются характеристические линии в спектрах испускания или поглощения. С помощью спектрального анализа с 1860 по 1863 годы были открыты цезий, индий, рубидий и таллий, так что число известных элементов в химии возросло до 63. Таким образом, накопился обширный ряд разнообразнейших природных простых веществ, подобранный без каких-либо видимых правил и без внутреннего порядка. Однако вряд ли кто-либо из ученых считал в то время, что уже открыты все кирпичики природы; никто не мог предсказать, сколько еще неизвестных элементов ожидают своего открытия. Только с начала XIX века было найдено 28 новых элементов -почти половина из всех известных к тому времени. Можно было опасаться, что с развитием и совершенствованием техники исследования число элементов когда-нибудь станет столь же необозримым, как число звезд на ночном небосводе.
Система химических элементов
Как только речь зашла о формулах химических соединений, то обнаружилось, что путаница с химическими элементами привела к значительным расхождениям во мнениях, даже среди выдающихся ученых. Когда в середине прошлого века число элементов и их соединений резко возросло и многие химики придумывали свою "собственную формулу", немецкий химик Лотар Мейер очень точно заметил, что "путаница достигла апогея". Для некоторых неорганических соединений существовало несколько эмпирических формул. Еще хуже обстояло дело в органической химии. Только для одного такого несложного вещества, как уксусная кислота СН3СООН, насчитывалось к этому времени шестнадцать различных формул.
На международном Конгрессе химиков в сентябре 1860 года в Карлсруэ, на котором присутствовали Лотар Мейер и Дмитрий Иванович Менделеев, проводились поиски путей для создания единой классификации элементов[36]. Однако только в 1869 году Менделееву и Мейеру удалось, независимо друг от друга, прийти к утверждению: если расположить все химические элементы в систему по возрастающему атомному весу, сегодня именуемому относительной атомной массой, то их свойства обнаруживают отчетливую периодичность[37]. Это фундаментальное открытие Д. И. Менделеева было сообщено 6 марта 1869 года на заседании Русского химического общества в Петербурге. Работа Лотара Мейера, которую он опубликовал в "Аннален дер хеми" в 1870 году, датирована декабрем того же года. Обе публикации отлично дополняют друг друга, так что Д. И. Менделеев в своей знаменитой статье от 30 декабря 1870 года "О естественной системе элементов и ее применении для предсказания свойств еще неоткрытых элементов" смог сделать еще один шаг вперед: впервые оказалось возможным ограничить недостающие элементы определенным числом и точно закрепить их место в периодической системе.
Обнаружилось, что в естественной системе элементов, установленной Менделеевым в 1870 году, оставалось не более 24 свободных мест для еще неизвестных элементов; 24 "белых пятна" на "химической карте"-- так обозначил русский химик эти пустые места. Между самым легким элементом -водородом и самым тяжелым -- ураном оставалось открыть еще 23 неизвестных химических элемента. К этому следовало, быть может, добавить еще 24-й элемент, который располагался непосредственно за ураном и для которого Менделеев оставил в системе свободное место[38]. Предвидение Менделеева шло так далеко, что он описал даже свойства, которые должны были иметь еще неизвестные элементы, и дал указания, где их следовало бы искать. Его немецкий коллега, Лотар Мейер, позднее дал понять, что ему недоставало "отваги для таких далеко идущих предположений" при разработке расположения элементов. Менделеев же писал: "Утверждение закона возможно только при помощи вывода из него следствий, без него невозможных и не ожидаемых, и оправдания тех следствий в опытной проверке"[39].
Великий поиск начался
Д. И. Менделеев точно предсказал свойства тех еще не открытых элементов, которые в группах периодической системы следуют за бором, алюминием и кремнием и которые русский ученый обозначил как экабор, экаалюминий и экасилиций. Великий поиск предсказанных элементов можно было начинать.
Когда 5 лет спустя, в августе 1875 года, французский ученый П. Э. Лекок де Буабодран известил об открытии им нового элемента -- галлия, который он обнаружил в цинковой обманке спектральным путем, Менделеев сразу высказал мнение, что это, возможно, и есть экаалюминий. Для нового элемента Менделеев предсказал атомную массу 68 и плотность от 5,9 до 6,0 г/см[3]. Французский ученый сначала нашел плотность равной 4,7 г/см[3]. Только позднее, после настойчивых указаний Менделеева, когда в распоряжении оказались большие количества чистого галлия, Буабодран смог дать более точные сведения: плотность 5,96 г/см[3]; атомная масса 69,9.