Учёные, довольно скоро открывшие целый ряд новых элементов, подтвердили тем самым гениальные предсказания Менделеева. Кстати, многие новые элементы были открыты ими благодаря изобретению спектроскопа — прибора, позволяющего обнаруживать новый элемент даже тогда, когда он содержится в чрезвычайно малом количестве в каком-нибудь соединении. Авторами (изобретателями) спектроскопа стали немецкий физик Г. Кирхгоф и немецкий химик Р. Бунзен.
Густав Роберт Кирхгоф
Роберт Вильгельм Бунзен
В 1821 году немецкий физик — оптик Йозеф Фраунгофер изучал солнечный спектр, пропуская солнечный свет через призму. Визуально наблюдение выглядело как радуга, и вдруг Фраунгофер обнаружил, что в его «радуге» присутствуют чёрные линии. Физическое значение этих линий оставалось неизвестным на протяжении долгих 35 лет, пока Г. Кирхгофф не вывел общую теорию явлений поглощения света, положив тем самым начало спектральному анализу.
На основании закона сохранения энергии Кирхгофф пришёл к открытию важного общего закона, который звучит так.
Любое тело в раскалённом состоянии испускает определённые лучи, а именно те, которые оно способно поглощать при этой температуре.
Таким образом, линии Фраунгофера объясняются присутствием в атмосфере солнца некоторых элементов, поглощающих лучи определённой длины волны. Например, водород имеет спектр поглощения, в котором отсутствует красный цвет с длиной волны 656 нанометров.
Когда Бунзен и Кирхгофф определили спектры и других известных элементов и соединений, стало возможным определять химический состав веществ без проведения химических реакций, т. е. определяя только спектр конкретного вещества (данный способ и получил название спектрального анализа). Образно говоря, спектр — это своего рода отпечаток пальца для каждого вещества.
20 сентября 1875 года французский химик-исследователь Лекок де Буабодран открыл новый химический элемент — галлий. Тот самый, что плавится в руках. Свойства этого элемента полностью совпали с предсказаниями Менделеева относительно «эка-бора» (так называли галлий до его открытия).
И началось. В 1879 году шведский химик Л. Нильсон открыл скандий, а немецкий химик К. Винклер в 1886 году открыл германий. И оба эти элемента тоже прекрасно вписались в периодическую систему Д. И. Менделеева, а их свойства полностью совпали с его предсказаниями.
Сбывшееся пророчество вызвало в учёном мире настоящую сенсацию! Периодическую систему стали перепечатывать и применять во всех странах, имя Менделеева приобрело мировую известность.
Ларс Фридерик Нильсон
Клеменс Александр Винклер
Казалось, его периодическая система окончательно установила границы поиска оставшихся новых элементов, которым надлежало заполнить в ней пустующие пробелы. Но действительность подкинула учёным интересную неожиданность: новые элементы были открыты там, где их вовсе не ждали.
Так, считалось, что воздух уже давно и тщательно изучен. Ещё со времён К. Шееле и А. Лавуазье было известно, что «чистый» воздух состоит всего из двух газов — азота и кислорода, — причём на 79 частей азота в нём приходится 21 часть кислорода.
Однако в 1892 году британский физик лорд Рэлей, занимаясь определением плотности атмосферного азота, сделал неожиданное открытие. Все физико-химические измерения он проводил в своей лаборатории с чрезвычайной точностью и вот однажды, сравнивая плотность азота, входящего в состав обычного воздуха, с плотностью азота, полученного искусственным путём, обнаружил, что плотность атмосферного азота равна 2,31, а плотность искусственного — 2,30. Разница вроде бы невелика, но её оказалось достаточно, чтобы побудить Рэлея к дальнейшим исследованиям.
И эти исследования, которые он провёл совместно с шотландским химиком У. Рамзаем, привели к открытию нового газа. Газ этот оказался химически менее активным, нежели азот, к тому же не вступал в соединения ни с какими другими элементами, поэтому его назвали «аргоном» («недеятельный»). Содержание аргона в воздухе составляет менее 1 %.
Рэлей и Рамзай тщательно очистили аргон и исследовали его плотность, спектр и другие физические свойства в газообразном состоянии. Почти одновременно с этим профессору К. Ольшевскому из Кракова удалось сжижить аргон и определить его физические свойства в сжиженном состоянии. (Если ты, дорогой мой читатель, хочешь собственными глазами увидеть, как выглядит жидкий и даже твёрдый аргон, то тебе надо просто зайти на YouTube-канал «Химия — просто» и найти видео с названием «Аргон».) Но раз уж был открыт новый химический элемент аргон, значит, следовало найти ему место в периодической системе элементов. Атомный вес аргона составляет 39,9, и, следовательно, логично было бы поместить его между калием и кальцием. Не тут-то вышло! Там для него места не оказалось! Разумеется, тотчас возник закономерный вопрос: что же делать с аргоном, если он не вписывается таблицу Менделеева?!
Сам Д. Менделеев заявил, что надо лишить аргон права считаться элементом, и предложил признать его видоизменённым азотом. Однако гениальное решение в данном вопросе принадлежало У. Рамзаю.
Уильям Рамзай
Невозможность размещения нового элемента в общепринятой периодической системе навела Рамзая на мысль, что помимо аргона в природе должны существовать и другие неизвестные газы, сходные с ним по свойствам. Разыскивая соединения аргона с другими элементами, Рамзай занялся исследованием газа, содержащегося в минерале клевеите. Первоначально газ был подвергнут анализу другим учёным — Гиллебрандтом, посчитавшим, что это азот. Рамзай повторил исследование и обнаружил сходство спектра газа из минерала с солнечным спектром. Плотность этого газа была всего в 2 раза больше плотности водорода. Рамзай понял, что имеет дело с новым газом. А поскольку данный газ присутствовал в солнечном спектре, он назвал его «гелием» (от греческого «гелиос» — солнце).
Следовало ожидать, что скоро будут открыты и другие газы, схожие с гелием и аргоном. Однако предпринятые Рамзаем поиски новых газов в минералах, метеоритах и минеральных водах оказались безуспешны. К счастью, примерно в то же время английским инженером Гампсоном была изобретена новая машина для сжижения воздуха. Именно эта машина и помогла открыть новые элементы группы аргона.
Рамзай описывал очередное открытие так: «Желая изучить искусство работы с этим необыкновенным материалом, я попросил у доктора Гампсона один литр жидкого воздуха. Доктор Траверс и я играли им, проводя различные мелкие опыты, чтобы подготовиться к большому опыту, то есть к сжижению аргона. Однако мне жаль было испарить весь запас жидкого воздуха, не подвергнув исследованию остальной части. Ибо, хотя этот искомый газ, вероятно, не мог в ней заключаться, но не представлялось невозможным, что аргон сопровождается более тяжёлым газом. Это предположение подтвердилось».
Так, в той самой малой части воздуха были открыты два новых газа: криптон и ксенон. Из наиболее летучей части воздуха был выделен ещё один газ, более лёгкий, чем аргон, — неон. Таким образом, вопрос об отношении аргона и других инертных газов (гелия, криптона, ксенона и неона) к периодической системе был решён. Поскольку все эти элементы не соединяются с другими элементами, им приписали валентность, равную нулю, и поместили их в нулевую группу — перед щелочными металлами. (В современной таблице нулевая группа отсутствует: инертные газы расположены в самом правом столбце в последней группе в соответствии с их электронной конфигурацией.)
В итоге эти открытия не только не подорвали авторитет периодической системы Менделеева, но и дополнили её, пусть даже совершенно непредсказуемым образом.
Однако вернёмся к Дмитрию Ивановичу. Его научная деятельность в Петербургском университете прервалась неожиданно даже для него самого.
В 1890 году в высших учебных заведениях России начались массовые беспорядки. Особенно сильно студенческие волнения проявились в Петербургском университете. Во время одной своей «сходки» студенты обратились к присутствовавшему на ней профессору Менделееву с просьбой передать министру просвещения их петицию с разного рода требованиями. Менделеев согласился. Однако, как и следовало ожидать, министр его не принял и вдобавок сделал строгое замечание, укорив в том, что тот вмешивается не в свои дела. Из-за возникшего конфликта Менделеев тотчас подал в отставку.
Оставив университет в возрасте 56 лет, Менделеев без дела не остался: по рекомендации министра финансов С. Ю. Витте стал членом «Совета торговли и промышленности».
Последние годы жизни Дмитрий Иванович работал в основанной по его инициативе Палате мер и весов. Помимо проведения основных научных измерений, в задачи этой Палаты входило наблюдение за мерами и весами, а также постепенное введение метрической системы в практическую жизнь.
К сожалению, большинству наших современников Менделеев известен только своим периодическим законом. А ведь он проводил исследования во многих сферах деятельности! Так, Менделееву принадлежит авторство фундаментальных исследований по физике, метрологии, метеорологии, экономике, трудов по воздухоплаванию, химической технологии, сельскому хозяйству, народному просвещению и многих других работ, тесно связанных с потребностями развития производства в России.
В процессе исследования газов Менделеев вывел общее уравнение состояния идеального газа, которое включало — как частный случай — зависимость состояния газа от температуры, выявленную в 1834 году французским физиком Б. П. Э. Клапейроном. Так, кстати, и появилось известное всем нам со школы уравнение Менделеева — Клапейрона.
Большой привязной аэростат А. Жиффара, на котором Д. И Менделеев поднимался в 1878 году, в Париже
Воздушный шар «Русский», на котором Д. И. Менделеев 7 августа 1887 года совершил полёт для наблюдения полного солнечного затмения