Элементарно
Поразительно, но у Природы есть план, по которому она себя строит. Однако куда более поразительно, что этот самый глубинный, самый фундаментальный замысел мы раскрыли. Точнее, не мы с вами, а великий Дмитрий Иванович Менделеев, создавший Периодическую таблицу, а также его предшественники и коллеги, на чьи исследования и результаты он опирался. Ее значение для познания мира, для экспериментальной науки и философии трудно переоценить. Поэтому неудивительно, что 2019 год, год 150-летия Периодической таблицы, ООН объявила Международным годом Периодической таблицы химических элементов (International Year of Periodic Table – IYPT).. Ура!
Рассказывать химикам о таблице Менделеева по меньшей мере странно, если не нелепо. Для химиков она как «Отче наш». Но химиков и физиков нынче не так много, значительно меньше, чем лириков. Так вот для лириков (гуманитариев) таблица Менделеева — это терра инкогнита, загадочный черный ящик. Моя подруга из мира искусства недавно сказала мне: «Знаешь, я вообще не понимаю эту таблицу. Таблицу умножения можно понять просто на спичках, а таблицу Менделеева как? Как на пальцах объяснить принцип? Для меня это просто нечто, что придумал мужик с бородой, и мы все в это верим. Поэтому в чем гениальность Менделеева — не понимаю». Однако таблица Менделеева — это не аксиома, требующая веры, а план построения мира, познанный и открытый благодаря игре ума во всем ее великолепии. Хотя здесь без веры не обошлось.
На самом деле познание замысла Природы началось с той самой минуты, как человек стал задумываться об окружающем мире. В давние времена думать о мире было прерогативой и работой философов. Помню, в свое время меня поразило, как античные философы в Древней Греции смогли столь глубоко постичь суть вещей, занимаясь только лишь рассуждениями, мысленными экспериментами и логическими построениями, просто сидя за трапезой и разговаривая или прогуливаясь в задумчивости по саду. Ведь это Демокрит, Платон, Эпикур и другие гиганты древнегреческой философской школы более чем две тысячи лет назад (если верить принятой хронологии) провозгласили, что в основе всего окружающего мира, который мы воспринимаем чувственно, лежат мельчайшие неделимые частицы — атомы. Вы наверняка помните их мысленный эксперимент: если мы возьмем немного материи (вещества), разделим пополам, потом еще раз пополам и так много-много раз, то в конце концов доберемся до некой крошечной частицы, которую невозможно будет разделить. Философы придумали ей название «атом», которым мы успешно пользуемся до сих пор.
И ведь оказались правы (как и во многом другом). Действительно, есть такие мельчайшие и неделимые при обычных условиях частицы. За их изучение взялись исследователи, когда появилась экспериментальная наука в XVII веке. Здесь уже в ход пошли самые разные приборы, манипуляции с веществами, анализ и синтез не мысленный, а натуральный. Потребовалось две сотни лет, чтобы химики подтвердили идею древнегреческих философов. Попутно они выяснили, что атомы бывают разных видов, сортов или типов, как угодно. Тип атома стали называть химическим элементом, которому присваивали имя — железо, кислород, сера… А в 1860 году на международном съезде химиков в Карлсруэ договорились, что атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.
Ученым потребовалось еще 70 с лишним лет, чтобы понять, что все атомы, независимо от их типа, устроены по одной схеме: ядро, содержащее протоны и нейтроны и окруженное электронной оболочкой, в которой обитают электроны. Различаются атомы разных элементов лишь количеством этих частиц и, соответственно, весом. Разные атомы (элементы) могут взаимодействовать друг с другом, порождая самые разные вещества. Полагаю, что этот краткий экскурс должен быть понятен лирикам.
Так вот тогда, 150 лет назад, Дмитрий Иванович, приступая к созданию Таблицы, ничего еще не знал о строении атома. Он лишь знал, что атомы разных элементов различаются по весу и свойствам. Опираясь на эти экспериментальные и расчетные данные, он и сконструировал это «многоклеточное существо» под названием Периодическая таблица химических элементов.
Таблица Менделеева — это графическое представление плана, по которому Природа строит материальный мир. Оказывается, Природа не располагает бесконечным набором разных деталей. Этот набор химических элементов конечен, и в таблице они все разложены по своим полочкам, причем разложены не в случайном порядке, а закономерно, в соответствии с их структурными особенностями. И все они связаны между собой определенными связями, сгруппированы с учетом их похожести и родственности. Последовательность элементов в Периодической таблице похожа на ряд целых чисел — 1, 2, 3, 4, 5 и так далее — не только внешне, но и по сути, она отражает увеличение числа протонов в ядре атомов элементов. Ряд этот заполнен вплоть до элемента № 118 — оганесона, и ряд этот полный, то есть никаких других элементов внутри него не может существовать в принципе.
Всего из десяти цифр мы можем создать бесконечный мир чисел, из семи нот — безбрежный океан музыки. Понятно, что из менее чем сотни химических элементов (стабильных, разумеется) можно создать бесконечный материальный мир, неживой и живой, просто в силу бесконечности сочетаний. Грамотный химик посмотрит на Таблицу и скажет, какие вещества могут образоваться при взаимодействии тех или иных элементов между собой. А веществ может быть невообразимое количество.
Количество органических веществ, сложенных из углерода, водорода, кислорода, азота и некоторых других элементов, не поддается оценке. Химики уже получили и описали десятки миллионов органических соединений, но этот перечень можно продолжать и продолжать. То же можно сказать и о неорганических веществах, которых оказалось куда больше, чем мы думали, потому что в органических соединениях бал правит стехиометрия, обусловленная ковалентными связями, а неорганический мир — это царство нестехиометрических соединений (да простят меня искусствоведы). Так что таблица Менделеева ясно дает нам понять, что разнообразие материального мира бесконечно. И неживого, и живого. И бесконечность эта появляется благодаря различным комбинациям конечного набора химических элементов.
Кстати, создавая живой мир, Природа использует ту же методологию построения бесконечного разнообразия — комбинирует небольшое число блоков, которые, в свою очередь, суть продукт комбинации атомов химических элементов. Возьмем, например, ДНК, «молекулу жизни», главный полимер в природе, несущий наследственную информацию. Молекула ДНК представляет собой комбинацию всего лишь четырех, идентично устроенных кирпичиков, четырех нуклеотидов — аденина, тимина, гуанина и цитозина. Генетики любят говорить о тексте ДНК, написанном только четырьмя буквами. Этот текст длинен сам по себе, он содержит от десятков тысяч до миллиардов букв, но неизмеримо больше число возможных перестановок букв внутри этого текста, что порождает бесконечное разнообразие живых организмов. То, что мы имеем в природе, лишь малая часть потенциально возможных.
А белки? Эти молекулы сложены из 20 идентично построенных блоков — аминокислот. И белков этих несметное количество. Жизнедеятельность человека обеспечивают около ста тысяч разных белков, и это не считая миллионов различных иммуноглобулинов, которые отвечают за иммунную защиту. Так что принцип Природы — используя ограниченный набор деталей, создавать бесконечные миры — налицо.
Таблица универсальна и справедлива для всей Вселенной, пока что мы не получили ни одного факта или доказательства обратного, только подтверждения. Более того, Таблица — инструмент и метод познания Вселенной. Например, у каждого элемента в Таблице есть свой спектральный портрет, уникальный и неповторимый. Учителя химии или физики часто демонстрируют школьникам красивый опыт — окрашивание пламени различными солями. Если внести в пламя соль лития, то пламя окрасится в интенсивный и очень красивый малиновый цвет, а бор сделает его зеленым. Так можно качественно определить, какие элементы входят в состав какого-либо соединения. Наблюдая за разными объектами во Вселенной, изучая их спектральные характеристики, астрофизики сегодня могут точно сказать, из каких элементов состоит тот или иной объект. Излучение, порожденное разными атомами, несет информацию о том, как устроена Вселенная.
Итак, в Таблице зафиксированы принципы организации материи во Вселенной, закон, по которому она строится, перечислены все детали, участвующие в этом строительстве. Так что Периодическая таблица — фундаментальная константа нашего мира и, возможно, один из самых универсальных законов мироздания, открытием которого мы обязаны гению Д.И.Менделеева.
Это сейчас Периодическая таблица представляется простой и едва ли не очевидной, для химиков, разумеется. Ее кажущаяся простота породила споры о приоритете, ведь и другие исследователи до Менделеева подмечали периодичность в изменении свойств элементов. Но то были частные случаи, а картину в целом сумел ухватить только Д.И.Менделеев. И не будем забывать, что он располагал очень малой информацией, меньше той, что должны знать современные школьники, изучающие химию. Ученые всегда строят свои теории на фактах, которые имеют в своем распоряжении. И лишь немногие способны принять во внимание факты, которых еще нет. И именно их мы называем гениями. Пустые клетки в Периодической таблице, которые оставил Д.И.Менделеев для еще не открытых элементов, — это высший пилотаж, это печать гения, это тот предел, который не смогли преодолеть другие исследователи.
Был и другой барьер, не менее трудный. Работа ученого в значительной мере основана на доверии к экспериментальным данным, полученным коллегами. Невозможно двигаться вперед, если подвергать сомнению все, сделанное предшественниками. Нужны огромная смелость и безоговорочная убежденность в правильности своей теории, чтобы исправить атомные веса некоторых элементов, определенные другими, более маститыми учеными. Исправить не на основе новых экспериментальных данных, а только потому, что без этого они не вписывались в предложенную Периодическую таблицу. Делая это, Д.И.Менделеев поставил на кон свою научную репутацию, но риск оказался оправданным — в итоге он оказался прав.
Менделееву еще и сильно повезло, что тогда не были известны инертные газы. Даже интересно, какие аргументы он нашел бы для того, чтобы поместить более тяжелый аргон перед калием? Этот убийственный контрпример отложил бы признание Периодической таблицы на полвека, до открытия изотопов, но — повезло.
Только в первой половине ХХ века, когда физики описали строение атома, стало окончательно понятно, почему элементы расположены именно так и с чем связана периодичность их свойств. Менделеев не ошибся и расставил элементы точно по своим местам, хотя ничего не знал о строении атома в тот момент.
И Периодическая таблица с момента своего открытия стала не просто обобщением имеющихся экспериментальных данных, но и путеводной звездой для поиска новых химических элементов, тех же инертных газов, и остается ею до сих пор.
Впрочем, мы уже углубляемся в конкретную химию, малоинтересную и малопонятную гуманитариям, в которой, на самом деле, все гораздо сложнее, чем я рассказала. Так что в идее верить в Периодическую таблицу Менделеева все-таки что-то есть…
Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 1/2019) на с. 2 — 3.