100 великих научных открытий

23 сентября 1833 г. Фарадей наконец записал: «Числа, соответствующие весовым количествам выделяемого вещества, надо назвать электрохимическими эквивалентами…» Они «совпадают с обычными химическими эквивалентами и тождественны им». Так, для ионов водорода, кислорода, хлора, олова, свинца, йода Фарадей установил электрохимические эквиваленты 1; 8; 36; 58; 104; 125, а чуть позже составил таблицу для 18 анионов и 36 катионов.

После сотен опытов ученый сделал расчеты и обнаружил, что в одном гране (66,4 мл) воды «содержится» столько электричества, сколько нужно, чтобы 800 000 раз зарядить его лейденскую батарею из 15 банок 30 оборотами машины, и это количество равносильно «весьма мощной вспышке молнии». На таком основании был сформулирован второй закон электролиза: «Для выделения на электроде одного моля вещества, которое в процессе электрохимической реакции приобретает либо теряет один электрон, необходимо пропустить через ячейку 96 485 кулонов электричества». Иными словами, электрохимические эквиваленты различных веществ пропорциональны их молярным массам и обратно пропорциональны числам, выражающим их химическую валентность (способность атома соединяться с определенным числом других атомов).

Работа Фарадея поражает воображение. Возможность окисления и восстановления веществ электрическим током открыла широкие перспективы как для научных исследований, так и для химической и металлургической технологии. Еще при жизни ученого началось использование гальванопластики, создан первый топливный элемент и изобретен свинцовый аккумулятор.

Периодический закон химических элементов

К середине XIX в. были открыты 63 химических элемента, и попытки найти закономерности в этом наборе предпринимались неоднократно. Первым расположить элементы в порядке возрастания атомного веса попробовал Александр Эмиль Шанкуртуа (1862): в его варианте элементы разместились вдоль винтовой линии, а их химические свойства циклически повторялись по вертикали. Однако эта модель не привлекла внимания ученых.

В 1866 г. свой вариант периодической системы предложил химик и музыкант Джон Александр Ньюлендс, чья модель («закон октав») внешне напоминала менделеевскую, но была скомпрометирована желанием автора найти в таблице мистическую музыкальную гармонию. В 1864 г. Ньюлендс заметил, что если располагать элементы в порядке возрастания их атомного веса, то примерно каждый 8-й будет своего рода повторением 1-го — подобно тому как нота «до» (как и любая другая нота) повторяется в октавах через каждые 7 нот. Элементы, имеющие одинаковый атомный вес (по данным того времени), помещались под одним номером, при этом наметившиеся закономерности быстро разрушались, поскольку в системе не была учтена возможность существования еще не открытых элементов.

Ближе всего к окончательному варианту подошел Юлиус Лотар Мейер (1864), хотя за основу периодичности он взял валентность, которая не является единственной и постоянной для каждого элемента.

Фактически открытие периодического закона произошло 1 марта (17 февраля по старому стилю) 1869 г. В тот день русский химик Дмитрий Менделеев (1834–1907) собирался ехать на химический завод, руководство которого попросило помощи в решении проблем на производстве, как вдруг подумал: а ведь между массой и химическими свойствами должна быть связь. Поездку пришлось отложить — ученый с головой ушел в работу. Написав на карточках основные свойства каждого элемента, включая атомный вес и формулы окислов, он многократно перемещал эти карточки, составлял из них ряды сходных по свойствам элементов, сравнивал ряды один с другим. Тогда уже были известны группы щелочных и щелочноземельных металлов, но именно Менделеев обнаружил, что элементы этих групп попарно отличаются на одинаковое число единиц атомного веса: калий 39 ― кальций 40, натрий 23 ― магний 24. Это и послужило главным толчком к открытию периодического закона.

В первом варианте таблицы — «Опыте системы элементов, основанном на их атомном весе и химическом сходстве» — элементы были расставлены по 19 горизонтальным рядам (рядам сходных элементов, ставших прообразами групп современной системы) и по 16 вертикальным столбцам (прообразам будущих периодов). В 1870 г. Менделеев опубликовал в «Основах химии» второй вариант — «Естественную систему элементов», имеющую более привычный нам вид: горизонтальные столбцы элементов-аналогов превратились в 8 вертикально расположенных групп, а 6 вертикальных столбцов первого варианта преобразовались в периоды с щелочным металлом в начале и галогеном в конце. Каждый период был разбит на 2 ряда, а элементы разных вошедших в группу рядов образовали подгруппы.