По возвращении в Россию научная карьера Менделеева пошла в гору. Он стал профессором химии в Санкт-Петербургском университете и написал фундаментальный двухтомный учебник, выдержавший восемь изданий, а также переведенный на другие языки. Менделеев посетил нефтяные месторождения в Баку, а через несколько лет отправился в США, в штат Пенсильвания, чтобы увидеть местные нефтяные месторождения, тесно связанные с именем Джона Д. Рокфеллера, символа капитализма американского образца. После этого ученый стал стремиться развивать российскую нефтяную промышленность. Политически либерально настроенный Менделеев читал лекции и студенткам – пример, которому поначалу следовали лишь немногие из числа его коллег-профессоров. Среди прочего он всячески поддерживал деятельность Юлии Всеволодовны Лермонтовой, которая стала первой женщиной, получившей докторскую степень по химии. Среди учеников Менделеева был и первый русский ученый, удостоенный Нобелевской премии, физиолог Иван Павлов.
Обретя скромное состояние, Менделеев (отец шестерых детей во втором браке) смог купить усадьбу в Твери. По воспоминаниям коллеги, навестившего Менделеева в его кабинете в Санкт-Петербурге, 17 февраля 1869 года профессор собирался уехать в Тверь на поезде, направлявшемся в Москву. Однако из-за проблемы, над которой он размышлял несколько дней, он пропустил сначала утренний, а затем и дневной поезд. Перед ним лежало множество карточек, на каждой из которых был указан символ и атомный вес элемента. Некоторые элементы оказались химически схожи, но значительно различались по атомному весу, например фтор (атомный вес 19), хлор (35), бром (80) и йод (127).
Когда Менделеев клал карточки с названиями схожих элементов друг под другом, он видел устойчивые закономерности: разница между атомным весом как бы обнаруживала определенное постоянство. Но не везде: в группе, начинающейся с висмута, между алюминием (атомный вес 27) и ураном (116) должен был находиться элемент со значением около 68. То же самое он выявил и в группе углерода: между кремнием и оловом не хватало элемента с атомным весом около 70.
В итоге ученый, снова опоздав на поезд до Твери, записал увиденное. 63 элемента со схожими характеристиками, известные ему и его современникам, он перечислил по горизонтали; элементы располагались там с определенной периодичностью, вследствие чего Менделеев стал называть созданную им систему периодической таблицей элементов. Элементы располагались по мере увеличения атомного веса вертикально – в таблицах Менделеева, встречающихся в учебниках химии и в Интернете сегодня, элементы располагаются по мере увеличения атомного веса горизонтально, а вещества, принадлежащие к одной группе, например галогены или благородные газы, расположены в одном вертикальном ряду.
Менделеев, убежденный в том, что природа элементов окончательно прояснена, больше не заострял внимание на пробелах в своей системе. Уверенный в себе ученый объяснял наличие пробелов тем, что недостающие элементы просто еще не открыты. Неизвестный элемент с атомным весом около 68 он назвал экаалюминием[58]
, а недостающий элемент с атомным весом около 70 получил временное наименование экасилиций. Разумеется, Менделеев оказался прав: в 1875 году французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран открыл редкий металл, который назвал галлием в честь своей страны – его атомный вес равен 69,72. Одиннадцать лет спустя Клеменс Винклер, работавший во Фрайбергской горной академии, обнаружил хрупкий металл, в настоящее время используемый в электронике в качестве полупроводника. Этот металл, германий, с атомным весом 72,63, его первооткрыватель также назвал в честь своей родины. Менделеев довольно точно предсказал существование этих элементов (а также экабора – скандия, название которого также указывает на место открытия – Швеция в Скандинавии).