Важнейшим этапом в подготовке открытия Периодического закона стало развитие Менделеевым понятия о химическом элементе и установление им "коренного различия представлений об элементах и простых телах", на что уже было указано в работах Б. Бенсод-Венсан, которая, в частности, отметила следующее важное обстоятельство: "Понятие простого тела, центральное в химии, построенной на анализе, стало вторичным в химии, построенной на явлении замещения. Простое тело уже не служило более объяснительным началом (le principe explicatif), ибо оно опиралось на явления, на видимости. Только используя понятие “элемент” можно было объяснить свойства простых тел столь же хорошо, как и свойства соединений. Переход от конкретности простого тела к абстракции элемента представляется существеннейшим условием построения общей системы".

Термин "химический элемент" издавна и широко использовался в научной и учебной литературе по химии, однако, при этом он, как правило, отождествлялся с понятием о простом веществе. Причем обычно в определениях указывалась лишь одна сторона этого понятия - неразложимость простого тела (=элемента) на другие индивидуумы. В сохранившихся конспектах лекций Менделеева и в "Основах" мы сталкиваемся с другими аспектами понятий "элемент" и "простое тело", понятий, которые он, в отличие от многих своих современников, не склонен был отождествлять (по крайней мере, начиная с1867 г.). В качестве одного из доводов в пользу разграничения этих понятий, Менделеев указывал на феномен аллотропии . Каковы бы ни были причины этого явления (а по мысли Дмитрия Ивановича, они лежат "глубоко в сущности природы вещества", ясно, что оно свидетельствует о необходимости различать "нечто", составляющее материальную основу простого тела и ту форму или то состояние, в котором эта материя пребывает.

Другой довод против отождествления понятий "элемент" и "простое тело" Менделеев связывает с необходимостью различения двух возможных состояний простой субстанции - свободного и связанного. "...Между азотом, находящимся в воздухе, - пояснял он свою мысль, - т. е. свободным и газообразным, и азотом ... сложных органических веществ существует весьма далекое соотношение; изучая азот в свободном виде, нельзя и думать, что этот мало энергический элемент составляет существеннейшее начало тех веществ, которые определяют органическую жизнь". Более того, Менделеев весьма сочувственно излагает "изящное предположение" Б. Броуди о разных электрических состояниях кислорода:

О⁺О^- ; О⁺О^-О⁺; Н₂⁺О^-О⁺; Н₂⁺О^-

Таким образом,"нечто", что "остается постоянным" при переходе от простого тела (скажем, азота) к его соединениям (к аммиаку, оксидам азота и т. д.) может менять свое состояние, свой запас химической энергии, свою "степень напряжения силы сродства".

Уже в лекциях по общей химии, прочитанных в Санкт-Петербургском университете в 1867-1868 гг., Менделеев специально останавливается на различии понятий простого тела и элемента, связывая это различие с жераровским пониманием состава сложного тела как "выражения тех превращений, к которым оно (тело. - И. Д.) способно". Действительно, реакции соединения, разложения и особенно замещения и обмена ("двойного разложения" по терминологии того времени) показывают, что в химических соединениях присутствуют химически неразложимые ингредиенты, инварианты состава, т. е. "такие формы веществ, которые не подвергаются химическим изменениям ни при каких условиях, так что все тепло, передаваемое подобным телам, идет или на изменение физического состояния или же на приведение их частиц в известный вид теплоты". Например, оксид ртути может быть получен при реакции металлической ртути с кислородом, но "не ртуть, как металл, и не кислород, в своем газообразном виде, содержатся в красной окиси ртути; в ней содержится только вещество этих простых тел". Отсюда и вытекает необходимость, говоря словами Менделеева, "сделать ясное различие между понятием о простом теле как об отдельном однородном веществе и о нем же как о вещественной, но незаменимой части сложного тела".

После того, как в 1850-х гг., и особенно после Конгресса в Карлсруэ стали принимать для молекул простых постоянных газов состав Х₂ (H₂, O₂, N₂ и т. д.), а для паров простых тел - состав X_n, где n=1, 2, …, (Hg_газ, S_2-8,газ и т. д. ), оказалось, - и Менделеев это неоднократно подчеркивает в "Основах", - что "понятие о простом теле ... ничем резким не отличается от понятия о сложном теле". Более того, существование "сложных радикалов" типа NH₄, позволяло "видеть в весьма сложных соединениях те же признаки, свойства и превращения, как и в соединениях, свойственных простым телам. С другой стороны, рождается возможность думать, что и сами простые тела (по смыслу менделеевских рассуждений речь идет об элементах, но он не использует этот термин в той части "Основ", откуда взята данная цитата, поскольку понятие об элементе предполагалось изложить далее. - И. Д.) могут быть со временем разложены". Тем самым наиболее характерный признак элемента - его неразложимость (точнее, его абсолютная неразложимость) - ставился под вопрос.

Согласно Бенсод-Венсан, "Менделеев создал систему (un reseau) из четырех фундаментальных понятий, которую можно представить следующим образом:

Однако Менделеев, рассматривая атомную теорию лишь как удобную схему или объяснительный прием , предпочитал неатомистическую терминологию, различая два состояния материи - свободное (простое тело) и связанное, т. е. в соединении с материей другого вида (сложное тело). Понятие элемента соотносилось им с наименьшим весовым количеством материи определенного вида, входящим в частицы (молекулы) тел.

Таким образом, элемент в понимании Менделеева - это "отвлеченное понятие", "вывод из сведений о целом ряде соединений", "материя, содержащаяся в простом теле и могущая без изменения в весе переходить во все тела, получающиеся из этого тела". Однако понятие о химическом элементе не сводилось к представлению о "материальной части, которая обща и свободному простому телу, и всем его соединениям". Оно имело и другую грань.

Действительно, разделить концепции "элемент" и "простое тело", связав первую из них с понятием "атом", а вторую - "молекула", как это предполагается вышеприведенной схемой Бенсод-Венсан, было нетрудно и в конце 1860-х гг. представлялось вполне естественным. Но именно крайне осторожное, чтобы не сказать скептическое отношение Менделеева к атомной гипотезе ("в атомах - есть простота представления, но нет уверенности") толкало его к иной, более отвлеченной трактовке понятия "элемент".

Менделеев подчеркивает, что элемент может принимать различные конкретные формы (например, элемент углерод может находиться в форме угля, алмаза и графита, а также входить в состав разнообразных соединений). Иными словами, "элементу принадлежит известная химическая самостоятельность и влияние на свойства ... соединений", в состав которых данный элемент входит. В связи с этими рассуждениями Менделеев, "употребляя способ изложения, нередко встречающийся в физике", делает важное замечание: "Уголь(т. е. простое тело. -И. Д.) есть соединение углерода (элемента. -И. Д.) с теплородом. Переходя в соединение, углерод отдает часть теплорода или его принимает. Во всяком же случае до соединения углерод находится не с тем количеством теплорода, с каким он находится в форме угля. Конечно, высказанное ... представление о соединении между углеродом и теплородом есть только представление чисто формальное, способ выражения, потому что теплород нельзя рассматривать как материю. Это известное состояние движения, явление, а не материя. Рассматривая теплоту как колебательное состояние материи, мы можем сказать, что углерод есть то материальное вещество, то весомое начало, которое находится во всех углеродистых соединениях, - вещество, которое в них имеет различное напряжение колебаний и различное время колебаний. Уголь же есть этот углерод в известной степени напряжения колебаний. Тот же вопрос можно уяснить иначе. Углерод можно представить себе как атом угольной материи, а уголь как собрание таких атомов в одно целое, в частицу и в массу тела. Вес атома углерода должно принять за 12, потому что это есть наименьшее количество углерода, входящее в его соединения, а вес частицы (молекулы. -И. Д.) угля, вероятно, очень велик".

Таким образом, элемент, в понимании Менделеева, будучи "идеальным понятием", представляет собой не просто некий материальный ингредиент, механическую часть целого, некий стехиометрический минимум материи данного вида ("l’ espece de matiere"), способный в ходе химических превращений переходить без изменений, не дробясь, из одних соединений в другие, а будучи элиминирован из соединения, соединяться с другими "элементарными сущностями" того же или иного вида, но нечто большее. Элемент, в понимании Менделеева, будучи "не конкретным телом", но "материально однородным" "весомым веществом с суммою ему одному принадлежащих свойств", потенциально содержит в себе весь спектр возможных форм, свойств и состояний, которые этот "стехиометрический минимум" способен выявлять и развертывать в определенных условиях. Возможность (или невозможность) образования тех или иных соединений, аллотропных модификаций, металлических или иных состояний и т. п., все это в "свернутом" виде включено, "втянуто" в понятие элемента, в силу чего систематика элементов обретает общехимическое (а потому и общенаучное) значение.

Исследователь, решая таксономическую задачу в рамках подобного понимания термина "элемент", может действовать не "внутри" многообразия форм и свойств простых и сложных тел, не выбирая подлежащие классификации объекты по ту или иную сторону разнообразных водоразделов (скажем, в области органических или неорганических тел, среди соединений определенного или неопределенного состава и т. д.), но заняв теоретическую позицию над этими разграничениями и типологиями, поскольку, к примеру, неопределенность состава кремнеземистых соединений оказывается затаенной в свойствах элементов кремния и кислорода, а многообразие составов и свойств углеводородов в свернутом виде заложено в индивидуальных особенностях элемента углерода, в многообразии возможных для него "степеней напряжения колебаний" материи. Простое тело озон - одна из актуализаций того, что потенциально наличествует в идеальном химическом объекте - элементе "кислород", в свойственной ему химической энергии, т. е. в спектре возможных, присущих этому элементу различных ("колебательных") состояний материи.

При этом само понятие о химической энергии, как следует из сказанного выше , также является весьма емкой абстракцией, теснейшим образом связанной с абстракцией химического элемента. Действительно, химическая энергия - это, по сути, обобщенная характеристика потенциальной способности тела вступать в различные химические превращения. И в этом аспекте понятие химической энергии родственно современному понятию реакционной способности.

Таким образом, каждый элемент, по Менделееву, как химический индивид характеризуется своей химической энергией (ее количеством и качеством, т. е. структурой возможных "колебательных состояний материи"), а как стехиометрический минимум - относительным весом (т. е. атомным весом, если воспользоваться атомистической терминологией ). Простое тело в таком случае оказывается, говоря языком Аристотеля, энтелехией элемента, т. е. осуществлением того, что существовало потенциально.

Разграничив понятия простого тела и элемента, Менделеев фактически реализовал ту механическую программу в химии, о которой он упоминал еще в магистерской диссертации: подчинить "химические процессы ... законам механики". Действительно, абстракция химического элемента в логическом плане во многом близка абстракции материальной точки. Для формирования "отвлеченного понятия" об элементе недостаточно констатации, что "при всей перемене в свойствах простых тел, в свободном их состоянии, нечто остается постоянным, и при переходе элемента в соединения это нечто - материальное и составляет характеристику соединений". Необходимо было также отвлечься от всего конкретного многообразия форм, свойств и состояний даваемых данным элементом, т. е. элиминировать все то, что стирает границу, к примеру, "между идеальным понятием об углероде и реальным понятием об угле как веществе или теле, в отдельности существующем", подобно тому, как создателям классической механики необходимо было элиминировать из понятия материи все то, благодаря чему материальные тела отличаются от геометрических фигур.

Однако между абстракцией химического элемента и абстракцией материальной точки есть существенное отличие. Химик не может абстрагироваться от индивидуальных особенностей элементов. "Кроме пространственных и временных отношений, выражающихся скоростями, формами, изомерией ..., - заметил Менделеев на полях личного экземпляра 3-го издания "Основ" (1877), - есть отношения индивидуальные, например, функции химические...". Максимум, что может сделать химик (и что сделал Менделеев) - это положить в основу классификации понятие элемента, в котором "функции химические" (равно как и физико-химические) присутствовали бы в "свернутом виде", а также сосредоточиться не на всем многообразии конкретных свойств, характеризующих простые и сложные тела, а на "коренных" свойствах элементов. Перечень этих коренных свойств у Менделеева со временем менялся, но в него неизменно входил атомный вес.

Использование в качестве основы классификации "отвлеченного понятия" химическом элементе имело важные следствия. Во-первых, оно подразумевало, что именно элементы "придают им (простым и сложным телам. -И. Д.) известную совокупность физических и химических свойств", что "химические изменения ... определяются ... для всякого сложного тела прежде всего характером и свойствами тех элементов, которые в /него/ входят", а потому, как заметит Менделеев в третьем издании "Основ", "можно переносить сходство соединений данного элемента на самый элемент и проверять это сходство по такому признаку, как атомный вес (лучше говорить - элементарный вес), который принадлежит самому элементу, а не тем формам, в которых он является".

Во-вторых, понятие элемента стало не только основой общей химической классификации, но и центральным понятием химии вообще. "Вся сущность теоретического учения в химии лежит в отвлеченном понятии об элементах. Найти их коренные свойства (способность давать те или другие формы соединения, соединяться с теми или другими элементами, образовывать кислотные или основные соединения и т. п. ), определить причину их различия и сходства, а потом на основании этого предугадать свойства образуемых ими тел - вот путь, по которому наша наука твердо пошла со времен Лавуазье".

Разумеется, Менделеев ни на минуту не забывал, что "во всех ... случаях химического соединения, составные части ... не входят никогда со всеми свойствами", что входя в соединение, "составная часть потеряла часть своего существования". Однако изменения свойств однотипных ("соответственных" по его терминологии) соединений (например, в молекулах состава HmXO4) отражают изменения в коренных свойствах самих элементов. в частности, "окислы аналогичных веществ вступают в аналогические соединения". Вообще, оперирование отношениями представляет собой суть менделеевского подхода к таксономическим проблемам.

Формирование концептуальной триады:

(где Aaia - атомный вес элемента a; индекс ia - нумерует атомы вида a, входящие в состав соединения) означало, что Менделеев вплотную подошел к исследовательской программе (и к соответствующей ей постановке проблемы генезиса свойств веществ), ядро которой может быть символически представлено следующим образом:

P = F({P^a_i}) = F(f{A^a})

(где P - свойства простого или сложного тела; {Pai} - совокупность коренных свойств элементов это тело образующих, причем индекс a нумерует элементы, а индекс i - их свойства; F и f - символы функциональной зависимости).

Отдельные фрагменты этой программы можно встретить уже в его ранних работах второй половины 1850-х гг. и последующих лет (хотя в них он опирался на иные концептуальные треугольники) , но в окончательном виде она сложилась, по-видимому, к началу работы над "Основами". В рамках этой программы и были начаты Менделеевым поиски рациональной систематики элементов.