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La ordenación de los elementos químicos en una tabla periódica fue el gran aporte de Mendeleiev a la Ciencia, pues esta agrupación por pesos atómicos y valencias permite observar una regularidad en las propiedades de los elementos. Mendeléyev se percató además de que una vez ordenados los elementos quedaban tres huecos sin ocupar. Convencido de que su idea era correcta postuló que los huecos correspondían a elementos aún no descubiertos e incluso pronosticó sus propiedades, basándose en las que tenían los demás del mismo grupo.
En el transcurso de los quince años siguientes se descubrieron dichos elementos y se constató que sus propiedades coincidían con asombrosa exactitud con las que Mendeleiev había predicho. En 1955 se nombró mendelevio (Md) al elemento químico de número atómico 101 en la tabla periódica, en su honor por sus investigaciones en esa materia.
Entre sus trabajos destacan también sus estudios acerca de la expansión térmica de los líquidos, el descubrimiento del punto crítico, el estudio de las desviaciones de los gases reales respecto de lo enunciado en la ley de Boyle-Mariotte y una formulación más exacta de la ecuación de estado. En el campo práctico destacan sus grandes contribuciones a las industrias de la sosa y el petróleo de Rusia.
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