Герман Смирнов - МЕНДЕЛЕЕВ

• Название: МЕНДЕЛЕЕВ
• Автор: Герман Смирнов
• Издательство: Издательство ЦК ВЛКСМ "Молодая гвардия"
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1974

Книга рассказывает о жизни и деятельности Дмитрия Ивановича Менделеева. В представлении большинства людей он в первую очередь химик, создавший периодическую систему элементов. Но, оказывается, собственно химии посвящено менее одной десятой части менделеевских трудов. И с гораздо большим основанием Менделеева можно было бы считать физикохимиком, технологом, экономистом, геофизиком, метрологом.

Менделеев называл себя «ратником русской науки». О нем можно говорить и как о «ратнике русской культуры», ибо самобытная фигура его всегда находилась в центре не только научной, но и общественной и культурной жизни России.

---

В 1883 году, приступая к всестороннему исследованию водных растворов, Менделеев вложил в эту работу весь накопленный за двадцать лет опыт, применил новейшие измерительные методы и приборы, использовал для обработки полученных данных все новейшие математические приемы. «Мое исследование, — писал он, — стремится отыскать в массе «фактов» те наблюдения, с которыми стоит считаться, то есть оно относится к ним с требованиями о их достоверности».

Сначала Дмитрий Иванович собрал материалы по растворам, накопленные его предшественниками почти за целое столетие. Затем, чтобы сделать все эти цифры сравнимыми между собой, он пересчитал их, приведя удельные веса к взвешиванию в пустоте, отнеся их к воде при наибольшей плотности и сличив при одинаковом составе. Одновременно велась выработка новых, более точных приемов и методов измерений и измерялись удельные веса растворов, либо вовсе не изученных предшественниками, либо изученных с недостаточной точностью. В своем труде Дмитрий Иванович рассматривает растворы в воде 233 химических веществ при различных концентрациях и температурах. «Критический сборник всех отдельных измерений удельного веса водных растворов, не имеющий… аналога в литературе других народов» — так много лет спустя оценивал книгу Дмитрия Ивановича академик П. Вальден.

Ученые 1860-х годов вовсе не случайно и не слепо придерживались химической точки зрения на растворы. Их убеждал в справедливости такой позиции ряд наблюдений и прежде всего то, что при растворении многих веществ — спирта, серной кислоты, аммиака — выделяется теплота. А выделение теплоты издавна считалось характернейшим признаком химической реакции — достаточно вспомнить горение угля в воздухе или растворение цинка в соляной кислоте. И вот что интересно: в результате таких химических реакции объем получившихся продуктов всегда оказывается меньше, чем объем вступивших в реакцию веществ. Другими словами, исходные реагенты как бы сжимаются в получившемся в результате реакции продукте. А это значит, что удельный вес продукта возрастает по сравнению с удельным весом вступающих в реакцию веществ. Вот почему удельный вес, то есть чисто механическая характеристика раствора, дает возможность заглянуть в глубь его молекулярного строения, вот почему именно эту характеристику растворов, доступную весьма точному измерению, Дмитрий Иванович положил в основу своего капитального труда. И он не обманулся в своих ожиданиях…

Серная кислота получается при растворении газообразного серного ангидрида — SO3 — в воде. Этот процесс сопровождается выделением тепла и сжатием раствора. Исследования Дмитрия Ивановича показывали, что из бесчисленного множества растворов серной кислоты в воде можно выделить пять, при образовании которых сжатие было наибольшим. В первом из них на одну молекулу SO3 приходится точно одна молекула воды, во втором — две, в третьем — три, в четвертом — семь и в пятом — сто пятьдесят одна. Эти пять растворов ясно выделялись и по другим физическим свойствам: по температуре плавления, электропроводности, вязкости и химической активности. Подобные зависимости были получены также для растворов многих других веществ.

Эти удивительные закономерности настолько увлекли Дмитрия Ивановича, настолько сильно было его желание разгадать их секрет, что он решил обратиться за помощью к математиком. Поставленная им задача гласила: при каком соотношении числа шаров, имеющих разные диаметры, достигается наибольшее сжатие. Астроном Геофизической обсерватории И. Клейбер, к которому обратился Дмитрий Иванович, не смог дать общее решение этой задачи. И изобретательный Менделеев, не чуждый механических моделей, если они дают возможность оценить явление, ускользающее от точных методов, в течение некоторого времени пытался найти ответ на свою задачу, используя различные смеси гороха и проса. Но, конечно, центральным вопросом Дмитрий Иванович считал вопрос о механизме образования раствора.

Большинство предшественников Менделеева, отдавая дань механицизму, считало, что молекулы воды, соединяясь в строго определенных пропорциях с молекулами вещества, образуют сначала концентрированный раствор, механическая смесь которого с водой и даст уже раствор разбавленный. Дмитрию Ивановичу этот процесс представлялся иначе. Он считал, что, соединяясь с молекулами вещества, молекулы воды образуют множество гидратов, часть которых настолько, однако, непрочна, что тут же распадается — диссоциирует. Продукты этого распада вновь соединяются с веществом, с растворителем и другими гидратами, часть вновь образовавшихся соединений снова диссоциирует, и процесс идет до тех пор, пока в растворе не установится подвижное — динамическое — равновесие.

Менделеев ожидал от своего «Исследования водных растворов по удельному весу» большого резонанса в научных кругах: «Растворы представляют для меня самый общий случай химического взаимодействия, определяемого сравнительно слабыми средствами, а потому представляют собой плодовитейшее поле для дальнейшего успеха химических умений и достойны внимательнейшей разработки частностей». Но, увы, его труд был опубликован в том же году, когда появились осмотическая теория Я. Вант-Гоффа и электролитическая теория С. Аррениуса.

Выдающийся голландский ученый, первый нобелевский лауреат по химии Якоб Вант-Гофф сделал смелое предположение: молекулы растворенного в жидкости вещества можно уподобить молекулам газа, занимающего тот же объем, что и данный раствор. Если это так, то к раствору можно приложить отлично разработанный для газов математический аппарат термодинамики. Сделав все это, Вант-Гофф связал в стройную систему множество разрозненных наблюдений, считавшихся прежде не связанными между собой, дал мощный импульс развитию физико-химических исследований. Но вот что любопытно: формулы Вант-Гоффа давали прекрасные результаты для органических веществ и «не срабатывали», когда дело касалось электролитов — солей, кислот и щелочей, растворы которых проводят электрический ток.

Решение этой трудности нашел шведский химик Сванте Аррениус. Он заявил, что при растворении электролитов в жидкости происходит разложение — диссоциация — молекул электролита на положительно и отрицательно заряженные частицы — ионы. Поэтому электролиты при растворении дают гораздо больше частиц, чем их было бы при отсутствии диссоциации. Объединение теорий Вант-Гоффа и Аррениуса оказалось весьма плодотворным. В 1890-х годах они были легче для всеобщего восприятия и таили в себе зародыши быстрого и мощного развития. Немалую роль в торжестве учения об ионах сыграла пропагандистская деятельность шумливого и сноровистого В. Оствальда — способного физико-химика, печально прославившегося увлечением энергетизмом. А в результате спустя каких-нибудь пять лет одно из любимых детищ Менделеева в трудах германских авторов пренебрежительно именовалось «так называемой гидратной теорией».

Как отнесся к этим событиям сам Дмитрий Иванович? Если теорию Вант-Гоффа он встретил доброжелательно, то теория Аррениуса вызвала у него резко отрицательное отношение. Хотя Аррениус и назвал ее теорией электролитической диссоциации, это была совсем не та диссоциация, которую имел в виду Менделеев. Дмитрий Иванович называл диссоциацией распад нестойких гидратов, Аррениус же подразумевал под этим термином расщепление прочнейших молекул электролитов при попадании их в воду. Поначалу различие между атомом и ионом было проведено не очень четко. Было неясно, за счет каких сил происходит расщепление прочных молекул, и неудивительно, что многие химики не могли примириться с новой теорией.

Верный своим принципам, Менделеев не ввязался в шумные споры и диспуты, которые велись в те годы между сторонниками физической и химической теорий растворов. Но несколько замечаний, брошенных между делом в его трудах, показывают: он ясно понимал сокровенную сердцевину дела и ясно видел трудности, до понимания которых не дозрели «ионисты». По мнению Дмитрия Ивановича, общая единая теория должна охватывать как разбавленные, так и концентрированные растворы. Физическая теория Вант-Гоффа и Аррениуса справедлива лишь для слабых растворов, химическая теория Менделеева имела своим объектом крепкие растворы. Следующим шагом должно было стать объединение обеих теорий. Но опыт подсказывал Менделееву, что время для такого объединения еще не настало.

В 1889 году появилась последняя заметка Дмитрия Ивановича, посвященная гидратной теории. И больше он никогда не возвращался к этой проблеме. Но незадолго до смерти, комментируя свои труды, он, дойдя до «Исследований водных растворов по удельному весу», твердо написал: «Это одно из исследований, наиболее труда стоившее мне… Мои мысли смолоду были там же, где тут и где теперь — грани нет между этими явлениями и чисто химическими. Рад, что успел их тут сказать довольно четко».