Менделеев Д.И.: Научная деятельность: общие сведения

Один из основателей Русского физико-химического общества (1868 год - химического, и 1872 - физического) и третий его президент (с 1932 года преобразовано во Всесоюзное химическое общество, которое тогда же было названо его именем, ныне - Российское химическое общество имени Д. И. Менделеева). Умер Д. И. Менделеев 20 января (2 февраля) 1907 года в Санкт-Петербурге. Похоронен на "Литераторских мостках" Волковского кладбища. Оставил более 1500 трудов[13], среди которых классические "Основы химии" (ч. 1-2, 1869-1871, 13 изд., 1947) - первое стройное изложение неорганической химии. Именем Менделеева назван 101-й химический элемент - менделевий. 

Он один из самых гениальных химиков XIX века; провёл многочисленные определения физических констант соединений (удельные объёмы, расширение и т. д.), изучал Донецкие месторождения каменного угля, разработал гидратную теорию растворов. Написал "Основы химии" (1868-1871) - труд, многочисленные издания которого оказали влияние на химиков-неоргаников. - М. Джуа[14] Д. И. Менделеев - автор фундаментальных исследований по химии, физике, метрологии, метеорологии, экономике, основополагающих трудов по воздухоплаванию, сельскому хозяйству, химической технологии, народному просвещению и других работ, тесно связанных с потребностями развития производительных сил России. Д. И. Менделеев исследовал (в 1854-1856 годах) явления изоморфизма, раскрывающие отношения между кристаллической формой и химическим составом соединений, а также зависимость свойств элементов от величины их атомных объёмов. Открыл в 1860 году "температуру абсолютного кипения жидкостей", или критическую температуру. 16 декабря 1860 года он пишет из Гейдельберга попечителю Санкт-Петербургского учебного округа И. Д. Делянову: "...главный предмет моих занятий есть физическая химия"[15]. Д. И. Менделеев является автором первого русского учебника "Органическая химия" (1861 год). Сконструировал в 1859 году пикнометр - прибор для определения плотности жидкости. Создал в 1865-1887 годах гидратную теорию растворов. Развил идеи о существовании соединений переменного состава. Исследуя газы, Менделеев нашёл в 1874 году общее уравнение состояния идеального газа, включающее как частность зависимость состояния газа от температуры, обнаруженную в 1834 году физиком Б. П. Э. Клапейроном (уравнение Клапейрона - Менделеева). В 1877 году Менделеев выдвинул гипотезу происхождения нефти из карбидов тяжёлых металлов, которая, правда, на сегодня большинством учёных не принимается; предложил принцип дробной перегонки при переработке нефти. Выдвинул в 1880 году идею подземной газификации углей. Занимался вопросами химизации сельского хозяйства, пропагандировал использование минеральных удобрений, орошение засушливых земель. Совместно с И. М. Чельцовым принимал в 1890-1892 годах участие в разработке бездымного пороха. Является автором ряда работ по метрологии. Создал точную теорию весов, разработал наилучшие конструкции коромысла и арретира, предложил точнейшие приёмы взвешивания. В своё время интересы Д. И. Менделеева были близки к минералогии, его коллекция минералов бережно хранится и сейчас в Музее кафедры минералогии Санкт-Петербургского университета, а друза горного хрусталя с его стола является одним из лучших экспонатов в витрине кварца. Рисунок этой друзы он поместил в первое издание "Общей химии" (1903 год). Студенческая работа Д. И. Менделеева была посвящена изоморфизму в минералах.

Периодический закон 
Работая над трудом "Основы химии", Д. И. Менделеев открыл в феврале 1869 года один из фундаментальных законов природы - периодический закон химических элементов. 6 марта 1869 года знаменитый доклад Д. И. Менделеева "Соотношение свойств с атомным весом элементов" был прочтён Н. А. Меншуткиным на заседании Русского химического общества. В том же году это сообщение на немецком языке появилось в журнале "Zeitschrift fur Chemie", а в 1871 году в журнале "Annalen der Chemie" была осуществлена развёрнутая публикация Д. И. Менделеева, посвящённая его открытию - "Die periodische Gesetzmassigkeit der Elemente" (Периодическая закономерность химических элементов). Отдельные учёные в ряде стран, особенно в Германии, соавтором открытия считают Лотара Мейера. Существенное различие этих систем заключается в том, что таблица Л. Мейера - это один из вариантов классификации известных к тому времени химических элементов; выявленная Д. И. Менделеевым периодичность - это система, которая дала понимание закономерности, позволившей определить место в ней элементов, неизвестных в то время, предсказать не только существование, но и дать их характеристики[1][16]. Не давая представления о строении атома, периодический закон, тем не менее, вплотную подводит к этой проблеме, и решение её было найдено несомненно благодаря ему - именно этой системой руководствовались исследователи, увязывая факторы, выявленные им с интересовавшими их другими физическими характеристиками. В 1984 году академик В. И. Спицын пишет: "...Первые представления о строении атомов и природе химической валентности, разработанные в начале нашего столетия, основывались на закономерностях свойств элементов, установленных с помощью периодического закона"[17]. Немецкий учёный, главный редактор фундаментального пособия "Анорганикум" - объединённого курса неорганической, физической и аналитической химии, выдержавшего более десяти изданий, академик Л. Кольдиц так истолковывает особенности открытия Д. И. Менделеева, сопоставляя в высшей степени убедительные результаты его труда с работами других исследователей, искавших подобные закономерности[18]: Никто из учёных, занимавшихся до Менделеева или одновременно с ним исследованиями соотношений между атомными весами и свойствами элементов, не смог сформулировать эту закономерность так ясно, как это сделал он. В частности, это относится к Дж. Ньюлендсу и Л. Мейеру. Предсказание ещё неизвестных элементов, их свойств и свойств их соединений является исключительно заслугой Д. И. Менделеева. ...Наилучшим образом он смог применить свой метод горизонтальной, вертикальной и диагональной интерполяции в открытой им периодической системе для предсказания свойств... Развивая в 1869-1871 годах идеи периодичности, Д. И. Менделеев ввёл понятие о месте элемента в периодической системе как совокупности его свойств в сопоставлении со свойствами других элементов. На этой основе, в частности, опираясь на результаты изучения последовательности изменения стеклообразующих оксидов, исправил значения атомных масс 9 элементов (бериллия, индия, урана и др.). Предсказал в 1870 году существование, вычислил атомные массы и описал свойства трёх ещё не открытых тогда элементов - "экаалюминия" (открыт в 1875 году и назван галлием), "экабора" (открыт в 1879 году и назван скандием) и "экасилиция" (открыт в 1885 году и назван германием). Затем предсказал существование ещё восьми элементов, в том числе "двителлура" - полония (открыт в 1898 году), "экаиода" - астата (открыт в 1942-1943 годах), "экамарганца" - технеция (открыт в 1937 году), "экацезия" - франция (открыт в 1939 году). В 1900 году Дмитрий Иванович Менделеев и Уильям Рамзай пришли к выводу о необходимости включения в периодическую систему элементов особой, нулевой группы благородных газов.  
О приснившейся периодической таблице элементов
 Свои соображения о периодической системе элементов Д. И. Менделеев очень долго не мог представить в виде ясного обобщения, строгой и наглядной системы. Как-то после трёхдневной напряжённой работы он прилёг отдохнуть и забылся сном. Потом он рассказывал: "Ясно вижу во сне таблицу, где элементы расставлены, как нужно. Проснулся, тотчас записал на клочке бумаги и заснул опять. Только в одном месте впоследствии оказалась нужной поправка". А. А. Иностранцев, приблизительно в тех же словах воспроизводя рассказанное ему самим Д. И. Менделеевым, видел в этом феномене "один из превосходных примеров психического воздействия усиленной работы мозга на ум человека"[58][59][60]. Этот рассказ породил массу наукообразных толкований и мифов. В то же время, сам учёный, на вопрос репортёра "Петербургского листка" о том, как родилась мысль о периодической системе, отвечал: "...Не пятак за строчку! Не так, как вы! Я над ней, может, двадцать пять лет думал, а вы полагаете: сидел, и вдруг пятак за строчку, пятак за строчку, и готово...!"[61]

Химия силикатов и стеклообразного состояния 
Настоящий раздел творчества Д. И. Менделеева, не выразившись результатами масштабов естествознания в целом, тем не менее, как и всё в его исследовательской практике, будучи неотъемлемой частью и вехой на пути к ним, а в отдельных случаях - их фундаментом, чрезвычайно важен и для понимания развития этих исследований. Как станет видно из дальнейшего, он тесным образом связан с основополагающими компонентами мировоззрения учёного, охватывающими сферы от изоморфизма и "основ химии" до базиса периодического закона, от постижения природы растворов до взглядов, касающихся вопросов строения веществ[1]. Первые работы Д. И. Менделеева в 1854 году представляют собой химические анализы силикатов. Это были исследования "ортита из Финляндии" и "пироксена из Рускиалы в Финляндии", о третьем анализе минеральной глинистой породы - умбры - имеются сведения только в сообщении С. С. Куторги в Русском географическом обществе. К вопросам аналитической химии силикатов, Д. И. Менделеев возвращался в связи с магистерскими экзаменами - письменный ответ касается анализа силиката, содержащего литий. Этот небольшой цикл работ послужил возникновению интереса у исследователя к изоморфизму: состав ортита учёный сравнивает с составами других сходных минералов и приходит к выводу, что такое сопоставление позволяет построить изменяющийся по химическому составу изоморфный ряд[19]. В мае 1856 года Д. И. Менделеев, вернувшись в Санкт-Петербург из Одессы, подготовил диссертационную работу под обобщённым названием "Удельные объёмы" - многоплановое исследование, своеобразную трилогию, посвящённую актуальным вопросам химии середины XIX века. Большой объём работы (около 20 печатных листов) не позволил издать её полностью. Опубликована была только первая часть, озаглавленная, как и вся диссертация "Удельные объёмы"; из второй части позднее был напечатан только фрагмент в виде статьи "О связи некоторых физических свойств тел с химическими реакциями"; третья же часть при жизни Д. И. Менделеева не была полностью опубликована - в сокращённом виде она была представлена в 1864 году в четвёртом выпуске "Технической энциклопедии", посвящённой стекольному производству. Через взаимосвязь освещаемых в работе вопросов Д. И. Менделеев последовательно приближался к постановке и решению наиболее существенных в его научном творчестве проблем: выявлению закономерностей при классификации элементов, построению системы, характеризующей соединения через их состав, строение и свойства, создание предпосылок формирования зрелой теории растворов[1]. В первой части этого труда Д. И. Менделеева - детального критического анализа литературы, посвящённой вопросу, им высказана оригинальная мысль о связи молекулярного веса и объёма газообразных тел. Учёный вывел формулу расчёта молекулярного веса газа, то есть впервые была дана формулировка закона Авогадро-Жерара. Позднее выдающийся русский физикохимик Е. В. Бирон напишет: "Насколько мне известно, Д. И. Менделеев первый стал считать, что можно уже говорить о законе Авогадро, так как гипотеза, в виде которой закон был сперва сформулирован, оправдалась при экспериментальной проверке..."[20]. Опираясь на колоссальный[13] фактический материал в разделе "Удельные объёмы и состав кремнезёмных соединений", Д. И. Менделеев приходит к широкому обобщению. Не придерживаясь, в отличие от многих исследователей (Г. Копп, И. Шредер и др.), механистического толкования объёмов соединений как суммы объёмов образующих их элементов, но отдавая должное результатам, полученным этими учёными, Д. И. Менделеев ищет не формальные количественные закономерности в объёмах, а старается установить связь между количественными соотношениями объёмов и совокупностью качественных характеристик вещества. Таким образом он приходит к выводу, что объём, подобно кристаллической форме, является критерием сходства и различия элементов и образуемых ими соединений, и делает шаг в направлении создания системы элементов, прямо указывая на то, что изучение объёмов "может служить на пользу естественной классификации минеральных и органических тел". Особый интерес представляет часть, именуемая "О составе кремнезёмных соединений". С исключительной глубиной и обстоятельностью Д. И. Менделеевым впервые изложен взгляд на природу силикатов как соединений, подобных сплавам оксидных систем. Учёным установлена связь между силикатами как соединениями типа (MeO)x(SiO)x и "неопределёнными" соединениями других типов, в частности, растворами, что выразилось правильной трактовкой стеклообразного состояния[1]. Именно с наблюдения процессов стеклоделия начался путь Д. И. Менделеева в науке. Возможно, именно этот факт сыграл определяющую роль в его выборе, во всяком случае, данная тема, непосредственно связанная с химией силикатов, в той или иной форме закономерно соприкасается со многими другими его изысканиями[19]. Место силикатов в природе лаконично, но с исчерпывающей ясностью определено Д. И. Менделеевым[21]: Как органическая материя обуславливается присутствием углерода и им изобилует, так и минеральное царство изобилует кремнезёмистыми соединениями[22]. Эта фраза указывает и на понимание учёным первостепенного утилитарного значения силикатных материалов, древнейших и самых распространённых в практике, и на сложность химии силикатов; поэтому интерес учёного к данному классу веществ, помимо известного практического значения, был связан с развитием важнейшего понятия химии - химическое соединение, с созданием систематики соединений, с решением вопроса о соотношении понятий: химическое соединение (определённое и неопределённое) - раствор. Чтобы осознать важность и научное значения самой постановки вопроса, актуальность его и по прошествии более чем столетия, достаточно привести слова одного из специалистов в области химии силикатов, академика М. М. Шульца, сказанные им на XIII Менделеевском съезде, прошедшем в дни 150-летнего юбилея Д. И. Менделеева: "...До сегодняшнего дня нет общих определений, которые устанавливали бы чёткое соотношение сущности понятий "соединение" и "раствор". ...Как только атомы и молекулы вступают во взаимодействие друг с другом при повышении их концентрации в газе, не говоря уже о конденсированных фазах, так сразу же возникает вопрос, на каком уровне по энергии взаимодействия и при каком численном соотношении между взаимодействующими частицами можно отделить друг от друга понятия "химическое соединение частиц" или их "взаимный раствор": для этого нет объективных критериев, они ещё не выработаны, несмотря на бесчисленное количество работ на эту тему и кажущуюся простоту"[21]. Изучение стекла помогло Д. И. Менделееву глубже понять природу кремнекислых соединений и на этом своеобразном веществе увидеть некоторые важные особенности химического соединения вообще[19]. Темам стеклоделия, химии силикатов и стеклообразного состояния Д. И. Менделеевым посвящено около 30 работ. 

  Исследование газов
 Эта тема в творчестве Д. И. Менделеева связана, прежде всего, с поиском учёным физических причин периодичности. Так как свойства элементов находились в периодической зависимости от атомных весов, массы, исследователь мыслил возможность пролить свет на эту проблему, выясняя причины сил тяготения и посредством изучения свойств передающей их среды. Концепция "мирового эфира" имела в XIX века большое влияние на возможное решение данной проблемы. Предполагалось, что "эфир", заполняющий межпланетное пространство, является средой, передающей свет, тепло и гравитацию. Исследование сильно разреженных газов представлялось возможным средством к доказательству существования названной субстанции, когда свойства "обычного" вещества уже не способны бы были скрывать свойства "эфира". Одна из гипотез Д. И. Менделеева сводилась к тому, что специфическим состоянием газов воздуха при большом разрежении и мог оказаться "эфир" или некий-то газ с очень малым весом. Д. И. Менделеевым написано на оттиске из "Основ химии", на периодической системе 1871 года: "Легче всех эфир, в миллионы раз"; а в рабочей тетради 1874 года учёный выражает ещё более ясно ход мысли: "При нулевом давлении у воздуха есть некоторая плотность, это и есть эфир!". Тем не менее, среди его публикаций этого времени таких определённых соображений не высказано. При всей гипотетической направленности исходных предпосылок этих исследований, основным и наиболее важным результатом в области физики, полученным благодаря им Д. И. Менделеевым, явился вывод уравнения идеального газа, содержащего универсальную газовую постоянную. Также очень важным, но несколько преждевременным, было предложенное Д. И. Менделеевым введение термодинамической шкалы температур. Учёным также было избрано правильное направление для описания свойств реальных газов. Вириальные разложения, использованные им, соответствуют первым приближениям в известных сейчас уравнениях для реальных газов. В разделе, имеющем отношение к исследованиям газов и жидкостей, Д. И. Менделеевым сделано 54 работы[1]. 

 Учение о растворах 
В 1905 году Д. И. Менделеев скажет: "Всего более четыре предмета составили моё имя, периодический закон, исследование упругости газов, понимание растворов как ассоциации и "Основы химии". Тут моё богатство. Оно не отнято у кого-нибудь, а произведено мною...". На протяжении всей своей научной жизни Д. И. Менделеева не ослабевал его интерес к "растворной" тематике. Наиболее значительные его исследования в этой области относятся к середине 1860-х, а важнейшие - к 1880-м годам. Тем не менее, публикации учёного показывают, что и в другие периоды своего научного творчества он не прерывал изысканий, способствовавших созданию основы его учения о растворах. Концепция Д. И. Менделеева эволюционировала от весьма противоречивых и несовершенных первоначальных представлений о природе этого явления в неразрывной связи с развитием его идей в других направлениях, в первую очередь - с учением о химических соединениях. Д. И. Менделеев показал, что правильное понимание растворов невозможно без учёта их химизма, отношения их к определённым соединениям (отсутствия грани между таковыми и растворами) и сложного химического равновесия в растворах - в разработке этих трёх неразрывно связанных аспектов заключается основное его значение. Однако сам Д. И. Менделеев никогда не называл свои научные положения в области растворов теорией - не сам он, а его оппоненты и последователи так именовали то, что он называл "пониманием" и "представлением", а труды настоящего направления - "попыткой осветить гипотетическим воззрением всю совокупность данных о растворах" - "...до теории растворов ещё далеко"; основное препятствие в её формировании учёный видел "со стороны теории жидкого состояния вещества". Нелишним будет отметить, что, развивая это направление, Д. И. Менделеев, поначалу априорно выдвинув идею о температуре, при которой высота мениска будет нулевой, в мае 1860 года провёл серию опытов. При определённой температуре, которую экспериментатор назвал "абсолютной температурой кипения", нагретый в парафиновой ванне в запаянном объёме жидкий хлорид кремния (SiCl4) "исчезает", перейдя в пар. В статье, посвящённой исследованию, Д. И. Менделеев сообщает, что при абсолютной температуре кипения, полный переход жидкости в пар сопровождается уменьшением поверхностного натяжения и теплоты испарения до нуля. Эта работа - первое крупное достижение учёного. Важен также тот факт, что теория растворов электролитов приобрела удовлетворительную направленность, только восприняв идеи Д. И. Менделеева, когда произошёл синтез гипотезы о существовании ионов в растворах электролитов с менделеевским учением о растворах. Растворам и гидратам Д. И. Менделеевым посвящено 44 труда.[1][23]

Ссылки: