В 1869 г., когда великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев открыл Периодический закон, ему исполнилось всего 35 лет. К этому времени он был уже авторитетным университетским профессором и ученым с мировой известностью.
При рассмотрении истории одного из крупнейших научных открытий XIX в. закономерно возникает вопрос, почему открытие Периодического закона удалось осуществить именно Д.И. Менделееву?{227} Почему среди более десятка заслуживающих внимания попыток систематизации химических элементов успехом увенчались лишь исследования российского ученого? Ответ, скорее всего, следует искать не в общем уровне развития химии того периода, что, безусловно, объективно определяло возможность решения назревшей научной проблемы. Решение актуальной научной задачи, во многом, зависит еще и от уровня знаний ученого, его мировоззрения и предвидения. Именно эти факторы оказались решающими в открытии Периодического закона.
Главные направления исследований, подготовивших основу для открытия Периодического закона
Научная карьера великого русского химика началась в 1850 г., когда после настойчивых хлопот его матери он смог поступить «внеочередь»[12] на физико-математический факультет Петербургского Главного педагогического института. Это было закрытое высшее учебное заведение со всеми недостатками, характерными для учебных заведений времен царствования Николая 1 (см. т. 2, глава 1, п. 1.5.4). В это время в институте преподавали выдающиеся русские ученые: М.В. Остроградский, Э. X. Ленц, А.А. Воскресенский (см. т. 2, глава 1, п. 1.6), Ф.Ф. Брандт, С.С. Куторга и другие.
На старшем курсе[13] юный Менделеев увлеченно занимался зоологией под руководством Ф.Ф. Брандта, но вскоре его полностью захватила химия. По заданию А.А. Воскресенского (см. т. 2, глава 1, п. 1.6) и С.С. Куторги будущий создатель Периодического закона осуществил полный химический анализ минералов ортита и пироксена. Результаты этой экспериментальной работы были впоследствии опубликованы. А.А. Воскресенский курировал научную деятельность юного русского химика и вскоре предложил ему выполнить крупное самостоятельное исследование по изоморфизму. Позднее эта работа была представлена Д.И. Менделеевым в качестве кандидатской диссертации «Изоморфизм в связи с другими отношениями кристаллической формы к составу». Данное исследование, представленное как квалификационное сочинение, заслужило золотую медаль и явилось первым шагом к открытию Периодического закона. Впоследствии Д.И. Менделеев писал об этой работе: «Составление этой диссертации вовлекло меня более всего в изучение химических отношений. Этим она определила многое»{228}.
Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907). Портрет конца 60-х годов XlX в.
В 1855 г. Д.И. Менделеев окончил Главный педагогический институт с золотой медалью и был назначен учителем в Симферопольскую мужскую гимназию[14]. Прибыв в Симферополь, он не смог приступить к работе, так как из-за Крымской войны гимназия была временно закрыта. Д.И. Менделеев ходатайствовал о переводе его в Одесскую Ришельевскую гимназию, в которой ему поручили преподавание естествознания и других предметов. Несмотря на большую педагогическую нагрузку, Д.И. Менделеев продолжал заниматься научной работой и в течение нескольких зимних месяцев написал объемное сочинение (около 20 печатных листов)
«Удельные объемы» — многоплановое исследование, своеобразную трилогию, посвященную актуальным вопросам химии середины XIX в. Весной 1856 г. он представил эту работу в Петербургский университет в качестве магистерской диссертации{229}.
В первой части этого труда, который содержал детальный критический анализ литературы, посвященной изучаемой проблеме, Д.И. Менделеев высказал оригинальную мысль о связи молекулярной массы и объема газообразных тел. Ученый вывел формулу расчета молекулярной массы газа, то есть впервые была дана формулировка закона Авогадро-Жерара (см. т. 1, глава 8, п. 8.7). Позднее выдающийся русский физико-химик 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…».
Осенью того же года начинающий ученый блестяще защитил диссертацию «Строение кремнеземных соединений» на право чтения лекций (pro venia legendi) и с успехом прочел первую публичную лекцию. В октябре 1856 г. Д.И. Менделеев был удостоен степени магистра химии. В январе следующего года русского ученого назначили приват-доцентом Петербургского университета по кафедре химии.
Обложка первой публикации Д.И. Менделеева «Химический анализ ортита из Финляндии» (1854 г.)
В январе 1859 г. Д.И. Менделеев получил разрешение на двухгодичную командировку в Европу «для усовершенствования в науках». Русский ученый принял решение стажироваться в Германии. Однако выехать из Санкт-Петербурга Д.И. Менделеев смог только в апреле после завершения курса лекций в университете, занятий во 2-м кадетском корпусе, а также в Михайловской артиллерийской академии.
Он имел ясный план исследований — теоретическое рассмотрение тесной взаимосвязи химических и физических свойств веществ на основе изучения сил сцепления частиц, чему должны были служить данные, полученные экспериментально в процессе измерений поверхностного натяжения жидкостей при различных температурах. После ознакомления с возможностями нескольких научных центров Д.И. Менделеев отдал предпочтение Гейдельбергскому университету, где в то время работали естествоиспытатели с мировой известностью: Р. Бунзен, Г. Кирхгоф (см. т. 2, глава 2, п. 2.6), Г. Гельмгольц (см. т. 2, глава 3, п. 3.4.3), Э. Эрленмейер и др.
Несмотря на любезное содействие Р. Бунзена, Д.И. Менделееву не удалось осуществить в его лаборатории запланированное исследование. Лаборатория немецкого ученого была слишком тесной и заполненной практикантами, занятыми препаративными работами по органической химии. К тому же и оборудование, которым располагал Бунзен, не позволяло проводить такие «деликатные опыты, как капиллярные». Поэтому русский ученый был вынужден создавать самостоятельную экспериментальную базу: он провел в арендуемую квартиру газ, приспособил отдельное помещение для синтеза и очистки веществ, другое — для наблюдений. В Бонне «знаменитый стеклянных дел маэстро» Г. Гесслер преподал ему несколько уроков, сделав около 20 термометров и «неподражаемо хорошие приборы для определения удельного веса». У известных парижских механиков Перро и Саллерона он заказал специальные катетометры и микроскопы{230}.
Исследования Д.И. Менделеева продолжались больше года, однако они не привели к существенным результатам. Тем не менее, достаточно важным итогом проведенных работ оказалось открытие «температуры абсолютного кипения» жидкостей, получившее в дальнейшем название «критической температуры»[15].
Это был теоретический опыт «молекулярной механики», исходными величинами которой предполагались масса, объем и сила взаимодействия частиц (молекул).
Рабочие тетради ученого показывают, что он последовательно искал аналитическое выражение, демонстрирующее связь состава вещества с тремя этими параметрами. Предположение русского химика о функции поверхностного натяжения, связанной со структурой и составом вещества, позволяет говорить о предвидении им «парахора», но данные середины XIX в. не были способны стать основой для логического завершения этого исследования — Д.И. Менделееву пришлось отказаться от теоретического обобщения.
Катетометр и компаратор, изготовленные для Д.И. Менделеева известным французскими механиками Саллероном и Перро
В настоящее время «молекулярная механика», основные положения которой пытался сформулировать Д.И. Менделеев, имеет лишь историческое значение. Между тем, эти исследования ученого позволяют говорить об актуальности его взглядов, соответствовавших передовым представлениям эпохи, и обретшим общее распространение только после Международного химического конгресса в Карлсруэ (см. т. 1, глава 8, п. 8.13).
Находясь в Гейдельберге, Д.И. Менделеев сблизился с группой молодых русских ученых, так же, как и он, командированных для прохождения научной стажировки. Будущий автор Периодического закона стал признанным лидером кружка русских ученых-химиков («Гейдельбергский кружок»), который явился предшественником Русского химического общества (см. т. 2, глава 1, п. 1.8.1){231}.
Наиболее значительным событием во время заграничной научной командировки явилось участие Д.И. Менделеева в работе Международного химического конгресса в Карлсруэ (см. т. 1, глава 8, п. 8.13). На конгрессе будущий создатель Периодического закона из первых уст познакомился с концепцией атомных и молекулярных масс С. Канниццаро. Д.И. Менделеев исключительно высоко оценивал значение этого форума ученых не только в предыстории открытия Периодического закона, но и для развития естествознания в целом{232}. «Многие из присутствующих, — вспоминал он в 1889 г. — вероятно помнят … сколько … выиграли на этом съезде последователи унитарного учения, блестящим представителем которых явился Канниццаро. Я живо помню впечатление его речей, в которых … слышалась сама истина, взявшая за исход понятия Авогадро-Жерара и Реньо, тогда еще далеко не всеми признававшиеся…. цель съезда была достигнута, потому что не прошло нескольких лет, как идеи Канниццаро оказались единственными, могущими выдерживать критику…»{233}.
О конгрессе Д.И. Менделеев составил отчет в форме письма А.А. Воскресенскому, текст которого был опубликован в газете «Санкт-Петербургские ведомости» от 2 ноября 1860 г. (см. т. 1, глава 8, п. 8.13). Излагая суть дискуссий, разгоревшихся на конгрессе, русский ученый в качестве примера приводит два ряда формул — атомы «старой» и молекулы («частицы») «новой школы»:
H HO HSO4
H2 H2O2 H2S2O8
Русский ученый подчеркивал, что представители «старой школы» отождествляли реагентную и ингредиентную формы вещества. Сторонники «новой школы» подавляющее число химических процессов воспринимали как реакции двойного разложения, причем даже те из них, которые феноменологически являлись реакциями соединения. Такой подход в корне менял ситуацию: реагентная и ингредиентные формы веществ могли отличаться по составу. Именно это обстоятельство и было зафиксировано в решениях Первого Международного конгресса в форме определения молекулы как «количества тела, вступающего в реакцию и определяющего физические свойства» и атома как «наименьшего количества тела, заключающегося в частицах»{234}. После конгресса Д.И. Менделеев во всех своих работах придерживался этих определений. Принятие Д.И. Менделеевым унитарной системы в той форме, которую ей придал С. Канниццаро, глубоко повлияло на формирование взглядов русского ученого.
В начале 1861 г. Д.И. Менделеев вернулся из Германии в Петербург и из-за невозможности получить (в середине учебного года) штатную преподавательскую должность, занялся научно-литературной деятельностью. За очень короткий период времени он написал и опубликовал несколько серьезных сочинений, в том числе оригинальный курс по органической химии, впоследствии премированный Академией наук.
В 1863 г. он получил штатную должность профессора Петербургского технологического института и занялся исследованием взаимодействия спирта с водой. Спустя два года эта работа была закончена и представлена в Петербургский университет как диссертация на соискание ученой степени доктора наук. Исследование Д.И. Менделеева имело важное теоретическое и практическое значение. На первый план в нем были выдвинуты фундаментальные положения, в частности, вопрос о существовании так называемых соединений переменного состава — сольватов (см. т. 2, глава 3, п. 3.8.2). Диссертация Д.И. Менделеева получила высокую оценку российских химиков. В 1965 г. после блестящей защиты докторской диссертации Д.И. Менделеева пригласили на должность профессора технической химии в Петербургский университет. Двумя годами позже в связи с назначением А.А. Воскресенского попечителем Харьковского учебного округа освободилось место заведующего основной кафедрой химии в столичном университете. Д.И. Менделеева попросили занять вакантное место. Возглавив ведущую в России кафедру химии, молодой профессор со всей своей энергией занялся повышением уровня преподавания химических дисциплин в Петербургском университете. На этом поприще он добился учреждения дополнительно еще двух кафедр — аналитической и органической химии. Для чтения курса органической химии из Казани был приглашен профессор А.М. Бутлеров (см. т. 1, глава 9, п. 9.8). Преподавание аналитической химии было поручено молодому доктору наук Н.А. Меншуткину. За собой Д.И. Менделеев сохранил чтение лекций основного курса общей и неорганической химии.
