Текст книги "Менделеев"

Автор книги: Герман Смирнов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 25 страниц)

По предложению Жерара такие ряды соединении, состав которых выражается одной общей формулой, стали называть гомологическимирядами. Замещая отдельные атомы водорода и целые группы их атомами кислорода – O, азота – N, серы – S, гидроксильной группой – OH, нитрогруппой – NO ₂и т. д., можно получить ряды соединении, формулы которых выводятся из формулы метана. Все это многочисленное семейство называют рядом метана или жирным рядом, так как жиры также входят в это семейство.

Другой первичный радикал – ароматическая жидкость бензол – открыт М. Фарадеем в 1825 году. Его молекула состоит из шести сцепленных в кольцо углеродных атомов, каждый из которых соединен с одним атомом водорода. Замещая эти атомы, сцепляя бензольные кольца во всевозможных сочетаниях, можно получить второе обширное семейство веществ, получивших название ароматических. Правда, в 1860 году еще не было известно, что в бензоле атомы углерода сцеплены в кольцо, это было установлено пять лет спустя, но характерные особенности веществ ароматического ряда были уже установлены.

Что же касается органического синтеза, то после дивного вёлеровского открытия наука в течение многих лет не подвигалась дальше в этом направлении. Лишь в пятидесятых годах были возобновлены опыты в этом направлении и началась титаническая, захватывающая своей красотой и напряженностью работа французского химика Марселена Бертло. В 1853 году из простых органических соединений – глицерина и жирных кислот – он получает искусственные жиры. В 1855-м он синтезирует спирт из этилена, пропиловый спирт, горчичное масло. В 1856 году он берется за синтез углеводородов, в 1857-м – получает искусственный древесный спирт. И к 1860 году в его голове складывается план того ослепительного каскада синтезов, при помощи которых он получил едва ли не большинство известных в то время типов органических соединений из ацетилена – газа, который нетрудно получить из угля, извести и воды.

Тайна изомерии в 1860 году тоже была близка к разгадке. Уже публиковал некоторые соображения о структурных формулах Август Кекуле. Уже в голове Александра Бутлерова созревали идеи структурной теории, изложенные им 19 сентября 1861 года в его историческом докладе «О химическом строении веществ». А от них уже недалеко было до его блестящей работы «О различных объяснениях некоторых случаев изомерии», которую он опубликовал о 1863 году и в которой доказывалось: различие свойств органических веществ с одинаковым химическим составом есть следствие различия в строении их молекул.

Таким образом, интерес Менделеева к органической химии, бурно развивающейся и таящей в зародыше немало великих открытии, представляется вполне оправданным и объяснимым. Зато совершенно неоправданным и необъяснимым представляется то равнодушие, с которым он оставляет работу, принесшую ему такой успех и такое одобрение коллег. Складывается впечатление, будто мастер, занятый работой, настолько сложной и тонкой, что она недоступна для понимания подмастерьев, устал слушать их ворчание по поводу своего мнимого лентяйства или неумения. Отвлекшись ненадолго, подошел, сделал с блеском и с радостной яростью работу, над которой они корпели, поразил, продемонстрировал высшее мастерство и снова вернулся к своему тонкому и незаметному для непосвященных труду. И сделанная в запальчивости работа среди прочих творении мастера заняла какое-то странное и не совсем понятное для потомков место. Именно такое место в творчестве Менделеева и заняла «Органическая химия».

Действительно, еще в декабре 1860 года не было никаких намеков, что Дмитрий Иванович собирается заняться органической химией. Не далее как 10 декабря он написал попечителю петербургского учебного округа: Главный предмет моих занятий есть физическая химия… Блеск чисто химических открытий сделал современную химию совершенно специальною наукой, оторвав ее от физики и механики, но несомненно должно настать время, когда химическое сродство будет рассматриваться как механическое явление… Я выбрал своею специальностью те вопросы, решение которых может приблизить это время». И вдруг через каких-нибудь два месяца мы застаем его работающим над учебником органической химии.

Ну хорошо, может быть, передумал, пересмотрел свои взгляды. Может быть, успех «Органической химии» убедил в том, что раньше заблуждался. Но нет! Через некоторое время, когда Зинин начал сетовать на то, что Менделеев не продолжает работать над проблемами органической химии, Дмитрий Иванович пишет ему письмо, свидетельствующее о том, что он и не думал менять свои взгляды: «Разработку фактов органической химии считаю в наше время не ведущей к цели столь быстро, как то было 15 лет тому назад, а потому мелочными фактами этой веточки химии заниматься не стану».

Но ежели с самого начала знал, ежели всегда понимал, то зачем брался? Из-за денег? Но ведь на Демидовскую премию, как явствует из условий, можно было представить работу на любую тему, а уж в темах-то у Менделеева недостатка никогда не бывало. Биографы и исследователи творчества Менделеева всегда чувствовали, что в этой истории с «Органической химией» таится какая-то неясность, какая-то странность, и почти все они как-то затруднялись в оценке этого труда. Подчеркивая заслуги Менделеева в том, что именно он написал первый русский учебник органической химии; что именно он первый отказался от старого способа написания некоторых знаков и формул; что именно он ввел в русский химический обиход многие термины, сохранившиеся до наших дней; что именно он разработал теорию предельных органических соединений, они начинают мяться, когда дело доходит до оценки той роли, которую сыграла книга Менделеева в развитии органической химии. Едва ли не извиняющимся тоном начинают они говорить, что-де в то время органическая химия находилась как раз в состоянии полнейшего переворота, что теория пределов не давала объяснения проявлениям изомерии и что Менделеев почему-то не оценил по достоинству структурной теории Бутлерова, разъяснившей эту самую изомерию.

У каждого ученого есть исследование, которое лично для него означает гораздо больше, чем для науки; которое в формировании его собственных взглядов сыграло роль гораздо более важную, чем в формировании избранной им науки. Думается, что «Органическая химия» была именно таким трудом для Менделеева. Совершенно очевидно, что эта книга не сыграла значительной роли в развитии органической химии, зато она дала Дмитрию Ивановичу повод и возможность обдумать и решить для себя еще одну важную сторону волнующей его проблемы, сделать еще одни шаг по направлению к его великому открытию.

Что же могло привлечь внимание Менделеева к органической химии? Что могло заинтересовать его в этой науке, от которой он упорно отворачивался, несмотря на все попытки склонить его к ней? Пожалуй, на эти вопросы можно ответить уверенно: Менделеева побудили заняться органической химией гомологические ряды.

Действительно, нет в органической химии ни одного вещества, которое стояло бы одно, само по себе. Здесь каждое вещество – член гомологического ряда, член бесконечной цепи веществ, каждое из которых несет на себе неизгладимое клеймо рода. Зная, к примеру, что метиловый спирт определенным образом реагирует с натрием, мы можем уверенно утверждать, что любой спирт из уходящего в бесконечность гомологического ряда взаимодействует с натрием точно таким же образом. Пристраиваясь один к другому, гомологические ряды образуют классы органических веществ – углеводороды, спирты, альдегиды, кислоты, эфиры.

По всей вероятности, Менделеев испытывал эстетическое наслаждение, созерцая таблицы гомологических веществ. Вот выстроился вдоль горизонтали ряд углеводородов: метан, этан, пропан, бутан, пентан… Вот их формулы: CH ₄, C ₂H ₆, C ₃H ₈, C ₄H ₁₀, C ₅H ₁₂. Закон прост: каждый последующий член ряда отличается от предыдущего только тем, что содержит лишний радикал CH ₂. Взгляд Менделеева с удовлетворением останавливается на закономерно увеличивающихся значениях удельного веса и температуры кипения.

Ниже – второй ряд: этилен, пропилен, бутилен, амилен… C ₂H ₄, C ₃H ₆, C ₄H ₈, C ₅H ₁₀…

Еще ниже – третий ряд: ацетилен, аллилен, кротонилен, валерилен… C ₂H ₂, C ₃H ₄, C ₄H ₆, C ₅H ₈…

А вот и последний, завершающий ряд углеводородов – ароматические: бензол, толуол, ксилол, кумол… C ₆H ₆, C ₇H ₈, C ₈H ₁₀, C ₉H ₁₂…

Ясно, что перемещение вправо вдоль горизонтальной оси такой сетки сопровождается непрерывным возрастанием молекулярного веса. А что означает перемещение вниз по вертикали, по соединениям, содержащим одинаковое количество атомов углерода? Прежде всего это означает уменьшение молекулярного веса, но уменьшение, идущее за счет одного только водорода. Другими словами, двигаясь вниз по вертикали, мы постепенно переходим к соединениям, все менее и менее насыщенным водородными атомами. А что означает такое уменьшение?

Спустя много лет, вспоминая о поисках ответа на этот вопрос, Дмитрий Иванович писал: «Возвратившись из заграницы и начав чтение органической химии, я стал ее писать и тогда формулировал понятие о пределе, следуя за идеями Франкланда». Кто же такой был Франкланд и какими его идеями воспользовался Менделеев?

В 1853 году, изучая соединения азота, фосфора, мышьяка и сурьмы, английский химик Эдвард Франкланд обратил внимание на то, что один атом любого из этих элементов может присоединять иногда 3, а иногда 5 атомов других элементов. Исследовав вопрос, Франкланд предложил характеризовать способность элементов к насыщению термином «атомность» или «валентность». Если, к примеру, азот присоединил 3 атома водорода, то его валентность равна 3. Кислород образует воду, присоединяя 2 атома водорода, следовательно, кислород двухвалентен. В пятиокиси азота, состоящей из 2 атомов азота и пяти атомов кислорода, азот пятивалентен и так далее.

Это понятие, без которого немыслима современная химия, в 1860 году еще далеко не установилось в науке, и Менделеев не решился ввести его в учебник: «Не должно забывать, что понятие об атомности заключает в себе много условного и служит, как мне кажется, главным образом только для облегчения системы, не заключая в себе ничего абсолютного». Поэтому Дмитрий Иванович пошел по более наглядному пути. Он обратил внимание, что максимальное количество водорода на каждый атом углерода содержится в соединениях первого гомологического ряда. Он стал называть эти углеводороды предельными. Все нижележащие ряды – ряды непредельных углеводородов, причем чем ниже лежит ряд, тем меньше его соединения насыщены водородом и тем легче они вступают во всевозможные реакции.

Эта ясная, чрезвычайно наглядная картина перехода весового количества в химическое качество была так близка и дорога душе Менделеева, вносила столько ясности и понимания в систему его взглядов, что он весьма настороженно отнесся к структурным теориям и объяснениям изомерии, появившимся вскоре после выхода его книги. Структурные формулы и изомерия настолько усложняли построенную им модель, порождали столько новых вопросов, что Дмитрию Ивановичу пришлось проявить редкое умение – умение самоограничиваться. Он интуитивно ощутил: иногда пытаться ответить на все вопросы – значит отказаться от намерения понять хоть что-нибудь. И он не стал претендовать на то, чтобы объяснить все…

О причинах, побудивших его с осторожностью относиться к структурной теории Бутлерова, Менделеев писал: «…при изложении и 1860-х годах «Органической химии»…я старался выставлять на вид постепенность и непрерывность перехода от жирных соединении к ароматическим, выставляя на первый план то обстоятельство, что первые отвечают пределу C _nH _2n+2, а вторые – далекому от него классу соединений соответствующих углеводородам состава C _nH _2n-6… Ацетилены, терпены и тому подобные ряды должны поэтому составлять ступени перехода. Подобные, вполне естественные, соображения были совершенно забыты, особенно по поводу господства той части структурного… учения… по которой для предельных соединений признается цепеобразное строение… а для ароматических – замкнутое или кольцеобразное…»

Эти слова, в которых сквозит неприязненность к структурной теории, написаны в 1894 году, когда идеи Бутлерова в органической химии восторжествовали, и время показало, что здесь прав был именно Бутлеров. Но зато Менделеев открыл периодическую систему элементов. И быть может, и в том, что он сделал это великое открытие, и в том, что он оказался не прав в споре с Бутлеровым, проявилась одна и та же особенность его мышления – умение пренебречь усложняющими дело тонкостями и обнаружить мощный принцип, позволяющий увидеть порядок в груде материала, поначалу представляющейся хаотичной. Понятно о пределах – вот тот принцип, который дал возможность Менделееву охватить единым взглядом пеструю картину органических веществ. И позднее мы увидим, какую роль сыграет этот принцип в открытии периодического закона…

Иногда бывает очень интересно проследить первые шаги великого человека на ниве избранного им дела, особенно такие его шаги, в которых он волен сам принимать решения, волен выбирать то, что ему почему-либо представляется заслуживающим внимания. В этом смысле бесценным материалом для биографа, изучающего творчество Менделеева, следует считать «Журнал Министерства народного просвещении» за 1857 год, когда 23-летний магистр вел в нем раздел «Новости естественных наук».

Распределив опубликованные Менделеевым заметки по тематике, мы получим удивительную картину, показывающую, как рано и как точно сложились у Дмитрия Ивановича его научные интересы. Судя по заметкам, опубликованным в «Журнале Министерства народного просвещения» за 1857 год, 23-летнего магистра Менделеева больше всего интересовали неорганическая химия и свойства химических элементов… Второе, третье и четвертое места делили одинаково интересующие его области: органическая химия, минералогия и природные богатства России, физиология животных. Затем следуют физическая химия, сельское хозяйство, зоология и ботаника, стекло и стеклянное производство, метеорология и пироксилин.

Конечно, жизнь должна была внести свои поправки в пасьянс ранних менделеевских интересов, и она действительно внесла их. В 1861 году Менделеев написал курс «Органическая химия» и, подчиняясь своенравным, но неумолимым требованиям жизни, взялся за «технологию по Вагнеру». И в результате в раскладе его интересов стекло и стеклянное производство переместились с одного из последних мест на первое…

«Здоровье мое плохо, кашель и кровохарканье истощили мои силы очень значительно, – писал Менделееву в августе 1861 года профессор М. Скобликов. – С декабря месяца я решительно не в силах заниматься. Читаю разные книжки – вот и все мои занятия. Вы очень кстати, стало быть, предложили ваше намерение взять на себя редакцию Технологии Вагнера… Я хочу сказать, что я решился окончательно передать кому-нибудь ответственность по редакции этой книги. Если вы пожелаете, Дмитрий Иванович, принять на ваше имя редакцию Технологии Вагнера, напишите мне об этом». Прекрасный специалист по технической химии, профессор Петербургского университета Скобликов, готовивший переводное издание «Технологии по Вагнеру», в 1859 году тяжело заболел и вынужден был уехать для лечения за границу. Тогда они и познакомились с Менделеевым, сдружились, и между ними завязалась переписка. И эта встреча спустя 2–3 года обернулась для Дмитрия Ивановича работой, в которой проявилась новая грань его удивительной одаренности и которая связала его имя с Петербургским технологическим институтом.

По всей видимости, он с радостью взялся за технологию, и из мира скудных и бледных символических выражений отвлеченной науки его мысль перенеслась в хлопотливый, живой, веселый мир техники и промышленности. Бестелесные формулы вдруг обрели плоть и кровь, абстрактные термины – энергия, сила, масса – вдруг наполнились глубоким значением и начали волновать, как воспоминания детства. Дмитрий Иванович не смог избежать очарования научной истины, представшей перед ним в столь полнокровном конкретном выражении.

В течение 1862 года Дмитрий Иванович подготовил три выпуска: «Производство муки, хлеба и крахмала», «Сахарное производство», «Производство спирта и алкоголометрия». По когда дело дошло до четвертого выпуска – «Стекло и стеклянное производство», сердце его дрогнуло. Вспомнились детские впечатления, Аремзянка, завод… И захотелось разобраться, понять суть и смысл запомнившихся с детства, по недоступных детскому пониманию инструментов и операций. А когда полистал да почитал Вагнера, понял, как много неясного и вздорного почитается за истину в теории стеклянного ремесла.

Четвертый выпуск «Технической энциклопедии» дал Дмитрию Ивановичу возможность довести до полной ясности те идеи, которые были развиты в его доцентской диссертации «О составе кремнеземных соединений», которую он защитил в 1856 году. Соединения эти давно вызывали у Менделеева как у химика ощущение беспокойства. В самом деле, изучение чистого кремния показывало, что этот элемент очень сходен с углеродом (в наше время сказали бы, что углерод и кремний входят в одну группу периодической системы элементов). Не из-за этого ли сходства именно углерод и кремний поделили между собою живое и минеральное царства? Не из-за этого ли сходства вся органическая химия зиждется на соединении углерода с водородом, а вся минеральная – на соединении кремния с кислородом – кремнеземе? Но вот что удивительно: трудно сыскать в природе вещества, которые различались бы сильнее, чем соединения органические и минеральные. Какое поразительное различие, какая, противоположность в свойствах соединений вдруг оказывается у сходственных элементов – углерода и кремния. Если первый олицетворяет собой тонкую, переменчивую, уязвимую живую материю, то второй – символ материи минерального мира, материи холодной, косной, малоподвластной времени и разрушительным силам.

В 1864 году Дмитрий Иванович мог уже говорить о ясных результатах своих размышлений. Он понял, что органические и минеральные соединения являют собой два различных принципа организации, два различных типа упорядочения вещества. Органическая химия построена по первому принципу, в ней все вещества четко отделены одно от другого, содержание составляющих данное вещество элементов находится в строго постоянной пропорции, и нарушение этой пропорции равносильно уничтожению данного соединения. Химия минеральная совсем другое дело. Основа ее – кремнезем – твердое «огнепостоянное» вещество, способное сплавляться со многими окислами и образовывать с ними однородную массу. Но в отличие от обычных химических соединений, в которых жесткие связи однозначно определяют соотношение всех составляющих элементов, кремнеземистые сплавы способны соединяться во всевозможных отношениях и образовывать множество разнообразных соединений. Именно на этом свойстве кремния заждется второй принцип организации веществ, принцип, который дал минеральному царству богатство и разнообразие, немногим уступающее богатству и разнообразию живой природы.

«Техническая энциклопедия» сыграла важную роль в жизни Дмитрия Ивановича. Она принесла ему репутацию знающего химика-технолога, что послужило основанием для выдвижения его на должность исполняющего обязанности экстраординарного профессора технической химии в Петербургском университете. Однако министр просвещения отказался утвердить ходатайство факультета под предлогом, что у Менделеева не было докторской степени. И хотя в 1863 году будто в отместку министру Технологический институт, не входивший в систему министерства просвещения, избрал Менделеева профессором и дал ему казенную квартиру при институте, Дмитрий Иванович решил заняться работой над докторской диссертацией.

О степени популярности, того или иного ученого нередко свидетельствует обилие ходящих в народе анекдотов и слухов, в которых самым неожиданным и прихотливым образом расцвечиваются и перевираются сведения о его научных работах. О Менделееве ходило немало слухов такого сорта. Одни, например, говорили, что именно Дмитрий Иванович нашел секрет приготовления русской водки, прославившейся на весь мир своим необыкновенным вкусом. Другие же шли еще дальше, доказывая, что Менделеев заработал огромные деньги, изготовляя поддельные французские вина для известного в то время владельца магазинов Елисеева. За популярность приходится расплачиваться… Все эти фантастические измышления построены только на одном, действительном факте: докторская диссертация Дмитрия Ивановича называлась «О соединении спирта с водою».

В 1863 году, когда Менделеев занялся этими исследованиями, трудно было найти тему, которая вытекала бы так естественно и так закономерно из его предыдущих работ. Органическая химия, твердо поставленная предшественниками и успешно развиваемая современниками, дала ему повод разобраться и уяснить себе принцип построения многочисленных, органических веществ. Доцентская диссертация и «Стекло и стеклянное производство» явили его взору новый, еще мало изученный принцип, ответственный за многообразие минералов и стекол. Понять его, изучить его действие, объяснить, как образуются бесчисленные неопределенные соединения, в которых нет строго выдержанных соотношений между входящими в их состав компонентами, – вот что Менделеев поставил себе очередной задачей.

Но как неудобны для этой цели «огнепостоянные», твердые, неразложимые кремнеземистые соединения. Как трудно найти образцы, которые можно было бы считать однородными. Как труден их элементарный анализ по сравнению с анализом органических веществ. Как, наконец, труден, в сущности, даже невозможен для техники тех лет, синтез минералов с заранее заданным соотношением входящих в них окислов…

Редактируя «Технологию по Вагнеру», Дмитрий Иванович должен был дополнить главу об алкоголометрии. Работая над ней, он понял, что спирт, смешивающийся с водой в любых пропорциях, – прекрасный объект для изучения неопределенных соединении. Так волею обстоятельств Менделеев снова возвращается к любимым физико-химическим исследованиям.

После двухлетнего перерыва снова извлечены заветные приборы, с которыми Дмитрий Иванович работал еще в Гейдельберге. Руки ученого нежно прикасаются к стеклу, стали и бронзе саллероновских аналитических весов, гейслеровских термометров и чувствительнейшего пикнометра, изготовленного боннским стеклодувом по чертежу Дмитрия Ивановича. И затем начинается изнурительная подготовка к экспериментам, которым Менделеев отдал полтора года своей жизни.

Прежде всего он проанализировал работы предшественников, выявил недостатки и недочеты их измерений и предпринял все меры, внес все поправки в свою работу для того, чтобы устранить самую возможность малейшей неточности, малейшей ошибки. За сто с лишним лет до Менделеева его великий предшественник в физической химии М. Ломоносов писал: «Нужные и в химических трудах употребительные натуральные материи сперва со всяким старанием вычистить, чтобы в них никакого постороннего примесу не было, от которого в других действиях обман быть может». Хотя Менделеев не мог знать этого завета – труды Ломоносова были еще похоронены в архивах Академии наук, – он, не жалея сил и времени, избавлялся от всякого «примесу» в тех 15 ведрах спирта, которые он вместе с академиком А. Купфером весной 1863 года получил на казеином складе. Сначала он перегнал этот спирт в обычном кубе химической лаборатории Института инженеров путей сообщения. Потом любезный Шишков предоставил в его распоряжение спиртовой куб химической лаборатории Артиллерийской академии, и здесь, чередуя перегонку с пропусканием через негашеную известь, Дмитрий Иванович довел крепость спирта с 71,6 процента до 99,9 процента.

О выведенной из последовавших затем экспериментов формуле, которая содержала 30 членов и занимала 5 строк, Менделеев писал: «Эта формула все-таки есть одна из простейших…» Но данные, полученные из этой «простейшей» формулы, по точности превзошли цифры всех менделеевских предшественников, что было сразу же оценено питейными ведомствами. Измерения Дмитрия Ивановича были положены в основу алкоголометрии сначала в Голландии, потом в Германии, Австрии и России.

Таков был практическийрезультат докторской диссертации. Для Менделеева же гораздо большую ценность представлял результат теоретический: наибольшее сжатие смеси происходит при взаимном растворении 45,88 процента безводного спирта с 54,12 процента воды. В переводе на язык химии это означало вот что: когда на каждую молекулу спирта в растворе приходится три молекулы воды, объем смеси становится минимальным, следовательно, удельный вес достигает максимума.

«Невозможно приписать такое явление какой-либо другой причине, кроме образования более прочного соединения, чем все прочие, – объяснял происшедшее Дмитрий Иванович. – Эта прочность легко объясняется из аналогии между составом того раствора, которому свойственно наибольшее сжатие, и составом так называемых определенных химических соединении». Итак, растворение не есть чисто механическое раздробление и «разжижение» вещества в растворителе. Действуя на вещество, растворитель и сам испытывает ответное влияние. А это значит, что растворение – это своеобразный химический процесс, приводящий к появлению в растворе сложной смеси неопределенных и определенных соединении. Подтверждение догадки окрылило Менделеева. Он увидел, что даже в такой сравнительно грубой характеристике, как удельный вес раствора, можно уловить действие тех таинственных сил сцепления, которые – он был убежден, – должны пролить свет на сходство и различия элементов. В его голове складывается картина некой обобщенной химии, в которой привычные, знакомые всем вещества будут рассматриваться как крайние, предельные формы соединений. Он убежден, «что определенные химические соединения составляют только частный случаи неопределенных химических соединений, что растворы, сплавы, соединения окислов дают нам образчики тел, изучаемых такой обобщенной химией, что изучение таких тел «должно послужить к разрешению химических вопросов в самой общей их форме…».

Свою диссертацию, успешно защищенную 31 января 1865 года, Дмитрий Иванович закончил обещанием, что обнаруженные им особенности растворения спирта в воде он намерен проверить и над другими растворами, «к исследованию которых уже многое приготовлено». Последующие годы, однако, не приносят исполнения этого намерения. Множество других дел и событии увлекло Менделеева…