Менделеев

По пути он заехал в Бонн к знаменитому «стеклянных дел маэстро» Г. Гейслеру. Заказав ему несколько точнейших термометров и катетометров — приборов для измерения удельного веса жидкостей, — Дмитрий Иванович не удержался и поучился у Гейслера работать со стеклом. Месяц в Париже был тоже насыщен работой. Здесь он заказал весы, насос, манометр, купил редкие препараты, побывал во многих лабораториях. В этот приезд он близко сошелся с харьковским химиком Николаем Бекетовым, который возил его по Парижу и познакомил со многими парижскими знаменитостями. «Бертело мне очень поправился простотой своей, своими оригинальными взглядами на вещи, своей начитанностью». «…Был у Дюма, познакомился с Вюрцем. Оба они чрезвычайно милы. У Дюма я вовсе не нашел того генеральства, о котором так много слышал», — вспоминал потом Менделеев.
Вернувшись из Парижа со всем оборудованием, с богатым набором необходимых препаратов, Дмитрий Иванович одну комнату превратил в лабораторию, проведя в нее газ, и засел за изучение капиллярности…
В ряду многочисленных определений гениальности есть одно на первый взгляд странное определение, принадлежащее английскому историку Т. Карлейлю. Он считал, что гениальность «означает трансцендентальную способность начать беспокоиться раньше всех». Интерес двадцатилетнего Менделеева к изоморфизму — поистине проявление этой самой «трансцендентальной способности», поскольку именно в своей студенческой диссертации Дмитрий Иванович сформулировал вопросы, которые определили основное направление его научных исследовании в последующие пятнадцать лет и ответом на которые явилось его великое открытие — периодическая система элементов.
Выясняя, что объединяет изоморфные вещества, что заставляет их атомы укладываться в один кристалл, студент Менделеев натолкнулся на интересное объяснение этих вопросов, выдвинутое некоторыми европейскими химиками. Они считали, что изоморфны лишь те вещества, у которых близки величины удельных объемов, то есть, как пишет Дмитрий Иванович, «объемы атомов вместе с их атмосферой». Он заприметил эту идею, и, когда, окончив свои изыскания, убедился, что одного изоморфизма далеко не достаточно для полного выявления сходств и различии между элементами, он немедленно делает следующий шаг — приступает к изучению удельных объемов различных веществ.
В наши дни трудно даже представить все то смешение, неопределенность и нечеткость понятии, которые царили тогда в химии и неимоверно затрудняли работу Менделеева. Достаточно сказать, что не было еще твердо проведено различие между атомом и молекулой, что еще не было уяснено до конца такое фундаментальное понятие, как валентность. Даже самое существование атомов считалось не более чем недоказанной гипотезой, и Менделееву, рассуждая об атомах, приходилось всякий раз оговариваться: «придерживаясь предположения современных последователей атомического учения». Из-за этой неопределенности основных понятий Менделеев при изучении удельных объемов вынужден был рассматривать как сложные вещества — органические и неорганические, — так и химические элементы. И что же выяснилось?
Оказалось, изоморфизм никак не связан с близостью удельных объемов, когда речь идет о сложных веществах — солях, кислотах, основаниях, спиртах, углеводородах, альдегидах. В подтверждение этого вывода Менделеев привел список изоморфных веществ с весьма далекими удельными объемами и список тел с близкими удельными объемами, но отнюдь не изоморфных. А после этого он объяснил, в чем заблуждались его иностранные коллеги: они просто принимали следствие за причину. В химии давно известны вещества, отличающиеся по химическому составу, но за всем тем дающие более или менее длинный ряд одинаковых реакции. Скажем, все кислоты окрашивают лакмусовую бумажку в красный цвет, а щелочи — в синий. Все растворы солей соляной кислоты при добавлении раствора ляписа дают белый творожистый осадок, постепенно темнеющий на свету, и так далее. Такие вещества химики назвали сходственными, и чем длиннее ряд одинаковых реакции, тем сходственнее, тем ближе вещества. Сходственность — это и есть главная причина изоморфизма, и только то, что у сходственных веществ часто бывают и близкие удельные объемы, породило заблуждение, с такой исчерпывающей полнотой объясненное Менделеевым.
Но, вычислив удельные объемы для химических элементов, Менделеев сразу обнаружил удивительные вещи. Скажем, у таких необычайно близких по химическим свойствам элементов, каковы галогены — хлор, бром, йод, — удельные объемы оказались очень близкими, а у столь же близких по свойствам щелочных металлов — лития, натрия, калия, — удельные объемы составляли почти точную пропорцию 1:2:4. И еще важное для себя открытие сделал Менделеев: у самых энергичных, бурно вступающих в реакции элементов — у галогенов и щелочных металлов — удельные объемы велики, а у малоактивных элементов, вроде иридия, платины и золота, удельные объемы, напротив, очень малы. «Чтобы дать себе некоторый отчет в этом отношении, можно представить легчайшие простые тела рыхлыми и как губка, удобопроницаемыми другими, тогда как тяжелейшие — более сдавленными, с трудом расступающимися для вмещения других элементов».
Так неожиданно вдруг обнаружилась связь между химической активностью элементов и «объемом атомов с их атмосферою»! А совершенно ясно, что эта самая «атмосфера» целиком зависит от сил сцепления… Тех самых сил сцепления, всю многозначительность и важность которых он интуитивно ощутил еще до того, как начал готовить магистерскую диссертацию об «Удельных объемах».
Изоморфизм, удельные объемы… Прочь косвенные методы! Менделеев решил атаковать проблему в лоб, непосредственным измерением узнать силы сцепления и, таким образом, «алгеброй поверить гармонию» — методами физики проникнуть в тайны сокровенной субстанции химии — в тайны вещества. И задача эта была столь деликатна, столь своеобычна, столь непроста, что для ее решения оказалась слишком примитивной лаборатория самого Бунзена, не устающего повторять: «Химик, который не есть также физик, есть ничто!»
Если, занимаясь изоморфизмом и удельными объемами, Дмитрий Иванович располагал обильным экспериментальным материалом, уже накопленным в науке трудами других, то на этот раз ему пришлось начинать почти на пустом месте. «Первое время, месяца два, — писал он в декабре 1859 года, — употребил на кучу предварительных исследовании, столь необходимых в работе, так новой для меня. Теперь уже дошел до той скорости работы, какую перейти невозможно. Средним числом для каждого тела надо три дня: день приготовить, калибровать и вычислять трубки, другой — очистить тело, третий — наблюдать капиллярность и удельный вес. Уже много органических соединении переработано мной: гомологические жирные кислоты и алкооли, эфиры, алдегиды, ароматические некоторые углеродистые водороды, глицерин, молочная кислота. Для конца работы надо еще, как оказалось теперь, определить те же данные при возвышенных температурах».
Так в декабре 1859 года была намечена программа действий, которая через несколько месяцев привела Дмитрия Ивановича к открытию температуры абсолютного кипении. Капиллярность — вползание столбика жидкости, смачивающей стенку волосной трубки, — процесс, в котором зримо проявляется действие сил сцепления. Тех самых сил сцепления, которыми дают знать о себе атомы и по которым — в этом Менделеев был убежден — можно судить о свойствах этих таинственных частичек, об их сходствах и различиях. Тайна сходств и различий элементов по-прежнему властно приковывала к себе внимание Дмитрия Ивановича.
Первые серии измерений, произведенные при комнатной температуре, не дали ожидаемых результатов, и Менделеев с некоторой досадой записал: «Выводы, каких достиг… уже, не имеют большой общности, но я надеюсь достичь этих общих результатов, надо только еще тел двадцать изучить». Наконец эти двадцать тел изучены, но ожидаемые зависимости по-прежнему ускользают от исследователя. И тогда Дмитрий Иванович решается выяснить, как влияет на капиллярность уменьшение сил сцепления в жидкости при ее нагревании. В полном соответствии с ожиданиями Менделеева столбик жидкости по мере повышения температуры опускался все ниже и ниже.