Дмитрий Иванович Менделеев

В свою очередь физик обычно мало интересовался химическим составом вещества. Он стремился установить общие законы, управляющие всеми веществами вообще. Его внимание поглощали не столько сами по себе бром, цинк, иод и т. д., сколько те состояния, в которых они могли находиться: твердое, жидкое и газообразное. И действительно, зная, что цинк кипит при одной температуре, а вольфрам – при другой, еще ничего нельзя сказать о них как о химических элементах. Но зато можно сделать важное для физика заключение о том, насколько прочнее связи между атомами у одного металла, чем у другого.

Физический закон, утверждающий, что равные объемы газов при одинаковом давлении и температуре содержат равное число молекул, является общим законом для всех газов, независимо от их химического состава. Таких примеров можно привести много.

Называя главный предмет своих занятий «физической химией» и провозглашая тем самым наступательный союз двух наук во имя разоблачения тайны химического сродства, Менделеев выдвигал, следуя за Ломоносовым, широчайшую новую программу науки, которую удалось осуществить в полном объеме лишь значительно позже. В основе современной науки действительно лежит синтез физических и химических знаний. Он осуществляется физической химией и новой ее отраслью, которая называется химической физикой. Здесь нет игрысловами: речь идет о самостоятельных областях единой науки, широко применяющей физические методы для решения все той же основной задачи, которую всегда ставила перед собой химия. Но если физическая химия, по преимуществу, подбирает примеры для решения этой задачи, химия изучает готовый ответ, то химическая физика расшифровывает ход ее решения. Соперничая в совершенстве методов исследования с быстротой химических превращений, эта новая наука сумела «остановить мгновение» – она расчленила, разъединила химическое превращение, успела рассмотреть его промежуточные ступени, не различимые ранее.

Для уточнения различия в предмете исследований этих родственных областей знания можно сказать, что физическая химия исследует вопросы превращения тепловой, механической и электрической форм энергии в химическую. Химическая же физика изучает процессы, происходящие внутри атома, точнее – в его электронной оболочке.

После Менделеева в России физическая химия была представлена школами Н. Н. Бекетова, Н. С. Курнакова, Л. В. Писаржевского. В настоящее время ее полного расцвета достигли школы крупнейших советских физико-химиков – академиков Н. Н. Семенова, А. Н. Фрумкина, А. Н. Теренина, П. А. Ребиндера и других.

Но здесь нет места для рассказов об увлекательных достижениях и сложных проблемах новой науки. От них нам надо вернуться очень далеко назад – к первым шагам, которые в этой области сделал молодой Менделеев. Для этого нам придется оставить в стороне все, что мы успели узнать о сущности химического сродства благодаря объединенным усилиям физики и химии последнего времени.

Нам придется забыть, что атомы заставляет соединяться между собой та же сила, которая заставляет гребенку, потертую о волосы, притягивать к себе листочки бумаги, – сила электрического притяжения, проявляющаяся, однако, совсем не так элементарно, как это представлял себе когда- то Берцелиус. Забудем об электрической природе такого свойства гранита, как прочность, такого свойства стали, как твердость, и чисто химической «любви» соли к воде. Забудем, что присущее атому свойство соединяться с точно определенным числом атомов других элементов, сущность которого как раз и стремился выяснить Менделеев, – так называемая атомность или валентность, – объясняется способностью атомов обмениваться между собой электронами, которыми насыщены оболочки их ядер. Сила сцепления частиц вещества, порождающая такие явления, как прилипание, смачиваемость и т. д., тоже электрического происхождения, но проявления ее связаны с более грубым взаимодействием частиц вещества – молекул, составляющих индивидуальность того или иного химического соединения. Отсюда нельзя сразу перескочить к значительно более тонким силам химического сродства, характеризующим индивидуальность отдельных атомов, сцепляющихся между собой для того, чтобы образовать молекулу.

Но мы все эти современные воззрения на структуру вещества должны оставить в стороне совсем не для того, чтобы на опустевшем фоне большой карты нашего знания нам показались более оправданными попытки Менделеева от «механики частиц» подобраться сразу же к силам химического сродства.

Все высказанные уже оговорки необходимы лишь для того, чтобы мы могли следить за опытами, задуманными Менделеевым в 1860 году, без всякой предвзятости и без чрезмерных ожиданий. Они достаточно интересны сами по себе, и мы их так, попросту, и опишем.

Чего хотел достичь Менделеев – мы знаем: он стремился ослабить силы сцепления между молекулами и посмотреть, не прячутся ли за ними какие-нибудь любопытные и важные для химии свойства вещества, обычно замаскированные игрой этих сил взаимодействия между молекулами. Когда, с помощью рычага весов, он оторвал пластинку, припаянную к поверхности жидкости, он противопоставлял силе сцепления частиц жидкости силу земного тяготения. Он словно «взвешивал» стремление молекул к взаимному сближению. В этом опыте сила сцепления испытывалась на крайнем пределе ее мощи, когда она в состоянии еще удерживать прилипающую к поверхностному слою пластинку твердого тела. Но эту же силу можно наблюдать и на крайнем пределе ее немощи, когда она почти уничтожена. Что лее может свести «нанет» силу сцепления частиц между собой? Только что родившаяся новая механическая теория тепла указывала Менделееву ответ: ускорение их хаотического теплового движения.

Прибором для измерения сил сцепления частиц жидкости Менделееву служила тонкая стеклянная трубка с отверстием не толще волоса, так называемый капилляр. Если такой капилляр погрузить одним концом в жидкость, он тотчас начнет наполняться этой жидкостью до определенного уровня. Одна жидкость поднимается в капиллярной трубке на большую высоту, другая – на меньшую. Она вздымается повыше, если сила сцепления частиц в жидкости велика, пониже – если она мала. Таким образом, в этом простом приборе связываются между собой два физических явления: сила сцепления частиц жидкости и высота подъема жидкости в капилляре, – здесь одно является следствием другого, одно познается через другое. Шкалой этого прибора является сама стеклянная трубочка капилляра. Указатель силы сцепления – столбик жидкости, вздымающийся по волосному каналу капилляра на ту или иную высоту. Если жидкость нагревать, сцепление частиц в ней ослабляется, потому что верх берет хаотическое тепловое движение, передающееся от молекулы к молекуле и заставляющее их двигаться все быстрее и быстрее. Термометр показывает, насколько сильно нагрета жидкость. Насколько, соответственно, уменьшается сила сцепления, показывает высота подъема жидкости в капиллярной трубке. Вот и все исходные условия для наблюдений, которые предпринял Менделеев.

Он с утра и до ночи пропадал в своем сарайчике. Ему приходилось быть одновременно и исследователем, и препаратором, и лаборантом. Он сам паял термометры, сам очищал исследуемые жидкости от примесей, проверял или заново определял их удельные веса, снова оставляя в наследство своим благодарным последователям громадные таблицы безупречно точных данных. Он сопоставлял силу сцепления жидкостей и их плотность. Он наблюдал за тем, как сцепление изменялось с изменением состава жидкости. Он старался обнаружить еще новые, неизвестные связи явлений. И он не замечал ничего! Во всяком случае – ничего интересного для химика.

Он несколько видоизменил свои опыты: он измерял удельный вес жидкости при самых высоких температурах и самых больших давлениях, которые мог получить. Для этого он нагревал жидкости в запаянных с обоих концов стеклянных трубках. Увы, изменения удельного веса при всех условиях подчинялись одним и тем же законам. Никаких отступлений от хорошо известных правил! Было от чего прийти «в отчаяние… Вместо того чтобы открывать новые явления, Менделеев исчерпывал – «закрывал» – одну область исследования за другой. После такого тщательного обследования там нечего было бы больше делать. Он выполнял, таким образом, почетную и важную, хотя и незаметную, черновую работу ученого. Без нее наука не может двигаться вперед, как войско, не закрепившее за собой тыла.

Но Менделеев мечтал о другом!.. Где творческие свершения? Где разгадка ускользающей тайны?

Но вот одно явление, настолько мало выделяющееся из ряда других, подобных, что мимо него легко пройти равнодушно, как это и произошло со многими наблюдавшими его ранее – французским химиком Каньяр Латуром и другими. Перед исследователем запаянная стеклянная трубка с жидкостью. Он ее ставит вертикально. Края поверхностной пленки жидкости в капиллярной трубочке наползают на ее стенки и поднимаются выше уровня жидкости, как бы загибаются кверху. Поверхность жидкости, под действием сил сцепления, становится вогнутой. К запаянной трубке с жидкостью подводится источник тепла. Жидкость начинает нагреваться. Под влиянием нагревания силы сцепления ее частиц ослабевают, уравновешиваются силами теплового движения молекул, и уровень жидкости постепенно выравнивается. Из вогнутого он становится почти совсем плоским, еще более плоским, затем вдруг, внезапно, происходит мгновенный переход, и жидкость в трубке нацело исчезает – она вся сразу превращается в пар. Это происходит, когда сцепление становится равным нулю и жидкость превращается в тело без сцепления – в газ, – это отметил Менделеев в своей статье «Частичное сцепление некоторых жидких органических соединений», напечатанной в 1860 году в первом русском химическом журнале Н. Н. Соколова и А. Н. Энгельгардта, который эти неутомимые пропагандисты химии стали издавать в виде приложения к «Горному журналу».

«Температура этого превращения жидкости в газ – это абсолютная температура кипения», – написал Менделеев далее. С этими словами в науку входило новое понятие огромной важности. В следующей большой статье, опубликованной в том же журнале, «О сцеплении некоторых жидкостей и об отношении частичного сцепления к химическим реакциям» (1860) Менделеев еще более определенно подчеркивал, что «абсолютная температура кипения» жидкостей – это такая температура, выше которой жидкость уже не может существовать как жидкость: она вся превращается в пар».