Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907 гг)

Вклад Д.И. Менделеева в учение о химическом соединении определялся, с одной стороны, физико-химическим подходом к рассмотрению свойств соединений, а с другой стороны, методологическим анализом всей совокупности сложившихся понятий. Сочетание двух этих факторов, опытом работы в различных областях химии, ранней научной самостоятельностью, наконец, педагогическими целями отличался Д.И. Менделеев от многих своих современников. Открытие периодического закона и естественной системы как комплексной проблемы оказалось не случайным в творческой биографии ученого.

Изучение особенностей изменения свойств соединений в зависимости от состава и агрегатного состояния, в конечном счете, и привело Менделеева к открытию общей систематики элементов. Центральными понятиями этого учения явились понятия о периодичности изменения свойств элементов и о «месте элемента» в системе, свидетельствующие о своеобразии отражения закона в форме системы. Важными категориями, характеризующими взаимоотношения разнообразных свойств элементов, являются здесь категории общего (единого), специфического (особенного) и индивидуального (единичного).

Под общими свойствами понимаются свойства, прежде всего относящиеся к понятию «элемент» и являющиеся конкретными едиными характеристиками атома как целого. Такие свойства Д.И. Менделеев называл «коренными», и первым из них он считал атомный вес (атомную массу) элемента. Закон периодичности можно формулировать следующим образом: свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от их атомного веса.

Представление о трех типах свойств, их взаимосвязи между собой и путях отыскания закономерностей общего характера и индивидуальных проявлений лежит в основе учения о периодичности, развитого Д.И. Менделеевым во второй половине XIX в.

Само изучение взаимосвязи свойств с составом заставило Менделеева анализировать сначала свойства отдельных элементов (что проявилось в изучении изоморфизма, удельных объемов, в сопоставлении свойств углерода и кремния), затем естественных групп (атомные массы и химические свойства) и всех классов соединений (совокупность физико-химических свойств), включая простые вещества.

Еще до Менделеева было сделано немало попыток разработать классификацию элементов, каждая из них, однако, еще не давала ключа к открытию систематики элементов, но анализ совокупности подобных работ дал Менделееву возможность по-новому рассмотреть вопрос о типах аналогии в химии. Важно заметить, что Менделеев не ограничивался изучением разностей атомных масс или рассмотрением характера изменения других измеримых свойств всех элементов, в том числе редких. Он стремился охватить всю совокупность свойств элементов и понять причины многообразия возможных их классификаций по составу, свойствам, агрегатному состоянию.

Одна из задач науки - систематизация материала. Так родилось представление о различных классах простых и сложных веществ.

Простые вещества делили на основании физических свойств, например их электрической проводимости, на металлы и неметаллы. Сложные вещества можно было классифицировать по составу: бинарные соединения, оксиды, хлориды и более сложные или, как говорили в старину, соединения второго порядка, например хлорид аммония NH4CI. Химики классифицировали соединения и по свойствам, прежде всего таким, как кислотные и основные. Другим критерием разделения были окислительные и восстановительные свойства. Когда удалось определить строение соединений, стали пользоваться и такой информацией: предельные углеводороды С - С, непредельные =С=С= и т.д.

Итак, простые вещества и сложные вещества изучали в соответствии с принятыми в науке классификациями: во-первых - по физическим свойствам, во-вторых - по химическим свойствам.

Понять научный подвиг Менделеева мы можем в том случае, если раскроем объяснительную и предсказательные функции периодического закона.

Что же был призван объяснить периодический закон? Прежде всего - характер взаимосвязей между элементами. Они угадывались уже до Менделеева. Еще лет за сорок до открытия периодического закона ученые, в частности Деберейнер, отмечали сходство химических свойств некоторых элементов.

Знания о внутреннем строении химических соединений (химической связи) и свойствах атомов химикам середины XIX в. приходилось получать косвенным путем: изучая химические реакции, сопоставляя свойства аналогичных элементов и сходных по составу соединений. Этот путь познания внутреннего на основе изучения внешнего был громоздким, длинным и извилистым. Под давлением новых фактов погибла не одна из ранее высказанных гипотез, не одно остроумное предположение.

Встала задача объединить все элементы воедино одной классификацией. Нужна была идея, которая легла бы в ее основу. Предшественники Менделеева пытались найти эту идею, располагая элементы в виде различных таблиц. Д.И. Менделеев понял: нужно пересмотреть всю систему химических понятий. Он на первых порах выступил как реформатор, Проведя историко-логический анализ, он разработал иерархию химических понятий.

Менделеев понял и в лекциях по теоретической химии 1864 г. ясно заявил, что, во-первых, химическая активность не является свойством элемента, а зависит от многих причин: степени насыщения, партнера, условий взаимодействия, т.е. от «состояния атома». Во-вторых, Менделеев понял, что химические свойства зависят от физического состояния атома: чем выше степень окисления, тем более атом теряет свою индивидуальность и приобретает черты, делающие его сходным с атомами других элементов.

И вот финал. Формируется иерархия понятий. Центральным понятием является понятие «химический элемент». Закон взаимосвязи элементов - особый закон. Он охватывает две идеи: повторение и развитие. Менделеев понял, что нужно одной идеей - периодической повторяемости свойств у высших форм соединений - объединить элементы, составляющие те две совокупности сходных элементов, о которых говорил еще Дюма. Тогда в периодической системе оказались в единстве выраженными две идеи: горизонтального и вертикального сходства, которые на разных участках системы, чередуясь, выражены в разной мере. Каждый ряд, как и группа, имеет свои особенности. Их изучение и составляет предмет неорганической химии.

Периодический закон позволил не только обосновать научную классификацию элементов и их соединений, но и позволил установить четкую взаимосвязь многих важнейших химических понятий. Развитие неорганической химии с тех пор проходит в рамках учения о периодичности. Периодический закон позволил предсказать свойства многих еще неоткрытых элементов. Предсказания Менделеева вскоре оправдались. Это был триумф теории. С его помощью, а, также используя такие достижения физики, как открытия электрона и радиоактивности, Э. Резерфорд, Н. Бор и другие ученые предложили модель атома, разработали теорию строения атома, а затем и теорию химический связи.

Так была решена одна из центральных проблем химии: выяснение связи свойств с составом и строением тех объектов, которые она изучает.

Как при открытии периодического закона, так и в дальнейшем, в ходе его развития, Менделеев столкнулся с проблемами классификации соединений: по составу, по типам химических реакций, агрегатному состоянию и т.п.

Изучая вопросы классификации, он обращается к другим свойствам, которые, например, наряду с атомными объемами, помогли бы обнаружить природу явления. Так, на основе изучения теплоемкости, позволившей уточнить данные о «частичном составе», он проводит классификацию веществ.

Главная заслуга Менделеева состояла в том, что он сумел в эпоху формирования, становления и ломки теоретического аппарата общей химии выработать такие понятия, которые бы в максимальной степени охватывали все объекты и все явления. Он стремился при этом сохранить «диалектику вещей» в «диалектике понятий». Теперь хорошо известно, что эта задача была настолько сложной, что никто из ученых XIX в. не смог избежать больших или малых ошибок. Не избежал их и Д.И. Менделеев.

Многие ученые не рисковали всецело посвящать себя рассмотрению понятийного аппарата химии, ее методологическим и философским вопросам химии.

Вот почему следует высоко оценить вклад Менделеева в формирование методологии химии, а также общей химии - науки о коренных свойствах элементов, общих законах химии и методологических основах изучения специфики проявления этих законов при изучении определенных классов соединений и процессов. Основные результаты этого труда были изложены главным образом в «Основах химии» Менделеева.

«Четыре предмета составили мое имя: периодический закон, исследование упругости газов, понимание растворов как ассоциаций и «Основы химии» - так писал Менделеев на склоне лет о результатах своей пятидесятилетней научной деятельности.

Изучение растворов на всех этапах его творчества имело важное теоретическое и практическое значение. Уже в первых своих работах, занимаясь главным образом твердыми веществами, ученый пришел к выводу об особой роли растворов в решении проблемы химического соединения.

Он понимал, что ключ к решению вопроса о физической природе и структуре растворов лежит в изучении свойств и структуры жидкостей, и искал свойство (поверхностное натяжение, изменение объема при взаимодействии двух разных жидкостей), которое позволило бы познать механизм взаимодействия частиц. На первых порах это были органические соединения, и, хотя успех был на лицо (открыта критическая температура, или температура абсолютного кипения жидкостей, т. е. показано общее для всех жидкостей свойство), Д.И. Менделеев вскоре (1862) ставит новый вопрос: рассмотреть характер взаимодействия воды и спирта.

Менделеев подчеркивал в своих статьях и докторской диссертации «О соединении спирта с водой» (1864), что эта работа носит чисто практический характер и, хотя и ставит, но не решает всех возникших теоретических проблем. Рассмотрение взаимодействия спирта и воды - наиболее изученных веществ, одного органического, другого неорганического - позволило бы использовать все имеющиеся в распоряжении ученых данные о свойствах имеющихся веществ.

Когда в 1869-1871 гг. был открыт периодический закон, и разрабатывались основные сферы его приложения к различным проблемам химии, появилась возможность просмотреть материал, относящийся к растворам, и с этой точки зрения. Менделеева интересовали, с одной стороны, общие свойства растворов (состав образуемых гидратов в результате химического взаимодействия растворенных веществ с водой), а с другой стороны, связь свойств растворов с положением элементов в системе.

В 1868 г. Дмитрий Иванович выступает в печати по вопросу о составе кристаллогидрата поваренной соли, публикует в немецком химическом журнале изложение своей работы о соединении спирта и воды, выступает на заседании Русского химического и Физического обществ при обсуждении представленных для опубликования или появившихся в печати работ (Томсена, Щербачева, Гросгана, Гутри и др.). В 1873-1874 гг. Дмитрий Иванович читает студентам Петербургского университета «Растворы».

В «Органической химии» и лекциях, прочитанных в 1862-1864 гг., ясно виден физико-химический подход к изучению проблемы химического соединения. При этом Менделеев дал ясное представление о смесях, растворах и определенных химических соединениях, используя понятие однородности вещества, а также действия законов постоянства и эквивалентов.

В лекциях по теоретической химии (1864 г.) Д. И. Менделеев повторяет высказанное еще Бертолле положение: на основании однородности растворов они должны быть отнесены к химическим соединениям. Как говорил Менделеев, «при каждом сплаве количество одного металла можно увеличить или уменьшить, но нельзя прибавить или отнять в неопределенном отношении: достигается, наконец, известный предел, дальше которого идти нельзя и после которого сплав нарушает свою однородность».

В своих лекциях неопределенными соединениями Менделеев называл растворы, изоморфные смеси, сплавы и «кремнеземистые соединения» (т. е. силикаты).

В этом курсе особенно ясно выражена мысль о том, что образование определенных соединений или состав растворов может быть изучен в результате исследования сжатия, выделения или поглощения теплоты и других свойств, чувствительных к изменению состава (или действию законов эквивалентов).

Развивая учение о составе и строении неорганических соединений, Дмитрий Иванович сравнивал сплавы, растворы и изоморфные смеси и убедился в том, что в этом случае приходится говорить о «неопределенных соединениях». При этом его интересовал в первую очередь вопрос о том, какие элементы или их совокупности способны давать соединения определенные и какие неопределенные. Уровень современной Менделееву науки не позволял ему более широко решить вопрос о взаимосвязи свойств и состава (центральная проблема формировавшегося учения о периодичности).

Его первое крупное исследование по растворам - докторская диссертация «О соединении спирта с водой» (1865) - содержало результаты наблюдений о взаимосвязи плотности и концентрации растворов спирта вдвое, а также о методе обнаружения и изучения гидратов. В дальнейшем он сумел значительно развить этот подход, увеличив количество изученных растворов. Итог этой работы был представлен в опубликованном в 1887 г. классическом труде «Исследование водных растворов по удельному весу».

Дмитрий Иванович рассматривал растворы как жидкие динамичные системы, в которых соединения находятся в состоянии подвижного химического равновесия. При этом в такой системе одновременно может происходить несколько реакций, сущность которых выражается определениями «ассоциация» и «диссоциация».

Ученый считал, что движение атомов происходит и при химическом равновесии, оно является причиной химических явлений. Нагреванием, действием электрического тока ускоряют движение атомов, что приводит к возможности химического взаимодействия (в результате диссоциации частиц).

Менделеев высказывает весьма важную мысль о составе и строении молекулярных соединений: « Молекулярные соединения не представляют всегда соединений только двух частиц, - оно может происходить и между многими, чему пример, мы видим в соединении некоторых солей с несколькими паями воды. При таких соединениях, по-видимому, важную роль положение присоединенных частиц к частице присоединившей».

При образовании растворов - по мнению Менделеева - имеют место как бы два процесса:

1. образование определенного химического соединения в соответствии с законом эквивалентов (NH₄OH);

2. его распад, т. е. Сам раствор надо рассматривать как химическую систему, в которой есть молекулы гидрата аммиака, молекулы воды (избыток растворителя) и которая находится в равновесии с аммиаком, находящимся в газовой фазе при данной температуре.

Таких химических систем может быть много, они отличаются присущими им специфическими и даже индивидуальными свойствами(спирт и вода, хлористый водород и вода и т. д.).

В своей знаменитой книге «Основы химии» Д. И. Менделеев показал не только обширный фактический и теоретический материал, но и много внимания уделил идеям философии и методологии науки. В этой книге обсуждаются логика и науки, ее язык, терминология, важнейшие движущие силы науки: связь с производством и техникой, другими науками, интернациональные и национальные черты ее развития. О химии он писал образно, порой даже поэтически. Он рассматривал эту науку и как средство получения человеком материальных благ (материальное как результат процесса познания) и как «цель достижения истины».

Выход «Основ химии» был значительным событием научной жизни России того времени. Появились отзывы в официальных журналах, коллеги выражали свою оценку в письмах к Менделееву. С 1868 по 1906 г. в России было опубликовано 8 изданий, а после смерти их автора еще 5 изданий. Кроме того, «Основы химии» были переведены на английский, французский и немецкий языки. Руководством Менделеева пользовались студенты и ученые многих стран Европы, а также США.

Успеху этого учебника немало способствовало то обстоятельство, что, помимо изложения периодического закона и периодической системы- фундамента изучения неорганической химии, в этом руководстве излагались важные идеи для понимания общих принципов химии. Сам автор рассматривал соответствующий курс, читаемый в высших учебных заведениях, как курс общей химии, который был бы полезен не только будущим химикам, но и физикам, биологам, геологам, инженерам и т. д.

Итак, Дмитрий Иванович Менделеев - это величайший ученый своего времени, который внес огромный и незаменимый вклад в развитие мировой науки.

Литература

Люди науки. Д. И. Менделеев. А. А. Макареня, Ю. В. Рысев. Москва «Просвещение» 1988г.