Дмитрий Иванович Менделеев

ФИЗИЧЕСКИЕ ИДЕИ И ОТКРЫТИЯ

В своих естественнонаучных работах Менделеев исходил из материалистического представления о природе; он был убежден в материальности и познаваемости мира. Он пришел к периодическому закону, исходя из идеи взаимной связи и превращения сил природы. Менделеев писал об открытии периодического закона: «Сущность понятий, вызывающих периодический закон, кроется в общем физико-математическом начале соответствия, превращаемости и эквивалентности сил природы».

Менделеев говорил, что естествознание открывает движение там, где на первый взгляд его не видно.

«Естественники, — писал он, — признали жизнь во всем мертвом, движение в каждом твердом теле, в каждой малейшей частице жидкости, чрезвычайно быстрые и поступательные движения в атоме газа. Для них оживотворенно то, что в общежитии считается неподвижным. Им немыслимо ныне представление о малейшей частице материи, находящейся в покое».

Менделеев резко возражает против идеалистических рассуждений о движении без материи. Он пишет: «Движение требует и предполагает движущееся…» Ленин в своей книге «Материализм и эмпириокритицизм» разбил взгляды немецкого химика Оствальда, заявлявшего в конце XIX века, будто в мире существует лишь энергия без ее носителя. Такое воззрение было названо «энергетикой», или «энергетизмом». Менделеев выступил против «энергетики» Оствальда. Он видел, что отрицание материи, отрицание вещества, сведение вещества к проявлению энергии ведет к отрицанию внешнего мира, к провозглашению внешнего мира субъективным представлением познающего «я». По словам Менделеева, «энергетики вовсе отрицают вещество, ибо, говорят они, мы знаем только энергию, веществом предъявляемую… и, следовательно, вещество есть только энергия. Такое, на мой взгляд, чисто схоластическое представление очень напоминает тот абстракт, по которому ничего не существует, кроме „я“, потому что все проходит через сознание».

В своей критике идеализма Менделеев подчеркивал, что идеализм в принципе не отличается от самого грубого суеверия, вроде распространенного в те времена в некоторых кругах «спиритизма» — веры в «духов», которых будто бы можно вызывать и беседовать с ними. Основа спиритизма, говорит Менделеев, неправильная, ложная мысль о самостоятельном существовании сознания, о сознании, не связанном с материей. «Оставаясь на подобном поле, легко впасть в тот род идей, по которому внешнего мира не существует, он только представляется нашему уму». Менделеев говорил об этом в связи с начатой им борьбой против спиритизма. В 1875 году он предложил Русскому физико-химическому обществу составить комиссию из ученых и проверить «вызовы духов», о которых говорили сторонники спиритизма, среди которых был кое-кто из крупных ученых. Работа комиссии приобрела широкую известность. Энгельс упомянул о ней в своей статье «Естествознание в мире духов»[5]. В этой статье Энгельс говорил, что естествоиспытатели, оторвавшиеся от научной философии, всегда рискуют стать жертвами самого крайнего легковерия и суеверия. Энгельс писал: «…Эмпирическое презрение к диалектике наказывается тем, что некоторые из самых трезвых эмпириков становятся жертвой самого дикого из всех суеверий — современного спиритизма»[6].

Менделеев, с его материалистическими представлениями о явлениях природы, естественно, стал руководителем группы прогрессивных ученых, выступивших против спиритизма.

Спиритизм был связан с прямым обманом и самым нелепым легковерием. Менделеев боролся и против других, более тонких проявлений идеалистической реакции. Выше говорилось об оствальдовской «энергетике». В конце прошлого века некоторые идеалисты и в особенности Мах, философия которого была разгромлена Лениным в «Материализме и эмпириокритицизме», выступили с заявлением, что учение об атомах — это чисто субъективное представление, что нельзя говорить о действительном существовании атомов. Менделеев защищал мысль о реальности атомов.

Убеждение в объективности научных законов, в материальности и познаваемости мира, в реальности атомов, мысль о непрерывном движении в природе, единстве и взаимной связи ее явлений проходит через все естественнонаучные труды Менделеева. Мы остановимся сейчас на физических трудах великого русского ученого.

Мы уже упоминали выше о работах, посвященных молекулярному сцеплению, начатых Менделеевым в юности. Эти работы были тесно связаны с химическими идеями Менделеева. Он хотел выяснить природу химических сил, заставляющих соединяться друг с другом атомы различных элементов. Менделеев стремился проникнуть в тайны химического сродства с физическими понятиями. Это было важным этапом в развитии физической химии, поднявшейся на новый уровень во второй половине XIX века благодаря трудам Менделеева.

Современная наука решает проблему химического сродства, пользуясь новыми мощными методами изучения явлений, происходящих внутри атома. Это было сделано значительно позже появления работ Менделеева, посвященных периодическому закону, и в значительной степени — на основе этого закона. После того как Менделеев, открыв периодический закон, показал связь различных элементов друг с другом, после того как было выяснено внутреннее строение атомов и явления, происходящие внутри атомов, наука смогла разъяснить природу химического сродства и валентности, т. е. способности атома присоединять к себе совершенно определенное число других атомов.

В 1860 году Менделеев еще не мог проникнуть в этот внутриатомный мир и найти причины химического сродства и валентности. Но его работы, посвященные молекулярному сцеплению, привели к крупному физическому открытию. Чтобы измерить силы молекулярного сцепления и выяснить, от чего зависит связь частиц жидкости, Менделеев пользовался тонкими капиллярными трубками, погруженными в жидкость. По таким трубкам жидкость, смачивающая их стенки, как известно, поднимается вверх. Сцепление частиц служит причиной такого подъема. Чем сильнее сцепление, тем выше поднимается жидкость. Таким образом столбик поднявшейся по капиллярной трубке жидкости измеряет силы молекулярного сцепления.

Менделеев изучал, как изменяется высота столбика, иначе говоря, как изменяются силы молекулярного сцепления в зависимости от температуры жидкости. Он нагревал жидкость, при этом молекулы жидкости начинали быстрее двигаться, связь между ними уменьшалась, и столбик в капиллярной трубке соответственно становился меньше. При определенной температуре сцепление частиц жидкости исчезало, жидкость превращалась в пар, в котором молекулы находятся в таком быстром движении, что взаимное притяжение не удерживает их друг около друга. Температуру, при которой даже при очень высоком давлении исчезают силы сцепления между молекулами жидкости, Менделеев назвал абсолютной температурой кипения жидкости. Ныне подобная температура называется критической. Когда тело нагрето выше этой температуры, всякая жидкость независимо от давления превращается в пар. В свою очередь всякий газ при охлаждении, достигая этой температуры, может быть превращен в жидкость.

Таким образом, при определенных условиях каждую жидкость можно превратить в газ и каждый газ — в жидкость. Однако такое превращение происходит, когда температура повышается (либо понижается) до абсолютной температуры кипения. Фарадей и другие физики и химики XIX века пытались, применяя высокие давления, сжать различные газы и превратить их в жидкости и во многих случаях достигали успеха. Однако, работая с некоторыми газами, они не могли достичь этой цели, и таким образом возникло ошибочное представление о «постоянных газах»: кислороде, водороде, азоте. Менделеев разъяснил, что такие газы нельзя было превратить в жидкость потому, что температура оставалась выше абсолютной температуры кипения, т. е., говоря современным языком, — выше критической температуры. Открытие Менделеева дало громадный толчок физике газов. В 70-е годы Л. Кайете и Р. Пикте удалось охладить воздух до температуры -184 °C и получить жидкий воздух. Несколько раньше ученые получили жидкую углекислоту. В конце XIX века удалось превратить в жидкость водород, а в начале нашего столетия Каммерлинг-Оннес получил в виде жидкости последний из «постоянных газов» — гелий. В дальнейшем стала развиваться во многих направлениях важная в практическом и теоретическом отношении отрасль физики — физика низких температур. В Советском Союзе работает несколько крупных лабораторий, в которых, в частности, исследуются замечательные свойства различных веществ при низких температурах вблизи температуры абсолютного нуля (-273°,13 по обычной шкале Цельсия).

Менделеев впоследствии не раз возвращался к вопросу о поведении газов и жидкостей и к разработке учения о молекулах, их движении, взаимном тяготении и отталкивании. Итогом длительных экспериментальных и теоретических исследований была работа Менделеева об упругости газов. Именно эта работа и привела Менделеева к метеорологическим исследованиям и разработке научных основ воздухоплавания, конструированию стратостата и автоматических записывающих приборов, которые можно было поднимать в атмосферу без наблюдателя.

Эта работа по упругости газов имела еще один практический результат — создание высотомера, т. е. прибора для определения высоты точки над уровнем моря. Обычный барометр показывает величину атмосферного давления, по которой можно судить о высоте точки, в которой производится наблюдение. В приборе Менделеева — высотомере отмечались лишь изменения атмосферного давления. Кран прибора запирался, и после этого прибор регистрировал лишь увеличение и уменьшение давления, причем указывал эти изменения с большой точностью. Топографы Генерального Штаба вскоре применили изобретение Менделеева для составления карт, где нужно указывать высоту различных точек над уровнем моря.

Из других коренных вопросов физики Менделеева в течение всей его жизни интересовала проблема тяготения. Менделеев производил экспериментальные работы по весьма точному взвешиванию тел. В Палате мер и весов Менделеев производил тысячи экспериментов с тем, чтобы разработать методику точного взвешивания. Это было необходимо для получения образцовых гирь. В результате этих исследований точность взвешивания увеличилась в сто раз по сравнению с достигнутой ранее. Менделеев учитывал самые тонкие воздействия внешней среды, которые могли изменить результат взвешивания. Он, например, указывал на теплоту тела наблюдателя, которая может изменить показания точных весов, и помещал между наблюдателем и весами толстую деревянную доску, обитую жестью и оклеенную станиолем[7].

Наряду с собственно физическими проблемами Менделеева всегда интересовали вопросы, находящиеся на стыке между физикой и химией. Его не оставляла надежда перебросить мост между физическими теориями, описывавшими движение молекул газов, и химическими теориями, относящимися к образованию молекул из атомов. Поэтому Менделеев с такой энергией разрабатывал проблемы физической химии и ее практических применений. Среди физико-химических трудов Менделеева важное значение для современной науки приобрела выдвинутая им химическая теория растворов. В 1865 году в работе «О соединении спирта с водой» Менделеев описывал изменения плотности раствора спирта в воде в зависимости от процентного содержания спирта. Он доказывал существование связи между молекулярными и атомными явлениями, утверждал, что при изучении растворов обнаруживаются не только физические закономерности, но и химические.

В те годы большинство химиков резко разграничивало растворы и химические соединения. Господствовавшая физическая теория растворов рассматривала растворенное вещество как совокупность молекул, распространившихся между молекулами растворителя, и отрицала наличие химических связей между веществами, входящими в раствор. Напротив, химическая, или гидратная, теория утверждала, что между ними существует химическое взаимодействие. Химические соединения отличаются постоянным составом. Вода всегда состоит из одной весовой части водорода и восьми весовых частей кислорода. Разложив любые девять граммов воды, мы всегда получим один грамм водорода и восемь граммов кислорода. Таким постоянным составом отличаются и прочие химические соединения. Иное дело растворы. Если мы насыплем соду в сосуд с водой, то можно, прибавляя соду, делать раствор более концентрированным и, напротив, можно подлить в сосуд каплю, ложку, стакан — любое количество воды, и все равно мы будем иметь перед собой раствор соды, но все уменьшающейся концентрации. Таким образом, раствор этот переменного состава, в нем составные вещества могут быть представлены в самых различных весовых отношениях.

Менделеев убедительно доказал, что, несмотря на такое коренное различие между растворами и химическими соединениями, между ними существует связь — в растворах происходят химические взаимодействия между смешанными веществами. В своей капитальной работе, написанной в 1887 году, «Исследование водных растворов по удельному весу» Менделеев писал: «Я верю в то, что удельный вес растворов, как и другие их свойства, все более и более при дальнейшем изучении предмета станут искоренять убеждение о механической простоте растворения и все определеннее и яснее, реальнее и несомненнее станут убеждать в существовании чистого химизма при акте растворения».

В дальнейшем физическая теория растворов достигла больших успехов. Следует отметить, что в воззрениях Менделеева чисто физические представления соединялись с утверждением о химических связях в растворах. Именно Менделеев значительно раньше других химиков отметил столь важное для теории слабых растворов значение физического представления о распылении частиц растворимого вещества, подобно рассеянию газа. В 1887 году он писал: «Я уже давно рассматривал разбавленные растворы как наиболее интересные и представлял их себе аналогично рассеянному или распыленному состоянию материи в парообразной форме».

В «Основах химии» Менделеев говорил, что правильная теория растворов должна учитывать как химическое взаимодействие веществ, так и чисто физическую сторону дела — распыление молекул одного вещества среди молекул другого.

«Две указанные стороны растворения и гипотезы, до сих пор приложенные к рассмотрению растворов, хотя имеют отчасти различные и сходные точки, но, без всякого сомнения, со временем, по всей вероятности, приведут к общей теории растворов, потому что одни общие законы управляют как физическими, так и химическими явлениями».

Менделеев исследовал зависимость свойств растворов от их состава. Эти исследования получили впоследствии широкое развитие.

В советской химии достигло мощного развития направление физико-химического анализа, преемственно связанное с менделеевской теорией растворов. Н. С. Курнаков (1860–1941) и его ученики собрали и обобщили обширнейшие материалы о зависимости свойств растворов от их состава. Физико-химический анализ дал чрезвычайно важные результаты для современной техники.