Некоторые физические аспекты в научной деятельности химика Дмитрия Ивановича Менделеева
статья по физике (9, 10 класс) на тему

    Калаева В.Л., Якутина И.Б.

      Некоторые физические аспекты в научной деятельности химика

Дмитрия Ивановича Менделеева

Имя Дмитрия Ивановича Менделеева известно, наверное, даже младшим школьникам. И почти любой из них скажет, что это – русский ученый-химик. Но научные интересы ученого были очень разнообразными. Например, занимаясь изучением различных химических процессов, происходящих при взаимодействии веществ, необходимо было совершенствовать и методику преподавания. Следовательно, педагогика не могла не войти в сферу интересов ученого. 

Менделеев изучал и переводил труды иностранных ученых, с некоторыми из которых был лично знаком. Иногда их связывали дружеские отношения. Во время двухлетнего пребывания с 1859 года за границей, в Гейдельберге, куда он приехал ради Р.Бузена, Г.Киргофа и Г.Коппа, работавших в интересной и близкой Менделееву области физической химии, ученый устроил собственную лабораторию в частной квартире. В Бонне «знаменитый стеклянных дел маэстро» Г. Гесслер даёт ему уроки, сделав около 20 термометров и «неподражаемо хорошие приборы для определения удельного веса». У известных парижских механиков Перро и Саллерона Менделеев заказывает специальные катетометры1 и микроскопы [2]. Сам же он сконструировал пикнометр – прибор для определения плотности жидкости.

Менделеев имел ясный план исследований – теоретическое рассмотрение тесной взаимосвязи химических и физических свойств веществ на основе изучения сил сцепления частиц, чему должны были служить данные, полученные экспериментально в процессе измерений при различных температурах поверхностного натяжения жидкостей – капиллярности[4]. Так, в 1860 году Менделеев открыл «температуру абсолютного кипения жидкостей», или критическую температуру. В статье, посвящённой исследованию, Д. И. Менделеев сообщает, что при абсолютной температуре кипения, полный переход жидкости в пар сопровождается уменьшением поверхностного натяжения и теплоты испарения до нуля. «В этой маленькой лаборатории Дм. Ив. сделал и напечатал ряд серьёзных работ над капиллярностью, расширением жидкостей и температурой абсолютного кипения (которую Эндрюс назвал позднее – критической температурой). Работы эти, напечатанные на нескольких языках, доставили молодому Менделееву почетную известность за границей» [3, с.14]. 

_______________________________

1 – Катетометр – прибор для точного измерения вертикальных расстояний между точками (не обязательно лежащими на одной вертикали) при физических опытах. Катетометр был изобретен французскими физиками Пьером Дюлонгом и Алексисом Пти в 1816 году для измерения разности уровней ртути в сообщающихся сосудах; различные усовершенствования в его устройство были внесены Д. И. Менделеевым [1].

Эта работа – первое крупное достижение учёного. В декабре 1860 года ученый пишет в Петербург, что главным предметом его занятий является физическая химия.

Ещё в 1854 – 1856 гг. Д. И. Менделеев исследовал явления изоморфизма, раскрывающие

отношения между кристаллической формой и химическим составом соединений, а также зависимость свойств элементов от величины их атомных объёмов.

Самое известное открытие ученого – периодический закон химических элементов – имеет в своей основе как химическую, так и физическую составляющие. Ведь в его основе лежит атомная масса элемента, находящаяся, точнее влияющая на свойства этого элемента. Эти свойства являются как химическими – валентность – возможность взаимодействия с другими веществами, так и физическими – агрегатные состояния, структура кристаллической решетки (если таковая имеется), тепло- и электропроводность и др.

Периодический закон не давал представления о строении атома, но являлся отправной точкой для дальнейших исследований в этой области. По словам советского академика В.И.Спицина, «…Первые представления о строении атомов и природе химической валентности, разработанные в начале нашего столетия, основывались на закономерностях свойств элементов, установленных с помощью периодического закона» [4]. Справедливость этого закона была подтверждена открытием предсказанных Менделеевым элементов с определенными свойствами: галия (1875), скандия (1879) и германия (1886). 

Таким образом, можно смело сказать, что периодический закон – это один из фундаментальных законов природы, наряду с законами механики Ньютона. Не зря, делая доклад Великобританскому Королевскому Институту, Д.И.Менделеев выбирает тему: «Попытка приложения к химии одного из начал естественной философии Ньютона», а для лекции Химическому Обществу «Фарадеевское чтение»: «Периодическая законность химических элементов». Выступления состоялись по приглашению этих знаменитых научных обществ в мае 1889 года. Впервые такая честь выпала на долю русского ученого. «Два Лондонских чтения» вышли на русском языке двумя изданиями в 1889 и 1895 гг.

В рабочих тетрадях Менделеева можно найти подтверждение последовательным поискам ученого связи между массой, объёмом и силой взаимодействия частиц. Он ищет эту аналитическую зависимость в области «молекулярной механики». Предположение Д. И. Менделеева о функции поверхностного натяжения, связанной со структурой и составом вещества позволяет говорить о предвидении им «парахора»2.

___________________________

2 - Парахор – комплексное физико-химическое свойство вещества, связывающее поверхностное натяжение жидкости с плотностью жидкости и пара [1].

С 70-х годов XIX века Менделеев и его сотрудники занимаются исследованием свойств газов, в том числе воздуха; в 1871 – 1875 гг. проверкой основных газовых законов Бойля- Мариотта и Гей-Люссака. И опять Менделеев занимается усовершенствование приборов для своих опытов и даже изобретением новых: дифференциальных барометров и термометров, ртутного насоса и др. Исследуя газы, Менделеев нашёл в 1874 году общее уравнение состояния

идеального газа, включающее как частность зависимость состояния газа от температуры, обнаруженную в 1834 году физиком Б. П. Э. Клапейроном (уравнение Клапейрона – Менделеева). Итогом стала публикация обширной работы «Об упругости газов» и ряд более мелких работ. Таким образом, наиболее важным результатом в области физики, полученным благодаря Д. И. Менделееву, явился вывод уравнения идеального газа, содержащего универсальную газовую постоянную. Также очень важным, но несколько преждевременным, было предложенное Д. И. Менделеевым введение термодинамической шкалы температур.

Учёным было избрано правильное направление для описания свойств реальных газов. Вириальные разложения3, использованные им, соответствуют первым приближениям в известных сейчас уравнениях для реальных газов.

Проведя детство на стекольном заводе, Д.И.Менделеев впоследствии всегда интересовался вопросами русской промышленности.  Но он никогда не останавливался на мелочах ни в науке, ни в других вопросах, его всегда интересовали основы. Для промышленности это – горючие материалы, сырьё. Так нефтяная промышленность России создавалась на его глазах и при его непосредственном участии. В 1877 году Менделеев выдвинул гипотезу происхождения нефти из карбидов тяжёлых металлов (которая, правда, на сегодня большинством учёных не принимается), предложил принцип дробной перегонки при переработке нефти. В 1880 и 1886 году он ещё раз посетил Баку, занимался разработкой вопросов о возможности строительства Баку-Батумского нефтепровода, а также применения тяжелых масел для освещения. Менделеев также изучает каменный уголь и рудные месторождения Донецкого бассейна, которому он предсказывает мировое значение. Он намеревался издать обширное сочинение «Основы фабрично-заводской промышленности», но успел написать только первый выпуск «О топливе», в котором установил точную зависимость теплотворной способности углей от их химического состава.

Но вскоре Дмитрий Иванович опять возвращается к области физико-химических проблем. Занимаясь вопросом о расширении жидкостей от нагревания, Менделеев предлагает

____________________________________

3 – Классическое вириальное разложение выражает давление многочастичной системы, находящейся в термодинамическом равновесии, в виде степенного ряда по плотности. Вириальное разложение было впервые использовано в 1901 году Камерлинг-Оннесом как обобщение закона идеального газа [1].

приближенную формулу, такую же простую, как формула газов. В 1887 г. в свет выходит «Исследование водных растворов по удельному весу», в котором была изложена новая, оригинальная теория – теория гидратных растворов, где ученый развил идеи о существовании соединений переменного состава. Менделеевское учение о растворах и гипотеза о существовании ионов в растворах электролитов в своем синтезе позволили создать теорию растворов электролитов, позднее подтвержденную на практике.

Отдельные статьи о Д.И. Менделееве могут быть посвящены созданию и деятельности Главной Палаты мер и весов, его вкладу в российское воздухоплавание, деятельности по укреплению военной и морской мощи России. По заданию Морского и Военного министерств совместно с Чельцовым Менделееву удалось создать тип бездымного пороха. Труды Д. И. Менделеева по сопротивлению среды и воздухоплаванию находят продолжение в работах, посвящённых кораблестроению и освоению арктического мореплавания. Когда в конце 1870-х годов Д. И. Менделеев занимался изучением сопротивления среды, им была высказана мысль о постройке опытового бассейна для испытания судов. Д.И.Менделеев стоял у истоков создания первого в мире ледокола, был членом комиссии, говорил о перспективах освоения Крайнего Севера. Первый в мире арктический ледокол «Ермак» был построен в Англии и спущен на воду 29 октября 1898 года. Модель строящегося ледокола прошла испытания в опытовом судостроительном бассейне Морского министерства. Помимо определения скорости и мощности была дана гидродинамическая оценка винтов, прошло исследование остойчивости, сопротивления нагрузкам поперечной качке, для ослабления воздействий которой было внесено ценное техническое усовершенствование, предложенное Д. И. Менделеевым, и впервые применённое в новом корабле. 

Занимаясь изучением растворов, Д. И. Менделеев в конце 1880-х – начале 1890-х годов проявляет большой интерес к результатам исследований плотности морской воды, которые были получены С. О. Макаровым в кругосветном плавании на корвете «Витязь» в 1887 – 1889 годах. Эти ценнейшие данные чрезвычайно высоко оценивал Д. И. Менделеев, включивший их в сводную таблицу величин плотности воды при разных температурах, которая была приведена в статье «Изменение плотности воды при нагревании».

Не секрет, что Д.И.Менделеев с риском для жизни дважды поднимался в корзине воздушных шаров (в Париже – 1878 г., в Клину – авг. 1887 г.), проводя в воздухе не только наблюдение солнечного затмения, но физические опыты.

«Если подвести итог всего, что напечатано Д.И.Менделеевым, то оказывается, что общая сумма книг, брошюр и заметок превышает 350; из них 2/3 приходится на оригинальные работы по химии, физике, техническим вопросам» [3, с. 26]. Д. И. Менделеев – автор фундаментальных исследований по химии, физике, метрологии, метеорологии, экономике, основополагающих трудов по воздухоплаванию, сельскому хозяйству, химической технологии, народному просвещению и других работ, тесно связанных с потребностями развития производительных сил России.

«Как высоко ценили Менделеева за границей, видно из следующих слов проф. Т.Е.Торпа (Nature 1899): «Ни один русский не оказал более длительного влияния на развитие физических знаний, чем Менделеев…» [3, с. 27].

        Нашей целью при написании этой статью было показать школьникам широту и глубину научных знаний таких учёных как Дмитрий Иванович Менделеев, которых по праву называли учёными-энциклопедистами.

Литература

1. Большая советская энциклопедия.
2. Летопись жизни и деятельности Д. И. Менделеева /Авторы: Р. Б. Добротин, Н.Г.Карпило,

Л. С. Керова, Д. Н. Трифонов; Отв. ред. А. В. Сторонкин; Рецензенты: Р. Г. Гребенщиков, В. И. Кузнецов, Ю. Б. Соловьёв; Академия наук СССР. Секция химико-технологических и биологических наук. – Л.: Наука, 1984. – 532 с.

3. Некролог Почетного члена Императорского С.-Петербургского университета

заслуженного профессора Дмитрия Ивановича Менделеева. 1907 г.

4. Спицын В. И. Периодический закон Д. И. Менделеева с точки зрения современных

представлений о веществе // Д. И. Менделеев. 150 лет со дня рождения. 1834 – 1984. – М.: Наука, 1986.

5. Тищенко В. Е., Младенцев М. Н. Дмитрий Иванович Менделеев, его жизнь и

деятельность. Университетский период 1861 – 1890 годы. – М.: Наука, 1993.