Читать книгу Мир, созданный химиками. От философского камня до графена - Петр Образцов - Страница 5

В 1834 году в семье директора Тобольской гимназии родился семнадцатый ребенок, которого назвали Дмитрием. Не удивляйтесь, если увидите разночтения. Во многих биографиях Менделеева указывается, что он был четырнадцатым ребенком, но это как считать. Трое детей умерли сразу после родов Марии Дмитриевны Менделеевой, владелицы небольшой стекольной фабрики. Будущий великий ученый сначала было пошел по стопам отца: после окончания Петербургского педагогического университета работал учителем в Крыму и в Одессе, а потом преподавал химию в Петербургском университете. Но преподавание – это мелочь в его биографии. А как мы знаем, русскому человеку несвойственно размениваться на мелочи. И Менделеев совершил великое открытие – придумал свою Периодическую таблицу.

Об этом не принято говорить, но совершенно ясно, что построить ее на основании имевшихся данных тогда было просто невозможно, открытие Менделеева – гениальная догадка, пусть и пришедшая ему в голову после многолетних раздумий.

Вот перед нами нарисованная самим автором открытия рукописная табличка. К тому времени было известно всего чуть более 60 элементов с их атомными весами (сейчас элементов уже почти вдвое больше). Идея расположить элементы по порядку возрастания их атомных весов совершенно естественна и банальна. Несколько сложнее было заметить периодические закономерности в этом ряду, но и здесь немало было сделано и до Менделеева. Уже существовало “правило октетов” (химические свойства каждого восьмого элемента очень близки), “правило триад” (в каждой тройке близких по свойствам элементов средний элемент обладает и средним атомным весом). Однако никому из исследователей не удавалось, пусть даже с использованием этих закономерностей, построить систему для всех известных элементов. Объяснялось это тем, что и свойства многих элементов были неизвестны или определены неверно, да и атомные веса ряда элементов были измерены неправильно.

Несмотря на свое еще юношеское преклонение перед Ньютоном, автор Периодической системы был великим химиком, а не физиком. Поэтому за основу своей системы он взял химические свойства элементов, решив расположить химически похожие элементы друг под другом, но соблюдая принцип возрастания атомных весов. Ничего не выходит! Бериллий нарушал всю картину уже в первой строчке будущей таблицы – углерод оказался аналогом алюминия, а немного дальше таким аналогом оказывается и титан. И то и другое с точки зрения химических свойств элементов является совершеннейшим нонсенсом. Углерод – типичный неметалл, а что может быть “металличнее” алюминия или титана? Вот тут бы и прекратить поиски периодичности – и ряд крупнейших ученых того времени так и поступили.

Говорят, что Периодическая таблица приснилась Менделееву во сне. Может быть, и так. Хотя вряд ли, сам Менделеев опровергал эту типично журналистскую легенду. Но в любом случае способ преодоления получившейся несуразности вряд ли лежит в области логики, может быть, здесь не обошлось без интуиции. Менделеев просто взял и изменил атомный вес бериллия, а между кальцием и титаном поставил пустую карточку, предсказав таким образом элемент скандий.

Самое поразительное, что поступил он так не с двумя элементами, а чуть ли не с третьей частью всех тогда известных! Например, он присвоил урану атомный вес 240 вместо принятого 120 (увеличил аж в два раза!), переставил местами кобальт и никель, теллур и йод. Опубликовав в 1869 году первый вариант своей Таблицы, он предсказал сразу три элемента, изменил атомные веса у десятка элементов и при этом открыл, что “свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса”. Да ничего подобного! От тех атомных весов ничего не зависело. Великий химик лукавил – он-то наверняка уже догадался, что “свойства элементов стоят в периодической зависимости от”… того номера в его таблице, которое он им присвоит! Менделеев фактически приказал элементам построиться в придуманный им ряд, и Природа послушно смирилась.

Как такое может быть, неизвестно. А как поэт Андрей Белый за 34 года до Хиросимы написал строки?

История науки знает не так много предсказаний уровня Периодического закона и Таблицы. Великий акт творения Менделеева стал подлинно научной теорией только когда были открыты и скандий, занявший ту пустую карточку, и экаалюминий (галлий), и экасилиций (германий), и благородные газы, и среди них – аргон, прекрасно вставший в Таблице до калия, хотя его атомный вес больше. И Таблица не рухнула! А несколько позже английский физик Генри Мозли объяснил, что номер в Таблице равен заряду ядра атома и что на самом деле “свойства элементов стоят в периодической зависимости от заряда ядра, равного номеру в Таблице”. То есть точно по Менделееву.

Есть такая теория, что мир не только не познаваем, но и зависит от того, кто его познает, – исследователь неизбежно влияет на результат эксперимента. Градусник, помещенный в кипяток для измерения температуры, на тысячную долю градуса сам охлаждает воду. И потому есть множество одновременно существующих Вселенных с различающимися свойствами. Можно сказать, что наша Вселенная, состоящая сейчас из примерно 120 элементов, устроена Дмитрием Ивановичем Менделеевым.

Он прожил 73 года, написал около 500 статей по химии, физической химии, технике, физике, экономике, геодезии. Организовал и стал первым директором Палаты мер и весов, был профессором университета и действительным статским советником (то есть генералом), ушел из университета в знак протеста против сужения университетской автономии, был избран в 90 иностранных академий наук и забаллотирован при выборах в русскую. Российские академики сочли его труды недостаточно фундаментальными, слишком близкими к практическим нуждам.

В качестве хобби Дмитрий Иванович переплетал книги и сам себе шил одежду, считая ту, что продавалась в магазинах, неудобной. Для энциклопедии Брокгауза и Ефрона он написал статьи не только о винокурении, но и о варениках. Самым вредным человеческим качеством считал скромность и умело выбивал деньги из правительства для своей лаборатории, наблюдал солнечное затмение с воздушного шара. Придумал теорию неорганического происхождения нефти из карбидов металлов – после почти столетнего пренебрежения к ней сейчас возвращаются геологи и химики. Периодическую систему он создал в 35 лет.

На один из юбилеев Дмитрию Ивановичу подарили драгоценные, изготовленные из чистого алюминия химические весы: дешевый электрохимический способ получения этого металла был тогда неизвестен, хотя в работах Менделеева есть намек и на эту технологию. Американские физики синтезировали 101-й элемент Таблицы и назвали его менделевием, на Земле есть минерал имени Менделеева, вулкан и подводный горный хребет Менделеева, а на обратной стороне Луны – кратер Менделеева.

Но к светлому имени прилипли и дурацкие легенды. Прежде всего о том, что Д.И. Менделеев якобы придумал водку, точнее – назвал 40° лучшей концентрацией спирта в воде, при которой якобы водка самая “питкая”. Хорошо хоть, что не назвали ее самой полезной!

И до сих пор бытует легенда, что “стандарт русской водки высшего качества был утвержден царской правительственной комиссией во главе с Д.И. Менделеевым в 1894 году”. И вообще, история о том, что “водку изобрел Менделеев”, стала так же распространена, как в гоголевские времена фраза “немец луну сделал”. Поскольку хлебное вино у нас пьют уже лет триста-четыреста, с именем Менделеева стали связывать не само “зелено вино”, а выбор для водки крепости именно в 40°. Однако в трудах великого химика отыскать обоснование этого выбора не удается. Диссертация Менделеева “О соединении спирта с водой”, написанная в 1864 году и посвященная свойствам смесей спирта и воды, никак не выделяет эти 40°. Да, Менделеев действительно написал статьи “Водка” и “Винокурение” для словаря Брокгауза и Ефрона, но, собственно, и что из этого? Выше уже отмечалось, что он написал для энциклопедии и статью о варениках – так что жирность творога тоже придумал Менделеев?

И это еще не все. “Царская правительственная комиссия” никак не могла установить данный стандарт водки уже хотя бы потому, что эта организация – “Комиссия для изыскания способов к упорядочению производства и торгового обращения напитков, содержащих в себе алкоголь, – была образована по предложению С.Ю. Витте (а вовсе не царя) только в 1895 году! Причем Менделеев выступал на ее заседаниях в самом конце того же, 1895, года и по вопросу об акцизах.

Хочется, конечно, понять, почему именно 40°. Вот пара предположений. Во-первых, выбор для водки именно 40° – дело случая и удобства смешивания спирта с водой в соотношении “два к трем”. Более простое соотношение “один к одному” крепковато, хотя и такая 50-градусная водка выпускается. Во-вторых, если строго пересчитать 40 объемных процентов на весовые, то мы получим, что водка имеет весовую концентрацию 33,3 %, то есть ровно треть! Это как раз очень важно. Изготавливать водку путем смешивания спирта и воды по объему удобно, но не очень хорошо, поскольку объемы жидкостей зависят от температуры. А при смешивании по массе этот эффект отсутствует. В случае спирта сие очень важно, ведь у нас в России чрезвычайно трудно удержаться, чтобы спирт не украсть.

Дмитрий Иванович может считаться последним энциклопедистом – и не только в российской, но и в общемировой науке. Конечно, главное дело и достижение его жизни – Периодическая система элементов, и, говоря о Менделееве, вспоминают всегда именно об этом, но ведь и Леонардо да Винчи не только написал “Джоконду”. Он и много чего другого сделал. Хотя надо сказать, что Леонардо считают энциклопедистом и “универсальным человеком”, мягко говоря, несколько незаслуженно: практически ни одно из его изобретений не было и не могло быть реализовано, за исключением разве что колесика для высекания искры и воспламенения пороха в пистолете (почти точная копия используется и сейчас в зажигалках). Знаменитый танк Леонардо к настоящим танкам отношение имеет крайне отдаленное, рисунок велосипеда скорее всего подделка, а робот Леонардо самостоятельно двигаться не мог и представлял собой карикатуру на рыцаря.

А вот многие работы Дмитрия Ивановича – по метрологии, воздухоплаванию, метеорологии, сельскому хозяйству, экономике и даже по установлению акцизов на водку – были использованы современниками. Некоторые же его открытия – например, формула Менделеева – Клапейрона для идеальных газов или теория растворов – навсегда останутся в науке. Несколько его изобретений реализованы в первом российском ледоколе “Ермак”. Он разработал и первый отечественный бездымный порох.

Существует легенда, что в данном случае Менделеев не был особенно оригинален, зато он стал одним из первых в истории России промышленным шпионом. Во время командировки во Францию он ознакомился с бездымным порохом, рецепт изготовления которого французы ему не дали, вполне справедливо ссылаясь на секретность разработки, – это как раз правда. Но вот расчеты о поступавших на завод, где производился бездымный порох, целлюлозы, серной и азотной кислот Менделеев не производил, это совершеннейшая чепуха. К тому времени состав бездымного пороха (пироксилина), получающегося в реакции целлюлозы со смесью серной и азотной кислот, был отлично известен. Трудности составляли технические детали производства и физико-химические свойства продукта. Дело было в том, что патроны и снаряды, начиненные этим порохом, взрывались прямо в стволе орудия. Менделеев же сумел получить нитроклетчатку, которая полностью растворялась в смеси спирта и эфира.

Это вещество, названное им пироколлодием, показало прекрасные результаты. Однако из-за разного рода интриг производство менделеевского пироколлодия вскоре было прекращено, и, по российскому обыкновению, правительство предпочло покупать порох за границей, пусть и худшего качества.

Получение пироксилина:

(C₆H₁₀O₅)n + 3nHNO₃ = [C₆H₇O₂(NO₃)₃]n + 3nH₂O

Но самая экзотическая идея Дмитрия Ивановича – после Периодического закона, разумеется, – это неорганическая теория происхождения нефти: не из сгнивших лишайников и тушек динозавриков, а из глубоко под землей залегающих карбидов металлов. Эта теория, на которую еще недавно геологи посматривали с брезгливой усмешкой, вдруг в последнее время начала получать некоторое подтверждение. Нефть стали находить так глубоко и в таких слоях земли, где никогда никакой флоры-фауны не наблюдалось. Карбиды – это соединения тяжелых (и не очень тяжелых) металлов с углеродом, и если такой карбид поместить в воду, то происходит химическая реакция и выделяется углеводород. А углеводород – это и есть основа нефти. Простейший пример: карбид кальция СаС₂, брошенный мальчишкой в воду, выделяет ацетилен, который можно поджечь спичкой.

Карбид кальция и его реакция с водой:

CaC₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + C₂H₂

Правда, до сих пор карбидов в глубинах земли не обнаружили и ученые несколько модифицировали теорию образования нефти из неорганических веществ, но все равно у ее истоков стоит Менделеев.

Или другая идея ученого – подземная газификация угля. Когда читаешь про страшные аварии, про гибель шахтеров в Сибири, на Украине или в Китае, и понимаешь, что в любом случае, при любой, самой совершенной системе безопасности, все равно люди будут гибнуть в шахтах, на страшной глубине, поневоле подумаешь, да не зарыть ли к черту все эти адские подземелья? И, вспомнив Дмитрия Ивановича, перейти на “современную” технологию, придуманную им сто лет назад.

Дмитрий Иванович Менделеев не получил Нобелевской премии, что больше говорит о премии, чем о великом ученом. Из российских ученых этой премии по химии удостоился (в 1956 году) только Николай Николаевич Семенов. Зато в 2010 году стали лауреатами Нобелевской премии, правда, не по химии, а по физике, два экс-российских ученых за открытие новой модификации углерода – графена. Кстати, именно углерод оказался одним из тех элементов, неестественное положение которого в предыдущих системах элементов привело Менделеева к мысли о смелом изменении атомных весов некоторых элементов. И вообще, углерод настолько важный элемент, что он вполне достоин отдельного рассказа.