Текст книги "Мир учёного Менделеева: Как рождаются научные открытия"

Марина Ульяненкова
Мир учёного Менделеева: Как рождаются научные открытия

Знак информационной продукции (Федеральный закон № 436-ФЗ от 29.12.2010 г.)

Научно-популярное издание

Детская библиотека «Глазами инженера»

Издано при содействии ПАО «СИБУР Холдинг»

Главный редактор: Лана Богомаз

Руководитель проекта: Ирина Останина

Художественный редактор: Аля Щедрина

Научный редактор: Денис Байгозин

Научный консультант: Юлия Игнатик

Литературный редактор: Светлана Алленова

Корректор: Зоя Скобелкина

Компьютерная верстка: Стефан Розов

* * *

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

Предисловие автора

Дмитрий Менделеев – один из самых известных русских учёных. Он совершил немало научных открытий и написал более 400 работ. Значительная их часть посвящена химии, но Менделеев занимался также физикой, географией, инженерией, экономикой, сельским хозяйством, а ещё многие годы преподавал в университете и находил время на свои разнообразные увлечения. И как же он всё успевал?

Скорее всего, многие слышали историю о том, что Дмитрию Ивановичу приснилась его знаменитая периодическая таблица. Неужели это действительно возможно – совершить такое выдающееся открытие во сне? Конечно, нет! Менделеев, как и все учёные, использовал научный метод: более пятнадцати лет он размышлял о химических элементах, об их сходствах и различиях, ни одну идею не принимая просто на веру. Он провёл множество опытов, сделал огромное количество наблюдений и вычислений, проанализировал накопленные знания, чтобы проверить свои догадки, построить гипотезы, а впоследствии – научные теории и законы. И результатом этих трудов стало появление таблицы, которую теперь можно увидеть в любом химическом кабинете.

Ну а кто же всё-таки придумал историю про таблицу, которая явилась во сне? Вы удивитесь, но это был сам Менделеев! Однажды он в шутку рассказал своему ученику Иноземцеву, что так долго и трудно работал над поставленной задачей, что стал плохо спать по ночам. Как-то раз он задремал на диване в своём кабинете… и вдруг увидел во сне долгожданное решение, проснулся и записал его. Но мы-то понимаем, что такой сон может присниться только настоящему учёному! Об этом и других важных достижениях Менделеева вам и предстоит узнать из этой книги.

Предисловие научного редактора

Имя Дмитрия Ивановича в России известно всем. Более того, он один из немногих учёных, которых узнают «в лицо», ведь его портрет часто смотрит на нас со стены кабинетов химии рядом с его знаменитой таблицей. Но далеко не каждый знает, что Менделеев был куда более разносторонним человеком. Книга, которую вы держите в руках, – краткий, но ёмкий путеводитель по миру знаменитого учёного, не только раскрывающий его талант и личность с разных сторон, но и, очень надеюсь, мотивирующий на увлечение наукой.

Менделеев был убеждён, что нет ничего увлекательнее, чем учиться понимать законы природы, видеть суть вещей и создавать что-то новое. И в этом я с ним полностью солидарен. Приятного чтения!

Д. В. Байгозин, химик-разработчик, преподаватель-методист, популяризатор науки @blogximika

Семнадцатый сын

8 февраля 1834 года в сибирском городе Тобольске в семье Ивана Павловича и Марии Дмитриевны Менделеевых родился семнадцатый ребёнок. Назвали мальчика Дмитрием, в честь деда, Дмитрия Васильевича Корнильева.

Самый младший в семье, Митя рос настоящим баловнем. В детстве его лучшим товарищем во всех играх стал брат Паша, который был старше всего на год. Вместе они вели беззаботную жизнь в селе Аремзянское неподалёку от Тобольска: ловили рыбу, ходили пасти лошадей с деревенскими мальчишками, собирали грибы и ягоды.

Когда Мите исполнилось семь лет, он поступил в Тобольскую классическую гимназию. Учился мальчик не слишком усердно, часто получал тройки и даже двойки. Никто и не думал, что Митя когда-нибудь станет учёным и прославит свою семью. Особенно трудно ему давались иностранные языки, и иногда Митя даже уговаривал отца выполнить вместо него домашнее задание по ненавистной латыни. А вот физику и математику гимназист Менделеев учил с удовольствием. Инспектором Тобольской гимназии был Пётр Павлович Ершов, автор известной сказки «Конёк-горбунок». Ершов всегда уважительно относился к ученикам и старался защищать их от несправедливостей, что было редкостью в то время. Своего учителя по физике и математике, Ивана Карловича Руммеля, и Петра Павловича Ершова Дмитрий Иванович всегда вспоминал с благодарностью.

Семья Менделеевых жила скромно и небогато, но родители, братья и сёстры старались поддерживать друг друга и особенно младшенького, Митю. И пусть его отметки были не особенно хороши, но уже в школьных сочинениях проявился его талант к рассуждениям. Поэтому мать Мария Дмитриевна твёрдо решила, что младший сын после окончания гимназии должен поступить в университет.

Стекло – оно живое!

Иван Павлович, отец Дмитрия Менделеева, был учителем, а позже директором Тобольской гимназии. Но вскоре после рождения Мити он ослеп, и ему пришлось уйти на пенсию. Денег большой семье не хватало, но Мария Дмитриевна не отчаивалась и решила переехать с семьёй в село Аремзянское. Там её брат, Василий Корнильев, отдал ей в управление семейный стекольный завод.

Митя и Паша часто бегали на завод понаблюдать за работой мастеров. Изготовление стекла – удивительный процесс! Известь, сода и песок как по волшебству превращались в прозрачное или разноцветное стекло, из которого рабочие с помощью длинной железной трубки выдували чаши и бутыли, стаканы и вазы, отливали блюда и прочую утварь. Такие превращения одних веществ в другие завораживали маленького Митю. Пожалуй, именно там, на Аремзянском стекольном заводе, зародилась его любовь к химии.

Мария Дмитриевна ловко управлялась с заводом, так что через несколько лет у Менделеевых появились деньги на операцию по восстановлению зрения для главы семейства. В гимназию Иван Павлович так и не вернулся, но стал помогать жене с заводскими делами и много занимался с сыновьями.

Из сибири в столицу

В 1847 году Иван Павлович умер. Старшие дети уже устроились: сёстры Менделеева вышли замуж, братья нашли себе службу. И тогда Мария Дмитриевна решила переехать с младшим сыном в Москву, чтобы Митя получил высшее образование.

Однако Московский университет отказал молодому человеку в поступлении, потому что в XIX веке действовало такое правило: ученик, который окончил гимназию, мог поступить в университет только в своём округе. Посему гимназист Менделеев из сибирского города Тобольска должен был поступать в Казанский университет.

Но Марии Дмитриевне хотелось устроить сына в столице. В 1850 году они переехали в Петербург, где Дмитрий поступил в Главный педагогический институт. Вскоре матери не стало, и в шестнадцать лет студенту Менделееву пришлось начать самостоятельную жизнь.

Поначалу учёба давалась ему нелегко, и по оценкам он был одним из худших на курсе. Но очень скоро всё поменялось. В гимназии у Мити Менделеева были любимые и нелюбимые предметы. В институте же, хоть он поступил на физико-математический факультет, он страстно увлёкся другими науками и прямо-таки с жадностью набросился на учёбу: вдохновенно изучал биологию, посещал лекции по истории и литературе.

Правда, в университетские годы Менделеев много болел, так что врачи порой опасались за его жизнь. Но сила его духа была настолько крепкой, что даже тяжёлая болезнь не могла помешать учёбе. Однажды он, несмотря на очень плохое самочувствие, прямо из палаты отправился на экзамен и, блестяще сдав его, снова побрёл в больницу под аплодисменты восхищённых товарищей.

В 1855 году Дмитрий Менделеев закончил Главный педагогический институт с золотой медалью.

Всё на свете интересно

Первые научные работы Дмитрий Менделеев написал, ещё будучи студентом Главного педагогического института. Спустя много лет, когда он сам стал преподавателем, то больше всего ценил в своих учениках самостоятельность. Школьник должен слушать учителя, задавать вопросы и отвечать урок. Но студенту, тем более молодому учёному, необходимо рассуждать самостоятельно, а не только выучивать написанное в книгах. С самого начала учёбы сам Менделеев запомнился своими яркими студенческими статьями. О чём он только не писал! История Тобольска, грызуны Санкт-Петербурга, школьное образование в Китае, влияние теплоты на распространение животных, ископаемые растения, химический анализ минералов ортита и пироксена – вот лишь некоторые темы, волновавшие молодого Менделеева. Однажды он даже написал статью, посвящённую воспитанию детей в возрасте до семи лет!

Можно подумать, что Менделеев просто не слишком серьёзно относился к занятиям. Займётся одной темой и бросит, берёт другую, потом третью. Но это было не так. Действительно, круг интересов Дмитрия Ивановича в юности был очень широким. Но позже, став крупным учёным, он продолжил развивать практически все темы, над которыми работал в институте.

Товарищи и преподаватели Менделеева, знакомясь с первыми его работами, понимали, что это человек незаурядный, выдающийся. Рядом с ним и другие молодые люди старались заниматься как можно усерднее. Вскоре в институте образовалась группа серьёзных и увлечённых студентов, которые тщательно готовились к тому, чтобы стать преподавателями, и пробовали свои силы в научной работе.

Несмотря на широкий круг интересов, больше всего Менделеева всегда привлекала химия, поэтому для своей выпускной научной работы он выбрал изучение взаимосвязи формы и химического состава кристаллов.

Исследование кристаллов

В середине XIX века представления учёных о веществах были ещё весьма поверхностными. Даже само это понятие ещё не имело точного определения.

Вещество – это материя, из которой состоят все тела и предметы живой и неживой природы. Например, сосулька – это предмет, а вода – вещество. Вещества состоят из частиц – молекул, атомов и ионов. Химия изучает состав вещества – расположение, соотношение и тип частиц, образующих химические вещества – из каких атомов состоят его молекулы, а также его химические свойства: как вещество создаётся, разрушается и реагирует на другие.

О многих веществах было почти ничего неизвестно. Например, сперва считалось, что кристаллическое вещество может давать кристаллы любой формы. Позже французский учёный Рене Гаюи выдвинул теорию, согласно которой каждому веществу соответствует уникальная, присущая только ему, форма кристаллов. Но в 1820 году немецкий химик Эйльхард Мичерлих обнаружил, что практически одинаковые по форме кристаллы могут давать различные по составу вещества. Например, соли фосфорной и мышьяковой кислот образуют настолько похожие кристаллы, что могут заменять друг друга в одном кристалле. Подобные вещества Мичерлих предложил назвать изоморфами (от греческих слов «изос» – равный и «морфэ» – форма).

Именно их исследовал Менделеев в своей выпускной работе «Изоморфизм в связи с другими отношениями кристаллических форм к составу».

Что необходимо?

1. Изучить свойства веществ-изоморфов.

2. Найти другие вещества, так же похожие друг на друга.

3. Попробовать определить, что является причиной этого явления.

Что сделал Менделеев

Изучение кристаллов – занятие не только интересное, но и очень красивое. Студент Менделеев провёл немало часов, выращивая кристаллы из насыщенных растворов различных веществ, сделал много наблюдений и измерений. Но важных химических открытий это не принесло. По итогам исследования молодой учёный пришёл к выводу: для выявления сходств и различий между различными химическими элементами одного изоморфизма недостаточно.

Менделеев сдал работу, получил за неё отличную оценку и диплом института. Но о своих исследованиях не забыл. Почему одни вещества становятся изоморфами, а другие нет? Что общего в их химическом составе и можно ли как-то предсказать, какие вещества могут замещать друг друга в кристаллах, а какие нет? Получается, между разными химическими элементами должна существовать некая связь. В 1855 году Менделеев не знал, как объяснить свою гипотезу. Понадобилось ещё пятнадцать лет работы, чтобы найти эти закономерности.

В науке необходима точность

В 1859 году молодой преподаватель Дмитрий Менделеев отправился на два года в Европу, как тогда писали, «для усовершенствования в науках». Это сейчас у нас есть интернет и научные статьи можно прочитать из любого уголка планеты. В XIX же веке учёным было непросто: для того, чтобы узнать, чем занимаются коллеги из других стран, необходимо было ехать туда самому или вести переписку. Даже научные журналы с новейшими статьями редко переводились на другие языки. Менделеев объехал три десятка европейских университетов, прежде чем решил обосноваться в немецком городе Гейдельберге. Там работал знаменитый немецкий химик Роберт Бунзен, учиться у которого Менделеев считал за честь.

Тот с большой радостью принял молодого русского учёного и предоставил ему рабочий кабинет. Но, к своему удивлению, Дмитрий Иванович обнаружил, что в лаборатории Бунзена нет многих необходимых ему приборов, а те, что есть, не лучшего качества. Менделеев был очень разочарован. Его учитель в Главном педагогическом институте Александр Абрамович Воскресенский на личном примере показывал студентам, как важна тщательность в любых экспериментах. Поэтому с самого начала своей научной деятельности Менделеев стремился к высочайшей точности всех своих опытов.

Тогда Дмитрий Иванович решил сам обустроить свою лабораторию в Гейдельберге. Он съездил в Бонн, а затем в Париж, чтобы заказать точнейшие термометры, весы, насос и другое оборудование. Ещё он закупил редкие химические реактивы для будущих опытов. В ожидании заказанных приборов Менделеев не терял времени даром и решил поучиться стекольному делу. Маленьким мальчиком он восхищался работой мастеров-стеклодувов в Аремзянке и вот теперь освоил тонкости этого ремесла, чтобы при необходимости суметь самостоятельно изготовить приборы.

Наконец лаборатория была готова, и Менделеев приступил к исследованиям.

Вглубь вещества

Обустроив собственную лабораторию в Гейдельбергском университете, Менделеев приступил к новым исследованиям веществ. Он решил изучить, связаны ли удельные объёмы разных веществ с их химическими свойствами.

У каждого вещества помимо химических есть и физические свойства. К ним относятся, например, температура плавления и кипения, жёсткость или мягкость, а также удельный объём и плотность вещества.

Если на чаши весов положить 1 килограмм железа и 1 килограмм ваты, весы придут в равновесие. При этом железный кубик будет небольшим, со стороной около 5 сантиметров, а комок ваты – не меньше футбольного мяча. Это и есть удельный объём: он показывает, сколько места в пространстве занимает 1 килограмм (или 1 грамм) вещества.

Что необходимо?

Определить, действительно ли вещества, которые образуют кристаллы одной формы, имеют одинаковые удельные объёмы, как полагали европейские химики.

Что сделал Менделеев

Дмитрий Иванович провёл множество опытов, измерив удельные объёмы самых разных веществ, и напрочь опроверг гипотезу европейских учёных. Оказалось, что удельные объёмы и изоморфизм, то есть способность веществ создавать похожие кристаллы, никак не связаны между собой.

При этом Менделеев нашёл другую закономерность. Он обнаружил, что удельные объёмы веществ тесно связаны с их химической активностью. Например, такие вещества, как хлор, бром и йод, – они называются галогены – вступают в бурные реакции с другими веществами, то есть имеют очень высокую химическую активность и большой удельный объём. Так же ведут себя щелочные металлы – литий, натрий и калий. А вот у веществ, которые очень неохотно вступают в реакции, например у платины, иридия или золота, удельные объёмы, наоборот, малы.

Почему так происходит? Менделеев предположил, что в веществах, которые легко вступают в реакцию, сила сцепления атомов невелика и вещество словно похоже чем-то на губку. А у плотного вещества атомы прочно сцепляются друг с другом, и, вероятно, поэтому оно неохотно вступает в реакцию.

Молодой учёный почувствовал, что стоит на пороге великого открытия.

Учение о растворах

К 1863 году преподавательский опыт Менделеева и его научные заслуги были уже так велики, что он мог бы получить должность профессора. Но для этого необходимо было защитить докторскую диссертацию. Темой для неё Менделеев выбрал изучение растворов.

Учение о растворах – один из важнейших разделов химии, потому что многие вещества взаимодействуют друг с другом только в таком виде. К примеру, если смешать сухую лимонную кислоту с содой, ничего не произойдёт, но стоит капнуть в смесь воду – сразу же начнётся реакция.

Многие химические реакции происходят в водных или водно-спиртовых растворах. Чтобы результаты экспериментов были верны, нужно уметь изготавливать растворы очень точной концентрации при любой температуре. Менделеев решил определить, как плотность водно-спиртового раствора связана с его концентрацией: сколько воды нужно добавить к спирту, чтобы получить самый плотный раствор.

Что необходимо?

1. Изучить свойства растворов спирта.

2. Найти зависимость плотности раствора от соотношения воды и спирта.

Что сделал Менделеев

Первым делом Дмитрий Иванович изучил работы предшественников. Ему было очевидно, что невозможно получить точные результаты экспериментов, используя недостаточно очищенные вещества. Поэтому для начала он тщательно очистил полученные реактивы от примесей, перегоняя как воду, так и спирт не менее пяти раз.

Затем настало время измерений. После многочисленных опытов Менделеев вычислил, что если на одну молекулу спирта приходится три молекулы воды, то раствор будет наиболее плотным.

Эксперименты показали, что растворение – это не просто смешивание веществ, а химический процесс, в ходе которого могут возникать новые химические свойства.

Менделеев предположил, что каждая молекула растворённого вещества окружена оболочкой из нескольких молекул растворителя. Это была весьма смелая гипотеза. В 1865 году, когда Менделеев защитил свою диссертацию, химия ещё не имела возможности исследовать силы сцепления атомов и молекул. Поэтому идеи, выдвинутые в учении о растворах, продолжили развиваться значительно позже.

Опыт с солевым раствором

Для создания своей лаборатории Менделееву пришлось заказывать оборудование в других городах и покупать редкие реактивы. Но некоторые опыты с растворами можно провести, используя самые обычные предметы, которые найдутся на каждой кухне. Чтобы увидеть, как растворение вещества изменяет свойства воды, давайте проведём опыт с яйцом.

Ход эксперимента

1. Вам потребуются: стеклянная банка или глубокая прозрачная миска, свежее сырое яйцо, поваренная соль, длинная ложка или палочка для размешивания, бумажный скотч или стикер, кухонные электронные весы, бумага и ручка для записей.

2. Наполните банку водой на глубину примерно 15 сантиметров. Осторожно положите яйцо в воду. Оно плавно опустится на самое дно и останется там.

3. Отметьте уровень воды в банке скотчем или стикером. Поставьте банку на весы и запишите вес.

4. Постепенно всыпьте 5–6 столовых ложек соли и размешайте до её полного растворения. Обратите внимание на изменение уровня воды и положение яйца. Продолжайте добавлять соль, пока яйцо не начнёт подниматься в толще воды.

5. Когда раствор будет достаточно солёным, яйцо поднимется на поверхность. Ещё раз обратите внимание на уровень воды, отмеченный стикером, и запишите новый вес банки с водой и яйцом.

Что показал опыт

При попадании в воду соль растворяется, образуя солевой раствор. Его масса больше массы чистой воды, однако уровень воды в банке остаётся почти неизменным. Более лёгкая чистая вода и тяжёлый солевой раствор занимают практически одинаковый объём, а это значит, что солевой раствор более плотный.

Плотная жидкость обладает большим выталкивающим эффектом, поэтому яйцо тонет в пресной воде, но может плавать в солёной. Людям также легче плавать в море, чем в озере или в бассейне, так как морская вода более солёная и плотная.

В конце эксперимента медленно подлейте в банку чистую воду. Яйцо начнёт тонуть. Но, если вовремя остановиться, оно будет свободно плавать в толще воды, не опускаясь на дно. В этот момент плотности воды и яйца будут одинаковы.