Текст книги "100 великих научных достижений России"

Периодический закон Менделеева

Ученый-энциклопедист – химик, физик, метролог, технолог, экономист, приборостроитель, педагог; почетный член и дипломант 130 российских и зарубежных академий, университетов, научных обществ и организаций; обладатель многих орденов и медалей; один из главных консультантов российского правительства по ряду научных и народнохозяйственных проблем – от бездымного пороха и воздухоплавания до таможенных тарифов и реформы высшего образования, внук сельского священника П.М. Соколова, Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) знаменит открытием периодического закона химических элементов (1869) – естественно-научной основы современного учения о веществе.

Охотники до фактов с удовольствием расскажут о том, что Менделеев изготовил 40-градусную водку, во сне увидел свою таблицу, а на досуге мастерил классные чемоданы. Любители поэзии добавят, что на дочери химика был женат А. Блок.

Сам же Дмитрий Иванович, человек знаменитый, но очень скромный, делом своей жизни считал «три службы Родине». «Плоды моих трудов– прежде всего в научной известности, составляющей гордость – не одну мою личную, но и общую русскую… Лучшее время жизни и ее главную силу взяло преподавательство. Из тысяч моих учеников много теперь повсюду видных деятелей, профессоров, администраторов, и, встречая их, всегда слышал, что доброе в них семя полагал, а не простую отбывал повинность. Третья служба моя Родине наименее видна, хотя заботила меня с юных лет по сих пор. Это служба по мере сил и возможности на пользу роста русской промышленности» (из неотправленного письма председателю Совета министров С.Ю. Витте).

Портрет Д.И. Менделеева. Художник Н.А. Ярошенко

«Три службы» включали в себя больше двух десятков направлений деятельности Менделеева, в которых ученый достиг выдающихся результатов. Свои фундаментальные исследования он провел в неорганической и органической химии; в химии твердого тела и теории растворов; в физике жидкостей и газов; в технологии твердого топлива и стекла; в технологии нефти и экономике нефтяной промышленности; в метеорологии и воздухоплавании; в кораблестроении и освоении Крайнего Севера; в метрологии и эталонах; в биологии и медицинской химии; в агрохимии и сельском хозяйстве; в вопросах народонаселения…

К Менделееву как к эксперту часто обращались государственные чиновники. По государевой и по своей доброй воле он объездил страну вдоль и поперек, изучил множество учебных заведений и производств, везде серьезно влиял на ситуацию и всегда добивался положительного эффекта. Ученый оставил 500 научных работ и целую армию учеников, прославивших Россию.

Трижды выдвигаемый иностранными учеными на Нобелевскую премию (1905, 1906, 1907), Менделеев так и не был удостоен этой награды – дважды по причине закулисных интриг Нобелевского комитета и в третий раз – по причине своей смерти. Видно, не судьба была получить русскому ученому премию А. Нобеля, с братом которого у Дмитрия Ивановича был серьезный конфликт из-за хищнического способа потребления Нобелями и Ко российской нефти.

Один из главных трудов Менделеева – учебник «Основы химии» (1868–1871), выдержавший восемь изданий и переведенный на основные европейские языки, – повлиял на тысячи химиков-неоргаников. Этой работой, стержнем которой является открытый ученым периодический закон химических элементов, Менделеев заложил фундамент здания современной химии и ряда смежных наук. Как выяснилось, без знания этого закона, на основе которого была создана периодическая система элементов, немыслимы никакие химические и физические исследования вообще.

На вопрос журналистов, правда ли, что таблицу ученый увидел во сне (а это действительно было так, но не спонтанно, а после многолетних раздумий), ученый не без иронии отвечал: «Я над ней, может, двадцать пять лет думал, а вы полагаете: сидел, и вдруг пятак за строчку, пятак за строчку, и готово!»

До этого мифа родился еще один – что Менделеева «родной отец» водки. Водку Дмитрий Иванович не «открывал». Докторскую диссертацию на тему «Рассуждение о соединении спирта с водою» в 1865 г. защитил, было дело, но уже после защиты назвал идеальной крепость водки 38°. (Это число округлили до 40, дабы акциз повысить.)

Однако же именно эта диссертация подвигла ученого на раздумья (которые, впрочем, были у него еще со студенческой скамьи). Получив через два года после ее защиты в университете кафедру неорганической химии, которую он занимал потом 23 года, профессор обнаружил, что собственно курса общей химии и нет – ни у нас, ни на Западе. И, не откладывая в долгий ящик, взял и этот курс за год написал. При подготовке второго выпуска учебника автор при систематизации химических элементов объединил их по сходным свойствам и атомному весу в несколько групп: литий, натрий и калий; хлор, бром и йод; кальций, стронций и барий и т. д. Собственно, это и стало первым шагом ученого к его великому открытию.

До Менделеева ряд европейских ученых (А.Э. Шанкуртуа, И.В. Деберейнер, Д.А. Ньюлендс, Ю.Л. Мейер и др.) были на полпути к открытию этого закона, но ни одна из предложенных ими систем не охватывала всю совокупность известных химических элементов, и предлагаемые группы элементов объединялись не по четкой закономерности, а порой произвольно.

Заведя для всех элементов (на тот момент их было 63) «именные» карточки и пытаясь найти в их взаимном расположении некую закономерность, Менделеев совершил нестандартный шаг. Исходя из своих предпосылок о повторяемости свойств элементов, он уточнил атомные веса нескольких элементов (например, урана вместо 60– 240), сделал рокировку элементов (кобальта с никелем, теллура с йодом и т. п.), три карточки оставил вовсе вакантными – под будущие, еще не открытые элементы, но с предсказанными им свойствами и атомным весом. В 1869 г. химик опубликовал первый вариант своей таблицы (19 строк, 6 столбцов) как графическую иллюстрацию закона, по которому «свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от их атомного веса». Впервые Дмитрий Иванович назвал закон «периодическим» в 1870 г.

Сущность открытия заключалась в том, что с ростом атомной массы химических элементов их свойства меняются периодически. После определенного количества разных по свойствам элементов, расположенных по возрастанию атомного веса, свойства повторяются, хотя и с определенными изменениями.

В дальнейшем автор неоднократно перекраивал свою таблицу: перенес из центра таблицы на ее края галогены и щелочные металлы, исправил атомные веса одиннадцати элементов, изменил местоположение двадцати. В 1871 г. периодическая (т. н. короткая) таблица приняла современный вид. Статью ученого «Периодическая законность для химических элементов» перевели на немецкий язык, разослали ее оттиски европейским химикам. Но таблица завоевала мир не сразу. Только через 15 лет, когда были открыты галлий, скандий и германий, свойства которых с удивительной точностью предсказал Менделеев, она стала для всех ученых неоспоримым, как таблица умножения, фактом. Дальнейшее развитие периодической системы было связано с заполнением пустых клеток таблицы, в которые помещались новые элементы: благородные газы, природные и искусственно полученные радиоэлементы. Появление квантовой теории дало новое, более глубокое содержание этой системе.

За 140 лет возникло несколько сотен вариантов изображения периодической системы (таблиц, кривых и других геометрических фигур). Сегодня в качестве основного принят т. н. длинный вариант (длиннопериодная форма), утвержденный Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC).

Прошел век, как нет Менделеева, и особый смысл обрели его слова о самом себе: «Ни капиталу, ни грубой силе, ни своему достатку я ни на йоту… не служил, а только старался… дать плодотворное промышленно-реальное дело своей стране в уверенности, что политика, устройство, образование и даже оборона страны ныне без развития промышленности немыслимы».

Органический катализ и нефтехимия Зелинского

Химик-органик, педагог, член многих академий и научных обществ мира, президент Московского общества испытателей природы, заслуженный деятель науки СССР, лауреат Премии им. В.И. Ленина, трижды лауреат Сталинской премии СССР, Герой Социалистического Труда, кавалер четырех орденов Ленина и двух орденов Трудового Красного Знамени, профессор МГУ, академик АН СССР, Николай Дмитриевич Зелинский (1861–1953) прославился как изобретатель первого в мире универсального угольного противогаза, создатель научной школы и основоположник гетерогенного органического катализа и нефтехимии.

Зелинский «двулик». Совместив в себе две ипостаси – ученого и педагога, он вошел в историю мировой науки как автор двух величайших научных достижений. Это – собственно его труды (их сотни) по органическому катализу и нефтехимии и научная школа, созданная Николаем Дмитриевичем в 1920–1930 гг. и воспитавшая более сотни профессоров, членов-корреспондентов и академиков АН СССР. Многие из учеников Зелинского – выдающиеся ученые А.Н. Несмеянов, А.А. Баландин, Б.А. Казанский, Л.Ф. Верещагин, К.А. Кочешков, С.С. Наметкин, К.П. Лавровский и др. – организовали собственные школы и внесли огромный вклад в развитие науки и промышленности страны. Этот очерк вполне можно было бы озаглавить «Школа химиков-органиков Зелинского».

Посвятив себя, по его собственному признанию, «приложению научных истин для создания разнообразных химических ценностей, полезных человечеству», Зелинский не мог не воспользоваться широчайшими возможностями, предоставленными ему в начале 1920-х гг., для создания собственной школы. Тем более что тем самым он убивал сразу двух зайцев. У знаменитого к тому времени химика было столько идей и замыслов, что довести их до ума мог только научный коллектив, спаянный общей идеологией и заряженностью на подвижничество. Ученый стал одним из организаторов Института органической химии АН СССР (1934; ныне им. Зелинского), лаборатории сверхвысоких давлений этого института (1939), еще ряда лабораторий, Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева; являлся почетным членом Московского общества испытателей природы, а с 1935 г. – его президентом.

Н.Д. Зелинский. Художник П.И. Котов

С первого курса Николай посвятил себя органической химии; первое научное исследование в области химии глицидных кислот опубликовал в 1884 г. в «Журнале Русского физико-химического общества». Тогда же он получил диплом об окончании университета, был оставлен работать при кафедре химии и вскоре направлен на стажировку в Германию. В Геттингене, занимаясь синтезом новых веществ, Зелинский приготовил «промежуточный продукт – дихлордиэтилсульфид, – оказавшийся сильным ядом». Молодой человек, получив ожоги рук и тела, на целый семестр оказался прикованным к больничной койке. Как оказалось потом, Зелинский впервые синтезировал сильнейшее отравляющее вещество (ОВ) – иприт. Он же стал и его первой жертвой. Похоже, сама судьба направила химика в тот момент на мысли о создании эффективного средства против этого яда – противогаза.

В 1888 г. Зелинский был зачислен приват-доцентом в Новороссийский университет; на следующий год защитил диссертацию «К вопросу об изомерии в тиофеновом ряду» и стал магистром химии. А через 2 года блестяще защитил докторскую – «Исследование явлений стереоизомерии в рядах предельных углеродистых соединений» и был назначен экстраординарным профессором Московского университета по кафедре аналитической и органической химии, в котором потом, за перерывом в 6 лет (1911–1917), проработал всю свою жизнь. Научные интересы ученого сосредоточились на химии алициклических соединений, в первую очередь углеводородов, а также на химии нефти.

В 1915 г. немцы впервые применили на французском, а затем на русском фронте отравляющие вещества, от которых погибли десятки тысяч военных (всего за годы войны от них пострадало больше миллиона человек). Зелинский, придя к идее создания защиты от отравляющих газов, основанной на сорбируемости этих веществ активированным углем, разработал угольный противогаз, оказавшийся универсальным средством защиты от ОВ. Совместно с инженером Э.Л. Куммантом они предложили конструкцию, в которой поглотительный фильтр Зелинского был соединен с резиновой маской Кумманта. Противогаз Зелинского – Кумманта, принятый на вооружение во всех армиях с обеих сторон, спас сотни тысяч человеческих жизней. Только в России за время Первой мировой войны было произведено 11 185 750 таких противогазов. К слову, Зелинский, в отличие от Кумманта, запатентовавшего маску, не получил за свое изобретение ни копейки.

В Гражданскую войну, когда молодая республика оказалась отрезанной от нефтяных районов и была лишена топлива, Зелинский нашел выход и предложил метод получения бензина каталитическим крекингом мазута и солярки, находившихся в цистернах и нефтехранилищах Поволжья. Тогда же ученый разработал еще один метод, ставший одним из величайших его открытий, – обессеривание высокосернистых нефтей (каталитическое гидрирование в присутствии катализаторов) и получение таким образом топлива для двигателей внутреннего сгорания.

У Зелинского масса исследований, связанных с промышленной переработкой нефти. Поскольку терминология нефтехимии и вообще органической химии весьма трудна и специфична, обойдемся без «умных слов» и скажем лишь, что ученый стал автором теории дегидрогенизационного и гидрогенизационного катализа, которая тут же нашла свое практическое применения и вывела Зелинского в число крупнейших мировых химиков-органиков. Ученый открыл много новых явлений: селективный (избирательный) катализ, «необратимый катализ», каталитическое образование ароматических углеводородов из алканов и циклоалканов. А еще Николай Дмитриевич занимался биохимией, генезисом нефти, химией аминокислот, синтетическим каучуком, реакциями при сверхвысоких давлениях и при ультрафиолетовом излучении…

Идеи Зелинского продолжают жить в делах сегодняшних ученых. Ученики продолжили многие его работы, среди которых мультиплетная теория катализа, синтез углеводородов и исследование их каталитических превращений, синтетические алюмосиликаты-цеолиты, химия белка, органический синтез…

«Химия часто одаряла меня величайшими наслаждениями познания еще не разведанных тайн природы, – писал ученый. – Она дала мне возможность послужить людям… Я уверен, что ни один из тех, кто заинтересуется химией, не пожалеет о том, что выберет эту науку в качестве своей специальности».

Право, слова эти лишний раз подтверждают мысль, что не место красит человека, а человек – место.

Высокое давление Ипатьева

Химик-органик, военный инженер, генерал-лейтенант, организатор отечественной химической промышленности, председатель Научно-технического совета химической промышленности, директор Института высокого давления; заслуженный профессор Михайловской артиллерийской академии, академик Петербургской АН (РАН, АН СССР), член многих академий и университетов Старого и Нового Света; лауреат Премии им. В.И. Ленина, кавалер французского ордена Почетного легиона, медалей Лавуазье, Бертло, Гиббса и др., заслуженный деятель науки и техники, «глава нашей химической промышленности» (В.И. Ленин), Владимир Николаевич Ипатьев (1867–1952) является автором нескольких десятков книг, сотен научных статей и изобретений, основоположником каталитического органического синтеза, разработчиком метода высокого давления и аппарата («бомбы Ипатьева») для изучения превращения веществ при высоких давлениях и температурах.

Долгая плодотворная жизнь Владимира Николаевича Ипатьева в науке состояла из трех периодов: дореволюционного (1895–1917), советского (1917–1930) и американского (1930–1952). Поскольку главные открытия были сделаны Ипатьевым в первый период, а самые важные работы написаны во втором, то есть в России, мы и посвящаем научным достижениям ученого этот очерк.

Волей судеб оказавшись в Штатах, Ипатьев до последнего дня не порвал с родиной своих духовных связей, не раз безуспешно пытался вернуться домой. До 1936 г. все свои труды он печатал только в советских журналах и посылал дефицитное оборудование и лабораторный инвентарь в научные учреждения СССР.

В.Н. Ипатьев

Признанный в США «самым великим человеком во всей истории химии» (Ипатьев, к слову, не имел высшего химического образования) и названный в 1937 г. «человеком года», профессор и директор Лаборатории катализа и высоких давлений Нортуэстернского университета все заработанные им деньги вкладывал в развитие лаборатории, приглашая на работу только русских и американцев, знавших русский язык.

Увы, сегодня горько осознавать справедливость слов ученика Ипатьева, американского профессора Г. Сайнса, сказанных им после смерти Владимира Николаевича на чужбине: «Вы, русские, не представляете себе, кого вы потеряли в лице Ипатьева, не понимаете даже, кем был этот человек. Каждый час своей жизни здесь, в США, всю свою научную деятельность он отдал России. Беспредельная любовь к родине, какой я никогда и ни у кого из эмигрантов не видел, была той почвой, на которой произрастали все выдающиеся результаты исследовательских трудов Ипатьева».

Но перейдем к фундаментальным научным достижениям химика, которые навечно остались в России. Главное из них – «Каталитические реакции при высоких температурах и давлениях» – так называлась докторская диссертация Ипатьева (1908), в которой ученый обобщил свои исследования 1901–1907 гг. и которая принесла ему мировую известность. Позднее Владимир Николаевич выпустил под этим названием одну из лучших монографий катализа. Эта проблема и стала делом всей его жизни.

Своими исследованиями каталитических явлений Ипатьев продолжил изыскания русских химиков К.С. Кирхгофа, Г.Г. Густавсона, Д.П. Коновалова и др., а также работы французского химика П. Сабатье в области гетерогенного катализа. Развивая органический синтез с применением специальных катализаторов, Ипатьев вывел органическую химию на ведущее место и получил с помощью гетерогенного катализа, проводившегося в экстремальных условиях множество практически важных продуктов. Главным объектом изучения ученого были пирогенетические реакции, проводимые с катализатором глиноземом (А12О3) при высоких давлениях (больше 300–400 атм).

Цикл исследований Ипатьева открыл его доклад «О двойном каталитическом разложений алкоголей» (1901) и множество статей, посвященных разработанным им «высокотемпературным» методам. Одна из реакций, открытых ученым, ныне носит его имя.

Блестяще обосновав теоретически введение в каталитическую практику высокого давления, Ипатьев сконструировал специальный высокопрочный аппарат с термометром и термопарой (1904). «Бомба Ипатьева» стала прототипом современных химических реакторов и автоклавов.

Владимир Николаевич с первых своих работ в этой области был уверен в их практической пользе. «Метод высоких давлений, введенный в науку по моему почину, – писал он, – получит исключительное значение в промышленности жидкого горючего, подобно тому как он завоевал себе полное право гражданства в синтезах аммиака, мочевины, метанола и других важнейших химических продуктов».

В 1909 г. Ипатьев применил высокие давления и для проведения неорганических реакций, в частности, вытеснения металлов из водных растворов солей водородом. Тогда же ученый получил из этилового спирта бутадиен (дивинил), нашедший мировое применение как основной мономер в производстве синтетического каучука. Химик активно использовал многофункциональные катализаторы при крекинге, риформинге и других процессах переработки нефти, получил олефины из спиртов, первым из химиков осуществил полимеризацию этилена, указав на возможность получения полиэтилена различной молекулярной массы. Результаты работ Ипатьева нашли практическое воплощение в получении полиэтилена, изопрена, жидкого топлива из угля, в переработке нефти.

В годы Первой мировой войны глава Химического комитета при Главном артиллерийском управлении генерал-лейтенант Ипатьев, осуществляя снабжение фронта продуктами военной химии и руководство строительством новых химических предприятий, не забывал и про науку, но вернулся к ней вплотную уже после Гражданской войны. 1920-е гг. оказались наиболее плодотворной порой для научного творчества ученого. В частности, он установил, что ароматизация (процесс обогащения нефтяного сырья ароматическими углеводородами) необходима не только для получения из нефти бензола, толуола и их производных, но и для повышения антидетонационных свойств моторного топлива, что было тут же внедрено в практику моторостроения.

Эти и другие труды ученого подняли химическую промышленность СССР на уровень с западноевропейской и даже превысили его.

В США особо отметили заслуги Ипатьева в изготовлении высококачественных бензинов для американской авиации в период Второй мировой войны. Три завода, производящие это топливо, поставили в СССР и разместили их в Уфе, Красноводске и Орске.

В первой трети XX в. научная общественность не сомневалась, что нашедшие широкое применение методы высокого давления в химии будут увенчаны Нобелевской премией. Так и случилось – в 1931 г. немецкие химики-технологи Ф. Бергиус и К. Бош, последователи В.Н. Ипатьева, получили эту премию – «За заслуги по введению и развитию методов высокого давления в химии», с лестным панегириком: «Введение методов высокого давления в химию представляет собой эпохальное событие в области химической технологии».

Для большинства химиков осталось неясно, почему Королевская АН заслуги Ипатьева приписала другим лицам. Объяснение тому историки науки видят в том, что у русского ученого не было должным образом оформленного патента. Как правило, русские изобретатели вообще мало заботились о своевременном патентовании своих открытий.

Не исключено также, что Нобелевский комитет в данном случае, как и в ряде других, оказался в плену не научных, а политических пристрастий. С одной стороны, русские эмигранты не могли простить Ипатьеву его «сотрудничество с Советами», усугубленное еще тем обстоятельством, что в доме его брата Николая в Екатеринбурге была в 1918 г. расстреляна царская семья. С другой – европейцы всегда относились с предубеждением к научным достижениям россиян. Да и немецкий концерн «И.Г. Фарбениндустри», к тому времени подмяв под себя экономику западноевропейских стран, диктовал свою волю фактически всей Европе.

Нобелевский лауреат Ф. Бергиус позднее сам признал, что, в частности, его метод деструктивной гидрогенизации углей до жидкого моторного топлива был целиком основан на работах В.Н. Ипатьева.