О. ПИСАРЖЕВСКИЙ - Дмитрий Иванович Менделеев

Менделеев обнаружил, что наибольшее сжатие растворов спирта в воде при всех температурах приходится на раствор, содержащий около 46% спирта. Удельный вес жидкости при этой концентрации был, следовательно, наибольшим. В этом соотношении, в котором участвовало, кстати сказать, целое число молекул той и другой жидкости, раствор, по мнению Менделеева, ближе всего подходил к химическому соединению.

В дальнейших своих исследованиях Менделеев обратил главное внимание на то, что при самом плавном, постепенном изменении состава раствора совсем не так плавно и постепенно изменяются его свойства. Менделеев наблюдал, что при некоторых определенных концентрациях, составляющих раствор веществ, свойства раствора вдруг меняются резким скачком (он изучал, главным образом, изменения удельного веса растворов и их объема). Он строил для наглядности диаграммы этих изменений, так называемые диаграммы «состав-свойства». На одной оси такой диаграммы откладываются постепенно возрастающие концентрации одного из компонентов-составных частей- раствора. На другой оси – величины, характеризующие то или иное изучаемое свойство раствора. Точки, образующиеся на пересечении этих осей, как это делается на любой другой диаграмме, соединяются, причем получается так называемая «кривая», иллюстрирующая зависимость измеряемых величин друг от друга. Менделеев показал, что вначале плавная кривая на его диаграммах неизменно, время от времени (по-разному для разных веществ), переламывалась. Это свидетельствовало о том, что при определенной концентрации раствора его плотность достигала наибольшей величины (точка перелома кривой), затем снова плавно убывала. Это было очень интересное наблюдение. И Менделеев его весьма своеобразно и проницательно истолковал. Менделеевские взгляды на растворы-это еще один пример его стихийно-диалектического подхода к объяснению физико-химических явлений.

«Растворы управляются, – писал Менделеев,- обычными законами химического воздействия… в них сокрыты те же определенные соединения, которыми так сильна химия… здесь, несмотря на кажущуюся последовательность изменения свойств, существуют свои скачки, свои разрывы сплошности».

Возникновение этих «скачков», этих «разрывов сплошности» Менделеев проследил на громадном материале. Он, прежде всего, привел в сравнимый вид данные, полученные по заинтересовавшему его вопросу всеми другими исследователями на протяжении целого столетия. Для этого нужно было проверить все удельные веса и привести их к взвешиванию в пустоте и отнести к воде при наибольшей плотности. Это был огромный вычислительный труд.

Кроме того, работа заключала в себе обширную и весьма оригинальную экспериментальную часть. В своем труде «Исследование водных растворов по удельному весу» Менделеев рассмотрел 283 химических вещества в водных растворах, и все это при различных концентрациях и температурах!

Современная физика объясняет «особые точки», отмеченные Менделеевым на его диаграммах, примерно так же, как это понимал Менделеев, с той только разницей, что в настоящее время уже хорошо изучены и измерены те силы, которые действуют между молекулами, а Менделеев только догадывался об их существовании.

Вот как выглядят менделеевские наблюдения по представлениям современной физики.

Между молекулами растворенного вещества и молекулами растворителя действуют известные силы. Действие этих сил приводит к тому, что определенное число молекул вещества растворителя образует нечто вроде атмосферы, окружающей молекулы растворяемого вещества. Молекулы растворителя как бы обволакивают молекулы растворяемого вещества. При некотором, вполне определенном соотношении в количестве тех и других – и это обстоятельство было отмечено Менделеевым! – получается наиболее плотная «упаковка» молекул обоих веществ. Менделеев говорил, что в этот момент «происходит наиболее индивидуализированное в химическом смысле соединение» молекул обоих веществ, Это язык химии, но, пользуясь химическими терминами, Менделеев правильно описывал физическую сущность явления. В действительности можно говорить о том, что при определенном соотношении между растворяемым веществом и растворителем происходит изменение энергии взаимодействия молекул обоих веществ. При этом меняется число молекул растворителя, которые могут быть связаны с одной молекулой растворяемого вещества. А в зависимости от концентрации раствора число этих молекул растворителя, составляющих ближайшее окружение молекулы растворяемого вещества, может и увеличиваться и уменьшаться [60], причем, поскольку в этих изменениях участвует целое число молекул, изменения происходят скачками, прерывисто. Нечто похожее происходит и при изменении структуры кристалла.

С этими внутренними перегруппировками молекул в растворе тесно связано и изменение его свойств. Если в растворе достигнута наибольшая плотность «упаковки» молекул (растворителя и растворяемого вещества, то раствор будет обладать при этой концентрации растворителя наибольшей плотностью (как это имеет место в приведенном примере из диссертации Менделеева с 46-процентным раствором спирта в воде). Этому будет соответствовать и наибольшая его вязкость, а если это так называемый «твердый раствор», то обычно и наибольшая прочность, и т. д.

Ныне оправдалось менделеевское предсказание, что «впереди химия растворов произведет свое влияние не только на понимание сплавов, изоморфов и тому подобных так называемых неопределенных соединений, но и на понимание обычнейших явлений химической природы…»

Мы знаем теперь (отчасти это стало выясняться и во времена Менделеева), что силы взаимодействия между молекулами растворяемого вещества и растворителя тесно связаны с электронной структурой атомов и молекул. Они определяются или взаимодействием ионов (осколков молекул, обладающих электрическим зарядом), или так называемой координационной связью атомов, которая по современным представлениям обусловливается наличием в одном из компонентов свободной пары электронов. Но сам Менделеев, правильно описывая общую физическую картину процесса растворения, отвергал попытки истолкования химических явлений с точки зрения новых представлений об электрической природе химических взаимодействий атомов. Он это рассматривал как возвращение к электрохимической теории Берцелиуса, против которой, как мы знаем, в молодости решительно выступал. В предисловии к седьмому изданию «Основ химии» он писал: «Возврат к электрохимизму, столь явный у последователей гипотезы об «электролитической диссоциации», и признание распада атомов на «электроны» на мой взгляд только усложняет, и ничуть не выясняет дело». Менделеев здесь вступал в противоречие с собственными великими открытиями. Он продолжал защищать устаревшее понятие о неизменности элементов, а оно рушилось в результате развития его основоположных работ по созданию Периодического закона.