Органически сочетая теорию с практикой, Д.И.Менделеев много внимания уделял вопросам технологии нефти. Он предлагал всемерно увеличивать добычу нефти и совершенствовать ее химическую переработку.[6]
2. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАУЧНЫХ ДОСТИЖЕНИЙ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА
Д.И. Менделеев писал, что есть четыре предмета, составивших его имя: три научных открытия (периодический закон, химическая теория растворов и изучение упругости газов), а также «Основы химии» - учебник-монография, равного которому, пожалуй, нет в истории химической литературы.
2.1 Изучение упругости газов
В свое время Исаак Ньютон подчеркивал эстафетный характер развития науки, а именно тот факт, что каким неожиданным ни является каждое новое открытие, оно рождается на базе других крупных открытий, сделанных ранее.
«…Так как науки, подобные химии, обращаются как с идеями, так и с природными явлениями и веществами, - писал Д.И.Менделеев, - то они приучают понимать, что прошлые мысли и труды уже дали многое, без чего невозможно идти в «океан неизвестного», и в то же время прямо дают возможность узнавать новые части этого неизвестного».
В своих трудах Менделеев часто ссылался на работы великого французского ученого А. Лавуазье (1743-1794 гг.), считая его «основателем современной научной химии». Говоря об открытии кислорода, Менделеев отмечал, что хотя кислород как отдельный газ был получен учеными до Лавуазье, только он совершенно понял его природу и большое значение.
В конце 18 века были открыты газы, составляющие воздух. Изучение объемов реагирующих газов позволило получить наиболее общие и строгие законы, относящиеся к учению о составе и строении веществ. Распад веществ на отдельные молекулы приводит к тому, что некоторые свойства становятся общими для многих веществ независимо от их индивидуальной природы. Например: 22,4л – таков объем моля любого газа при нормальных условиях. Это впервые показал Д.И. Менделеев. Другой пример: воздух как смесь газов. Несмотря на различную молекулярную массу газов, эта смесь имеет практически постоянный состав (закон парциальных давлений Дальтона).
Растворимость газов в воде, согласно закону Генри, также установленному в 19 веке, пропорциональна парциальному давлению растворяемых газов. При изучении состава соединений важную роль играли определения атомных и молекулярных масс, которые производились на основе атомной теории Дальтона и молекулярной теории Авогадро. Здесь были свои трудности. Сложность всей работы, которую вели химики в течение длительного времени, по изучению свойств веществ, разработке методов получения новых соединений или извлечения из природных объектов, состояла в том, что не были известны причины «химического сродства», скрытые микроскопические пружины, приводящие атомы во взаимодействие и к разрушению одних соединений и образованию других.
В природе не были известны одноатомные соединения. Теперь они известны. Это инертные газы. Значит, вначале приходилось решать задачу определения молекулярной массы соединения, затем состава соединения и атомную массу составляющих элементов. Химики, столкнувшись с разнообразием соединений, должны были принять за эталон сравнения самое простое вещество. Это водород, атомная масса которого послужила основой шкалы атомных масс. Берцелиус, Гмелин, Дюма, Жерар – каждый из них внес свою лепту в создание атомно-молекулярной теории. Выводы из работ этих ученых были хорошо известны Менделееву.
2.2 Химическая теория растворов
Еще одной важной стороной научной деятельности Менделеева является создание учения о растворах.
Развивая учение о составе и строении неорганических соединений, ученый сравнивал сплавы, растворы и изоморфные смеси и убедился в том, что в этом случае приходится говорить о «неопределенных соединениях». При этом его занимал в первую очередь вопрос о том, какие элементы или их совокупности способны давать соединения определенные и какие – неопределенные.
Уровень современной Менделееву науки не позволял ему более широко решить вопрос о взаимосвязи свойств и состава (центральная проблема формировавшегося учения о периодичности).
Его первое крупное исследование по растворам – докторская диссертация «О соединении спирта с водой» (1865г.) – содержало результаты наблюдений за взаимосвязью плотности и концентрации растворов спирта в воде, а также о методе обнаружения и изучения гидратов.
Менделеев рассматривал водные растворы как жидкие динамические системы, в которых соединения находятся в состоянии подвижного химического равновесия.
Какие же соединения могут находиться в растворах? Это соединения трех видов: молекулы растворителя, растворенного вещества и продукты их взаимодействия. Сочетание их определяется природой веществ, концентрацией, температурой. При этом в такой системе одновременно может происходить несколько реакций, сущность которых выражается определениями: «ассоциация» и «диссоциация».
Каков характер зависимости свойств от состава – второй вопрос, в решении которого Менделеев также значительно продвинулся вперед.
В современной науке взгляды Менделеева на растворы получили дальнейшее развитие.
В учении о растворах общим должно считаться то, что при растворении практически всегда имеет место химическое взаимодействие между растворяемым веществом и растворителем. Отсюда возникают такие понятия, как динамическое равновесие, растворимость (и концентрация).
Но вместе с тем существуют и различия: растворы и расплавы, разбавленные и концентрированные растворы, ненасыщенные и перенасыщенные растворы имеют свои особенности или специфические свойства.
Свойства водных растворов в значительной степени определяются индивидуальными свойствами растворителя – воды. Вода – уникальное соединение по многим физическим и химическим свойствам. Вода отличается даже от ближайших к ней водородных соединений других элементов по типу связи или классу соединений.
Как теперь установлено, в твердой фазе (лед) образуются тетраэдрические структуры в результате возникновения водородных связей между атомами водорода в молекуле воды и неподеленной электронной парой другой молекулы. Каждый атом кислорода имеет две неподеленные электронные пары. Следовательно, в ближайшем окружении находятся четыре атома водорода: два «своих» и два «чужих». В пространстве эта фигура представляет собой тетраэдр, который по своим свойствам, конечно, будет отличаться от другого тетраэдра, например, из атомов углерода (алмаз), ибо в последнем случае в вершинах тетраэдра находятся атомы одного элемента. Тетраэдр принадлежит к числу довольно плотных упаковок.
Различные вещества, попадая в воду, способны либо стабилизировать ее структуру, либо частично или полностью ее разрушать. С увеличением концентрации растворов, особенно при растворении сильных электролитов, могут происходить дополнительные явления. Тогда, кроме процессов перехода кристалла в раствор и гидратации, осуществляются реакции гидролиза, комплексообразования, окисления-восстановления и др.[3]
2.3 Периодический закон
В 1869 году Менделеев, расположив известные в то время химические элементы в определенном порядке (в общем соответственно возрастанию атомного веса), обнаружил периодичность химических и некоторых физических свойств простых тел и соединений элементов. Ученый пришел к периодической системе химических элементов. Он составил таблицу элементов, написав их названия одно за другим в порядке возрастания атомного веса и расположив элементы со сходными химическими свойствами один под другим. При этом в столбцах таблицы – группах – оказались элементы со сходными свойствами.
Теперь эта таблица известна всему миру. Ее изучают во всех школах. Ее подробно излагают во всех учебниках химии.
Открытие Менделеева – важная веха в истории представлений о природе.
В 19 веке химия получила множество достоверных знаний о составе различных молекул. Но внутрь атома наука еще не проникла. Объяснить различия атомов и, следовательно, различия между химическими элементами структурой атомов, числом и расположением входящих в них частиц можно было после того, как ряд крупных открытий, прежде всего открытие периодической системы, продемонстрировали известный порядок в свойствах атомов. Теперь каждое предположение о внутренней структуре атома должно было объяснить, почему при возрастании атомного веса периодически повторяются свойства элементов. Наука получила прочную опору и вместе с тем мощный стимул для дальнейшего движения.
У Менделеева были предшественники, заметившие повторение свойств элементов. Но никто из них не создал единой системы, объясняющей всю совокупность химических явлений.
Такую систему создал Менделеев. Он рассказывал, как в течение долгого времени происходили поиски, приведшие к открытию.
На картонных карточках Менделеев писал названия элементов, атомные веса и отмечал формулы важнейших соединений. Особенное внимание он обращал при этом на валентность, то есть на способность атома данного элемента соединяться с определенным числом атомов другого элемента. Менделеев раскладывал эти карточки в разных сочетаниях, руководствуясь мыслью о связи между элементами, о сходстве свойств различных элементов. Он искал связь не только между элементами, сравнительно близкими друг к другу по химическим свойствам, но и между элементами несходными. Он находил такую связь, несходные элементы оказывались близкими по атомному весу, а, в свою очередь, элементы со сходными свойствами отстояли друг от друга сравнительно далеко по атомному весу, причем расстояние между сходными элементами повторялось.
Обнаружив периодическое повторение химических свойств в ряду элементов, расположенных по возрастающему атомному весу, обнаружив, что между сходными элементами стоит одно и то же число других элементов, Менделеев составил таблицу элементов, написав названия сходных элементов одно под другим. В каждой клетке таблицы мы видим символ элемента (первые буквы латинского названия), порядковый номер и число, обозначающее атомный вес (округленно). Из клеток составляются вертикальные столбцы (группы элементов) и горизонтальные строки (периоды).[4]