— О господи…»
Результатом такого напряженного трехлетнего труда стало «Исследование водных растворов по удельному весу». Знаменито это исследование тем, что из всех менделеевских трудов именно на его долю выпала судьба самая необычная и самая странная.
Б то время как некоторые крупные физико-химики считали эту менделеевскую работу основополагающей в количественном изучении растворов, другие, не менее крупные специалисты утверждали, что у нее нет серьезной теоретической основы и что ей еще предстоит доказать свое право на существование. В то время как при жизни Дмитрия Ивановича бытовало мнение, что его гидратная теория безнадежно запоздала появиться на свет, спустя десятилетие после его смерти считалось, будто гидратная теория родилась на 20–30 лет раньше, чем в ней почувствовалась необходимость. Конечно, и с тем и с другим мнением можно спорить, но верно то, что трудно было найти год, менее подходящий для появления на свет гидратной теории, чем 1887-й.
В 1865 году, заканчивая свою докторскую диссертацию «О соединении спирта с водою», Дмитрий Иванович считал, что он расстается со своими читателями лишь на то сравнительно небольшое время, которое понадобится ему для завершения очередного этапа в исследовании растворов. «Выводы, какие можно было сделать… а также и нахождение более точной и простой формулы, — заключил он свою диссертацию, — оставляю до другого раза, когда справедливость некоторых замеченных мною особенностей подтвердится над другими растворами, к изучению которых и полагаю вскоре приступить».
Мы уже знаем, какие события почти на двадцать лет отвлекли Менделеева от исполнения его намерения. Но какими бы интересными и важными ни представлялись эти события Дмитрию Ивановичу, они в его сознании лишь отодвинули растворы на второй план, но никогда не вытеснили их полностью. И в годы самой напряженной работы над другими научными проблемами Менделеев нет-нет да и публиковал одну-две заметки о растворах. Но как только проблемы, важность которых заставляла Дмитрия Ивановича уделять им свое время и внимание в первую очередь, исчерпались, он немедленно вернулся к своей любимой теме.
Такой пристальный и устойчивый интерес к растворам характеризует Дмитрия Ивановича как чрезвычайно проницательного химика, безошибочно чувствующего, где находятся узловые проблемы этой науки.
«Тела не взаимодействуют, пока не растворены», — не уставали повторять алхимики и фармацевты средних веков.
«Химики ставят растворитель на первое место среди всех вспомогательных средств и гордятся тем, что с его помощью они могут совершать все чудесные действия своего искусства», — писал известный в XVIII веке химик Г. Бургаве. А другой химик, Гийтон де Морво. в конце того же XVIII века заявлял: «Так как химия не действует иначе, как при помощи растворения, таковое должно быть нитью при изложении химии». Морво пребывал под таким обаянием этой мысли, что предложил даже разделить химию на главы: растворение огнем, растворение воздухом, растворение водою, растворение кислотами и т. д.
Показывая, какую важную роль играют растворы в химии, эти высказывания говорят о том, какая путаница царила в головах ученых XVIII века относительно механизма растворения. Но, как ни далек был XVIII век от этой зрелости в понимании предмета, которая обычно предшествует его количественному изучению, он передал веку грядущему глубокое ощущение того, что растворитель есть не безразличная среда, в которой разрежается растворяющееся тело, но активно действующий, изменяющийся в процессе растворения реагент и что растворение есть процесс не механический, но химический. Этим-то обстоятельством объясняется тот парадоксальный факт, что в первой половине XIX века сложная химическая гипотеза растворов большинству специалистов казалась естественнее и проще, нежели неизмеримо менее сложная механическая теория, рассматривающая растворы как простые механические смеси. И среди ученых, разрабатывавших в этот период химическую теорию растворов, мы видим славные имена ученых французских — К. Бертолле, Ж. Гей-Люссака и Ж. Био; германских — И. Поггендорфа, Г. Гмелина и Г. Коппа; российских — Г. Гесса и Д. Менделеева.
Когда в начале 1860-х годов Дмитрий Иванович приступил к своим физико-химическим экспериментам, он открыл любопытную психологическую закономерность. Оказывается, когда в науке выдвигается новая гипотеза, никто не верит в нее, кроме самого автора. Но когда сообщается о новом экспериментальном факте, все относятся к нему с гораздо большим доверием, чем сам экспериментатор. «Опыт доказывает»… «эксперименты подтверждают»… — такие фразы уверенно говорят люди, не знающие об этом опыте и об этих экспериментах ничего, кроме окончательных чисел. Но сам экспериментатор, знающий, чего стоят его приборы, его установка, его ассистенты, называет полученные им цифры не так уверенно, как окружающие. Подтверждения такого положения дел Дмитрий Иванович обнаруживал на каждом, шагу. Анализируя данные, полученные многими предшественниками, он снова и снова убеждался, как опасна «покорная доверчивость к так называемым фактам». И этот урок, усвоенный в 1860-х годах, не прошел даром.
В 1883 году, приступая к всестороннему исследованию водных растворов, Менделеев вложил в эту работу весь накопленный за двадцать лет опыт, применил новейшие измерительные методы и приборы, использовал для обработки полученных данных все новейшие математические приемы. «Мое исследование, — писал он, — стремится отыскать в массе «фактов» те наблюдения, с которыми стоит считаться, то есть оно относится к ним с требованиями о их достоверности».
Сначала Дмитрий Иванович собрал материалы по растворам, накопленные его предшественниками почти за целое столетие. Затем, чтобы сделать все эти цифры сравнимыми между собой, он пересчитал их, приведя удельные веса к взвешиванию в пустоте, отнеся их к воде при наибольшей плотности и сличив при одинаковом составе. Одновременно велась выработка новых, более точных приемов и методов измерений и измерялись удельные веса растворов, либо вовсе не изученных предшественниками, либо изученных с недостаточной точностью. В своем труде Дмитрий Иванович рассматривает растворы в воде 233 химических веществ при различных концентрациях и температурах. «Критический сборник всех отдельных измерений удельного веса водных растворов, не имеющий… аналога в литературе других народов» — так много лет спустя оценивал книгу Дмитрия Ивановича академик П. Вальден.
Ученые 1860-х годов вовсе не случайно и не слепо придерживались химической точки зрения на растворы. Их убеждал в справедливости такой позиции ряд наблюдений и прежде всего то, что при растворении многих веществ — спирта, серной кислоты, аммиака — выделяется теплота. А выделение теплоты издавна считалось характернейшим признаком химической реакции — достаточно вспомнить горение угля в воздухе или растворение цинка в соляной кислоте. И вот что интересно: в результате таких химических реакции объем получившихся продуктов всегда оказывается меньше, чем объем вступивших в реакцию веществ. Другими словами, исходные реагенты как бы сжимаются в получившемся в результате реакции продукте. А это значит, что удельный вес продукта возрастает по сравнению с удельным весом вступающих в реакцию веществ. Вот почему удельный вес, то есть чисто механическая характеристика раствора, дает возможность заглянуть в глубь его молекулярного строения, вот почему именно эту характеристику растворов, доступную весьма точному измерению, Дмитрий Иванович положил в основу своего капитального труда. И он не обманулся в своих ожиданиях…
Серная кислота получается при растворении газообразного серного ангидрида — SO3 — в воде. Этот процесс сопровождается выделением тепла и сжатием раствора. Исследования Дмитрия Ивановича показывали, что из бесчисленного множества растворов серной кислоты в воде можно выделить пять, при образовании которых сжатие было наибольшим. В первом из них на одну молекулу SO3 приходится точно одна молекула воды, во втором — две, в третьем — три, в четвертом — семь и в пятом — сто пятьдесят одна. Эти пять растворов ясно выделялись и по другим физическим свойствам: по температуре плавления, электропроводности, вязкости и химической активности. Подобные зависимости были получены также для растворов многих других веществ.
