Менделеевская жидкость что это
Сайт про изобретения своими руками
МозгоЧины
Сайт про изобретения своими руками
Как изготовить неньютоновскую жидкость самостоятельно в домашних условиях
Как изготовить неньютоновскую жидкость самостоятельно в домашних условиях
С жидкостью мы сталкиваемся ежедневно. Но вы слышали о жидкости, которая становится твердой, если на нее воздействовать? В статье мы расскажем об интересной, неньютоновская жидкости. Подвергаясь физическому, звуковому или механическому воздействию она меняет свойства вязкости и плотности. Если нагрузка небольшая — становится эластичной, при сильной нагрузке твердая и упругая.
Давайте сравним ньютоновскую и неньютоновскую жидкость. Оказывая любое влияние на обычную жидкость, она всегда изменяется. Оказывая воздействие на неньютоновскую — она начнет проявлять свойства твердого тела.
Определение и примеры
Природный пример неньютоновской жидкости — болотные трясины, зыбучие пески, грунтовые плывуны. Ступая в зыбучий песок или в болото, начнешь погружаться под слой песка и воды, но стоит приложить силу и хлопнуть по поверхности рукой, она моментально станет твердой.
Немного истории
Знаменитый физик Исаак Ньютон заметил, что, если плыть по реке и быстро грести веслами – так намного сложнее, нежели, это делать медленно. Эта мысль натолкнула его сформулировать закон, что вязкость жидкости увеличивается пропорционально силы воздействия на нее.
Неньютоновские жидкости, которые вы встречаете каждый день – масляные краски, тушь для ресниц, болото, кровь и многое другое.
Есть раздел в науке, который занимается изучение неньютоновской жидкости – реология. Это раздел в физике, где изучают деформацию и текучесть вещества.
Применение неньютоновских жидкостей
Она применяется во многих сферах деятельности – военные разработки, автопромышленность, косметология, кулинария.
В военном производстве разрабатывают новое поколение бронежилетов. Учеными был создан прототип бронежилета нового поколения. Между слоями жилета используют специальный жидкий состав, которая при ударе распределяется по всему бронежилету.
Если в такой жилет попадет пуля, то она не пробьет его, а застрянет внутри. Также применяется при других разработках, например, инновационный материал, из которого делают снаряжение для горнолыжников. Данный материал приставляет собой отдельные ячейки с жидкой и твердой фазой.
В косметологии используют свойства неньютоновской жидкости, чтобы косметика не растекалась по лицу, а держалась красивым макияжем. Примеры из косметологии – различные крема, тональные основы, туши, блески. К каждому продукту подбираются индивидуальные показатели вязкости.
В автомобильной промышленности тоже используют свойства неньютоновсих жидкостей, например, моторные масла. При работе двигателя они уменьшают свою вязкость в несколько десятков раз.
В качестве примера из кулинарии можно привести кетчуп, майонез, сливочное масло.
Неньютоновские жидкости уже больше 50 лет используют в пожаротушении. Благодаря полимеру длина струи из бронзбойта почти в 2 раза длиннее.
Неньютоновская жидкость применяется во многих производственных процессах нефтепроизводства.
Классификация и свойства
Основные свойства неньютоновскй жидкости:
Как сделать неньютоновскую жидкость дома
Сейчас продают готовый набор с домашними опытами для всей семьи. Дальше мы расскажем, как приготовить ее в домашних условиях и какие опыты можно провести. Рецепт неньютоновской жидкости очень прост. Ингредиенты есть в каждом доме. На фото видно, как сделать раствор, и какие опыты провести.
Для неньютоновской жидкости нам понадобиться 2 ингредиента — крахмал и вода в пропорции 1 к 1. Пропорция может быть немного другой — все зависит от крахмала. Если вы будите видеть, что раствор слишком жидкий, добавьте еще крахмал. В миску с водой добавляем крахмал и начинаем размешивать.
Смесь станет густой и мешать ее будет трудно. Можете надавить на поверхность и почувствуете сопротивление. Оставьте раствор в покое и частицы крахмала выпадут на дно. Если вы начнете обратно смешивать, то смесь обратно начнет твердеть. Если размешивать быстро, то вязкость становится выше.
Опыты в домашних условиях
Опыты с ньютоновской жидкостью понравятся не только детям, но и взрослым.
Делаем всем знакомый из детства лизун или популярный слайм
Все помнят разноцветных лизунов, их можно было разминать руками, они не прилипали к коже и весело стекали по стене. Сделать такой лизун можно дома имея следующие ингредиенты — банка клея пва, понадобиться примерно 100 грамм, стакан воды и тетроборат натрия, который подают в любой аптеке в виде раствора или порошка.
Можно использовать различные пищевые красители, а для декора блестки и косметическую пудру.
В глубокой емкости смешиваем воду, клей и краситель. Аккуратно добавляем столовую ложку тетробората натрия, и все смешиваем. Наша жидкость становится густой и тягучей. Игрушка готова. Для сохранности лизун желательно хранить в закрытых емкостях и не допускать попадания прямых солнечных лучей.
Популярные сегодня слаймы – это тоже пример неньютоновской жидкости. Сделать их тоже легко в домашних условиях.
Как хранить неньютоновскую жидкость
Как только вы оставляете жидкость в покое на несколько часов, она начинает засыхать. Но стоит добавить воды, и вы снова можете проводить опыты всей семьей.
Лучше хранить в закрытой емкости. Если вы наигрались и хотите вылить, то дождитесь ее засыхания и утилизируйте в урну. В канализацию смывать нельзя.
Каждый день мы сталкиваемся с неньютоновской жидкостью. Мы рассказали, как легко из обычного крахмала дома приготовить необычную воду и провести с детьми опыты. А опыты с ней не только веселые, но и помогают легким языком изучать законы физики.
Неньютоновская жидкость полностью не изучена наукой, но ученые уверены, что благодаря ей произойдет прорыв во многих сферах производства.
Драка оказалась лучшей рекламой для «беленькой»
Пришло время праздновать юбилей одного из самых «эпохальных» событий в отечественной и даже мировой истории. 150 лет назад, 31 января 1865 года выдающийся русский химик Дмитрий Менделеев представил на суд научного сообщества результаты своих исследований «О соединении спирта с водою», доказывающие, что оптимальная крепость спирто-водочного раствора при его массовом производстве должна быть 40 градусов. Этот день принято считать днем рождения классической русской водки.
Фото: Елена Минашкина
Но правильно ли это? И что же на самом деле открыл в своей легендарной работе Дмитрий Иванович? Разобраться корреспонденту «МК» помог химик Павел Прибытков.
На самом деле «новорожденная» гораздо старше 150-ти лет. Жители нашей страны познакомились с «огненной водой» еще за четыре с лишним столетия до момента оптимизации ее состава Менделеевым.
Как выяснили историки, первое «пришествие» водки на русскую землю состоялось в 1429 году. Тогда это «зелье» привезли к нам из Генуи. Однако, увидев печальные результаты употребления спиртового раствора, власти тут же запретили дальнейший массовый ввоз продукта в страну. Еще почти сто лет после этого «беленькую» на Руси использовали лишь в качестве лекарства. Врачи давали максимум половину ложки пациентам, страдающим, например, коликами в животе, головной болью.
Слово «водка» («вудка») россияне позаимствовали у соседей-поляков. Правда, в изначальном варианте этим термином наши прадеды называли такие горячительные напитки, которые имели цвет. То есть разного рода настойки – на травах, на ягодах. А бесцветный «горлодер» на протяжении нескольких веков у нас именовался «хлебным вином». Окончательное превращение «вина» в «водку» состоялось лишь в XIX веке.
Фокусы с «огненной водой»
В литературе можно найти упоминания о том, что результаты долгих исследований привели Менделеева к однозначному выводу: самая «правильная» крепость спирто-водочного раствора, предназначенного для «употребления вовнутрь» должна равняться 40 градусам. Вот так и появилась наша «фирменная» русская водка.
– Это легенда, которая весьма далека от реальной ситуации, – поясняет Павел Прибытков. – С точки зрения науки и ее практического применения все далеко не так однозначно. Многие «знатоки предмета» упоминают, что, мол, «менделеевская» смесь обладает самыми лучшими для ощущений выпивающего ее человека вкусовыми качествами. Но это не так. На самом деле, как выяснили исследователи, самой «вкусной» была бы водка крепостью около 45 градусов (тут, к слову сказать, можно заметить, что именно к такому показателю близки образцы элитных крепких напитков – виски, коньяков, текилы. )
Традиционная наша «огненная вода» все-таки не дотягивает до этого показателя – причем, исключительно по утилитарным экономическим причинам. И тут пора вернуться к работе Менделеева. Проводя эксперименты по составлению спирто-водочных смесей, он убедился, что образование их чревато «фокусами». Вот, например, если объединить поллитра чистого спирта и поллитра воды, то в результате получится вовсе не литр раствора, а заметно меньше. Разгадка тому простая: в процессе слияния спирт и вода вступают в химическую реакцию, которая приводит к образованию нового молекулярного соединения – гидрата спирта. А одна молекула гидрата, оказывается, по размеру своему меньше суммарного размера образовавших ее «породнившихся» молекул воды и спирта. В итоге – тот самый «фокус» с уменьшением итогового объема жидкости: внешний эффект такой, будто при слиянии воды и спирта часть раствора куда-то «испарилась», произошла «усушка» и «утруска» ценного продукта.
На этом «чудеса» не кончаются. Как выяснил Менделеев, при различном количественном соотношении соединяемых воды и спирта получаются различные гидраты, и в результате процент «испарившейся» жидкости получается разным.
– То есть соединив, скажем, 700 «кубиков» спирта с 300 «кубиками» воды мы получим один итоговый объем, а при соединении соответственно 600 и 400 «кубиков» – другой?
– Да. И тут возникают серьезные «конфликты интересов». Если по-максимуму заботиться о вкусовых ощущениях, о качестве, то нужно разливать по бутылкам 43-45-градусную водку, но, увы, Дмитрий Иванович в своих исследованиях 150-летней давности выяснил, что при получении спирто-водочного раствора такой крепости его «усушка» будет очень велика, и это, конечно, для промышленного производства никуда не годится. С точки зрения производителя «огненной воды» выгодно разбавлять спирт «пожиже»: «исчезновение» раствора в результате химического процесса будет мало. Однако получившаяся в этом случае «беленькая» крепостью, скажем, 25-30 градусов – такая гадость, пить которую мало желающих!
В итоге по результатам, приведенным в диссертации Дмитрия Ивановича, оказалось, что наиболее целесообразно сливать упоминаемые здесь жидкости в такой весовой пропорции: на каждые 1000 граммов воды около 850 граммов чистого спирта. Получается в результате смесь крепостью около 40 градусов, которая по вкусовым качествам не так уж сильно отличается от «элитного», самого «вкусного» «белого» напитка в 43-45 градусов, но зато «усушка» при ее изготовлении существенно меньше. Вот этот раствор и был в итоге узаконен в России под названием «русской водки».
Фото: Александр Добровольский
В разгар ее «царствования» в Российской Империи производством водки занимались тысячи предпринимателей. Только в одной Москве в середине прошлого века, согласно данным официальной статистики, было свыше 300 больших и малых водочных предприятий.
Чтобы выиграть борьбу за потребителя многие из хозяев прибегали к различным ходам. Кто-то совершенствовал качество, кто-то играл на понижении цены в ущерб вкусу. Одним из самых креативных «водочных королей» оказался московский купец Николай Шустов.
В конце 1863 года он получил соответствующее разрешение и открыл на Маросейке водочный заводик. При этом, организуя свое алкогольное производство, Николай Леонтьевич решил твердо: его водка будет только отличного качества, пусть даже ради этого денежные расходы придется существенно увеличить.
Продукт у Шустова доводили до кондиции несколькими способами, о которых сам хозяин узнал в свое время от отца и деда. Сперва в спирт-сырец засыпали березовый уголь. Получившуюся черную, как смоль, жижу несколько дней держали в больших, плотно закрывающихся емкостях, регулярно их переворачивая. Тщательно фильтровали, возвращая спирту его прозрачность. На следующем этапе, чтобы вытянуть остатки сивухи, Николай Леонтьевич по отцовскому рецепту использовал сырые яичные белки. Это было дорогое удовольствие: для обработки каждой дюжины ведер с требовалось ведро белков!
Качество водки, как известно, очень зависит от воды, которую используют для ее приготовления. Шустов и здесь экономию разводить не стал. Шустовские работники ездили на водовозке, запряженной конной парой, в Мытищи – к знаменитому Гром-ключу (считалось, что именно мытищинские родники дают самую вкусную в Подмосковье воду).
Следуя дедовским рецептам, Николай Леонтьевич сдабривал свое хлебное вино, давая ему чуть настояться на меду или на ягодах сушеного винограда. Лишь после этого шустовский «нектар» был готов.
Некоторые истинные ценители сразу отметили появление в продаже столь качественной выпивки и старались покупать именно ее. Но таких было не много. Остальная же пьющая Москва продукт Шустова игнорировала, предпочитая ему товары виноделов-конкурентов – более знакомые, более дешевые.
Осенью 1864 года на питейные дома и трактиры в Москве и крупных губернских городах вдруг обрушилась волна скандалов, которые происходили практически по одному и тому же сценарию. В «храме Бахуса» появлялись два-три молодых человека и делали заказ: «Бутылку шустовской водки с хорошей закуской!» В ответ на заявление полового, что такого сорта водки в наличии не имеется, посетители возмущались: «Как же так, у вас здесь, судя по вывеске, серьезное заведение, и вдруг – нет лучшей в России водки! Безобразие! Вы над нами издеваетесь!» Тут же начиналась заваруха. Служитель трактира получал от разгневанных гостей пару оплеух, грохотали опрокинутые стулья, со звоном летели на пол тарелки. На шум являлась полиция и забирала дебоширов в участок. Следовало составление протокола, судья назначал штраф.
Такие скандалы с удовольствием обсуждали обыватели, о них писали газеты. В итоге уже через несколько дней о пресловутой шустовской водке знала вся Москва и губерния.
Организовал столь оригинальную рекламную кампанию, конечно, сам Николай Леонтьевич.
В 1765 году императрица Екатерина издала особый указ, даровав право производства спирта и изготовление «хлебного вина» только лицам дворянского происхождения. А крестьянам официально дозволялось готовить «беленькую» (то есть фактически – самогон) лишь перед самыми большими праздниками: к Пасхе, к Рождеству, к Масленице и в ограниченном количестве – исключительно для личного потребления, но не на продажу.
В середине 1920-х после долгого периода существования «сухого закона» на территории России, вновь появилась в широкой продаже водка, получившая в народе прозвище «рыковка» – по имени тогдашнего Председателя Cовнаркома А. Рыкова. В отличие от классических «менделеевских» сорока градусов, этот напиток имел крепость 38 градусов. В связи с этим по стране пошел гулять анекдот: Встречает на том свете Николай Второй Ленина и спрашивает: «Что, Владимир Ильич, и вы водочку выпустили? А сколько градусов?» «38.» «Эх, дорогой, и стоило ли вам из-за каких-то лишних двух градусов революцию делать?!»
Во время самого первого массированного налета немецкой авиации на Москву 22 июля 1941 года бомбами были подожжены и разрушены корпуса ликеро-водочного завода. По словам очевидцев, пламя и черный дым закрыли пол-неба.
О военном параде, состоявшемся в прифронтовой столице 7 ноября 1941 года, написано много. Однако практически нигде не упоминается маленький «штришок», относящийся к этому легендарному событию. Оказывается, по приказу Наркома обороны всем солдатам – участникам парада на Красной площади в тот же вечер был выдан дополнительный спец-паек – 100 граммов водки.
В 1982 году Международный арбитражный суд на своем очередном заседании принял решение признать за СССР приоритет в области создания водки. Судьи подтвердили, что ее следует считать оригинальным русским алкогольным напитком.
«Это не водка»: зачем Менделеев на самом деле смешал воду и спирт?
Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907 гг.) в 1865 году защитил докторскую диссертацию на тему: «О соединении спирта с водою». Ученый проделал колоссальную научную работу, измеряя плотность и тепловое расширение разных соотношений воды и этилового спирта. Но эти опыты не имели никакого отношения к изобретению знаменитого напитка крепостью в 40 градусов.
Теме изобретения Менделеевым водки доктор химических наук Олег Михайлов посвятил статью «Легенды и были о Менделееве, русской водке и сверхкритических флюидах», которая была опубликована в журнале «Вестник Российской академии наук» (том 83, № 4 за 2013 год). Автор отметил, что в своей диссертации Д.И. Менделеев рассматривал только жидкофазные системы, в которых явно преобладает один из составных компонентов. То есть, великого ученого интересовали лишь такие водно-спиртовые смеси, в которых содержание Н2О или С2Н5ОН фиксировалось на уровне или больше 90% объема, или меньше 10%. А вот бинарные растворители с другими соотношениями, в том числе и классическая 40-градусная водка, не вошли в сферу научных изысканий Д.И. Менделеева.
«Тем не менее он, вероятно, оказался-таки первым химиком, получившим абсолютный, то есть безводный, этиловый спирт, который, заметим, простой перегонкой «бражки» или иной спиртосодержащей смеси получить невозможно…», – написал О.В. Михайлов.
Работал в комиссии
Будучи известным ученым, Д.И. Менделеев входил в состав правительственной комиссии по введению эффективного акцизного налога. К этой работе Дмитрий Иванович был привлечен в качестве эксперта по химическим технологиям.
В 1892 году пост министра финансов Российской империи занял Сергей Юльевич Витте (1849-1915 гг.). Желая увеличить доходы государственной казны, этот высокопоставленный чиновник ввел государственную монополию на производство горячительных напитков.
Одновременно правительство утвердило жесткие стандарты на всю алкогольную продукцию. Одним из решений комиссии, в состав которой входил и Д.И. Менделеев, было требование о 40-процентном содержании спирта в водке, производимой на казенных заводах.
Известный ученый-физик, сотрудник Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (США), Владимир Шильцев, совместно со студенткой Иллинойсского университета Елизаветой Шильцевой написал статью «Менделеев и водка: синергия науки и мифа», которая была опубликована в журнале «Наука из первых рук» (№ 3 за 2019 год). Авторы отметили, что акцизы на спиртные напитки и прибыль от государственной винной монополии были важными статьями пополнения бюджета Российской империи. Например, в 1906 году более трети доходов царской казны поступали из этих источников.
Самого Д.И. Менделеева такая ситуация не радовала. Еще в 1883 году он писал: «Неужели, в самом деле, положение наше таково, что в кабаке, казенном или частном, должно видеть спасение для экономического быта народа, т.е. России, и в водке, да в способах ее потребления искать исхода для улучшения современного состояния дел народных и государственных».
Как показала практика, употребление 40-градусного напитка довольно быстро стало традицией, хотя еще в начале ХХ века была издана Техническая энциклопедия, которая определяла водку как напиток, в котором содержание спирта может варьироваться от 25 до 65 процентов объема.
Проверял водку для царя
Еще одной причиной, по которой Д.И. Менделеев проводил научные изыскания, смешивая спирт с водой, могли быть, как ни странно, интересы личной безопасности двух российских императоров – Александра II Николаевича (1818-1881 гг.) и Николая II Александровича (1868-1918 гг.).
Доктор технических наук В.Б. Сажин и ученик московской школы № 72 (образовательный центр «Протон») А.Ю. Панов совместно написали статью «Национально-культурные и экономические аспекты бражничества в России до и после диссертации Д.И. Менделеева о соединении спирта с водой», которая была опубликована в журнале «Успехи в химии и химической технологии» (№ 12 за 2007 год).
«Химические методы анализа пищевых продуктов стали применяться в России при Александре II как один из факторов противодействия политическому террору. В 1878 году было отдано высочайшее распоряжение о химическом анализе подаваемой императору водки, который сначала проводился придворными медиками, а позднее – в лабораториях Д.И. Менделеева. Традиция продолжалась и при Николае II», – написали В.Б. Сажин и А.Ю. Панов.
Изучал свойства растворов
Помимо Периодической системы элементов знаменитого химика интересовали различные темы исследований, в том числе и свойства растворов. Об этом известный писатель и публицист Олег Писаржевский рассказал читателям своей книги «Дмитрий Иванович Менделеев. 1834-1907» (Москва, 1949 год издания).
Проводя лабораторные исследования, ученый заметил, что объем водно-спиртового раствора неизменно оказывается меньше совокупности объемов Н2О или С2Н5ОН, смешанных во имя науки. То есть, если соединить 1 литр воды и 1 литр спирта, то получится отнюдь не 2 литра 50-градусного горячительного напитка, а меньше. Это значит, что плотность раствора двух этих химических элементов выше плотности каждого из них по отдельности.
«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», – отметил О.Н. Писаржевский.
Знаменитый химик понял, что молекулы Н2О или С2Н5ОН вступают во взаимодействие друг с другом. Так, при 46-процентном содержании спирта в растворе возникают устойчивые ассоциации трех молекул воды и одной молекулы спирта.
Д.И. Менделеева интересовали не только соединения Н2О или С2Н5ОН, в 1887 году химик представил научному сообществу свою работу «Исследование водных растворов по удельному весу», в которой рассмотрел изменения плотности 283 веществ, смешанных с водой в разных концентрациях.
Современные ученые подтверждают выводы Д.И. Менделеева, что между молекулами тех или иных веществ в растворе происходит взаимодействие, обусловленное либо деятельностью ионов, либо наличием свободной пары электронов в атомах. Этим и объясняется изменение плотности, удельного веса и других свойств получаемых жидкостей в зависимости от концентрации растворяемого вещества в воде.
«Целые эпохи в технике характеризуются преимущественным употреблением тех или иных твердых растворов металлов: меди и олова, железа и углерода, алюминия, магния и т.д. Закономерности, обнаруженные последователями менделеевских работ в твердых растворах, позволяют сейчас изготовлять из соответствующих чистых металлов твердые растворы заранее известных свойств», – так О.Н. Писаржевский оценил научный вклад Д.И. Менделеева в данной сфере.
источник
Д. И. Менделеев и периодическая система элементов
Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907)
В сентябре 2017 года Генеральная ассамблея ООН провозгласила «год, начинающийся 1 января 2019 года, Международным годом Периодической таблицы химических элементов в целях повышения осведомленности мировой общественности о фундаментальных науках и расширения образования в области фундаментальных наук». Это было сделано по предложению нескольких международных организаций, в том числе Международного союза теоретической и прикладной химии, Российской академии наук, Объединенного института ядерных исследований, Российского химического общества имени Д. И. Менделеева.
150 лет назад, 17 февраля 1869 года (по принятому тогда в России юлианскому календарю), Дмитрий Иванович Менделеев поставил эту дату и свою подпись под одностраничной рукописью, названной им «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сродстве». Отчетливо сознавая значение сделанного им открытия («опыта»), Д. И. Менделеев через несколько дней отправил сделанные переписчиками копии этой рукописи западноевропейским коллегам-химикам. Прежде всего, он послал рукопись немцу Юлиусу Лотару Мейеру (1830–1895), англичанину Джону Ньюлендсу (1837–1898) и итальянцу Станислао Канницаро (1826–1910). Интересно отметить, что эти химики и сам Менделеев были практически ровесниками, сравнительно молодыми учеными. В 1860–66 годах они независимо друг от друга стремились навести порядок в системе химических элементов, которых тогда было известно уже около 60. Большая часть из этого числа была открыта в 40–60-е годы XIX века и для них еще не были надежно определены атомные веса и химические свойства (возможные валентности).
В 1860 году С. Канницаро, расположив элементы в порядке увеличения их атомного веса, подметил некоторые закономерности в похожести химических свойств. Л. Мейер в 1864 году, выбрав 28 элементов, впервые составил некую таблицу из 6 столбцов, соответствующих 6 возможным валентностям. Но в каждой из 5 строк этой таблицы элементы располагались не по возрастанию атомного веса, а довольно хаотично. Причиной этого было неточное знание атомных весов и наличие нескольких возможных валентностей у многих элементов. Периодичность по строкам и столбцам нарушалась. Но сама идея поисков периодичности при расположения элементов по строкам и столбцам была здравой и многообещающей. На родине Мейера, в городке Фарель в Нижней Саксонии, неподалеку от устья Эльбы установлен мемориал с тремя скульптурными портретами — Мейера, Менделеева и Канницаро.
Английский химик Д. Ньюлендс тоже подметил некоторую закономерность в списке элементов. Он назвал эту закономерность «правилом октав». В начале списка Канницаро валентности повторялись через каждые шесть элементов, 2-й, 9-й и 16-й элементы имели валентность 1, а 3-й, 10-й и 16-й элементы имели валентность 2.Это походило на музыкальную октаву, в которой между тонами «до» расположено шесть других основных тонов. Правда, после кальция, занимавшего 17-е место в списке, это правило теряло свою обязательность. Опубликованная в 1865 году работа Ньюлендса не вызвала, однако, интереса у химиков и даже подверглась насмешкам на заседании Лондонского химического общества.
Таким образом, у истоков создания периодической системы стояли четыре человека, однако создателем периодической системы элементов признан российский химик.
Так что же сделал Д. И. Менделеев?
Прежде всего, он руководствовался списком не из 28 элементов (Мейер) и не из 40 элементов (Канницаро), а из 67 элементов, смело оставив в этом списке места для трех, совершенно неизвестных в то время элементов, по его мнению обязанных находиться в определенных местах таблицы согласно их возможной валентности и возможному атомному весу. Это означает, что для самого автора периодичность уже была установленным законом, хотя он и озаглавил свою таблицу «опытом». В этом сказалась методологическая (философская) убежденность Менделеева в существовании цикличности в глобальных законах природы.
«Опыт системы элементов» (1869 г.)
В первом варианте своей таблицы Менделеев, в отличие от Мейера, элементы с одинаковой валентностью располагал не по вертикали (в столбах), а по горизонтали (в строках). Это не меняло сути дела, и уже во втором варианте таблицы в 1870 году он повернул таблицу на 90 градусов, и она приняла более привычный нам вид. Номера столбцов стали соответствовать «главным» валентностям элемента (с первого по седьмой) и называться группами, а строки получили название периодов, в которых содержалось либо 7, либо 17 элементов. Отличие от современных значений — 8 групп (или 18, как принято в наиболее современных вариантах периодической системы) и по 8 или 18 элементов в периоде — обусловлено тем, что в то время еще совершенно не были известны элементы, называемые сегодня благородными (инертными) газами. Только за 4 месяца до открытия Менделеева появились первые сообщения о гипотетическом солнечном газе, а на Земле гелий был открыт лишь через 27 лет после этого. И уже впоследствии состоялось открытие других благородных газов.
Очень важным было то, что менделеевская таблица предсказала существование нескольких неизвестных тогда химических элементов, которые Менделеев назвал эка-алюминием, эка-кремнием и эка-бором. Через 6 лет после работы Менделеева французским химиком Лекоком де Буабодраном был открыт элемент, названный галлием. И хотя интересы Менделеева в это время уже сместились в другие области науки, он продолжал следить за научными публикациями по химии. Прочитав об открытии галлия, он тут же узнал в нем свой предугаданный эка-алюминий.
Сообщение Менделеева об этом в письме французскому химику произвело настоящую сенсацию среди ученых. Тем более, что предсказания Менделеева о плотности и атомном весе этого элемента оказались даже более точными, чем первоначально опубликованные опытные данные. В десятках европейских лабораториях химики стали лихорадочно искать остальные предсказанные Менделеевым элементы и проверять у известных элементов сомнительные атомные веса и химические свойства. И уже через год шведский химик Ларс Нильсон открыл элемент, полностью соответствующий описанному Менделеевым эка-бору. Он назвал его в честь своей родины скандием. При жизни Менделеева был открыт элемент германий (эка-кремний) и началось открытие семейства благородных газов.
Периодическая таблица элементов (1905 г.)
Опубликованная Менделеевым в очередном издании своих «Основ химии» в 1905 году таблица периодической системы уже гораздо больше походила на современную. Окончательно эта таблица получила современный вид после работ по анализу рентгеновских спектров элементов Генри Мозли (1913 г.). Мозли понял, что не только валентность, определяемая числом электронов во внешней электронной оболочке атома, определяет положение элемента в той или иной группе. Большую роль играют и спектры, связанные с электронными переходами во внутренних оболочках (К-, L- и М-электронных оболочках). Гораздо резче, чем в оптических спектрах, в рентгеновских спектрах проявляется номер элемента в периодической системе. Сегодня мы знаем, что это и есть зарядовое число атомного ядра элемента. Это позволило Мозли уточнить расположение в периодической таблице многих редкоземельных элементов и предсказать, в свою очередь, открытие ряда тогда еще неизвестных элементов. И в наше время, когда на мощных ускорителях в нескольких мировых научных центрах (и прежде всего в Объединенном институте ядерных исследований в подмосковной Дубне) открыто уже 26 трансурановых элементов, каждый из них занимает положенную ему «клеточку» в периодической системе согласно атомному весу и строению электронных оболочек, определяемому по рентгеновским спектрам.
Очередным триумфом менделеевской таблицы стало открытие 118-го элемента, который занял место в группе благородных газов. И он получил имя, которое оканчивается не на «-ий», как у всех других трансурановых элементов, а на «-он», как это и положено всем элементам восьмой группы, кроме гелия. Имя это — «оганесон» — дано в 2018 году международным комитетом в честь руководителя работ в Дубне академика РАН Ю. Ц. Оганесяна. Второй раз элементу присвоено имя в честь здравствующего ученого (первым был американский физик Гленн Сиборг, определивший в 1941 году нептуний и плутоний). Среди названий трансурановых элементов 2 астрономических, 9 географических, а 15 названы в честь ученых. Так, 99-й элемент — это эйнштейний, 100-й — фермий, а 101-й элемент заслуженно носит имя «менделевий». Не подлежит сомнению и роль Менделеевской таблицы в открытии элементов радия и полония, за что Мария Склодовская-Кюри в 1911 году получила вторую Нобелевскую премию, на этот раз — по химии.
Но наибольший триумф периодической системы — это ее теоретическое обоснование, сделанное в 1926 году Вольфгангом Паули на основе только что созданного тогда матричного представления квантовой механики. Это обоснование стало одним из первых доказательств справедливости квантовой механики, этого, по мнению многих ученых, величайшего достижения науки в ХХ веке.
Дмитрий Иванович Менделеев родился 27 января (8 февраля) 1834 года в Тобольске в семье директора гимназии и попечителя народных училищ Тобольской губернии Ивана Павловича Менделеева и Марии Дмитриевны Менделеевой, урожденной Корнильевой. В семье было 14 детей, но восемь из них умерли в младенчестве. Дмитрий был младшим сыном, «последышем», как он сам себя называл впоследствии. Иван Павлович вскоре после рождения младшего сына ослеп и, хоть зрение ему частично смогли восстановить московские хирурги, к работе он вернуться не смог и скончался, когда сыну было чуть больше 10 лет. Воспитанием будущего ученого занималась его мать, происходившая из старинного сибирского рода купцов и промышленников. Она самостоятельно прошла полный гимназический курс и сыграла особую роль в жизни семьи, фактически став главным семейным педагогом.
Мария Дмитриевна быстро поняла, что ее младший сын имеет выдающиеся способности, хотя в гимназии он увлекался математикой и физикой, а к гуманитарным предметам не испытывал интереса. Способности мальчика и его трудолюбие позволили ему закончить гимназический курс в 15 лет. Через год Мария Дмитриевна распродала имущество и отправилась с семьей сначала в Москву, а потом в Петербург, где тогда достаточно высоким был уровень естественно-научного образования, к которому стремился всей душой ее сын. Ей удается обеспечить досрочное (по возрасту) поступление сына в институт, а через год она умирает.
В предисловии к одной из первых научных работ Дмитрий Менделеев пишет:
«Это исследование посвящено памяти матери ее последышем. Она смогла его вырастить своим трудом и любовью, воспитывая примером, и, чтобы отдать науке выходца из Сибири, тратила последние средства и силы. Умирая, завещала: избегать самообольщения, настаивать в труде, а не в словах, терпеливо объяснять научную правду, ибо понимала, как при помощи науки, без насилия, любовно, но твердо устраняются предрассудки и ошибки и достигается свобода дальнейшего развития, общее благо и внутреннее благополучие. Заветы матери считаю священными».
В 21 год Менделеев закончил физико-математический факультет Главного педагогического института в Петербурге с золотой медалью и титулом «старший учитель». Два года он работал сначала в Симферополе, а потом в Одессе в гимназии при Ришельевском лицее преподавателем физики, математики и естественных наук. За это время он подготовил и с блеском защитил в Петербургском университете магистерскую диссертацию по химической проблеме и стал приват-доцентом этого университета.
В России тогда наступало новое время — эпоха отмены крепостного права, эпоха преобразований и организация регионального (земского) управления. Правительство Александра II понимало необходимость для этого подготовки просвещенных управленческих кадров, а значит, и развития образования и науки. Резкое увеличение финансирования университетов позволило Менделееву стать стипендиатом двухгодичной стажировки в научные учреждения Германии.
За границей Менделеев не только изучал новейшие достижения химической науки и технологии. Он смог получить средства для создания лаборатории, в которой изучал физико-химические свойства газов и жидкостей, в частности зависимость температуры кипения жидкостей от давления и свойств насыщенного пара.
Менделеев показал, что выше некоторой температуры ни при каком давлении не существует длительного процесса кипения жидкости и, соответственно, не существует явления постепенного сжижения газа. При некоторых температуре и давлении происходит одномоментное сгущение газа или расширение жидкости. Эти параметры впоследствии были названы «критическими», а само состояние вещества при этом — «критическим состоянием». Оказалось, что получение сжиженного газа с помощью сжатия возможно лишь при температуре ниже критической. Открытие Менделеева легло в основу всех будущих технологий получения сжиженных газов.
Во время своей стажировки в Германии Менделеев только начал эти работы. Вернувшись в Россию, он не смог найти подходящее место и финансирование для продолжения работ по сжижению газов. Ведь он формально (по диссертации) был химик, но в химической науке еще не успел проявить себя должным образом. И Менделеев принимает решение отложить на время свои научные занятия. На основе своего обширного знания химии он создает остро необходимый тогда учебник «Органическая химия», а также переводит и издает немецкий учебник «Химическая технология».
Эти издания принесли Д. И. Менделееву известность в научных кругах. А полученная за них академическая Демидовская премия обеспечила некоторое материальное благополучие. Эта премия, между прочим, существует под несколько измененным названием и в наше время и присуждается за выдающиеся научные достижения. Среди недавних лауреатов этой премии такие выдающиеся ученые, как физики Ж. И. Алферов и В. А. Рубаков, математики Л. Д. Фаддеев и Б. В. Раушенбах, историк В. Л. Янин, биологи А. А. Баев и А. С. Спирин, химик И. И. Моисеев.
Демидовская премия позволила Менделееву совершить путешествие по Европе вместе с молодой женой, Феозвой Никитичной Лещевой, его землячкой по Тобольску, падчерицей знаменитого тобольчанина (или «тоболяка», как больше нравится жителям этого города) Петра Павловича Ершова, официального автора «Конька-горбунка». Свое свадебное путешествие Менделеев вовсю использовал для общения с европейскими химиками и изучения всех новинок химической науки.
По возвращении из европейской поездки Менделеев получил место штатного доцента органической химии Петербургского университета и одновременно профессорскую должность в Петербургском технологическом институте. Через два года после защиты докторской диссертации Менделеев становится профессором Петербургского университета по кафедре технической химии.
В это время возникла острая необходимость создать новый учебник по неорганической химии, который бы отражал новейшие достижения бурно развивавшейся химической науки. Эта идея захватила Менделеева. Но в каком порядке излагать описания и химические свойства элементов? Ведь они так разнообразны.
Хорошо изучив свойства всех известных тогда элементов, Менделеев составил картотеку и все время мысленно тасовал эту «колоду», пытаясь найти закономерности расположения элементов. Он знал о подобных попытках европейских химиков, но долгое время у него, как и у них, ничего не выходило. Получила распространение легенда, что решение проблемы пришло к нему во сне. Эту легенду сам Менделеев и создал, живописно описывая, как однажды после бессонной ночи ему в полусне явилось единственно возможное расположение элементов и он тут же записал его на первом попавшемся клочке бумаги. Психологи считают, что это был не сон, а промежуточное состояние между сном и бодрствованием, в котором мозг работает с особой активностью. Менделеев при этом добавлял, что ничего не видит в этом особенного, поскольку долгое время он непрерывно думал об этом, прежде чем решиться на окончательный вариант таблицы, где были вакантные места и где он смело изменял известные тогда атомные веса некоторых элементов, чтобы они заняли соответствующие места в строках и столбцах таблицы. Так, например, несмотря на то, что атомный вес элемента урана тогда считался равным всего лишь 60 условных единиц, Менделеев «присваивает» урану значение атомного веса в 4 раза большее (как оно и оказалось на самом деле) и помещает уран в то самое место таблицы, где он и должен находиться.
Портрет Д. И. Менделеева в мантии доктора права Эдинбургского университета, написанный И. Е. Репиным (1885 г.)
Законный триумф и мировое признание, особенно после открытия предсказанных им элементов, не помешали Менделееву продолжать активно работать. Но его научные интересы сместились в другие области. Он вновь занялся изучением поведения газов при различных давлениях и для не очень высоких давлений переосмыслил открытый в 1834 году французским инженером и физиком Полем Клапейроном закон и ввел понятие универсальной газовой постоянной. С тех пор этот закон носит имя Менделеева — Клапейрона и называется уравнением состояния идеального газа. Но на этом Менделеев не успокоился и стал исследовать отклонения от этого закона. Он ввел понятие «реальные газы» и качественно описал отклонения поведения этих газов от «идеальности».
Велики заслуги Менделеева в физической химии, химической технологии и смежных отраслях техники. Вот только некоторые из них: создание безопасного способа получения одного из вариантов бездымного (пироксилинового) пороха, обеспечившее широкое распространение его в мире («менделеевский» порох); разработка теории растворов, в частности определение наиболее оптимального соотношения компонентов в смеси различных жидкостей; изучение поверхностного натяжения жидкостей и доказательство его исчезновения в критическом состоянии вещества; исследование состава нефти и доказательство ее как биогенного, так и абиогенного происхождения; обоснование значения многих составляющих нефти как ценных химических продуктов и разработка методов извлечения из нефти этих продуктов (знаменитая фраза: «сжигать нефть — это все равно, что топить печку ассигнациями»).
К этому впечатляющему «химическому» перечню можно добавить целый ряд других интересов и достижений Д. И. Менделеева. Например, метрологические исследования, руководство созданной им российской «Палатой мер и весов»; метеорологические исследования, изучение земной атмосферы и солнечной короны; участие в создании первых в мире ледоколов для освоения Арктики; написание 25 статей по проблемам промышленной экологии в энциклопедическом словаре Брокгауза и Эфрона.
Но одно из менделеевских увлечений выделяется из общего ряда. Для полноценных наблюдений за солнечной короной во время полного солнечного затмения летом 1887 года Менделеев разрабатывает проект стратостата, равного которому тогда в мире не существовало (диаметром 20 м и объемом больше 3000 м 2 ). Он делает это совместно с изобретателем и воздухоплавателем С. К. Джевецким. Вместе с Менделеевым должен был лететь пилот-аэронавт. Но когда выясняется, что в неожиданно наставшую дождливую погоду шар не сможет поднять двух человек, Менделеев решает, что он полетит один, и после необходимого инструктажа об управлении шаром поднимается в воздух. К сожалению, и на высоте солнце осталось скрытым за облаками и пришлось довольствоваться только изучением свойств земной атмосферы на различных высотах. При этом из-за отказа клапана шар поднялся выше облаков на незапланированную высоту 3,5 километра, но, увы, затмение уже закончилось. Менделеев сумел исправить клапан и благополучно приземлиться на расстоянии 100 километров от точки старта.
Этот штрих менделеевской биографии иллюстрирует его необычайную смелость, проявившуюся не только в подвиге создания периодической таблицы. Менделеев был смел и принципиален во всех своих делах, в том числе и в отношениях с «властями предержащими». В конце XIX века в России властями стала проводиться политика «укрепления дисциплины и правопорядка» в обществе и прежде всего в университетах, где студенческая молодежь стала стремиться к реформам образования. Менделеев несколько раз обращался в «инстанции», заступаясь за исключаемых из университета «бунтовщиков».
Результатом стало его увольнение из университета и отставка из почти всех комиссий, в которых он деятельно участвовал. Два раза Менделееву было отказано в избрании членом Российской академии наук, хотя он был уже членом нескольких десятков престижных академий и научных обществ всего мира. Дважды правительство настояло на отзыве представлений Менделеева на награждение Нобелевской премией, сделанных видными российскими химиками. И это, безусловно, повлияло на нобелевский комитет, так и не удостоивший Менделеева этой награды, к недоумению всего мирового химического сообщества.
Важное место в жизни Менделеева в то время занимали еженедельные вечера, где собирались коллеги и друзья, в том числе художники И. Е. Репин, А. И. Куинджи, И. И. Шишкин и другие передвижники. В этом салоне непринужденно обсуждались все события научной и политической жизни общества. Жена Менделеева демонстративно не принимала участия в этих встречах. Семейные отношения становились все более сложными и безысходными. В конце 1876 года 42-летний Менделеев на одном из своих салонных вечеров знакомится с 16-летней Анной Ивановной Поповой (1860–1942).
Молодая девушка выбрала необычную для того времени судьбу. Выросши в старозаветной семье донского казацкого атамана, она каким-то образом восприняла передовые идеи нарождавшейся русской интеллигенции, выбрав для себя путь просвещения народа. Тайно от отца (но с материнского благословления) она уехала в столицу, чтобы учиться на женских курсах (прообразе знаменитых «бестужевских курсов» — первого женского университета России). Она училась живописи, была принята в менделеевском салоне, чувствовала себя в нем свободно и непринужденно и, конечно, не могла не обратить внимания на его главу — знаменитого химика. И ни всемирная слава Менделеева, ни 26-летняя разница в возрасте не помешали ей наряду с безмерным уважением почувствовать любовь. А Дмитрий Иванович не мог не интересоваться Анечкой, как ее стали называть в салоне. Не желая быть причиной разрушения семьи, Аня «сбежала» в Италию. Узнав об отъезде, Менделеев бросил все и уехал вслед за Анной. Через месяц они возвратились вместе.
После развода с первой женой жизнь Менделеева резко изменилась. Анна Ивановна была внимательной и заботливой женой и разделяла все взгляды своего мужа. В этом браке родилось четверо детей. Неподалеку от загородного подмосковного дома Менделеева была деревня Шахматово, где в летнее время жила семья дочери ректора Петербургского университета ботаника А. Н. Бекетова большого друга Д. И. Менделеева. И там познакомились старшая дочь Менделеева Любовь Дмитриевна и внук Бекетова, Александр Александрович Блок, будущий великий русский поэт. Они стали мужем и женой.
В биографии многих знаменитых людей вплетаются и анекдотические истории. Присутствуют они и в биографии Менделеева. О легенде открытия, сделанного во сне, уже упоминалось. Другая притча о Менделееве — об изобретении им, якобы, русской сорокаградусной водки. На самом деле введение государственного акциза на водку произошло еще в 1844 году, когда Менделееву не исполнилось и десяти лет. Впоследствии Менделеев много занимался теорией растворов. Этому была посвящена его докторская диссертация, в которой он установил, что существует некоторое оптимальное соотношение смешивания различных жидкостей, при котором плотность смеси максимальна. Но для этилового спирта и воды это было вовсе не 40%, а совершенно другая величина — две части спирта на одну часть воды, что безусловно не годилось для народного алкогольного продукта. А во Франции именно это соотношение было принято, на основе работ Менделеева, для французского абсента — смеси этилового спирта с настойкой из 14 трав.
Но вот рассказы о Менделееве, как об известном мастере чемоданного дела, имели реальное основание. Еще в самом начале своей педагогической деятельности в Симферополе и Одессе его материальное положение было весьма тяжелым. И Менделеев нашел способ его поправить. Он изобрел особый лак, который делал фибровую основу чемодана очень прочной и в то же время легкой. Но кроме этого такой чемодан выглядел как очень дорогое кожаное изделие. Впоследствии это умение стало «хобби» ученого. Он с удовольствием отдыхал, делая чемоданы и раздаривая их знакомым.
Однако самым хорошим отдыхом для Дмитрия Ивановича были шахматы. На своих домашних вечерах он большую часть времени проводил за шахматной доской, что не мешало ему участвовать в интересных беседах. А игроком он был очень сильным.
Невозможно охарактеризовать деятельность Дмитрия Ивановича Менделеева и его достижения одним, даже самым емким определением. Химик Л. А. Чугаев в 1907 году написал о Менделееве так:
«Знаменитый химик, первоклассный физик, плодотворный исследователь в области термодинамики, гидродинамики, метеорологии, геологии, в различных отделах химической технологии и других сопредельных с химией дисциплин, глубокий знаток химической промышленности и промышленности вообще, особенно русской, оригинальный мыслитель в области учения о народном хозяйстве, государственный ум, которому, к сожалению, не суждено было стать государственным человеком, но который видел и понимал задачи и будущность России лучше представителей нашей официальной власти».
Дмитрий Иванович работал до последнего дня. Он скончался от воспаления легких 20 января 1907 года. Память о Менделееве сохраняется в названиях городов и поселков, многих географических и астрономических объектов и в многочисленных памятниках. А на мемориальном камне его могилы на Волковом кладбище Санкт-Петербурга достаточными оказались всего лишь три слова «Дмитрий Иванович Менделеев».