Авиация Менделеев, Дмитрий Иванович - Научная деятельность

Илья Репин. Портрет Д. И. Менделеева в мантии доктора права Эдинбургского университета 1885. Масло

Д. И. Менделеев — автор фундаментальных исследований по химии, физике, метрологии, метеорологии, экономике, основополагающих трудов по воздухоплаванию, сельскому хозяйству, химической технологии, народному просвещению и других работ, тесно связанных с потребностями развития производительных сил России.

Д. И. Менделеев исследовал явления изоморфизма, раскрывающие отношения между кристаллической формой и химическим составом соединений, а также зависимость свойств элементов от величины их атомных объёмов.

Открыл в 1860 году «температуру абсолютного кипения жидкостей», или критическую температуру.

16 декабря 1860 года он пишет из Гейдельберга попечителю Санкт-Петербургского учебного округа И. Д. Делянову: «…главный предмет моих занятий есть физическая химия».

Д. И. Менделеев является автором первого русского учебника «Органическая химия».

Сконструировал в 1859 году пикнометр — прибор для определения плотности жидкости. Создал в 1865—1887 годах гидратную теорию растворов. Развил идеи о существовании соединений переменного состава.

Исследуя газы, Менделеев нашёл в 1874 году общее уравнение состояния идеального газа, включающее как частность зависимость состояния газа от температуры, обнаруженную в 1834 году физиком Б. П. Э. Клапейроном.

В 1877 году Менделеев выдвинул гипотезу происхождения нефти из карбидов тяжёлых металлов, которая, правда, на сегодня большинством учёных не принимается; предложил принцип дробной перегонки при переработке нефти.

Выдвинул в 1880 году идею подземной газификации углей. Занимался вопросами химизации сельского хозяйства, пропагандировал использование минеральных удобрений, орошение засушливых земель. Совместно с И. М. Чельцовым принимал в 1890—1892 годах участие в разработке бездымного пороха. Является автором ряда работ по метрологии. Создал точную теорию весов, разработал наилучшие конструкции коромысла и арретира, предложил точнейшие приёмы взвешивания.

В своё время интересы Д. И. Менделеева были близки к минералогии, его коллекция минералов бережно хранится и сейчас в Музее кафедры минералогии Санкт-Петербургского университета, а друза горного хрусталя с его стола является одним из лучших экспонатов в витрине кварца. Рисунок этой друзы он поместил в первое издание «Общей химии». Студенческая работа Д. И. Менделеева была посвящена изоморфизму в минералах.

Периодический закон

Д. И. Менделеев. Первый рукописный вариант периодического закона. 18 февраля 1869 года

Работая над трудом «Основы химии», Д. И. Менделеев открыл в феврале 1869 года один из фундаментальных законов природы — периодический закон химических элементов.

6 марта 1869 года знаменитый доклад Д. И. Менделеева «Соотношение свойств с атомным весом элементов» был прочтён Н. А. Меншуткиным на заседании Русского химического общества. В том же году это сообщение на немецком языке появилось в журнале «Zeitschrift für Chemie», а в 1871 году в журнале «Annalen der Chemie» была осуществлена развёрнутая публикация Д. И. Менделеева, посвящённая его открытию — «Die periodische Gesetzmässigkeit der Elemente».

Отдельные учёные в ряде стран, особенно в Германии, соавтором открытия считают Лотара Мейера. Существенное различие этих систем заключается в том, что таблица Л. Мейера — это один из вариантов классификации известных к тому времени химических элементов; выявленная Д. И. Менделеевым периодичность — это система, которая дала понимание закономерности, позволившей определить место в ней элементов, неизвестных в то время, предсказать не только существование, но и дать их характеристики.

Не давая представления о строении атома, периодический закон, тем не менее, вплотную подводит к этой проблеме, и решение её было найдено несомненно благодаря ему — именно этой системой руководствовались исследователи, увязывая факторы, выявленные им с интересовавшими их другими физическими характеристиками. В 1984 году академик В. И. Спицын пишет: «…Первые представления о строении атомов и природе химической валентности, разработанные в начале нашего столетия, основывались на закономерностях свойств элементов, установленных с помощью периодического закона».

Немецкий учёный, главный редактор фундаментального пособия «Анорганикум» — объединённого курса неорганической, физической и аналитической химии, выдержавшего более десяти изданий, академик Л. Кольдиц так истолковывает особенности открытия Д. И. Менделеева, сопоставляя в высшей степени убедительные результаты его труда с работами других исследователей, искавших подобные закономерности:

Развивая в 1869—1871 годах идеи периодичности, Д. И. Менделеев ввёл понятие о месте элемента в периодической системе как совокупности его свойств в сопоставлении со свойствами других элементов. На этой основе, в частности, опираясь на результаты изучения последовательности изменения стеклообразующих оксидов, исправил значения атомных масс 9 элементов. Предсказал в 1870 году существование, вычислил атомные массы и описал свойства трёх ещё не открытых тогда элементов — «экаалюминия», «экабора» и «экасилиция». Затем предсказал существование ещё восьми элементов, в том числе «двителлура» — полония, «экаиода» — астата, «экамарганца» — технеция, «экацезия» — франция.

В 1900 году Дмитрий Иванович Менделеев и Уильям Рамзай пришли к выводу о необходимости включения в периодическую систему элементов особой, нулевой группы благородных газов.

Удельные объёмы. Химия силикатов и стеклообразного состояния

Обложка первой публикации Д. И. Менделеева «Химический анализ ортита из Финляндии». 1854

Настоящий раздел творчества Д. И. Менделеева, не выразившись результатами масштабов естествознания в целом, тем не менее, как и всё в его исследовательской практике, будучи неотъемлемой частью и вехой на пути к ним, а в отдельных случаях — их фундаментом, чрезвычайно важен и для понимания развития этих исследований. Как станет видно из дальнейшего, он тесным образом связан с основополагающими компонентами мировоззрения учёного, охватывающими сферы от изоморфизма и «основ химии» до базиса периодического закона, от постижения природы растворов до взглядов, касающихся вопросов строения веществ.

Первые работы Д. И. Менделеева в 1854 году представляют собой химические анализы силикатов. Это были исследования «ортита из Финляндии» и «пироксена из Рускиалы в Финляндии», о третьем анализе минеральной глинистой породы — умбры — имеются сведения только в сообщении С. С. Куторги в Русском географическом обществе. К вопросам аналитической химии силикатов, Д. И. Менделеев возвращался в связи с магистерскими экзаменами — письменный ответ касается анализа силиката, содержащего литий. Этот небольшой цикл работ послужил возникновению интереса у исследователя к изоморфизму: состав ортита учёный сравнивает с составами других сходных минералов и приходит к выводу, что такое сопоставление позволяет построить изменяющийся по химическому составу изоморфный ряд.

В мае 1856 года Д. И. Менделеев, вернувшись в Санкт-Петербург из Одессы, подготовил диссертационную работу под обобщённым названием «Удельные объёмы» — многоплановое исследование, своеобразную трилогию, посвящённую актуальным вопросам химии середины XIX века. Большой объём работы не позволил издать её полностью. Опубликована была только первая часть, озаглавленная, как и вся диссертация «Удельные объёмы»; из второй части позднее был напечатан только фрагмент в виде статьи «О связи некоторых физических свойств тел с химическими реакциями»; третья же часть при жизни Д. И. Менделеева не была полностью опубликована — в сокращённом виде она была представлена в 1864 году в четвёртом выпуске «Технической энциклопедии», посвящённой стекольному производству. Через взаимосвязь освещаемых в работе вопросов Д. И. Менделеев последовательно приближался к постановке и решению наиболее существенных в его научном творчестве проблем: выявлению закономерностей при классификации элементов, построению системы, характеризующей соединения через их состав, строение и свойства, создание предпосылок формирования зрелой теории растворов.

Весы, сконструированные Д. И. Менделеевым для взвешивания газообразных и твёрдых веществ

В первой части этого труда Д. И. Менделеева — детального критического анализа литературы, посвящённой вопросу, им высказана оригинальная мысль о связи молекулярного веса и объёма газообразных тел. Учёный вывел формулу расчёта молекулярного веса газа, то есть впервые была дана формулировка закона Авогадро-Жерара. Позднее выдающийся русский физикохимик Е. В. Бирон напишет: «Насколько мне известно, Д. И. Менделеев первый стал считать, что можно уже говорить о законе Авогадро, так как гипотеза, в виде которой закон был сперва сформулирован, оправдалась при экспериментальной проверке…».

Опираясь на колоссальный фактический материал в разделе «Удельные объёмы и состав кремнезёмных соединений», Д. И. Менделеев приходит к широкому обобщению. Не придерживаясь, в отличие от многих исследователей, механистического толкования объёмов соединений как суммы объёмов образующих их элементов, но отдавая должное результатам, полученным этими учёными, Д. И. Менделеев ищет не формальные количественные закономерности в объёмах, а старается установить связь между количественными соотношениями объёмов и совокупностью качественных характеристик вещества. Таким образом он приходит к выводу, что объём, подобно кристаллической форме, является критерием сходства и различия элементов и образуемых ими соединений, и делает шаг в направлении создания системы элементов, прямо указывая на то, что изучение объёмов «может служить на пользу естественной классификации минеральных и органических тел».

Особый интерес представляет часть, именуемая «О составе кремнезёмных соединений». С исключительной глубиной и обстоятельностью Д. И. Менделеевым впервые изложен взгляд на природу силикатов как соединений, подобных сплавам оксидных систем. Учёным установлена связь между силикатами как соединениями типа_xx и «неопределёнными» соединениями других типов, в частности, растворами, что выразилось правильной трактовкой стеклообразного состояния.

Именно с наблюдения процессов стеклоделия начался путь Д. И. Менделеева в науке. Возможно, именно этот факт сыграл определяющую роль в его выборе, во всяком случае, данная тема, непосредственно связанная с химией силикатов, в той или иной форме закономерно соприкасается со многими другими его изысканиями.

Место силикатов в природе лаконично, но с исчерпывающей ясностью определено Д. И. Менделеевым:

Эта фраза указывает и на понимание учёным первостепенного утилитарного значения силикатных материалов, древнейших и самых распространённых в практике, и на сложность химии силикатов; поэтому интерес учёного к данному классу веществ, помимо известного практического значения, был связан с развитием важнейшего понятия химии — химическое соединение, с созданием систематики соединений, с решением вопроса о соотношении понятий: химическое соединение — раствор. Чтобы осознать важность и научное значения самой постановки вопроса, актуальность его и по прошествии более чем столетия, достаточно привести слова одного из специалистов в области химии силикатов, академика М. М. Шульца, сказанные им на XIII Менделеевском съезде, прошедшем в дни 150-летнего юбилея Д. И. Менделеева: «…До сегодняшнего дня нет общих определений, которые устанавливали бы чёткое соотношение сущности понятий „соединение“ и „раствор“. …Как только атомы и молекулы вступают во взаимодействие друг с другом при повышении их концентрации в газе, не говоря уже о конденсированных фазах, так сразу же возникает вопрос, на каком уровне по энергии взаимодействия и при каком численном соотношении между взаимодействующими частицами можно отделить друг от друга понятия „химическое соединение частиц“ или их „взаимный раствор“: для этого нет объективных критериев, они ещё не выработаны, несмотря на бесчисленное количество работ на эту тему и кажущуюся простоту».

Изучение стекла помогло Д. И. Менделееву глубже понять природу кремнекислых соединений и на этом своеобразном веществе увидеть некоторые важные особенности химического соединения вообще.

Темам стеклоделия, химии силикатов и стеклообразного состояния Д. И. Менделеевым посвящено около 30 работ.

Исследование газов

Д. И. Менделеев. Опыт химической концепции мирового эфира. Нью-Йорк — Лондон — Бомбей. 1904

Эта тема в творчестве Д. И. Менделеева связана, прежде всего, с поиском учёным физических причин периодичности. Так как свойства элементов находились в периодической зависимости от атомных весов, массы, исследователь мыслил возможность пролить свет на эту проблему, выясняя причины сил тяготения и посредством изучения свойств передающей их среды.

Концепция «мирового эфира» имела в XIX века большое влияние на возможное решение данной проблемы. Предполагалось, что «эфир», заполняющий межпланетное пространство, является средой, передающей свет, тепло и гравитацию. Исследование сильно разреженных газов представлялось возможным средством к доказательству существования названной субстанции, когда свойства «обычного» вещества уже не способны бы были скрывать свойства «эфира».

Одна из гипотез Д. И. Менделеева сводилась к тому, что специфическим состоянием газов воздуха при большом разрежении и мог оказаться «эфир» или некий-то газ с очень малым весом. Д. И. Менделеевым написано на оттиске из «Основ химии», на периодической системе 1871 года: «Легче всех эфир, в миллионы раз»; а в рабочей тетради 1874 года учёный выражает ещё более ясно ход мысли: «При нулевом давлении у воздуха есть некоторая плотность, это и есть эфир!». Тем не менее, среди его публикаций этого времени таких определённых соображений не высказано.

При всей гипотетической направленности исходных предпосылок этих исследований, основным и наиболее важным результатом в области физики, полученным благодаря им Д. И. Менделеевым, явился вывод уравнения идеального газа, содержащего универсальную газовую постоянную. Также очень важным, но несколько преждевременным, было предложенное Д. И. Менделеевым введение термодинамической шкалы температур.

Учёным также было избрано правильное направление для описания свойств реальных газов. Вириальные разложения, использованные им, соответствуют первым приближениям в известных сейчас уравнениях для реальных газов.

В разделе, имеющем отношение к исследованиям газов и жидкостей, Д. И. Менделеевым сделано 54 работы.

Учение о растворах

В 1905 году Д. И. Менделеев скажет: «Всего более четыре предмета составили моё имя, периодический закон, исследование упругости газов, понимание растворов как ассоциации и „Основы химии“. Тут моё богатство. Оно не отнято у кого-нибудь, а произведено мною…».

Н. А. Ярошенко. Д. И. Менделеев. 1886. Масло

На протяжении всей своей научной жизни Д. И. Менделеева не ослабевал его интерес к «растворной» тематике. Наиболее значительные его исследования в этой области относятся к середине 1860-х, а важнейшие — к 1880-м годам. Тем не менее, публикации учёного показывают, что и в другие периоды своего научного творчества он не прерывал изысканий, способствовавших созданию основы его учения о растворах. Концепция Д. И. Менделеева эволюционировала от весьма противоречивых и несовершенных первоначальных представлений о природе этого явления в неразрывной связи с развитием его идей в других направлениях, в первую очередь — с учением о химических соединениях.

Д. И. Менделеев показал, что правильное понимание растворов невозможно без учёта их химизма, отношения их к определённым соединениям и сложного химического равновесия в растворах — в разработке этих трёх неразрывно связанных аспектов заключается основное его значение. Однако сам Д. И. Менделеев никогда не называл свои научные положения в области растворов теорией — не сам он, а его оппоненты и последователи так именовали то, что он называл «пониманием» и «представлением», а труды настоящего направления — «попыткой осветить гипотетическим воззрением всю совокупность данных о растворах» — «…до теории растворов ещё далеко»; основное препятствие в её формировании учёный видел «со стороны теории жидкого состояния вещества».

Нелишним будет отметить, что, развивая это направление, Д. И. Менделеев, поначалу априорно выдвинув идею о температуре, при которой высота мениска будет нулевой, в мае 1860 года провёл серию опытов. При определённой температуре, которую экспериментатор назвал «абсолютной температурой кипения», нагретый в парафиновой ванне в запаянном объёме жидкий хлорид кремния «исчезает», перейдя в пар. В статье, посвящённой исследованию, Д. И. Менделеев сообщает, что при абсолютной температуре кипения, полный переход жидкости в пар сопровождается уменьшением поверхностного натяжения и теплоты испарения до нуля. Эта работа — первое крупное достижение учёного.

Важен также тот факт, что теория растворов электролитов приобрела удовлетворительную направленность, только восприняв идеи Д. И. Менделеева, когда произошёл синтез гипотезы о существовании ионов в растворах электролитов с менделеевским учением о растворах.

Растворам и гидратам Д. И. Менделеевым посвящено 44 труда.

Комиссия для рассмотрения медиумических явлений

Имевшие в середине XIX века немало сторонников в Западной Европе и Америке, к 1870-м годам получили некоторое распространение и в русской культурной среде — воззрения, подразумевающие поиск разрешения проблем непознанного в обращении к вульгарным формам мистицизма и эзотерики, в частности — к явлениям, именуемым с некоторых пор паранормальными, а в обыденном, лишённом наукообразия лексиконе — спиритуализмом, спиритизмом или медиумизмом.

Сам процесс спиритического сеанса преподносится адептами этих движений как момент восстановления нарушенного ранее временного единства материи и энергии и тем самым якобы подтверждается раздельное их существование. Д. И. Менделеев писал об основных «движителях» интереса к такого рода спекуляциям соприкосновением умопостигаемого и подсознательного:

В числе лидеров круга склонявшихся к правомочности такого понимания мироустройства были: выдающийся русский химик А. М. Бутлеров, зоолог Н. П. Вагнер и известный публицист А. Н. Аксаков.

Первоначально попытку разоблачения спиритизма предприняли академик П. Л. Чебышев и профессор М. Ф. Цион, брат и сотрудник известного медика И. Ф. Циона, одного из учителей И. П. Павлова. В середине 1870-х годов по инициативе Д. И. Менделеева молодое ещё Русское физическое общество выступило с резкой критикой спиритизма. 6 мая 1875 года было принято решение «создать комиссию по проверке всех „явлений“, сопровождающих спиритические сеансы».

Опыты по изучению действий «медиумов», братьев Петти и госпожи Клейер, присланной У. Круксом по просьбе А. Н. Аксакова, начались весной 1875 года. В качестве оппонентов выступали А. М. Бутлеров, Н. П. Вагнер и А. Н. Аксаков. Первое заседание — 7 мая, второе — 8 мая. После этого работа комиссии была прервана до осени — третье заседание состоялось только 27 октября, а уже 28 октября педагог, деятель столичной думы Фёдор Фёдорович Эвальд, входивший в первый состав комиссии, пишет Д. И. Менделееву: «…чтение книг, составленных господином А. Н. Аксаковым и т. подобных увражей произвело на меня решительное отвращение ко всему, касающемуся до спиритизма, медиумизма тоже» — он устраняется от участия. На смену ему в работу комиссии, несмотря на большую педагогическую загруженность, были включены физики Д. К. Бобылёв и Д. А. Лачинов.

На разных этапах работы комиссии в её состав входили: Д. К. Бобылёв, И. И. Боргман, Н. П. Булыгин, Н. А. Гезехус, Н. Г. Егоров, А. С. Еленев, С. И. Ковалевский, К. Д. Краевич, Д. Лачинов, Д. Менделеев, Н. П. Петров, Ф. Ф. Петрушевский, П. П. Фан-дер-Флит, А. И. Хмоловский, Ф. Ф. Эвальд.

Комиссией был применён ряд методов и технологических приёмов, исключавших использование «магнитизёрами» физических закономерностей для манипуляций: пирамидальный и манометрический столики, устранение внешних факторов, препятствующих полноценному восприятию обстановки эксперимента, допускающих усиление иллюзий, искажение восприятие реальности. Результатом деятельности комиссии явилось выявление ряда специальных приёмов, вводящих в заблуждение, разоблачение очевидного обмана, констатация отсутствия каких бы то ни было эффектов при корректных условиях, препятствующих неоднозначному толкованию явления — спиритизм был признан следствием использования «медиумами» психологических факторов для управления сознанием обывателей — суеверием.

Работа комиссии и полемика вокруг предмета её рассмотрения вызвала живой отклик не только в периодике, которая в целом заняла сторону здравомыслия. Д. И. Менделеев, впрочем, в итоговом издании предостерегает журналистов от легкомысленного, однобокого и неправильного толкования роли и влияния суеверия. Свою оценку дали П. Д. Боборыкин, Н. С. Лесков, многие другие и, прежде всего, Ф. М. Достоевский. Критические замечания последнего в большей степени имеют отношение не к спиритуализму как таковому, противником которого сам он являлся, а к рационалистическим взглядам Д. И. Менделеева.

Подводя итог Д. И. Менделеев указывает на различие, коренящееся в исходной нравственной позиции исследователя: в «добросовестном заблуждении» или сознательном обмане. Именно нравственные принципы он ставит во главу угла в общей оценке всех аспектов и самого феномена, его толкования и, в первую очередь, убеждений учёного, независимых от его непосредственной деятельности — и должен ли он их иметь вообще? В ответ на письмо «Матери семейства», обвинившей учёного в насаждении грубого материализма, он заявляет, что «готов служить, так или иначе, средством для того, чтобы было меньше грубых материалистов и ханжей, а побольше было бы людей истинно понимающих, что между наукою и нравственными началами существует исконное единство».

В творчестве Д. И. Менделеева эта тема, как и всё в круге его интересов, закономерно связана сразу с несколькими направлениями его научной деятельности: психология, философия, педагогика, популяризация знаний, исследование газов, воздухоплавание, метеорология и т. д.; то, что она лежит на этом пересечении, показывает и публикация, резюмирующая деятельность комиссии. В то время как исследование газов косвенно, через гипотезы о «мировом эфире», например, имеет отношение к «гипотетическим» же факторам, сопутствующим основной теме рассматриваемых мероприятий, указание на связь с метеорологией и воздухоплаванием может повлечь резонное недоумение. Однако они явилась не случайно в этом перечне в виде смежных тем, «присутствуя» уже на титульном листе «Материалов», а слова из публичных чтений Д. И. Менделеева в Соляном городке лучше всего отвечают на вопрос о метеорологии:

Воздухоплавание

Большой привязной аэростат А. Жиффара, на котором Д. И. Менделеев поднимался в 1878 году, в Париже

Воздушный шар «Русский», на котором Д. И. Менделеев 7 августа 1887 года совершил полёт для наблюдения полного солнечного затмения

Занимаясь вопросами воздухоплавания, Д. И. Менделеев, во-первых, продолжает свои исследования в области газов и метеорологии, во-вторых — развивает темы своих работ, вступающих в соприкосновение с темами сопротивления среды и кораблестроения.

В 1875 году он разработал проект стратостата объёмом около 3600 м³ с герметической гондолой, подразумевающий возможность подъёма в верхние слои атмосферы. Д. И. Менделеев также спроектировал управляемый аэростат с двигателями. В 1878 году учёный, находясь во Франции, совершил подъём на привязном аэростате А. Жиффара.

Летом 1887 года Д. И. Менделеев осуществил свой знаменитый полёт. Возможным стало это и благодаря посредству Русского технического общества в вопросах оснащения. Важную роль в подготовке этого мероприятия сыграли В. И. Срезневский и в особой степени изобретатель и аэронавт С. К. Джевецкий.

Д. И. Менделеев, рассказывая об этом полёте, разъясняет почему РТО обратилось именно к нему с такой инициативой: «Техническое общество, предложив мне произвести наблюдения с аэростата во время полного солнечного затмения, хотело, конечно, служить знанию и видело, что это отвечает тем понятиям и роли аэростатов, какие ранее мною развивались».

Обстоятельства подготовки к полёту ещё раз говорят о Д. И. Менделееве, как о блестящем экспериментаторе. Д. И. Менделеев был очень увлечён возможностью с аэростата впервые наблюдать солнечную корону во время полного затмения. Он предложил использовать для наполнения шара не светильный газ, а водород, который позволял подняться на большую высоту, что расширяло возможности наблюдения. И здесь снова сказалось сотрудничество с Д. А. Лачиновым, приблизительно в это же время разработавшим электролитический способ получения водорода, на широкие возможности использования которого Д. И. Менделеев указывает в «Основах химии».

Естествоиспытатель предполагал, что изучение солнечной короны должно дать ключ к пониманию вопросов, связанных с происхождением миров. Из космогонических гипотез его внимание привлекла появившаяся в то время идея о происхождении тел из космической пыли: «Тогда солнце со всей его силой само оказывается зависящим от невидимо малых тел, носящихся в пространстве, и вся сила солнечной системы черпается из этого бесконечного источника и зависит только от организации, от сложения этих мельчайших единиц в сложную индивидуальную систему. Тогда „корона“, быть может, есть сгущённая масса этих мелких космических тел, солнце образующих и его силу поддерживающих». В сопоставлении с другой гипотезой — о происхождении тел солнечной системы из вещества солнца — он высказывает такие соображения: «Как ни противоположны на первый взгляд кажутся эти понятия, они так или иначе уложатся, помирятся — таково свойство науки, которая содержит выводы мысли, испытанные и проверенные. Надо только не довольствоваться одним уже установленным и узнанным, надо не окаменеть в нём, всё дальше и глубже, точнее и подробнее изучать все явления, могущия содействовать разъяснению этих коренных вопросов. „Корона“ этому изучению, конечно, во многом поможет».

Этот полёт привлёк внимание широкой общественности. Военное министерство предоставило воздушный шар «Русский» объёмом 700 м³. В Боблово 6 марта приезжает И. Е. Репин, и вслед за Д. И. Менделеевым и К. Д. Краевичем направляется в Клин. В эти дни им были сделаны зарисовки.

А. И. Менделеева. Портрет Д. И. Менделеева. 1885. Не закончен

7 августа на месте старта — пустыре на северо-западе города, близ Ямской слободы, несмотря на ранний час, собираются огромные толпы зрителей. С Д. И. Менделеевым должен был лететь пилот-аэронавт А. М. Кованько, но из-за прошедшего накануне дождя повысилась влажность, шар намок — двух человек поднять был не в состоянии. По настоянию Д. И. Менделеева его спутник вышел из корзины, предварительно прочитав учёному лекцию об управлении шаром, показав, что и как делать. Менделеев отправился в полёт в одиночестве. Впоследствии он так комментировал свою решимость:

Аэростат не смог подняться так высоко, как требовали того условия предполагаемых экспериментов — солнце частично заслоняли облака. В дневнике исследователя первая запись приходится на 6 ч 55 м — по прошествии 20 минут после взлёта. Учёный отмечает показания анероида — 525 мм и температуру воздуха — 1,2°: «Пахнет газом. Сверху облака. Ясно кругом. Облако скрыло солнце. Уже три версты. Подожду самоопускания». В 7 ч 10—12 м: высота 3,5 версты, давление 510—508 мм по анероиду. Шар покрыл расстояние около 100 км, поднявшись на высоту в максимуме — до 3,8 км; пролетев над Талдомом в 8 ч 45 м, приблизительно в 9 ч начал снижаться. Между Калязином и Переславлем-Залесским, около деревни Спас-Угол произошла успешная посадка. Уже на земле, в 9 ч 20 м, Д. И. Менделеев заносит в записную книжку показания анероида — 750 мм, температура воздуха — 16,2°. Во время полёта учёный устранил неисправность управления главным клапаном аэростата, что показало хорошее знание практической стороны воздухоплавания.

Медаль Академии аэростатической метеорологии, которой Д. И. Менделеев был награждён за свой полёт на аэростате «Русский» 7 августа 1887 года

Высказывалось мнение, что удачный полёт явился стечением счастливых случайных обстоятельств — аэронавт не мог с этим согласиться — повторив известные слова А. В. Суворова «счастье, помилуй Бог, счастье», он добавляет: «Да надо что-то и кроме него. Мне кажется, что всего важнее, кроме орудий спуска — клапана, гидрона, балласта и якоря, спокойное и сознательное отношение к делу. Как красота отвечает, если не всегда, то чаще всего высокой мере целесообразности, так удача — спокойному и до конца рассудительному отношению к цели и средствам».

Международный комитет по аэронавтике в Париже за этот полёт удостоил Д. И. Менделеева медали французской Академии аэростатической метеорологии.

Учёный оценивает этот свой опыт следующим образом: «Если бы мой полёт из Клина, ничего не прибавивший в отношении к знанию „короны“, послужил бы к возбуждению интереса метеорологических наблюдений с аэростатов внутри России, если бы он, кроме того, увеличил общую уверенность в том, что летать на аэростатах можно с удобством даже новичку, тогда бы я не напрасно летал по воздуху 7-го августа 1887 года».

Д. И. Менделеев проявлял большой интерес к летательным аппаратам тяжелее воздуха, он интересовался одним из первых самолётов с воздушными винтами, изобретённым А. Ф. Можайским. В фундаментальной монографии Д. И. Менделеева, посвящённой вопросам сопротивления среды, есть раздел о воздухоплавании; вообще же учёным на эту тему, сочетающую в его творчестве указанное направление исследований с развитием изучения в области метеорологии, написано 23 статьи.

Кораблестроение. Освоение Крайнего Севера

Являя собой развитие исследований газов и жидкостей, труды Д. И. Менделеева по сопротивлению среды и воздухоплаванию находят продолжение в работах, посвящённых кораблестроению и освоению арктического мореплавания.

Эта часть научного творчества Д. И. Менделеева в наибольшей степени определяется его сотрудничеством с адмиралом С. О. Макаровым — рассмотрением научных сведений, полученных последним в океанологических экспедициях, их совместными трудами, связанными с созданием опытового бассейна, идея которого принадлежит Дмитрию Ивановичу, принимавшему активнейшее участие в этом деле на всех этапах его реализации — от решения проектных, технических и организационных мероприятий — до строительных, и связанных непосредственно с испытаниями моделей судов, после того как в 1894 году бассейн, наконец, был построен. Д. И. Менделеев с энтузиазмом поддерживал усилия С. О. Макарова, направленные на создание большого арктического ледокола.

Ледокол, сконструированный в начале XX века Д. И. Менделеевым. Модель по чертежам учёного выполнена под руководством А. И. Дубравина в 1969 году. Музей-архив Д. И. Менделеева

Когда в конце 1870-х годов Д. И. Менделеев занимался изучением сопротивления среды, им была высказана мысль о постройке опытового бассейна для испытания судов. Но только в 1893 году по просьбе управляющего морским министерством Н. М. Чихачёва учёный составляет записку «О бассейне для испытания судовых моделей» и «Проект положения о бассейне», где трактует перспективу создания бассейна как часть научно-технической программы, подразумевающей не только решение задач судостроения военно-технического и торгового профиля, но и дающей возможность осуществления научных исследований.

Занимаясь изучением растворов, Д. И. Менделеев в конце 1880-х — начале 1890-х годов проявляет большой интерес к результатам исследований плотности морской воды, которые были получены С. О. Макаровым в кругосветном плавании на корвете «Витязь» в 1887—1889 годах. Эти ценнейшие данные чрезвычайно высоко оценивал Д. И. Менделеев, включивший их в сводную таблицу величин плотности воды при разных температурах, которую он приводит в своей статье «Изменение плотности воды при нагревании».

Продолжая взаимодействия с С. О. Макаровым, начатые при разработке порохов для морской артиллерии, Д. И. Менделеев включается в организацию ледокольной экспедиции в Северный Ледовитый океан.

Выдвинутая С. О. Макаровым идея этой экспедиции нашла отклик у Д. И. Менделеева, видевшего в таком начинании реальный путь решения многих важнейших экономических проблем: связь Берингова пролива с другими русскими морями положила бы начало освоению Северного морского пути, что делало доступными районы Сибири и Крайнего севера.

Инициативы были поддержаны С. Ю. Витте и уже осенью 1897 года правительство принимает решение об ассигновании постройки ледокола. Д. И. Менделеев был включён в состав комиссии, занимавшаяся вопросами, связанными с постройкой ледокола, из нескольких проектов которого был предпочтён предложенный английской фирмой. Первому в мире арктическому ледоколу, построенному на верфи Armstrong Whitworth, было дано имя легендарного покорителя Сибири — «Ермак», и 29 октября 1898 года он был спущен на воду на реке Тайн в Англии.

В 1898 году Д. И. Менделеев и С. О. Макаров обратились к С. Ю. Витте с докладной запиской «Об исследовании Северного Полярного океана во время пробного плавания ледокола „Ермак“», излагавшей программу экспедиции, планировавшейся к проведению летом 1899 года, в осуществление астрономических, магнитных, метеорологических, гидрологических, химических и биологических исследований.

Модель строящегося ледокола в опытовом судостроительном бассейне Морского министерства была подвергнута испытаниям, включавшем помимо определения скорости и мощности гидродинамическую оценку винтов и исследование остойчивости, сопротивления нагрузкам поперечной качке, для ослабления воздействий которой было внесено ценное техническое усовершенствование, предложенное Д. И. Менделеевым, и впервые применённое в новом корабле.

В 1901—1902 годах Д. И. Менделеев создал проект арктического экспедиционного ледокола. Учёным разработан высокоширотный «промышленный» морской путь, подразумевавший прохождение судов вблизи Северного полюса.

Теме освоения Крайнего Севера Д. И. Менделеевым посвящено 36 работ.

Метрология

Менделеев был предтечей современной метрологии, в частности — химической метрологии. Он является автором ряда работ по метрологии. Создал точную теорию весов, разработал наилучшие конструкции коромысла и арретира, предложил точнейшие приёмы взвешивания.

В 1893 году Д. И. Менделеев создаёт Главную палату мер и весов;

8 октября 1901 года по инициативе Дмитрия Ивановича Менделеева в Харькове была открыта первая на Украине поверочная палатка для выверки и клеймения торговых мер и весов. С этого события берёт начало не только история метрологии и стандартизации на Украине, но и более чем столетняя история ННЦ «Институт метрологии».

Пороходелие

Существует ряд противоречивых мнений о работах Д. И. Менделеева, посвящённых бездымному пороху. Документальные сведения говорят о следующем их развитии.

В мая 1890 года от лица Морского министерства вице-адмирал Н. М. Чихачёв предложил Д. И. Менделееву «послужить научной постановке русского порохового дела», на что учёный, уже ушедший из университета, в письме выразил согласие и указал на потребность заграничной командировки с включением специалистов по взрывчатым веществам — профессора Минных офицерских классов И. М. Чельцова, и управляющего пироксилиновым заводом Л. Г. Федотова, — организации лаборатории взрывчатых веществ.

В Лондоне Д. И. Менделеев встречался с учёными, у которых пользовался неизменным авторитетом: с Ф. Абелем, Дж. Дьюаром, У. Рамзаем, У. Андерсоном, А. Тилло и Л. Мондом, Р. Юнгом, Дж. Стоксом и Э. Франкландом. Посетив лабораторию У. Рамзая, — завод скорострельного оружия и пороха Норденфельда-Максима, где сам производил испытания, — полигон Вулвичского арсенала, он отмечает в записной книжке: «Бездымный порох: пироксилин+нитроглицерин+касторовое масло; тянут, режут чешуйки и проволочные столбики. Дали образцы…»). Далее — Париж. Французский пироксилиновый порох был строго засекречен. Встретился с Л. Пастером, П. Лекоком де Буабодраном, А. Муассаном, А. Ле Шателье, М. Бертло, — со специалистами по взрывчатым веществам А. Готье и Э. Сарро и другими. Учёный обратился к Военному министру Франции Ш. Л. Фрейсине за допуском на заводы — через два дня Э. Сарро принял Д. И. Менделеева в своей лаборатории, показал испытание пороха; Арну и Э. Сарро дали «для личного пользования» образец, но состав и свойства его показали непригодность для крупнокалиберной артиллерии.

В середине июля 1890 года в Санкт-Петербурге Д. И. Менделеев указал на необходимость лаборатории, а сам, с Н. А. Меншуткиным, Н. П. Фёдоровым, Л. Н. Шишковым, А. Р. Шуляченко, начал опыты в университетской. Осенью 1890-го на Охтинском заводе он участвовал в испытаниях бездымного пороха на различных типах оружия, — запросил технологию. В декабре Д. И. Менделеевым получена растворимая нитроклетчатка, а в январе 1891 — та, которая «растворяется, как сахар», названная им пироколлодием.

Большое значение Д. И. Менделеев придавал промышленной и экономической стороне пороходелия, — использованию только отечественного сырья; изучил получение серной кислоты из местных колчеданов на заводе П. К. Ушкова в городе Елабуге Вятской губернии, — хлопчатобумажных «концов» с русских предприятий. Началось производство на Шлиссельбургском заводе под Санкт-Петербургом. Осенью 1892 года, с участием главного инспектора артиллерии морского флота адмирала С. О. Макарова, испытан пироколлодийный порох, получивший высокую оценку военных специалистов. За полтора года под руководством Д. И. Менделеева разработана технология пироколлодия — основы отечественного бездымного пороха, своими качествами превосходящего иностранные. После испытаний 1893 года адмирал С. О. Макаров подтвердил пригодность нового «бездымного зелья» для использования в орудиях всех калибров.

Д. И. Менделеев был занят пороходелием до 1898 года. Привлечение Бондюжинского и Охтинского заводов, Морского пироксилинового завода в Санкт-Петербурге, вылилось в противостояние ведомственных и патентных интересов. С. О. Макаров, отстаивая приоритет Д. И. Менделеева, отмечает его «крупные услуги по решению вопроса о типе бездымного пороха» для Морского министерства, откуда 1895 году учёный ушёл с должности консультанта; он добивается снятия секретности — «Морской сборник» под рубрикой «О пироколлодийном бездымном порохе» публикует его статьи, где сопоставляя различные пороха с пироколлодием по 12 параметрам, констатирует его очевидные преимущества, выраженные — постоянством состава, однородностью, исключением «следов детонации»

Французский инженер Мессена, не кто иной, как эксперт Охтинского порохового завода, заинтересованный в своей технологии пироксилина, добился от также заинтересованных производителей признания идентичности последнего пироколлодийному — Д. И. Менделеева. Вместо развития отечественных изысканий, покупали иностранные патенты — право на «авторство» и производство менделеевского пороха присвоил себе находившийся тогда в Санкт-Петербурге младший лейтенант ВМФ САСШ Д. Бернаду, «по совместительству» сотрудник ONI, раздобывший рецептуру, и, никогда ранее не занимаясь этим, вдруг с 1898 года «увлёкшийся разработкой» бездымного пороха, а в 1900 году получивший патент на «Коллоидную взрывчатку и её производство» — пироколлоидный порох…, в своих публикациях он воспроизводит выводы Д. И. Менделеева. И Россия, «по извечной своей традиции», в Первую мировую войну в огромном количестве покупала его, этот порох, в Америке, а изобретателями до сих пор указываются моряки — лейтенант Д. Бернаду и капитан Дж. Конверс.

Исследованиям по теме пороходелия, опирающихся на его фундаментальные труды по изучению водных растворов, и напрямую связанных с ними, Дмитрий Иванович посвятил 68 статей.

Об электролитической диссоциации

Существует мнение, что Д. И. Менделеев «не принял» концепции электролитической диссоциации, что он якобы неправильно её истолковывал, или даже и вовсе не понимал…

К развитию теории растворов Д. И. Менделеева продолжал проявлять интерес и в конце 1880-х — 1890-х годов. Эта тема приобрела особое значение и злободневность после оформления и начала успешного применения теории электролитической диссоциации. Д. И. Менделеев пристально наблюдал за развитием этой новой теории, однако воздерживался от какой-либо категорической её оценки.

Участники празднования 200-летия Берлинской академии наук: Слева направо стоят: А. Ладенбург, С. Иоргенсен, Э. Гельд, Г. Ландольт, К. Винклер, Т. Торпе; сидят: Я. Вант-Гофф, Ф. Ф. Бейльштейн, У. Рамзай, Д. И. Менделеев, А. Байер, А. Косса. 1900

Д. И. Менделеев обстоятельно рассматривает некоторые доводы, к которым обращаются сторонники теории электролитической диссоциации при доказательстве самого факта разложения солей на ионы, в том числе понижения температуры замерзания и других факторов, определяющихся свойствами растворов. Этим и другим вопросам, связанным с пониманием данной теории, посвящена его «Заметка о диссоциации растворённых веществ». Он говорит о возможности соединений растворителей с растворёнными веществами и влиянии их на свойства растворов. Не утверждая безапелляционно, Д. И. Менделеев, в то же время указывает на потребность не сбрасывать со счетов возможность многостороннего рассмотрения процессов: «прежде, чем признавать в растворе соли MX диссоциацию на ионы M+X, следует по духу всех сведений о растворах, искать для водных растворов солей MX воздействия с H₂О дающего частицы MOH + HX, или же диссоциации гидратов MX H₂О на гидраты MOHmH₂O + HX H₂O или даже прямо гидратов MXnH₂О на отдельные молекулы».

Из этого следует, что Д. И. Менделеев не отрицал огульно саму теорию, а в большей степени указывал на потребность её развития и понимания с учётом последовательно разработанной теории взаимодействия растворителя и растворённого вещества. В примечаниях раздела «Основ химии», посвящённого теме, он пишет: «…для лиц, желающих изучить химию подробнее, весьма поучительно вникнуть в совокупность сведений сюда относящихся, которые можно найти в „Zeitschrift für physikalische Chemie“ за годы начиная с 1888».

В конце 1880-х годов между сторонниками и противниками теории электролитической диссоциации развернулись интенсивные дискуссии. Наибольшую остроту приобрела полемика в Англии, причём связана она была именно с работами Д. И. Менделеева. Данные по разбавленным растворам явились основой доводов сторонников теории, а противники обращались к результатам исследований растворов в широких областях концентраций. Наибольшее внимание отводилось растворам серной кислоты, хорошо исследованным Д. И. Менделеевым. Многие английские химики последовательно развивали точку зрения Д. И. Менделеева на присутствие в диаграммах «состав — свойство» важных точек. Сведения эти использовали в критике теории электролитической диссоциации Х. Кромптон, Э. Пикеринг, Г. Е. Армстронг и другие учёные. Их указание на точку зрения Д. И. Менделеева и данные о растворах серной кислоты в виде основных аргументов своей правоты расценивалось многими учёными, в том числе и немецкими, как противопоставление «гидратной теории Менделеева» теории электролитической диссоциации. Это привело к предвзятому и остро критическому восприятию позиций Д. И. Менделеева, например, тем же В. Нернстом.

В то время как данные эти относятся к очень сложным случаям равновесий в растворах, когда, помимо диссоциации, молекулы серной кислоты и воды образуют сложные полимерные ионы. В концентрированных растворах серной кислоты наблюдается параллельное протекание процессов электролитической диссоциации и ассоциации молекул. Отрицать справедливость теории электролитической диссоциации не даёт основания даже выявляемое благодаря электропроводности присутствие разнообразных гидратов в системе H₂O — H₂SO₄. Требуется осознание факта одновременного протекания ассоциации молекул и диссоциации ионов.