Глазами Монжа-Бертолле

Все знают, что разбавлять концентрированную серную кислоту можно, лишь добавляя ее в воду, а не наоборот. Иначе более легкая вода может закипеть на поверхности густой маслянистой жидкости и обдать незадачливого экспериментатора веером едких горячих капель. Этот эффект связан с химическими превращениями в системе серный ангидрид — вода. Система однофазная, не правда ли? Но однофазная не значит еще однообразная. В ней обретаются разные химические индивиды. Она послужила классическим объектом исследования для великого создателя периодического закона.

Моногидрат H₂SO₄ общеизвестен. А такой гидрат, как H₂SO₄·H₂O? Или H₂SO₄·2H₂O? H₂SO₄·6H₂O? И даже H₂SO₄·150H₂O?

Странно, но факт: перед нами индивидуальные химические соединения! Никто бы и не догадался, что они существуют в однородной с виду смеси серной кислоты с водой, не прибегни Менделеев к оригинальному физико-химическому способу исследования.

Менделеев измерял, как изменяется приращение удельного веса (s) системы SO₃—H₂O в зависимости от концентрации (p) серного ангидрида в воде.

Замечательна сама терминология этого труда. Она почерпнута из раздела высшей математики, который называется анализом бесконечно малых.

Удельный вес Менделеев относил к интегральным величинам. Они легко получаются из расчета. Сначала взвешивается кислота в склянке. Потом вес делится на объем. Вот и вычислен удельный вес. А можно прямо в раствор опустить специальный приборчик-поплавок и прочитать по шкале численное значение. Иное дело производная ds/dp. Это приращение удельного веса при уменьшении количества воды в системе. Оно принадлежит к разряду дифференциальных свойств. В них выражается не сама величина, а скорость ее изменения с изменением состава раствора. Обе величины Менделеев наносил на график: ds/dp на ось ординат (вертикаль), p — на ось абсцисс (горизонталь).

Из математических соображений заранее ясно, что если точки лягут на одну сплошную прямую линию, то это будет означать непрерывное изменение свойств системы. Именно такого поведения и ожидали от растворов, этих «однородных смесей».

Но странное дело — чертеж оказался как бы склеенным из обломков прямой. Причем ломаная линия была разорвана на куски: конец одного участка не совпадал с началом другого. Словно кто-то разобрал железнодорожный рельс и растащил в разные стороны его концы у стыков.

Ученый пришел к выводу: геометрические разрывы сплошности отвечают химической катастрофе, скачкообразному распаду особых гидратных форм. Например, для серной кислоты это H₂SO₄, H₂SO₄·2H₂O, H₂SO₄·6H₂O и так далее. Для этилового спирта C₂H₅OH·3H₂O, C₂H₅OH·12H₂O.

Не успело, однако, открытие Менделеева увидеть свет, как тут же появились опровержения. Утверждалось, что тщательная проверка и перепроверка опытных результатов никаких изломов и разрывов не обнаружила. Их появление, мол, следует отнести на счет неточности наблюдений.

С еще большим рвением оспаривалось теоретическое истолкование данных, полученных столь необычным для классической химии методом. «Если бы гидраты действительно существовали в растворе, то их распадение не имело бы характера скачков, но как везде, так и здесь происходило бы непрерывное изменение состояния равновесия с концентрацией».

Так возражал своему русскому коллеге Вильгельм Нернст, крупнейший немецкий физико-химик (цитата взята из его солидной монографии «Теоретическая химия», переведенному нас в 1904 году).

Думал ли, гадал Нернст, что ему придется в ближайшем переиздании вычеркнуть свое опровержение?

— Изменение равновесного состояния, непрерывно! — считал тогда Нернст.

— Напротив, для так называемой «однородной среды» характерны разрывы сплошности, соответствующие определенным соединениям! И такой вывод подкреплен математическим анализом экспериментальных результатов, — утверждал Менделеев.

Не правда ли, подобное сопоставление мнений, вернее противопоставление, чем-то напоминает спор между Бертолле и Прустом? Только почему вдруг Менделеев занимает позицию Пруста? Разве не было сказано несколькими страницами раньше, что именно гидратная теория Менделеева первой нанесла сокрушительный удар неограниченной монополии закона постоянных и кратных отношений?

Никакого противоречия здесь нет. Вспомните: ведь речь идет о растворах! Тех самых «однородных смесях», от которых открещивался Пруст. Он воздвиг нерушимую стену между химическим соединением и физической смесью.

Химические процессы подчиняются закону постоянства состава. Вот критерий, который утвердился в химии со времен Пруста. А явления в растворах и смесях… О, это совсем другое дело! Их отделяет от химических четкая грань.