Człowiek, który uporządkował chemię

Wbrew rozpowszechnionym opiniom to nie Mendelejew ustalił, że najlepszym stężeniem wódki jest 40 procent. Napisał co prawda pracę doktorską dotyczącą mieszanin woda-etanol, ale interesowały go tylko te, które zawierają powyżej 70 proc. alkoholu. Wartość 40 proc. została ustalona w rosyjskich przepisach znacznie wcześniej, w 1843 r., gdy Mendelejew miał dopiero dziewięć lat.

Syberia

Na świat przyszedł w 1834 r. Do dziś biografowie spierają się, ile miał rodzeństwa. Szacuje się, że dzieci w rodzinie Mendelejewów było czternaścioro, ale niektóre źródła doliczają się nawet siedemnaściorga. Dymitr był z pewnością ostatnim z nich. Część jego rodzeństwa zmarła młodo, niektórym nawet nie zdążono nadać imion na chrzcie. W roku narodzin Dymitra jego ojciec, Iwan Mendelejew, stracił wzrok, co zmusiło go do przejścia na rentę. Liczna rodzina utrzymywała się z dochodów, które przynosiła niewielka huta szkła należąca do rodziny matki.

Ojciec pochodził z niewielkiej wioski w guberni twerskiej. Studia odbył w Głównym Instytucie Pedagogicznym w Petersburgu, gdzie uzyskał uprawnienia nauczyciela. W 1807 r. przydzielono go do pracy w gimnazjum w Tobolsku, małym mieście w środku Syberii. Był tam jednym z pierwszych przedstawicieli inteligencji. W latach 20. XIX w. do Tobolska zaczęto zsyłać dekabrystów, wśród których było wielu ludzi wykształconych. Skupili się oni wokół nauczycieli gimnazjum i stanowili silny miejscowy ośrodek intelektualny. Żona Iwana, Maria, wprawdzie nie miała formalnego wykształcenia, ale wraz z braćmi przerobiła cały kurs gimnazjalny.

W 1849 r., gdy Dymitr miał piętnaście lat, Mendelejewowie przenieśli się do Petersburga. Dymitr rozpoczął tam studia na wydziale matematyczno-fizycznym Instytutu Pedagogicznego. Po nich ze względów zdrowotnych wyjechał na Krym, gdzie uczył w gimnazjum, jednocześnie po godzinach zajmując się pracą naukową. Podratowawszy zdrowie, w 1857 r. wrócił do Petersburga, aby ostatecznie objąć stanowiska profesora w Instytucie Technicznym oraz docenta na uniwersytecie. Z uczelni odszedł w 1870 r. skonfliktowany z ministrem edukacji – po tym, jak stanął w obronie studentów. W późniejszych latach współpracował z wieloma krajowymi uczelniami, ale w dużym stopniu pozostał badaczem niezależnym.

Wybitny kaletnik

W czasie wojny krymskiej (1853-56) Mendelejew przebywał w Symferopolu. Gimnazjum, w którym wtedy uczył, zostało zamknięte z powodu bliskości frontu, więc miał dużo czasu na rozmaite inne działania. Ponieważ życie zmuszało go do częstych podróży wraz z całym dobytkiem – m.in. setkami książek, reprodukcji, fotografii i rozmaitych notatek, niezbędne było posiadanie odpowiedniej liczby waliz i toreb. Te, które były dostępne, niespecjalnie mu pasowały, więc postanowił sam się zająć ich wyprodukowaniem. Przeszkolony przez lokalnego kaletnika, rozpoczął pracę, kupując odpowiednie skóry, karton i okucia. W związku z tym był częstym gościem miejscowych sklepów oferujących takie towary. Podczas jednej z takich wizyt w sklepie przebywał inny człowiek wybierający towar dla siebie. Gdy uczony wychodził, usłyszał zadane teatralnym szeptem pytanie do sprzedawcy: „Panie, a co to za człowiek?”. Na to sprzedawca odparł: „Pan go nie zna? To wybitny kaletnik, pan Mendelejew”.

W 1862 r. Dymitr ożenił się ze starszą od siebie o sześć lat Teodozją, urodzoną w Tobolsku pasierbicą autora słynnego „Konika garbuska”, Piotra Jerszowa. Mieli trójkę dzieci, spośród których tylko najmłodsza, Olga, przeżyła rodziców. Małżonkom nie do końca się układało – dzieliła ich olbrzymia różnica charakterów. Żona Mendelejewa nie bardzo też rozumiała pracoholizm męża, co było powodem częstych kłótni.

W 1876 r. 42-letni Dymitr poznał 16-letnią Annę Popową, córkę kozaka dońskiego. Połączyła ich szalona miłość od pierwszego wejrzenia. Olbrzymia różnica wieku oraz fakt, że uczony nadal formalnie był żonaty, budziły wielkie kontrowersje nie tylko w rodzinie. Mendelejew rozpoczął złożoną w tamtym czasie procedurę rozwodową, jednocześnie pokazując się wszędzie z Anną. W końcu znalazł (i podobno przekupił) popa, który ominął przepisy i udzielił im ślubu przed wymaganym okresem siedmiu lat, które musiały upłynąć od rozwodu do ponownego małżeństwa. Podobno jeden z rosyjskich arystokratów udał się potem do cara, aby uzyskać zgodę na ślub przed upływem siedmiu lat, powołując się na casus Mendelejewa. Car miał odpowiedzieć: „Wiem, że Mendelejew formalnie ma dwie żony, ale ja mam tylko jednego Mendelejewa”.

Małżeństwo z Anną, wbrew wszelkim prognozom, okazało się bardzo udane. Młoda żona opiekowała się uczonym, zapewniała spokój niezbędny w pracy, a nawet szyła wygodną odzież. Doczekali się czwórki dzieci: Lubow, aktorki, która została potem żoną poety Aleksandra ­ Błoka, Iwana oraz bliźniąt – Marii i Wasyla.

Opus magnum

Opowiadano, że układ okresowy po prostu przyśnił się kiedyś Dymitrowi, gdy ten zdrzemnął się przy biurku, a zaraz po obudzeniu go naszkicował. Chemik skomentował to w rozmowie z pewnym petersburskim dziennikarzem, mówiąc, że rozmyślał nad tymi problemami 25 lat i to nie jest tak, jak u dziennikarzy, którzy dostają piątaka (kopiejek) za linijkę (był to synonim łatwego zarobku).

Chemia w Rosji w drugiej połowie XIX w. zaczynała się rozwijać. Na uczelniach było coraz więcej studentów, ale brakowało rosyjskich podręczników do tego przedmiotu. Lukę tę wypełnił Mendelejew, wydając w 1861 r. akademicki podręcznik chemii organicznej. Kilka lat później postanowił napisać duże dzieło – podręcznik chemii ogólnej. Napotkał jednak problem metodologiczny: w jakiej kolejności opisać pierwiastki, których wówczas znano nieco ponad 60? Gdyby opisał je w kolejności wynikającej ze wzrastającej masy atomowej, to pierwiastki podobne do siebie, które dziś znamy jako grupy, byłyby rozrzucone po całym tekście. A już wtedy wiedziano, że istnieją zestawy pierwiastków, które mają bardzo podobne właściwości chemiczne – ulegają podobnym reakcjom, dają podobne związki.

Mendelejew poświęcił drugą połowę lat 60. XIX w. na analizę i uporządkowanie tych kwestii, choć – jak sam przyznawał – myślał o tych sprawach przez ćwierć wieku. Oczywiście nie był pierwszym, który przyglądał się podobieństwom między pierwiastkami. Już znacznie wcześniej chemicy zauważali, że niektóre pierwiastki wykazują podobne właściwości chemiczne. Znane już były np. chlor, brom czy jod, które co prawda różniły się zdecydowanie, jeśli chodzi o właściwości fizyczne, ale np. tworzyły takie same połączenia z wodorem.

Podobnie rzecz się miała z litem, sodem i potasem czy też wapniem, strontem i barem. W 1817 r. Johann Wolfgang Döbereiner zauważył z kolei, że pewne trójki pierwiastków wykazują inną interesującą właściwość. Jeśli wyciągnie się średnią z mas atomowych pierwiastka pierwszego i trzeciego, otrzyma się z niezłą dokładnością masę atomową pierwiastka środkowego. Znalazł on sześć takich trójek, które znamy dziś jako triady Döbereinera. Co ciekawe – dwie triady (C, N, O oraz Fe, Co, Ni) obejmowały pierwiastki należące do różnych grup, a więc mające różne właściwości chemiczne.

Triady Döbereinera stały się impulsem do dalszych poszukiwań. Brytyjski chemik John Newlands połączył ideę triad ze znanymi doskonale właściwościami chemicznymi pierwiastków i jako pierwszy poukładał pierwiastki w tablicę. Zauważył, że jeśli uszeregujemy pierwiastki zgodnie ze wzrastającymi masami atomowymi, to co ósmy z nich wykazuje podobne właściwości chemiczne. Nazwał to prawem oktaw. Choć Newlands był na dobrym tropie, zboczył w stronę ezoteryki, ponieważ skojarzył sformułowane przez siebie prawo z oktawami w muzyce. Współcześni mu uczeni zdecydowanie odrzucili ideę oktaw i tablicy, a Royal Chemical Society odmówiło publikacji artykułu na ten temat.

Dokonania Döbereinera i Newlandsa zapewne były znane Mendelejewowi, historycy nauki uważają natomiast, że nie czytał on prac niemieckiego chemika Lothara Meyera, który na początku lat 60. XIX w. przedstawił swoją wersję układu okresowego, obejmującego jednak tylko 28 pierwiastków. Meyer opublikował kolejną wersję tablicy pierwiastków w 1870 r., a więc już ponad rok po publikacji Mendelejewa. Obie wersje były bardzo zbliżone.

Mendelejew w swojej wersji tablicy, którą przedstawił na posiedzeniu Rosyjskiego Towarzystwa Chemicznego na początku 1869 r., umieścił zarówno triady Döbereinera, jak i oktawy Newlandsa. Jako pierwszy uznał jednak, że możliwe jest istnienie pierwiastków jeszcze nieodkrytych – na które pozostawił w tablicy kilka pustych miejsc. Co więcej, biorąc pod uwagę właściwości pierwiastków sąsiadujących w grupie z tymi miejscami, w latach 1969-71 przewidział ich właściwości fizyczne i chemiczne. I to właśnie było świadectwem geniuszu Mendelejewa. W 1875 r. odkryto gal (Mendelejewowy eka-glin), w 1879 r. skand (eka-bor), a w 1885 r. german (eka-krzem). Ich fizyczne i chemiczne właściwości były bardzo zbliżone do przewidywanych. Mendelejew był na tyle pewien swoich przewidywań, że gdy odkrywca galu, Lecoq de Boisbaudran zmierzył gęstość pierwiastka i uzyskał wynik 4,7 g/cm3, Mendelejew napisał do Francuza, że to musi być błąd, ponieważ wartość ta winna wynosić 5,9 g/cm3. Miał rację – ponowne pomiary wykazały, że wynosi ona 5,91.

XIX-wieczni chemicy powszechnie posługiwali się już pojęciem tzw. względnej masy atomowej. W tamtych czasach określało się ją jako wielokrotność masy najprostszego atomu – wodoru. Idea takiego określania masy atomowej pochodzi od Johna Daltona oraz Jönsa Jacoba Berzeliusa, uważanych za ojców nowoczesnej chemii (współcześnie jednostką względnej masy atomowej jest jedna dwunasta masy izotopu węgla 12C).

Pojęcie liczby atomowej nie było jeszcze wówczas znane, ponieważ nie znano wewnętrznej budowy atomu. Dopiero kilkadziesiąt lat po Mendelejewie stwierdzono, że ważniejsze od masy atomowej jest to, ile w atomie jest protonów – właśnie to wyraża liczba atomowa. Dzięki temu udało się rozwiązać problem, który spędzał sen z powiek Mendelejewowi, a mianowicie zaburzenie kolejności pierwiastków. Jeśli przyjrzymy się układowi okresowemu, zauważymy, że w kilku miejscach pierwiastki o większej masie atomowej znajdują się przed lżejszymi. Tak jest choćby w przypadku par argon-potas, tellur-jod czy kobalt-nikiel. Jeśli jednak bierzemy pod uwagę liczbę atomową, wszystko doskonale się zgadza. Skąd ta różnica? Praktycznie wszystkie pierwiastki występują w różnych izotopach (czyli mogą posiadać różną liczbę neutronów). Czasem pierwiastek o mniejszej liczbie atomowej ma większy udział izotopów cięższych, stąd średnia masa atomowa jest większa, niż można by było przewidywać.

Zainteresowania

Gdy oglądamy portrety rosyjskiego chemika, uwagę zwracają m.in. jego długie włosy i broda. Uczony nie lubił tracić czasu na tak przyziemne sprawy, jak chodzenie do fryzjera. Gdy nadchodziły upały, kazał się strzyc i golić na zero i przez cały rok już się nie przejmował fryzurą. Nie zachował się jednak żaden jego portret po wyjściu od fryzjera.

Mendelejew prowadził badania w rozmaitych dziedzinach chemii. Znane są jego prace związane z analizą minerałów, głównie krzemianów. Było to po części związane z tym, iż jego matka zarządzała rodzinną hutą szkła. Tam właśnie rozpoczął badania praktyczne. Wiele czasu poświęcił na badania fizykochemiczne. Aby uzyskać jak najdokładniejsze wyniki, skonstruował specjalną wagę, pozwalającą na określanie masy gazów oraz ciał stałych.

Jego dziełem jest też specjalny piknometr – urządzenie do dokładnego pomiaru gęstości cieczy. Opublikował sporo prac dotyczących roztworów, ale nigdy nie sformułował własnej ostatecznej teorii. Uważał, że substancje rozpuszczone w wodzie oddziałują z jej cząsteczkami i tworzą ściśle zdefiniowane hydraty podobne do tych, które spotyka się w stanie krystalicznym.

Równolegle prace nad teorią elektrolitów prowadził w Szwecji inny wybitny uczony, Svante Arrhenius. To jego dziełem jest koncepcja dysocjacji elektrolitycznej, rewolucyjna na tamte czasy. Arrhenius uważał, że substancje, które rozpuszczają się w wodzie, rozpadają się w roztworze na naładowane jony (dodatnie kationy i ujemne aniony). Koncepcja ta spotkała się ze zdecydowaną krytyką ze strony Mendelejewa, który nie wyobrażał sobie, że trwałe, obojętne elektrycznie związki mogłyby się rozpadać na części obdarzone ładunkiem. Było to nie w smak Arrheniusowi, który spotykając się z niezrozumieniem ze strony ówczesnych uczonych, liczył na poparcie starszego, uznanego chemika z Rosji. Szwed w odwecie krytykował koncepcję hydratów Mendelejewa. W rezultacie tego sporu uczeni zdecydowanie się nie polubili, co będzie później miało znaczenie podczas nominacji do Nagrody Nobla.

Dziś już wiemy, że – o ironio – obaj mieli w dużym stopniu rację. Większość substancji rozpuszczalnych w wodzie rzeczywiście rozpada się na jony, które są otoczone cząsteczkami wody, tworząc coś, co przypomina hydraty postulowane przez Mendelejewa.

Badania związane z gazami skierowały Rosjanina w stronę praktyki. W 1875 r. zaprojektował balon stratosferyczny o pojemności 3,6 tys. m3. Jego dziełem jest także projekt aerostatu z własnym napędem. W 1887 r. miał wziąć udział jako pasażer w locie balonem, którego celem miały być obserwacje całkowitego zaćmienia Słońca. W nocy poprzedzającej lot padał deszcz i powłoka balonu namokła – nie mógł on w konsekwencji unieść dwóch osób. Mendelejew postanowił polecieć sam, po krótkim instruktażu. Spędził w powietrzu ponad dziewięć godzin, obserwując zaćmienie i przeprowadzając pomiary ciśnienia i temperatury na różnych wysokościach. Za ten wyczyn otrzymał specjalny medal francuskiej akademii meteorologicznej.

Zafascynowany obszarami arktycznymi, we współpracy z admirałem Stiepanem Makarowem zajął się też projektowaniem lodołamacza. Częścią tego projektu było stworzenie specjalnego basenu doświadczalnego, który pozwalał na badania techniczne w tej dziedzinie. Niejako przy okazji prowadził też badania dotyczące gęstości wody morskiej. Zawsze podkreślał, że prawdziwa nauka nie istnieje bez pomiarów. Dlatego też w 1893 r. stworzył Izbę Miar i Wag Imperium Rosyjskiego, zajmującą się m.in. legalizacją urządzeń mierniczych.

Sporo prac poświęcił, we współpracy z armią rosyjską, badaniom praktycznym nad prochem bezdymnym. Bazując na już istniejącej nitrocelulozie wynalazł pirokolodion, bardzo efektywny środek wybuchowy. Rosyjska armia jednak nie zaakceptowała tego wynalazku, ponieważ uznano, że jest on zbyt drogi, a ponadto zdarzało się, iż ulegał samozapłonowi.

W 1899 r., mimo problemów zdrowotnych, Mendelejew zorganizował wielką wyprawę na Syberię. Cel: zbadanie możliwości wydobycia i przetwórstwa metali oraz węgla, a także oszacowanie zasobów leśnych. Jej efektem była diagnoza przyczyn stagnacji przemysłu syberyjskiego, która wynikała z tego, że lokalne władze blokowały powstawanie i rozwój nowych przedsiębiorstw. Niezbędne były zmiany przepisów, aby umożliwić wolną konkurencję. Końcowy raport zawiera także zalecenia dotyczące przemysłu wydobycia węgla oraz rud metali, jak też projekty zmian komunikacyjnych na Syberii. Niejako na marginesie tej wyprawy Mendelejew podjął prace badawcze nad podziemną gazyfikacją węgla, którą zaczęto wdrażać w okolicach Donbasu. Pod koniec życia coraz częściej zajmował się zagadnieniami związanymi z ekonomią. Pozostawił po sobie imponującą liczbę ponad 1500 prac naukowych. Pod tym względem niewielu uczonych jest w stanie mu dorównać.

Nagroda, której nie było

Na początku XX w. Mendelejew był już uznanym na całym świecie uczonym, a jego układ okresowy powszechnie wykorzystywano we wszystkich pracowniach chemicznych i fizycznych. Wydawało się, że będzie on pewnym kandydatem do ustanowionej w 1901 r. Nagrody Nobla. W istocie nominowano go trzykrotnie – w latach 1905-07. Co ciekawe, zawsze był zgłaszany przez uczonych z innych krajów niż Rosja. W 1905 r. przegrał z chemikiem organikiem Adolfem Bae- yerem. W 1906 r. komitet uznał, że właśnie Mendelejewowi należy się nagroda, ale interwencja wpływowego Svantego Arrheniusa, skonfliktowanego z Mendelejewem, spowodowała, że dostał ją Henri Moissan. W 1907 r. komitet noblowski miał zamiar podzielić nagrodę pomiędzy Mendelejewa i włoskiego chemika Stanislao Cannizzara, ale było już za późno – Dymitr zmarł w lutym, a nagrody zgodnie z testamentem Alfreda Nobla przyznaje się wyłącznie żyjącym. Nietypowy hołd wielkiemu uczonemu złożyli jednak studenci i współpracownicy. Pojawili się na pogrzebie Dymitra z dużym transparentem, na którym wymalowali to, co było dziełem jego życia – układ okresowy.

Imieniem Mendelejewa nazwano kilka miejscowości w Rosji (w tym miasto Mendelejewsk w Tatarstanie), stację metra w Moskwie, krater na Księżycu i asteroidę. Upamiętniony został pośmiertnie w układzie okresowym – Amerykanin G.T. Seaborg nazwał odkryty w 1955 r. pierwiastek 101 mendelewem (Md).

Próżno dziś szukać potomków wielkiego uczonego. Ostatnia wnuczka, Maria, zmarła w 1952 r. w Leningradzie, w domu starców. Nie wiadomo nawet, gdzie ją pochowano. Pozostawiła jednego syna, Aleksandra Kamienskiego, który zginął po pijanemu w bójce na początku XXI w. ©