4. ОПЫТНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАКЛЮЧЕНИЯ БУТЛЕРОВА
4. ОПЫТНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАКЛЮЧЕНИЯ БУТЛЕРОВА
Возвратившись в Казань, Бутлеров прежде всего занялся улучшением университетской лаборатории. Характеристика великого ученого была бы не полной, если бы мы не рассказали о том, что было сделано им для практического преподавания химии.
Химическую лабораторию в Казани Александр Михайлович получил в весьма примитивном состоянии. Рабочее помещение состояло из одной, правда большой, в семь окон, комнаты. Два рабочих стола, большая печь, горн, песчаная баня без тяги, две переносные калильные печи — вот и все оборудование лаборатории. Тут велись научные исследования, здесь же подготовлялись опыты для лекций, мылась грязная посуда.
За невысокой перегородкой находилась и каморка старика-служителя.
Студенты работали на подоконниках больших окон. Газа не было, все пользовались спиртовыми лампами или углями. Если приходилось делать органический анализ, устраивались кое-как на печи.
И тем не менее Казанский университет прежде всего своей химической лаборатории обязан почетным местом в истории науки.
Познакомившись за границей со всеми преимуществами работы на газе, Бутлеров немедленно по возвращении в Казань начинает хлопотать об устройстве газового завода для лаборатории. Правление университета дало на это средства. Лаборатория была несколько перестроена: появился шкаф для тяги, к рабочему помещению прибавилась еще одна комната.
Надо упомянуть и о том, с какой опасностью соединялись занятия в лаборатории. Из-за недостатка средств невозможно было и думать об устройстве особого здания для газового заводика. Поэтому решили поместить печь с ретортой под передней, а газометр под главной рабочей комнатой. Мастерами были отставные солдаты-татары, едва ли понимавшие, что такое взрыв на газовом заводе. Лаборатория, таким образом, помещалась как бы на вулкане. Когда Бутлеров уехал в Петербург и лаборатория перешла в руки Марковникова, опасность еще более возросла. Для практических занятий, в особенности по аналитической химии, правда, была устроена стеклянная галлерея для работ с вредными газами. Но одновременно встал вопрос об увеличении газового завода ввиду прибавившегося числа студентов. Совет университета дал средства, с тем, однако, чтобы химическая лаборатория снабжала газом и все другие лаборатории.
Когда Казань получила городской газ, А. М. Зайцев, достойный преемник химических традиций Клауса, Зинина и Бутлерова, воспользовался этим случаем, чтобы все освободившиеся помещения присоединить к лаборатории.
Денежные средства лаборатории в пятидесятых и в начале шестидесятых годов были весьма скудны. Ежегодная сумма, отпускавшаяся на лабораторию, не превышала четырехсот рублей. Прибавлял еще иногда столько же университет, но все вместе составляло ничтожную сумму. Между тем оборудование для лаборатории приходилось выписывать или из-за границы, или из Петербурга и за одну перевозку уплачивать рублей по двести в год.
Отпускаемых средств нехватало даже на то, чтобы заказать рабочий стол для практикантов, число которых с каждым годом возрастало. Марковников, будучи студентом четвертого курса, собрал по подписке между работавшими двенадцать рублей, чтобы заказать стол на шесть мест, а недостающие десять рублей добавил Бутлеров. Недостаток средств тормозил работу как самого Бутлерова, так и его учеников. С введением нового устава в 1863 году все вздохнули свободнее: лаборатория стала получать около двух тысяч рублей, что казалось уже огромным богатством.
В этой значительно улучшенной химической лаборатории Казанского университета и начал серию новых работ ее руководитель.
За три года, предшествующие второй заграничной поездке, Бутлеров провел шесть чрезвычайно интересных исследований.
В первой работе этого периода, напечатанной в начале 1859 года, подтверждается прежде всего новыми данными состав уксусного эфира метиленгликоля и затем описываются «новые опыты, при помощи которых Бутлеров рассчитывал получить метиленгликоль. Правда; получить это соединение Бутлерову не удалось, но он получил новое интересное соединение, названное «диоксиметиленом». В этой же работе дано описание не приведших к положительным результатам опытов приготовления в свободном виде радикала метилена.
В 1860 году была опубликована работа Бутлерова о продукте реакции аммиака на диоксиметилен. Хорошо кристаллизующийся продукт этой реакции назван гексаметилентетрамином, известным нам теперь под названием уротропина.
К 1861 году относятся еще две замечательные работы Бутлерова. В одной из них описано сахаристое вещество, названное Бутлеровым метиленитаном, которое было получено действием известковой воды на диоксиметилен. Это соединение представляет первое синтетическое сахаристое вещество, приготовленное из простейшего органического соединения.
Открытие Бутлерова внесло новый свет в разрешение очень важного вопроса биологии — вопроса о механизме усвоения углекислоты растениями.
Этот бутлеровский синтез явился очень важной ступенью в формировании представлений о фотосинтезе. Он помог другим ученым решить эту важную проблему.
Открытие Бутлерова создало почву для открытия путей перехода из мира неорганического в органический.
Надо заметить, что все эти работы Бутлерова стоят в тесной связи с разрабатывавшейся им в то же время теорией химического строения. Между ними нет почти ни одной, которая давала бы лишь фактический материал для будущего науки. Напротив, каждая из них разрешала тот или другой частный теоретический вопрос, открывающий перспективы дальнейших обобщений. Работа такого характера совпадала с давнишней склонностью Бутлерова. В идее атомности он видел средство повести химию к ее широкому будущему, средство осуществить программу своей жизни, намеченную еще в его магистерской диссертации. Погружаясь мысленно в тесный мир молекулы, стараясь напряженным до страстности зрением увидеть, понять ее строение, взаимную связь и расположение атомов в ней, Бутлеров все ближе проникал «во внутреннее нечувствительных частиц строение».
Работы по синтезу формальдегида, уротропина, сахаристого вещества помогли ему уточнить для себя представление о строении молекул и приблизиться к разрешению важной проблемы изомерии. Ему становилось ясным, что различие органических веществ при тождественном атомном составе зависит от порядков связей атомов в молекуле, что знание этих порядков откроет возможность предсказания изомерных веществ.
Смелость и ясность ума, с какою Бутлеров подошел к вопросу предсказания новых органических соединений и изомеров на основе теории строения, можно сравнить лишь с той решительностью и ясностью ума, с какой впоследствии Д. И. Менделеев предсказал на основе (периодического закона существование и свойства неизвестных элементов.
«Десятилетие между 1858 и 1868 годами, — пишет Н. А. Меншуткин, — самое плодотворное из ученой деятельности Бутлерова; это десятилетие проведено в Казани и обнимает период его жизни примерно от 30 до 40 лет. Нелегкая лабораторная работа днем сменялась вместо отдыха кабинетной работой вечером. Печатные источники лишь в малой мере дают понять те успехи, которых, по словам его учеников, достигла теория строения в его устном преподавании».
Чтение лекций и подготовка к ним в тихие вечерние часы становятся часами напряженного творческого труда. Бутлеров постепенно перестраивает свой курс, теперь резко отличающийся не только от курсов, читанных его предшественниками, но и от курса, ранее читавшегося им самим. В основу изложения он кладет принцип химического строения; красною нитью через весь курс проходит понятие об атомности со всеми его следствиями.
Как в воспоминаниях учеников, так и в трудах самого Бутлерова мы не много находим подробностей, относящихся к творческой истории структурной теории.
Но в общих чертах восстановить ход творческой мысли Бутлерова мы можем по его «Введению к полному изучению органической химии», представляющему переработку читанного им в эти годы курса лекций.
Книга издавалась в Казани в течение трех лет отдельными выпусками, по мере того как они подготавливались ученым. Таким образом, она отражает в известной мере и процесс, и метод работы Бутлерова, и необычайно быстрый творческий рост автора.
Первые лекции посвящаются внедрению новых понятий в умы слушателей. Не все еще приведено в порядок у самого учителя, и в начале курса он «вместо обширного, но еще недостижимого закона, говорящего, что натура сложного вещества определяется натурой, количеством и взаимным отношением составных частей», ставит пока такое правило:
«Химическая натура сложного вещества определяется натурой и количеством составных частей и химическим строением его частицы».
Он чувствует, что правило это недостаточно широко, но указывает: «зато проверка его лежит в пределах опыта, а дальнейшее развитие фактических знаний укажет, насколько и в каких пределах оно справедливо и полезно».
Учитель не скрывает от учеников, что в этом обобщении есть слабые стороны и указывает исключения, которым пока нет объяснения. Он вводит понятие «сродства атомов», как основы химического строения, но вопрос о том, почему атомы обладают различным количеством сродства, он оставляет без ответа.
Излагая шаг за шагом фактический материал, накапливавшийся необыкновенно быстро в эти годы, учитель был поставлен в необходимость давать новые объяснения целому ряду химических явлений.
Бутлеров кладет в основу своих объяснений принцип строения молекулы, но ему нехватает фактического материала, чтобы ответить на ряд возникающих при этом вопросов. Традиционное объяснение изомерии различием генераторов отвергнуто. В свете новых понятий совершенно очевидно, что изомерия обусловливается различием химического строения, но существуют тела, состав которых делает различие химического строения невозможным, а между тем некоторые наблюдения заставляли предполагать и здесь существование изомерии.
Учитель стоит перед учениками на кафедре с открытым и ясным лицом. Он знает, что, вводя слушателей в круг собственных сомнений и неразрешенных вопросов, он тем самым колеблет веру в принцип, столь упорно, последовательно и постоянно им самим проводимый. Но тут же он указывает и путь к разрешению всех вопросов, всех сомнений:
«Опыту предстоит показать, действительно ли возможны вое изомеры, предсказываемые теорией, и какое имен. но изменение свойств соответствует известному изменению химического строения… Легко может быть, что некоторые из изомеров на деле не существуют, что соответствующее им распределение атомов не представляет случая прочного равновесия и потому при условиях, которые должны были бы произвести их, будут получаться, вследствие перемещения атомов, другие близкие к ним тела…»
Бутлеров сознательно колеблет проводимый им принцип, чтобы убедиться в его незыблемости, чтобы избегнуть ошибок, и не перестает повторять своим ученикам:
«Все так называемые теории в химии суть только обобщения известного круга фактических знаний. Таково и понятие об атомности, но, развившись позднее других воззрений и основавшись на большей сумме знаний, оно обнимает и область фактов более обширную… Относительная ограниченность теоретических понятий в химии видна из того, что они относятся только к известным, так называемым химическим свойствам материи, почти не касаясь других сторон ее проявлений, между тем как все частные свойства вещества, несомненно, находятся во взаимной причинной связи — все вытекают из обусловливаемых ее сущностью основных свойств, познать которые с разных сторон стремятся различные отрасли естествознания…»
Бутлеров выступает как яркий представитель материалистического естествознания. Существование объективного, реального мира для него не подлежит сомнению, как не подлежит сомнению и возможность его познания. Он пропагандирует непрестанность теоретического развития химии и с удивительной прозорливостью предвидит дальнейшее развитие физико-химических наук. Он говорит:
«Фактическая связь между химизмом, теплотою, светом и другими проявлениями деятельности материи очевидна: что свет есть движение — это гипотеза, доросшая ныне почти до степени непреложной истины, что теплота — движение, это сделалось более чем вероятно с тех пор, как возникла механическая теория тепла, и, может быть, не ошибется тот, кто назовет движением все явления химизма. Если наступит время, которое уяснит причинную связь между всеми видами этого движения, то явления химизма получат свою механическую теорию — теорию в полном смысле слова, и, заняв свое место в науке как определенная часть стройного целого, теория эта наравне с другими частями — теориями другого рода движений — подчинится математическому анализу».
Предостерегая своих учеников от «слепого доверия к нынешним теориям в химии за пределами тех фактов, из которых они выведены», Бутлеров говорит:
«Доверие это было бы настолько же опасно, насколько неблагоразумно полное отрицание теорий. Руководствуясь ими неосторожно, можно попасть на ложный путь, но без них приходится ощупью отыскивать дорогу».
Ученики видят учителя не только на кафедре, но и в лаборатории и могут убедиться, насколько он верен этому правилу. Руководясь им, Бутлеров обогащается таким опытом, так углубляет и укрепляет принцип химического строения, что, возвращаясь в конце курса вновь к вопросам теории, может придать уже иной вид правилу, выставленному им в начале курса. Теперь это «правило» определяет взаимоотношения атомов в молекуле, или, как тогда говорили, «элементарных паев в частице», гораздо полнее. Этим правилом, впервые в истории химии, устанавливается особое содержание химических явлений, создается истинное понятие химического строения.
«Химические отношения каждого элементарного) пая, находящегося в сложном теле, определяются, с одной стороны, его натурой и способом химического помещения в частице, с другой — натурой, количеством и химическим расположением остальных паев, заключенных в той же частице».
Формулируя это правило, Бутлеров не случайно, конечно, подчеркивает, что речь идет о химическом отношении, о химическом перемещении, о химическом расположении. Рассматривая все явления химизма как движение, которое является не простым движением в пространстве, а особым родом движения, Бутлеров тем самым хочет сказать, что этот род движения имеет совершенно иной характер, чем все другие виды движения материи, внешне проявляющиеся в теплоте или электричестве или тем более в механическом перемещении.
«Химическую натуру элементов еще приходится пока изучать просто, не пускаясь в объяснение ее сущности, — говорит он, — но что касается влияния химического помещения элементарного пая в частице на его свойства и влияния на эти свойства других элементарных составных частей той же частицы, то здесь могут быть подмечены известные правильности и формулированы некоторые обобщения. Обобщения эти еще очень шатки и — поверхностны, но, руководясь ими, уже нередко можно с достаточной вероятностью делать заключения о химическом строении вещества по его превращениям и, наоборот, предвидеть до некоторой степени свойства тела, имеющего определенное, известное химическое строение… При большей разработке такие обобщения, без сомнения, приобретут более твердые основания, более определенный вид и заслужат название законов…»
Разрабатывая все глубже и глубже свои обобщения, Бутлеров убеждается, что европейские химики смотрят на сущность химических явлений чисто механистически. Результатом его размышлений явилась законченная, ясная новая теория, к проверке которой он и приступил.
Что же могли западноевропейские химики, собравшиеся в 1860 году в Карлсруэ, противопоставить результатам напряженной творческой работы Бутлерова?