Становление и развитие химии в России (XVIII – XIX вв.)
Будрейко Е. Н.
Зарождение химической науки
Истоки отечественной химической науки восходят к XVIII в., когда была основана Петербургская академия наук. По замыслу Петра I академия должна была выполнять две основные задачи: «науки производить и совершать» и «оные в народе размножать». Для этого прежде всего требовалось подготовить кадры русских ученых в различных областях знаний и привлечь иностранных ученых для исследования природных богатств России.
Уже с первых лет существования Академии наук с ней были связаны все научные достижения в России. В ее стенах работали такие известные ученые, как Иоганн и Даниил Бернулли, Л. Эйлер, С.П. Крашенинников, П.С. Паллас, И.И. Лепехин, Н.Я. Озерецковский, Я.Д. Захаров и др.
Начало занятиям химией в Академии наук было положено в 1731 г. избранием в академики Иоганна Георга Гмелина (1709–1755). Гмелину принадлежит первое химическое исследование, опубликованное в «Записках Петербургской академии наук», статья «Об увеличении веса некоторых тел при обжигании».
В течение XVIII в. химией в академии занимались Иоганн Готлоб Леман (1719–1767), Эрик Густав (Кирилл Густавович) Лаксман (1737–1796), Тобиас Иоганн (Товий Егорович) Ловиц (1757–1804), Василий Михайлович Севергин (1765–1826), Апполос Апполосович Мусин-Пушкин (1760–1805) и др. Однако основные достижения этого столетия в области химии связаны с именем Михаила Васильевича Ломоносова (1711–1765).
Хотя Ломоносова благодаря исключительно многогранному характеру творческой (математика, физика, химия, науки о Земле, астрономия) и просветительской деятельности с полным правом называют ученым-энциклопедистом, его преимущественное внимание было направлено на развитие физики и химии. Основное направление деятельности ученого в области химии – стремление обосновать последнюю как науку, опирающуюся на союз с математикой, механикой и физикой.
|
|
К фундаментальным достижениям Ломоносова относятся следующие: он обратил внимание (1756) на основополагающее значение закона сохранения массы вещества в химических реакциях; изложил (1741–1750) основы своего корпускулярного (атомно-молекулярного) учения, получившего развитие лишь спустя столетие; выдвинул (1744–1748) кинетическую теорию теплоты; обосновал (1747–1752) необходимость привлечения физики для объяснения химических явлений и предложил для теоретической части химии название «физическая химия», а для практической части – «техническая химия». Ломоносов первым начал читать в Петербургской академии наук «Курс истинно физической химии».
В 1748 г. по инициативе ученого в России была построена первая химическая лаборатория, предназначенная для научных и учебных целей. Для этой лаборатории он разработал широкую программу исследований, центральным пунктом которой было изучение тех явлений, которые происходят в смешанном теле при химическом взаимодействии.
В период 1748–1757 гг. работы ученого были посвящены главным образом решению теоретических и экспериментальных вопросов химии. Проводя опыты по обжигу металлов в запаянных сосудах, он показал (1756), что их вес после нагревания не изменяется и что мнение Р. Бойля о присоединении тепловой материи к металлам ошибочно; изучал жидкое, газообразное и твердое состояния тел; достаточно точно определил коэффициенты расширения газов; изучал растворимость солей при разных температурах; исследовал влияние электрического тока на растворы солей, установил факты понижения температуры при растворении солей и понижения точки замерзания раствора по сравнению с чистым растворителем; установил различие между процессом растворения металлов в кислоте, сопровождающимся химическими изменениями, и процессом растворения солей в воде, происходящим без химических изменений растворяемых веществ.
|
|
Ломоносову принадлежит большое число практических изысканий. Он был создателем многих химических производств (неорганических пигментов, глазурей, стекла, фарфора); разработал технологию и рецептуру цветных стекол, которые употреблял для создания мозаичных картин; изобрел фарфоровую массу. Занимался анализом руд, солей и других продуктов; описал процессы получения железного купороса, меди из медного купороса, серы из серных руд, квасцов, серной, азотной и соляной кислот.
Труд Ломоносова «Первые основания металлургии, или рудных дел» (1763), в котором он рассмотрел свойства различных металлов, дал их классификацию и описал способы получения, не только заложил первые блоки в основы русского химического языка, но и положил начало систематическим работам ученых последующих поколений по исследованию и освоению естественных богатств России.
Традиции М.В. Ломоносова, связанные с изучением руд и минералов России, были продолжены во второй половине XVIII и начале XIX в., когда были выполнены многочисленные химические исследования прикладного характера. Особое значение в этот период имела просветительская деятельность русских химиков.
|
|
И.Г. Леман, занявший после М.В. Ломоносова кафедру химии Петербургской академии наук и принявший заведование химической лабораторией, исследовал сибирскую свинцовую руду – крокоит, описал русские минералы, содержащие вольфрам и хром, издал (1772) переведенные на русский язык руководства по минералогии и пробирному искусству.
Э.Г. Лаксман изучал минеральные богатства Алтая и Восточной Сибири. Будучи непримиримым противником сжигания лесных массивов с целью накопления золы, которая была необходима для получения поташа – главного исходного материала в производстве стекла, Лаксман разработал новый беспоташный способ изготовления стекла на основе природной глауберовой соли (десятиводного сульфата натрия). Он также предложил (1769) способ получения поваренной соли из рапы соляных озер ее вымораживанием и выпариванием; разработал технологию селитры, соды и квасцов.
В течение всего XVIII в. развитие химических знаний получало действенную поддержку со стороны руководства Академии наук, будь то ее первый президент Л.Л. Блюментрост (1725–1733) или первая женщина-директор Е.Р. Дашкова (1783–1796).
В период конца XVIII – начала XIX столетий наибольший вклад в развитие химической науки внесли академики В.М. Севергин и Т.Е. Ловиц.
В.М. Севергин с 1793 г. – академик (профессор) Петербургской АН. В 1805–1826 гг. он в знак признания высоких научных заслуг шесть раз подряд избирался членом Комитета правления академии. Основные научные работы Севергина посвящены общей и неорганической химии. Он развил химическое направление в минералогии, считая главной задачей этой науки исследование состава и строения минералов; впервые сформулировал понятие о парагенезисе («смежности минералов»); стоял у истоков колориметрического анализа; предложил (1795) способ количественных определений, основанный на сравнении интенсивности окраски растворов.
Севергин был автором первых русских руководств по химии и химической технологии «Пробирное искусство, или руководство к химическому испытанию металлических руд и других ископаемых тел» (1801), «Способ испытывать минеральные воды» (1800), «Наставление о лучших способах добывать, приготовлять и очищать селитру в России…» (1812). Он также перевел с французского и переработал «Словарь химический» (т. 1–4, 1810–1813), был основателем и редактором (с 1804) «Технологического журнала».
Т.Е. Ловиц открыл (1785) явление адсорбции углем в жидкой среде и предложил способы очистки на этой основе воды, спирта и фармацевтических препаратов; внес существенный вклад в учение о растворах солей и кристаллохимию; разработал способы получения ледяной уксусной кислоты, кристаллической глюкозы, безводных диэтилового эфира и спирта, а также разделения солей бария, стронция и кальция.
К концу XVIII в. появились первые в России работы в области химии и технологии платины и хрома. Почетный член Петербургской академии наук А.А. Мусин-Пушкин получил ряд «тройных» комплексных солей платины – хлорплатинаты магния, бария и натрия, амальгаму платины, разработал способ получения ковкой платины прокаливанием ее амальгамы. Он впервые получил и описал золь металлической ртути, открыл хромовые квасцы, исследовал сплавы платины с медью и серебром.
Создание университетской науки. Формирование научных школ
Если XVIII столетие можно назвать периодом зарождения российской химической науки, то XIX в. делится на два периода: первая половина – становление отечественной химии, вторая половина – утверждение российских ученых в профессиональном мировом сообществе. При этом выдающиеся открытия Д.И. Менделеева и А.М. Бутлерова стали логическим следствием той огромной деятельности русских ученых, направленной на популяризацию химических и химико-технологических знаний, на развитие отечественной промышленности, которая велась ими с начала века.
Петербургская академия наук, в которой в XVIII в. была сосредоточена практически вся российская химия, не потеряла своего значения и в последующее столетие. В 1803 г. был принят ее новый устав, в котором она определялась как главное ученое учреждение страны, а в ее задачи входило усовершенствование наук, просвещение, а также усовершенствование мануфактур, ремесел и фабрик.
В то же время в начале XIX столетия, особенно после Отечественной войны 1812 г., в развитии химии в России появились новые черты. Смена мануфактурного производства фабрично-заводским выдвинула перед учеными множество практических задач, связанных с рациональной постановкой и усовершенствованием способов производства. Это привело к тому, что на смену ученому-просветителю пришел ученый-естествоиспытатель, который видел свою задачу в практическом применении научных знаний. Иными словами, задачей химической науки в этот период стала помощь развитию промышленности и сельского хозяйства на базе природных ресурсов страны.
На рубеже XVIII–XIX вв. произошли изменения и в системе подготовки специалистов и организации научных исследований. В период развивающихся капиталистических отношений расширение торговли, оснащение армии и флота, рост металлургических производств и химических промыслов во многом зависели от наличия собственных специалистов: горных инженеров, химиков, геологов, артиллерийских офицеров, врачей и др. С этой целью создаются такие специальные учебные заведения, как Горное училище, Артиллерийская академия, Инженерное кадетское училище, Медико-хирургическая академия и др.
В начале XIX в. в различных городах России открываются новые университеты и создаются научные общества. В 1802–1803 гг. восстанавливаются университеты в Дерпте и Вильнюсе. В последующие годы были открыты университеты в Казани (1804), Харькове (1805), Петербурге (1819). Петербургскому университету, в отличие от Московского (1755), Казанского и Харьковского университетов, которые готовили преподавателей для гимназий и других школ, было поручено готовить профессоров и научных работников.
С открытием университетов начинается новый период в развитии химии в России – период университетской науки, характерный появлением русской профессуры, русских учебников и журналов по химии, химических лабораторий. В университетах начали зарождаться русские научные школы.
Формирование и деятельность отечественных научно-педагогических школ происходили на фоне принципиальных изменений в мировой химической науке, заключавшихся в том, что в первые десятилетия XIX в. химия на базе новой парадигмы, основанной на кислородной теории Лавуазье (конец XVIII в.) и атомно-молекулярном учении Дальтона и Авагадро (начало XIX.), твердо встала на путь самостоятельного развития. Более того, начался процесс ее дифференциации на отдельные области: неорганическую, органическую, аналитическую химию.
В этой ситуации основной задачей, стоявшей перед российскими университетами, стало привлечение молодежи к изучению естествознания и химии в частности. Эта задача решалась в первую очередь путем написания оригинальных учебных руководств.
В 1810–1830 гг. русскими химиками была проделана огромная работа по созданию учебно-методических основ преподавания химии, написанию отечественных руководств по химии. Так, в 1808 г. А.И. Шерер (1772–1825), профессор Петербургской медико-хирургической академии, Главного педагогического института и Горного кадетского корпуса, а с 1815 г. – академик Петербургской академии наук издал первый русский учебник – «Руководство к преподаванию химии» (в двух частях). В «Предуведомлении» он писал о своем стремлении прежде всего к тому, чтобы преподавание химии было «практическим и основательным».
В 1813–1817 гг. было издано пятитомное энциклопедическое руководство «Всеобщая химия для учащих и учащихся» профессора химии Харьковского университета Ф.И. Гизе (1784–1821). Это уникальное издание впервые ознакомило русского читателя с новейшими теориями и открытиями в химии: представлениями К. Бертолле о химическом сродстве, законами Пруста, Рихтера, электрохимическими представлениями Г. Дэви и Я. Берцелиуса и др.
Однако для начинавших изучать химию его руководство было слишком объемистым. Поэтому, начиная с 1820 г., профессора русских учебных заведений издают ряд новых руководств по химии.
Первой книгой, достаточно полно отражавшей последние достижения науки и излагавшей факты и теории химии в компактной и доступной форме, стал учебник Г.И. Гесса «Основание чистой химии» (1831), который вплоть до выхода в свет «Основ химии» Д.И. Менделеева (1869) был принят в учебных заведениях России в качестве основного руководства по химии.
В историю мировой и отечественной химии имя Германа Ивановича Гесса (1802–1850) вошло не только благодаря его знаменитому учебнику. В первую очередь он известен как создатель первой в России научной школы химиков-неоргаников, один из основоположников термохимии.
В своих термохимических исследованиях Г.И. Гесс значительно раньше Х.П. Томсена и П.Э. Бертло выдвинул (1840) положение, согласно которому величины тепловых эффектов реакции могут служить мерой химического сродства. Открыл (1840) основной закон термохимии – закон постоянства количества тепла, доказал (1842) правило термонейтральности.
Фундаментальные термохимические исследования Г.И. Гесса могли бы стать основой большой исследовательской программы его научной школы. Однако Гесс сознавал, что для России в тот период требовались специалисты не по термохимии, а по горному делу, металлургии и аналитической химии. Именно поэтому, создавая первую национальную русскую школу химиков, ученый уделял большое внимание исследованиям именно в этих областях. Среди его учеников такие крупные химики, как П.И. Евреинов (1812–1849), снискавший известность своими работами в области гальванопластики, с 1841 г. – управляющий лабораторией Департамента горных и соляных дел; П.П. Шубин (1817–1843), выполнивший ряд работ в области анализа различных руд, глин, минералов и определивший в 1842 г. атомный вес лантана; И.В. Авдеев (1818–1865), успешно занимавшийся химией бериллия и его соединений; И.П. Илимов (1820–1891), крупный специалист в области переработки жиров; Н.А. Иванов (1816–1883), талантливый аналитик, выполнивший точные анализы многих минералов, руд и различных изделий металлургических заводов, в частности первые анализы донецких каменных углей; А.А. Фадеев (1810–1898), выполнивший ряд исследований по химии взрывчатых веществ и в 1844 г. впервые в мире получивший в большом количестве чистый пироксилин; Л.И. Шишков (1830–1908), создавший в Михайловском артиллерийском училище в Петербурге одну из лучших в России химических лабораторий и выполнивший в ней ряд оригинальных исследований.
Первым учеником Г.И. Гесса по Главному педагогическому институту был один из наиболее ярких педагогов-химиков XIX столетия, «дедушка русской химии» Александр Абрамович Воскресенский (1809–1880). Его деятельности Россия обязана подготовкой целой плеяды химиков. Из научной школы Воскресенского вышли такие известные ученые, как Д.И. Менделеев, Н.Н. Бекетов, П.А. Ильенков, М.В. Скобликов, Н.Н. Соколов, П.П. Алексеев, А.Р. Шуляченко, П.А. Лачинов, Н.К. Яцукович, Н.П. Лавров, И.А. Тютчев, Э.Ф. Радлов, Ф.Р. Вреден, В. Савич и многие другие.
Первая научная школа химиков-органиков
К 40-м годам XIX в. в России сформировалось несколько химических центров, самыми крупными из которых были петербургский, московский и казанский.
Становление научно-педагогической школы в Казанском университете связано с деятельностью Николая Николаевича Зинина (1812–1880), его ученика Александра Михайловича Бутлерова (1828–1886) и представителей бутлеровской химической школы Владимира Васильевича Марковникова (1837–1904), Александра Никифоровича Попова (1840–1881), Александра Михайловича Зайцева (1841–1910), Флавиана Михайловича Флавицкого (1848–1917). В конце XIX столетия преемницей бутлеровской школы становится научно-педагогическая школа А.М. Зайцева, известная такими замечательными именами, как С.Н. Реформатский, А.Н. Реформатский, Е.Е. Вагнер, А.А. Альбицкий, А.Е. Арбузов, Г.М. Глинский и многие другие.
Кроме того, несмотря на превалирование исследований в области органической химии, в Казанском университете работали такие известные ученые-неорганики, как М.Д. Киттары (1825–1880) и К.К. Клаус (1796–1864), один из основоположников химии платины, предложивший способы разделения и получения в чистом виде платиновых металлов и открывший в 1844 г. новый химический элемент – рутений.
Питомцы казанской химической школы, став известными учеными, создали крупные научные центры в других российских городах: Н.Н. Зинин и А.М. Бутлеров в Санкт-Петербурге, В.В. Марковников в Москве, А.Н. Попов и Е.Е. Вагнер в Варшаве, С.Н. Реформатский в Киеве, А.А. Альбицкий в Харькове.
В историю химии имя основателя казанской химической школы Н.Н. Зинина вошло благодаря открытому им методу получения первичных ароматических аминов из нитросоединений. Этот универсальный метод, который известен как «реакция Зинина», позволил организовать производство широкого спектра соединений, в первую очередь a-нафтиламина (анилина) и бензидина, являющихся исходными продуктами для промышленности синтетических (фуксин, мовеин и др.) и субстантивных красителей. Открытие Зинина не только послужило основой новой отрасли промышленности – анилинокрасочной. Оно оказало значительное влияние на развитие органической химии в целом, дало импульс многим новым самостоятельным производствам: фармацевтическому, фотохимическому, пластмасс и др.
Развитие химической науки во второй половине XIX в.
Вторая половина XIX в. представляет собой особый период в истории отечественной науки, в том числе и химии. Если в первой половине столетия достижения ученых прокладывали первые пути от аналитических исследований естественных богатств страны к фундаментальным изысканиям, то во вторую половину на первый план вышли работы фундаментального характера. Эпохой в истории мировой науки стали открытие в 1869 г. Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834–1907) Периодического закона химических элементов и разработка в 1861–1870 гг. А.М. Бутлеровым (1828–1886) теории химического строения веществ.
Со второй половины XIX в. в развитии химии четко наметилась дифференциация на три основные отрасли – неорганическую, органическую и физическую, а затем на множество других ветвей, более точно отражающих многосторонность предмета этой науки. Первое место по объему изучаемого материала заняла органическая химия, и неудивительно: уже тогда насчитывалось более миллиона индивидуальных органических соединений, тогда как неорганических было известно не более 60–70 тысяч.
Это обстоятельство вызвало необходимость упорядочения классификации органических соединений и создания теоретических основ, объясняющих их бесконечное разнообразие при крайне ограниченном составе.
Первые объяснения этому феномену появились еще в начале XIX в. в работах Я. Берцелиуса (Швеция), Ш. Жерара (Франция), Ю. Либиха и А. Кекуле (Германия). Они сводились к тому, что индивидуальность химического соединения определяет не только его состав, но еще и структура молекул, которая бывает различной при одном и том же составе, т. е. изомерия молекул. В этой связи были выдвинуты первые структурные теории, которые, однако, не объясняли главного: различия химических свойств изомеров.
Ответ на вопрос о различии химических свойств органических соединений дал А.М. Бутлеров в своей теории химического строения. Он показал, что реакционная способность молекул зависит от величин энергии химических связей между атомами, которые изменяются в результате взаимного влияния атомов и атомных групп в единой системе молекулы. Таким образом, в соответствии с его теорией сущность химического строения молекул заключается в энергетической неэквивалентности разных химических связей, одинаково обозначаемых как С–Н, или в общем случае А–В.
Теория химического строения стала первой действенной теорией реакционной способности вещества и впоследствии вошла в преобразованном виде в состав новых квантово-химических концепций.
Оценивая вклад казанской научной школы в развитие мировой и отечественной химии, один из ее лидеров академик А.Е. Арбузов отмечал, что созданная А.М. Бутлеровым и развитая его учениками теория химического строения позволила расшифровать структуру органических соединений различных классов и наметить пути их синтеза. Тем самым был сделан принципиально новый шаг в развитии органической химии. Казанская школа обогатила химию новыми оригинальными синтезами органических соединений: спиртов различных классов, непредельных кислот, оксикислот, лактонов, фосфорорганических соединений.
Все эти исследования укрепляли и развивали теорию химического строения, а также совершенствовали методы органической химии и готовили основу для внедрения многих практически важных веществ в промышленность.
Достижения химической науки второй половины XIX в. во многом обусловлены работами петербургских ученых. Академия наук, Петербургский университет, Горный институт, Медико-хирургическая академия, Михайловская артиллерийская академия, Технологический институт, Земледельческий (Лесной) институт образовали крупнейший научный центр, оказавший огромное влияние на развитие не только отечественной, но и мировой науки. В каждом из этих учреждений сложилась своя школа химиков, характерная индивидуальностью и направленностью исследований и руководимая такими блестящими учеными, как Д.И. Менделеев, А.М. Бутлеров, А.А. Воскресенский, Н.Н. Зинин, А.Е. Фаворский и др.
Исследования в области нефтехимии
В 1868–1885 гг. кафедру органической химии Петербургского университета занимал А.М. Бутлеров. Здесь, как и в Казанском университете, им была создана крупнейшая химическая школа, знаменитая такими именами, как А.Н. Вышнеградский, Г.Г. Густавсон, М.Д. Львов, В.В. Марковников, А.Е. Фаворский и др. В лаборатории Бутлерова проводили свои первые исследования будущие видные ученые В.Е. Тищенко, Ф.М. Флавицкий, Е.Е. Вагнер, Д.П. Коновалов, И.А. Каблуков и др.
Говоря о вкладе А.М. Бутлерова и его учеников в развитие отечественной химической науки, нельзя обойти вниманием такую широко развившуюся область, как нефтехимия, в становление которой бутлеровская школа наряду с Д.И. Менделеевым, а позднее – Н.Д. Зелинским, С.С. Намёткиным, Л.Г. Гурвичем, С.В. Лебедевым, Б.А. Казанским и другими, внесла огромный вклад.
На основе теории химического строения представителями школы Бутлерова был осуществлен синтез олефиновых и парафиновых углеводородов состава C5–C10 – основы химии углеводородов, которая стала впоследствии базой для развития нефтехимии, являющейся основным поставщиком карбюраторных и дизельных топлив и смазочных материалов для авто- и авиамоторостроения.
Исследования А.М. Бутлерова по полимеризации низкомолекулярных олефинов и по синтезу углеводородов изостроения, выполненные им с целью экспериментального подтверждения своей теории, составили научную основу синтеза компонентов высококачественных авиационных топлив. Уплотнение олефиновых углеводородов по Бутлерову приобрело важное значение также для синтеза присадок, улучшающих вязкостные свойства смазочных масел.
Представителю бутлеровской школы Г.Г. Густавсону принадлежит заслуга открытия многообразных превращений углеводородов и их производных в присутствии галогенидов алюминия. Особое значение приобрела реакция алкилирования ароматических углеводородов в присутствии хлористого алюминия, что обусловливается ценностью её продуктов как высокооктанового компонента авиационных топлив и сырья для промышленности органического синтеза и искусственного каучука.
Не меньший вклад в науку о химии нефти внёс ученик А.М. Бутлерова, В.В. Марковников, посвятивший более 20 лет своей научной деятельности исследованию состава кавказской нефти. Исследование нефтей в период интенсивной разработки кавказских месторождений в последней четверти XIX столетия было сосредоточено главным образом в Московском университете в лабораториях Н.Д. Зелинского и В.В. Марковникова.
Особое внимание В.В. Марковников уделял выделению нафтеновых углеводородов из нефти путём многократной дробной разгонки её и изучению свойств выделенных углеводородов. Химические методы идентификации нефтяных углеводородов, разработанные учёным, нашли применение во всех лабораториях мира. По этим же реакциям осуществляется синтез многих органических соединений.
Особое значение для развития нефтехимии имеют исследования русских учёных в области ациклических углеводородов, являющихся одной из главных составных частей нефти. Еще в 70-х годах XIX в. их открыл адъюнкт-профессор Петербургского горного института Ф.Р. Вреден. Впоследствии более 60 ациклических углеводородов впервые синтезировал и изучил Н.Д. Зелинский. Многие углеводороды этого класса синтезировали Н.М. Кижнер, Н.Я. Демьянов, С.С. Намёткин, Б.А. Казанский и другие химики. Их работы создали стройное учение об ациклических углеводородах, имеющих важнейшее значение в переработке нефти.
М.И. Коновалов, ученик и близкий помощник В.В. Марковникова, обогатил нефтехимию одним из наиболее надёжных методов определения структуры парафиновых углеводородов – реакцией нитрования парафинов слабой азотной кислотой. Знание структурных особенностей парафинов, входящих в состав бензиновых фракций нефти, необходимо для определения моторных свойств бензинов. Нитрование по Коновалову, развитое в последующие годы советскими химиками, в частности П.П. Шорыгиным и А.В. Топчиевым, приобрело большое промышленное значение.
М.И. Коноваловым были выполнены также ценные исследования по выяснению состава и строения нафтеновых углеводородов, выделенных из кавказских нефтей.
В историю науки о химии нефти вошли также работы учеников В.В. Марковникова Н.Я. Демьянова и Н.М. Кижнера. Предметом их изучения являлись такие важные аспекты, как синтез ациклических углеводородов, их изомеризация, расширение и сужение циклов.
Большое значение организации переработки нефти на научных основах придавал Д.И. Менделеев. Он отмечал: «Истребление нефти с помощью сжигания над паровиками и просто на полях, как это практиковалось и практикуется в Баку, не может не подлежать полному осуждению и против него надо действовать». Учёному принадлежат классические исследования по определению тепловых свойств нефтей и нефтепродуктов, а также установлению закономерностей их изменения. Труды Менделеева по выяснению химической природы отдельных углеводородов, входящих в состав нефти, по разработке методов ректификации, непрерывного однократного испарения, холодного фракционирования избирательными растворителями долгое время служили источником идей, определявших новые направления в нефтепереработке. В XX в. изыскания в области термической переработки нефти получили широчайшее развитие благодаря трудам Н.Д. Зелинского, А.В. Летнего, А.Н. Никифорова, В.Г. Шухова, М.А. Капелюшникова и других.
Обобщая работы, выполненные в последние три десятилетия XIX в., можно сказать, что в этот период были сформированы новые перспективные направления развития органической химии, которые приобрели большое практическое значение в следующем столетии; открытие новых реакций и закономерностей усилило синтетическую органическую химию и значительно расширило представления химиков о новых классах соединений. Иными словами, были заложены основы современной органической химии.
Исследования в области неорганической химии
Мощным направлением исследований, которое сформировалось в петербургском научном центре в 1870–1880-е годы, являются физико-химические изыскания, включавшие в себя три основных вектора: изучение состояния вещества (газообразное, жидкое, твердое) как основного фактора, определяющего специфику механизма реакций; изучение причин взаимодействия веществ; изучение зависимости свойств вещества от его состава и строения.
В разработке этого нового направления центральное место занимают работы Д.И. Менделеева и его учеников.
Крупнейшим вкладом Д.И. Менделеева в науку стал открытый им в феврале 1869 г. периодический закон химических элементов Этот закон и разработанная на его основе периодическая система элементов послужили фундаментом для современного учения о строении вещества, в частности для атомной и ядерной физики XX в. На этом же фундаменте построена вся современная система химии как единая целостность теорий, отражающих закономерности химической организации вещества и позволяющих решать основные задачи этой науки, в том числе получения материалов с заданными свойствами.
Д.И. Менделееву принадлежит также ряд других основополагающих работ в области общей химии, химической технологии, физики. Он осуществил фундаментальный цикл исследований (1865–1887) в области растворов, создал гидратную теорию растворов, заложил основы химии соединений переменного состава, открыл «температуру абсолютного кипения жидкостей», предложил общее уравнение состояния идеального газа (уравнение Клайперона–Менделеева).
Д.И. Менделеев принадлежал к числу тех отечественных ученых, которые не только ясно осознавали глубокую взаимосвязь и взаимозависимость фундаментальных исследований, прикладных изысканий и развития химической промышленности, но и принимали деятельное участие в решении целого ряда технологических проблем. Так, выступая за быстрейшее развитие нефтяной промышленности и рациональную переработку нефти, он первым обосновал вопрос о географическом размещении нефтеперерабатывающей промышленности, выдвинул ряд предложений по коренному улучшению транспортировки нефти и нефтепродуктов, предложил принцип дробной перегонки при переработке нефти. Выступая за расширение и техническое улучшение добычи угля, ученый выдвинул идею подземной газификации углей. В начале 1890-х годов он совместно с И.М. Чельцовым принимал участие в разработке бездымного пороха.
В сфере интересов Д.И. Менделеева были вопросы химизации сельского хозяйства.В своих работах он доказывал необходимость развития туковой промышленности на основе отечественного сырья, необходимость переработки костей, добычи фосфоритов, производства суперфосфата, преципитата и сложных удобрений.
Продолжением классических исследований Д.И. Менделеева в области растворов и в то же время началом нового этапа в их развитии стали работы будущих академиков Дмитрия Петровича Коновалова (1856–1923), Владимира Александровича Кистяковского (1865–1952), а также Александра Александровича Яковкина (1860–1936).
Д.П. Коновалов в 1881–1884 гг. открыл законы, устанавливающие зависимость относительного состава компонентов в газовой и жидкой фазах растворов от давления пара и температуры кипения двойных жидких систем. Он создал основы теории перегонки жидких смесей, развил представление о критическом состоянии в системах жидкость–жидкость, указав области их гомогенности и расслоения. Его работы носили четко выраженный физико-химический характер; они находились на пороге перехода химии к химической термодинамике, кинетике и катализу. Коновалов сформулировал представления об автокатализе, вывел уравнение для скорости автокаталитических реакций (1887) и впервые ввел (1885) понятие активной поверхности гетерогенных катализаторов.
В.А. Кистяковский стал одним из первых «объединителей» (1888) химической теории растворов Менделеева и физической теории электролитической диссоциации Аррениуса. Он создал новое направление в науке – коллоидную электрохимию, развил первые электрохимические представления о коррозии металлов, ставшие основой для разработки мер защиты металлов от коррозии.
Значительный вклад в создание основ электрохимии на первом этапе ее развития внес один из крупнейших представителей московской химической школы Иван Александрович Каблуков (1857–1942). Он открыл ряд закономерностей в области химии неводных растворов, установил аномальную электропроводность электролитов в органических растворителях, независимо от В.А. Кистяковского ввел представление о сольватации ионов, изучал фазовые превращения расплавленных солей, многое сделал для сближения физической и химической теорий растворов. Работы И.А. Каблукова подготовили почву для большого цикла систематических термохимических исследований будущих поколений химиков.
Работы самого И.А. Каблукова и его учеников в области термохимии в значительной степени опирались на традиции лугининской научной школы.
Прогресс в этой области прежде всего зависел от разработки её экспериментального метода – калориметрии, позволяющего определять, в частности, теплоты горения различных веществ. Профессором Московского университета Владимиром Федоровичем Лугининым (1834–1911) были получены надёжные экспериментальные данные теплот сгорания для более 200 соединений, которые вошли в мировую справочную литературу. Их сравнительный анализ, осуществлённый учёным в 1880–1890-е годы, позволил осуществить важные структурно-термохимические закономерности для разных классов органических соединений (кетонов, альдегидов, спиртов, сложных эфиров). Существенные изменения Лугинин внёс и в технику калориметрии. Им были усовершенствованы методы определения теплот испарения жидкостей и теплоёмкостей твёрдых и жидких тел. Предложенные им методы не утратили всоего значения и в настоящее время. В 1892 г. в Московском университете Лугининым была создана первая в России образцовая термохимическая лаборатория, ныне носящую его имя.
Особой практической направленностью отличались работы Александра Александровича Яковкина в области растворов. Он впервые подробно исследовал поведение хлора в водных растворах, разработал методы обезвоживания природных солей, предложил способ производства чистого оксида алюминия, на основе которого был пущен первый в России глиноземный завод.