В трудах Д. И. Менделеева особое место отведено рассмотрению реакций замещения (или обмена). В основу классификации Менделеевым положено равенство или различие обменов начальных и конечных веществ. Впоследствии, наряду с изучением объемов реагирующих веществ (газы), Менделеев принимал во внимание изменение тепловых эффектов реакций, сжатие при образовании растворов, изменение объемов при образовании оксидов и хлоридов металлов, теплоемкость и т.п.
Любая классификация простых и сложных веществ оказывалась относительной. Для того чтобы установить связь между ними, надо было подняться на более высокую ступень абстракции. Таким абстрактным понятием являлось понятие «химический элемент».
Приведем определения понятий «химическое соединение» (1864) и «химический элемент» (1869), которые принадлежат Д.И. Менделееву: «Химическим соединением вообще называют такое соединение двух или более тел, продукт которого представляется нам однородным, однообразным во всех своих мельчайших частицах». «Элементы суть материальные составные части простых и химически сложных тел, которые обуславливают их физическое и химическое отношение».
Вклад Д.И. Менделеева в учение о химическом соединении определялся, с одной стороны, физико-химическим подходом к рассмотрению свойств соединений, а с другой стороны, методологическим анализом всей совокупности сложившихся понятий. Сочетание двух этих факторов, опытом работы в различных областях химии, ранней научной самостоятельностью, наконец, педагогическими целями отличался Д.И. Менделеев от многих своих современников. Открытие периодического закона и естественной системы как комплексной проблемы оказалось не случайным в творческой биографии ученого.
Изучение особенностей изменения свойств соединений в зависимости от состава и агрегатного состояния, в конечном счете, и привело Менделеева к открытию общей систематики элементов. Центральными понятиями этого учения явились понятия о периодичности изменения свойств элементов и о «месте элемента» в системе, свидетельствующие о своеобразии отражения закона в форме системы. Важными категориями, характеризующими взаимоотношения разнообразных свойств элементов, являются здесь категории общего (единого), специфического (особенного) и индивидуального (единичного).
Под общими свойствами понимаются свойства, прежде всего относящиеся к понятию «элемент» и являющиеся конкретными едиными характеристиками атома как целого. Такие свойства Д.И. Менделеев называл «коренными», и первым из них он считал атомный вес (атомную массу) элемента. Закон периодичности можно формулировать следующим образом: свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от их атомного веса.
Представление о трех типах свойств, их взаимосвязи между собой и путях отыскания закономерностей общего характера и индивидуальных проявлений лежит в основе учения о периодичности, развитого Д.И. Менделеевым во второй половине XIX в.
Само изучение взаимосвязи свойств с составом заставило Менделеева анализировать сначала свойства отдельных элементов (что проявилось в изучении изоморфизма, удельных объемов, в сопоставлении свойств углерода и кремния), затем естественных групп (атомные массы и химические свойства) и всех классов соединений (совокупность физико-химических свойств), включая простые вещества.
Еще до Менделеева было сделано немало попыток разработать классификацию элементов, каждая из них, однако, еще не давала ключа к открытию систематики элементов, но анализ совокупности подобных работ дал Менделееву возможность по-новому рассмотреть вопрос о типах аналогии в химии. Важно заметить, что Менделеев не ограничивался изучением разностей атомных масс или рассмотрением характера изменения других измеримых свойств всех элементов, в том числе редких. Он стремился охватить всю совокупность свойств элементов и понять причины многообразия возможных их классификаций по составу, свойствам, агрегатному состоянию.
Одна из задач науки – систематизация материала. Так родилось представление о различных классах простых и сложных веществ.
Простые вещества делили на основании физических свойств, например их электрической проводимости, на металлы и неметаллы. Сложные вещества можно было классифицировать по составу: бинарные соединения, оксиды, хлориды и более сложные или, как говорили в старину, соединения второго порядка, например хлорид аммония NH4CI. Химики классифицировали соединения и по свойствам, прежде всего таким, как кислотные и основные. Другим критерием разделения были окислительные и восстановительные свойства. Когда удалось определить строение соединений, стали пользоваться и такой информацией: предельные углеводороды С – С, непредельные =С=С= и т.д.
Итак, простые вещества и сложные вещества изучали в соответствии с принятыми в науке классификациями: во-первых – по физическим свойствам, во-вторых – по химическим свойствам.
Понять научный подвиг Менделеева мы можем в том случае, если раскроем объяснительную и предсказательные функции периодического закона.
Что же был призван объяснить периодический закон? Прежде всего – характер взаимосвязей между элементами. Они угадывались уже до Менделеева. Еще лет за сорок до открытия периодического закона ученые, в частности Деберейнер, отмечали сходство химических свойств некоторых элементов.
Знания о внутреннем строении химических соединений (химической связи) и свойствах атомов химикам середины XIX в. приходилось получать косвенным путем: изучая химические реакции, сопоставляя свойства аналогичных элементов и сходных по составу соединений. Этот путь познания внутреннего на основе изучения внешнего был громоздким, длинным и извилистым. Под давлением новых фактов погибла не одна из ранее высказанных гипотез, не одно остроумное предположение.
Встала задача объединить все элементы воедино одной классификацией. Нужна была идея, которая легла бы в ее основу. Предшественники Менделеева пытались найти эту идею, располагая элементы в виде различных таблиц. Д.И. Менделеев понял: нужно пересмотреть всю систему химических понятий. Он на первых порах выступил как реформатор, Проведя историко-логический анализ, он разработал иерархию химических понятий.
Менделеев понял и в лекциях по теоретической химии 1864 г. ясно заявил, что, во-первых, химическая активность не является свойством элемента, а зависит от многих причин: степени насыщения, партнера, условий взаимодействия, т.е. от «состояния атома». Во-вторых, Менделеев понял, что химические свойства зависят от физического состояния атома: чем выше степень окисления, тем более атом теряет свою индивидуальность и приобретает черты, делающие его сходным с атомами других элементов.
И вот финал. Формируется иерархия понятий. Центральным понятием является понятие «химический элемент». Закон взаимосвязи элементов – особый закон. Он охватывает две идеи: повторение и развитие. Менделеев понял, что нужно одной идеей – периодической повторяемости свойств у высших форм соединений – объединить элементы, составляющие те две совокупности сходных элементов, о которых говорил еще Дюма. Тогда в периодической системе оказались в единстве выраженными две идеи: горизонтального и вертикального сходства, которые на разных участках системы, чередуясь, выражены в разной мере. Каждый ряд, как и группа, имеет свои особенности. Их изучение и составляет предмет неорганической химии.
Периодический закон позволил не только обосновать научную классификацию элементов и их соединений, но и позволил установить четкую взаимосвязь многих важнейших химических понятий. Развитие неорганической химии с тех пор проходит в рамках учения о периодичности. Периодический закон позволил предсказать свойства многих еще неоткрытых элементов. Предсказания Менделеева вскоре оправдались. Это был триумф теории. С его помощью, а, также используя такие достижения физики, как открытия электрона и радиоактивности, Э. Резерфорд, Н. Бор и другие ученые предложили модель атома, разработали теорию строения атома, а затем и теорию химический связи.
Так была решена одна из центральных проблем химии: выяснение связи свойств с составом и строением тех объектов, которые она изучает.
Как при открытии периодического закона, так и в дальнейшем, в ходе его развития, Менделеев столкнулся с проблемами классификации соединений: по составу, по типам химических реакций, агрегатному состоянию и т.п.
Изучая вопросы классификации, он обращается к другим свойствам, которые, например, наряду с атомными объемами, помогли бы обнаружить природу явления. Так, на основе изучения теплоемкости, позволившей уточнить данные о «частичном составе», он проводит классификацию веществ.
Главная заслуга Менделеева состояла в том, что он сумел в эпоху формирования, становления и ломки теоретического аппарата общей химии выработать такие понятия, которые бы в максимальной степени охватывали все объекты и все явления. Он стремился при этом сохранить «диалектику вещей» в «диалектике понятий». Теперь хорошо известно, что эта задача была настолько сложной, что никто из ученых XIX в. не смог избежать больших или малых ошибок. Не избежал их и Д.И. Менделеев.
Многие ученые не рисковали всецело посвящать себя рассмотрению понятийного аппарата химии, ее методологическим и философским вопросам химии.
Вот почему следует высоко оценить вклад Менделеева в формирование методологии химии, а также общей химии – науки о коренных свойствах элементов, общих законах химии и методологических основах изучения специфики проявления этих законов при изучении определенных классов соединений и процессов. Основные результаты этого труда были изложены главным образом в «Основах химии» Менделеева.