Dmitri I. Mendeleev nasceu na cidade de Tobolsk na Sibéria. Era o filho caçula de uma família de 17 irmãos. Seu pai, Ivan Pavlovich Mendeleev era diretor da escola de seu povoado, perdeu a visão no mesmo ano de seu nascimento. Como consequência perdeu seu trabalho.
Já que seu pai recebia uma pensão insuficiente sua mãe, Maria Dmitrievna Mendeleeva, passou a dirigir uma fábrica de cristais fundada por seu avô, Pavel Maximovich Sokolov. Na escola, desde cedo destacou-se em Ciências (nem tanto em ortografia). Um cunhado, exilado por motivos políticos e um químico da fábrica inspiraram sua paixão pela ciência. Depois da morte de seu pai um incêndio destruiu a fábrica de cristais. Sua mãe decidiu não reconstruir a fábrica mas sim investir suas economias na educação do filho.
Nessa época todos os seus irmãos, exceto uma irmã, já viviam independentemente. Sua mãe então mudou-se com ambos para Moscovo a fim de que ele ingressasse na universidade de Moscovo o que não conseguiu. Talvez devido ao clima político vivido pela Rússia naquele momento a universidade só admitia moscovitas.
Foram então para São Petersburgo, onde a situação era precisamente a mesma, não se admitiam estudantes de outras regiões, porém sua mãe descobriu que o diretor do Instituto Pedagógico Central (principal escola formadora de professores da Rússia da época) era amigo de seu finado marido, portanto, onde a burocracia frustrava, o favoritismo mandava e Dmitri consegue uma vaga.
O Instituto Pedagógico Central ficava nos mesmos prédios da Universidade de São Petersburgo e tinha em seu quadro docente muitos professores da própria universidade, dentre eles o famoso físico alemão Heinrich Lenz. Interessou-se pela química graças ao prestigiado professor Alexander Voskresenki, que passou seus últimos anos de vida em uma enfermaria devido a um falso diagnóstico de tuberculose. Ainda assim graduou-se em 1855 como primeiro de sua classe.
Em 1859 conseguiu uma verba do governo para estudar no exterior por dois anos. Primeiro foi à Paris estudar sob Henri Victor Regnault, um dos maiores experimentalistas europeus da época (consta que Regnault havia feito várias descobertas importantes, como o princípio da conservação de energia, mas seus estudos haviam sido destruídos e Regnault não conseguiu recuperar antes de sua morte).
No ano seguinte, Mendeleev seguiu para a Alemanha estudar com Gustav Kirchhoff e Robert Wilhelm Bunsen, inventores do espectroscópio - importante instrumento para descoberta de novos elementos daquela época - e do até hoje utilizado bico de Bunsen.
O comportamento explosivo de Mendeleev tornou-se sua ruína. Com pouquíssimo tempo de convivência, brigou com Kirchoff e desistiu das aulas, porém, continuou na Alemanha onde residia em um pequeno apartamento que transformou em laboratório. Neste laboratório improvisado, trabalhando sozinho, limitou-se a estudar a dissolução do álcool em água e fez importantes descobertas sobre estruturas atômicas, valência e propriedades dos gases.
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