По ту сторону кванта - Пономарев Леонид Иванович
ЭЛЕМЕНТЫ И АТОМЫ
Среди учёных своего времени Джон Дальтон очень своеобразная фигура. В начале XIX века уже все уверовали в науку и поняли секрет её могущества: она имеет дело с числами, а числа не обманут. Поэтому превыше всего в то время ценили искусство ставить точные опыты. Дальтон решительно этим качеством не обладал и потому при жизни подвергался нападкам маститых учёных.
«Его инструменты, сделанные в основном своими руками, не были приспособлены для получения аккуратных результатов, а его манера экспериментирования была небрежной, если не сказать неряшливой»,
— писал один из его биографов.
По складу ума это был типичный теоретик, как мы себе представляем сейчас эту профессию. Поэтому не следует слишком строго судить неточности измерений в его работах: на их основе он высказал светлые и плодотворные мысли, которые определили развитие химии на ближайшие сто лет. Суть его открытия состоит в том, что он указал экспериментальный путь проверки атомной гипотезы.
Дальтон определил элемент как вещество, состоящее из атомов одного вида. Атомы различных веществ различаются между собой по весу и при всех превращениях вещества остаются неизменными — происходит лишь их перегруппировка.
«Мы с таким же успехом можем стараться прибавить новую планету в солнечную систему, как уничтожить или создать атом водорода»,
— писал Дальтон.
Дальтона начинается современная история атома. Он впервые не только твёрдо поверил в атомную гипотезу, но стал искать вытекающие из неё и притом наблюдаемые следствия. Ход его рассуждений состоял примерно в следующем.
Допустим, что все элементы состоят из атомов. Тогда, скажем, в 16 г кислорода содержится N атомов кислорода. Теперь допустим, что мы сжигаем в этом кислороде водород. Легко измерить, что для сжигания 16 г кислорода надо затратить 2 г водорода, и в результате мы получим 18 г воды.
Первое предположение, которое приходит в голову стороннику атомной гипотезы, состоит в том, что каждый атом кислорода O соединяется с одним атомом водорода H и в результате образуется молекула воды HO. Именно так думал и Дальтон.
В дальнейшем Берцелиус доказал, что он немного не прав, а именно: с каждым атомом кислорода соединяются два атома водорода и поэтому формула воды принимает привычный для нас вид: H2O. Но здесь самое важное идея: с каждым атомом кислорода соединяется целое число атомов водорода. Поэтому если в 16 г кислорода содержится N атомов, то в 2 г водорода — 2∙N атомов. А это означает, что один атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода.
Таким образом, появилась возможность сравнивать между собой вес атомов различных элементов. Появилось понятие — атомный вес— число, которое показывает, во сколько раз вес атома какого-либо элемента тяжелее атома водорода. По определению атомный вес водорода приняли равным единице, и, следовательно, атомный вес кислорода равен 16.
Чем может быть полезно это простое рассуждение? Прежде всего теперь можно измерить атомные веса всех других элементов, изучая их соединения с водородом и кислородом. Например, можно убедиться, что в тех же 16 г кислорода удаётся сжечь только 16 г серы и получить сернистый газ. Что отсюда следует? Можно, как всегда, предположить простейшее: с каждым атомом серы соединяется один атом кислорода по формуле S + O = SO, и сделать отсюда вывод, что атомный вес серы равен 16. Но если (как мы теперь знаем) горение происходит по формуле S + O2= SO2, то атомный вес серы следует положить равным 32.
Измерение атомного весаНа этом примере мы видим, что сама по себе атомная гипотеза ещё не даёт способа предсказывать состав химических соединений, однако она не позволяет ошибаться больше чем в целое число раз. Например, мы заранее можем предсказать, что с 32 г серы (в которых содержится N атомов) может соединиться либо N, либо 2∙N и т. д. атомов водорода, то есть либо 1 г, либо 2 г, но ни в коем случае не 1,35 г водорода. Это утверждение как раз и составляет содержание знаменитого закона кратных отношений:
Веса элементов, входящих в соединение, относятся между собой как целое кратное их атомных весов.
К этим результатам Дальтон пришёл в 1804–1805 годах, а в 1808 году вышла его знаменитая книга «Новая система химической философии», открывшая Целую эпоху в науке. Его выводы тут же проверил английский врач и химик Уильям Волластон (тот самый, который впервые обнаружил тёмные линии в спектре Солнца) и убедился в их справедливости.
Нам сейчас трудно представить ту смутную эпоху, когда отвергали не только атомную гипотезу, но вообще сомневались в том, что химические соединения имеют постоянный состав. Известен знаменитый восьмилетний спор между Прустом и Бертолле, лишь в конце которого Пруст наконец доказал, что независимо от того, как и откуда получено соединение, оно всегда имеет один и тот же неизменный состав. И вода всегда остаётся водой H2O, упала ли она с неба, взята ли из реки или же получена сжиганием водорода в кислороде.
Оставалось сделать последнее: научиться определять атомные веса элементов. Для этого нужно было выбрать простейшие вещества. Прежде всего обратили внимание на газы. И тут сразу же, в 1809 году, бывший ассистент Бертолле французский учёный Джозеф Луи Гей-Люссак (1778–1850) (которого мы знаем по «газовому закону Гей-Люссака») сделал очень важное открытие: объёмы двух газов, вступающих в реакцию, всегда относятся друг к другу как простые целые числа.
Не веса, а объёмы!
Как мы скоро увидим, это очень важно. Например, чтобы получить воду, нужно в одном объёме кислорода сжечь ровно два объёма водорода. Отсюда уже сам собой напрашивается вывод: в равных объёмах газов содержится одинаковое количество атомов.
Именно к такому выводу пришёл в 1811 году итальянский учёный Амедео Авогадро (1776–1856) (Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро ди Кваренья э ди Керрето), только сформулировал его точнее:
В равных объёмах газов содержится одинаковое количество молекул.
Как мы теперь знаем, молекулы большинства газов: водорода, кислорода, азота и т. д. — состоят из двух атомов H2, O2, N2. После этого уже ничего не стоит понять классический опыт по сжиганию водорода в кислороде. Известно, что при этом из 1 объёма кислорода и 2 объёмов водорода образуется 2 объёма водяного пара. Коротко этот факт записывают уравнением:
2H2+ O2= 2H2O
В чём значение открытий Гей-Люссака и Авогадро и почему мы так подробно остановились на этих простых фактах?
Проследим ещё раз цепочку рассуждений. В равных объёмах газов содержится одинаковое число молекул. Известно, что 2 г водорода занимают объём 22,4 л; обозначим число молекул, которое содержится в этом объёме, через N. Те же самые N молекул кислорода занимают тот же объём 22,4 л, но весят они при этом не 2 г, а 32. Отсюда следует, что каждый атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода; а это означает, что, измерив удельный вес какого-либо газа, мы сразу же определим его атомный вес.
Нигде до сих пор реальность атомной гипотезы не была видна так явно. Действительно, удельный вес — величина легко измеримая и привычная, поскольку она воздействует на наши органы чувств. Поразительно то, что таким простым способом можно измерить атомный вес — величину, не данную нам в ощущении непосредственно и тем не менее безусловно реальную.
Число молекул N, которые помещаются в 22,4 л любого газа, называют теперь числом Авогадро. Это одна из основных постоянных физики — подобно скорости света c или постоянной Планка h. Чтобы определить её, достаточно знать абсолютный вес M одного атома водорода. И поскольку в 22,4 л содержится 2 г таких атомов, то число N = 2/M.
