Илья Леенсон - Удивительная химия

Итак, к концу XVIII — началу XIX века благодаря работам Михаила Васильевича Ломоносова (1711–1765), А. Л. Лавуазье, Уильяма Праута (1785–1850), Амедео Авогадро (1776–1856) и других ученых гипотеза о существовании атомов и молекул начала приобретать черты теории, которая могла бы принести огромную практическую пользу. Однако многие ученые, в том числе и выдающиеся, не поняли этого. Вот несколько примеров. Крупнейший французский химик XIX века Марселен Бертло (1827–1907) писал: «Понятие молекулы, с точки зрения наших знаний, неопределенно, в то время как другое понятие — атом — чисто гипотетическое». Еще определеннее высказался известный французский химик Анри Этьен Сент-Клер Девилль (1818–1881): «Я не допускаю ни закона Авогадро, ни атома, ни молекулы, ибо я отказываюсь верить в то, что не могу ни видеть, ни наблюдать». А немецкий химик Вильгельм Оствальд (1853–1932), лауреат Нобелевской премии, один из основателей физической химии, еще в начале XX столетия решительно отрицал существование атомов! В своем трехтомном учебнике химии он ни разу даже не упомянул о них.

Теперь о том, что мир построен из атомов, знают даже школьники младших классов. Ученые получили довольно много сведений о строении различных атомов и молекул, об их форме и размерах. Еще более важными оказались знания, относящиеся к явлениям, которые происходят при «изменении форм» различных веществ, или, выражаясь современным языком, при изменении взаимного расположения атомов, когда они объединяются в более крупные частицы — молекулы, состоящие из одинаковых или разных атомов. С точки зрения современной науки взаимное расположение атомов в молекулах, а также взаимное расположение молекул определяют свойства веществ, о чем догадывались еще древние. А процесс перестройки взаимного расположения атомов составляет сущность химической реакции.

Нелегкий путь становления теории строения вещества на основе атомистических представлений можно проследить на примере изменений, которые претерпела периодическая таблица элементов Д. И. Менделеева.

Периодическая таблица начинается с самого легкого элемента — водорода. Некоторые ученые полагали, что все химические элементы произошли от самых простых атомов. В 1815 голу английский химик Уильям Праут выдвинул гипотезу, согласно которой атомы всех химических элементов «построены» из атомов водорода. Если массу атома водорода принять за единицу, то атомные массы всех остальных элементов должны в соответствии с гипотезой Праута в целое число раз превышать массу атома водорода и потому выражаться целыми числами. Эти числа (их называют относительной атомной массой) действительно были целыми для ряда известных на то время элементов.

Во второй половине XIX века отдельные ученые попытались обосновать гипотезу Праута, но у них ничего не получилось, о чем достаточно определенно написал уже знаменитый в то время Д. И. Менделеев: «Все подобные мысли… должно относить к области, лишенной какой-либо опытной опоры». То есть на тот момент ученые не располагали надежными методами проверки истинности гипотезы Праута. Кстати, в первой таблице химических элементов, составленной Д. И. Менделеевым в 1869 году, было немногим более 60 элементов, причем атомные массы 50 из них, или у подавляющего большинства, приводились в целых числах. Но массы-то остальных 13 элементов были дробными! В чем тут дело? Сторонники гипотезы Праута считали, что просто атомные массы этих элементов были определены недостаточно точно. Ведь определить экспериментально относительную атомную массу элемента с высокой точностью в XIX веке было делом трудным; некоторые химики годами работами над этой задачей. Между прочим, сам Менделеев не был уверен в точности всех атомных масс, значениями которых он располагал. В своей первой таблице он в этих случаях ставил рядом с символом элемента знак вопроса. Так, на месте золота в этой таблице стоит Au = 197?

Однако атомные массы некоторых элементов, например, меди (63,4) или хлора (35,5), настолько сильно отличались от целых чисел, что ошибками эксперимента объяснить это было невозможно. Более того, результаты экспериментов как бы в насмешку над гипотезой Праута свидетельствовали: чем точнее становились измерения, тем у большего числа элементов обнаруживались «отклонения». Так, в последний год жизни Д. И. Менделеева шведский ученый Иоганн Ридберг (1854–1919), чьим именем названа одна из физических констант, опубликовал таблицу элементов, в которой впервые каждому элементу был присвоен соответствующий порядковый номер. В этой таблице оказалось уже 69 элементов, из которых лишь у 21 атомная масса была выражена целым числом. Любопытно, что в современной таблице Менделеева нет ни одного (!) элемента со строго целочисленной атомной массой. Объясняется это разными причинами. Одна из них, очень 24 важная, была обнаружена английским ученым Френсисом Уильямом Астоном (1877–1945) в 1919 г.

Раньше считалось, что атомы одного и того же химического элемента во всем одинаковы. Астон впервые доказал, что это не так. Они могут отличаться по массе, хотя с химической точки зрения ведут себя сходным образом. Другими словами, Астон открыл, что у элементов могут быть «близнецы-братья», но одни из них чуть полегче, другие потяжелее. Этих близнецов назвали изотопами, так как в таблице Менделеева им отвели одно и то же место (по гречески «изос» — «равный, одинаковый», «топос» — «место»). Из встречающихся в природе элементов (а их почти 90) только у 20 нет «родственников» — это элементы-одиночки. Другим же повезло больше, например у олова их целых 10! Есть изотопы и у самого легкого в природе элемента — водорода, и у самого тяжелого — урана.

После того как было доказано существование изотопов, стало понятно, почему элементы с целочисленной атомной массой встречаются гораздо реже, чем с дробной. Например, у меди было обнаружено два изотопа с атомными массами, очень близкими к 63 и 65. Легких атомов меди в природе больше — их 69 %, а тяжелых меньше — 31 %. Поскольку оба изотопа и в металлической меди, и во всех ее соединениях равномерно перемешаны, не удивительно, что измерения всегда давали усредненное значение атомной массы меди — примерно 63,5.

В XX веке, когда стало известно, из чего состоят атомы, появилось четкое и вполне определенное понятие химического элемента. Элемент — это совокупность атомов, которые устроены примерно одинаково. В центре атома — ядро, вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и потому несет положительный заряд. В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов. Главное, что отличает один элемент от другого, — это заряд ядра: у всех атомов данного элемента этот заряд одинаковый (одинаковое число протонов). Например, у всех атомов золота в ядре 79 протонов, а у всех атомов свинца — 82. Атомы самого легкого элемента водорода состоят всего из одного протона и одного электрона. А в ядрах самого тяжелого на Земле элемента урана уже 92 протона. Число же нейтронов в ядрах атомов данного элемента может быть переменным. Например, у 99,3 % атомов урана в ядре 146 нейтронов, а у оставшихся 0,7 % — на три нейтрона меньше; если выделить в чистом виде несколько килограммов данного изотопа, то этого количества будет достаточно для осуществления ядерного взрыва! (Есть еще, правда, очень редкая разновидность атомов урана со 142 нейтронами в ядре, но таких атомов всего 0,0055 %.)

А теперь поговорим о том, как удалось установить процентный состав двух изотопов меди. Наглядно это можно показать на примере разновидностей монет одного достоинства, отличающихся массой. В 1993 году в России были выпущены 50-рублевые монеты из желтого медного сплава массой 6,1 г. Вскоре вместо них начали чеканить такие же с виду монеты, но более дешевые: их делали из стали и лишь сверху покрывали тонким слоем медного сплава. Стальные монеты были немного легче (5,3 г), но внешне они почти ничем не отличались от своих предшественниц (даже годом чеканки), как не отличаются по химическим свойствам два сорта атомов меди. Будем считать, что у нас было два «изотопа» 50-рублевых монет.

Примерно к 1996 году оба «сорта» монет, находившихся в обращении, равномерно перемешались, так что доля легких и тяжелых монет стала постоянной. Один нумизмат решил выяснить, какова же доля монет каждого типа. Он собрал у знакомых целый мешочек 50-рублевых монет, взвесил их и разделил общую массу на число монет; получилась «средняя» масса одной монеты — 5,54 г. Можно ли теперь узнать долю легких и тяжелых монет?

Будем рассуждать так: пусть у нас имеется 100 монет, среди которых есть и легкие, и тяжелые (по условию их соотношение не зависит от числа монет). Общая масса всех 100 монет равна 554 г. Если бы все эти монеты были «тяжелой разновидности», то их общая масса была бы равна 610 г, что на 56 г (610–554) больше действительной. Почему так? Потому что не все монеты тяжелые: есть среди них и легкие. Замена одной тяжелой монеты на одну легкую приводит к уменьшению общей массы на 0,8 г (6,1–5,3). Нам же надо уменьшить массу на 56 г. Следовательно, имеется 70 легких монет (56:0,8). Это и есть ответ: 70 % легких монет, 30 % тяжелых.