Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Рис. 16.2. Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) и его жена Мария Анна Пьеретта Польз (1758–1836). Она так тесно сотрудничала с мужем, что трудно отделить вклад одного из супругов от вклада в науку другого (картина Жака Луи Давида).
Свои результаты Лавуазье опубликовал в 1789 году в работе Traite Elémentaire de Chimie («Начальный курс химии»). В этом классическом труде он обобщил новую химическую теорию и разъяснил понятие элемента как простого вещества, которое невозможно расщепить никакими известными химическими методами. Там же была представлена теория того, как элементы формируют химические смеси, и утверждалось, что вещество не возникает и не исчезает (то есть масса сохраняется).
Лавуазье продолжал собирать налоги даже после начала Французской революции. В период Царства Террора он вместе с другими 27 сборщиками налогов был приговорен к смерти на гильотине и казнен 8 мая 1794 года в Париже. Не последнюю роль в этом сыграло и то, что несколькими годами ранее Лавуазье критиковал революционного лидера Жана-Поля Марата и его идеи о процессе горения.
После Лавуазье продолжались поиск и систематизация новых элементов. Наибольшую активность в этом проявили Жозеф Гей-Люссак (1778–1850) во Франции и Гемфри Дэви в Англии. Особое внимание они уделяли относительному количеству элементов, входящих в соединения. Стало понятно, что соединение всегда состоит из элементов в определенной пропорции. Например, чтобы получить 9 граммов воды (H2O), нужно 8 граммов кислорода (O) и 1 грамм водорода (H); только в такой пропорции не останется лишнего водорода или кислорода.
Этим химическая реакция отличается, скажем, от приготовления кекса, где не так уж важно, если мы смешиваем ингредиенты в не совсем точной пропорции: кекс будет иметь немного другой вкус, но он в любом случае остается кексом. Открытие химического закона постоянных отношений принадлежит шведскому химику Йёнсу Якобу Берцелиусу (1779–1848). Он показал, что неорганические вещества состоят из различных элементов в постоянной весовой пропорции. На основе этих результатов в 1828 году он составил таблицу относительных атомных весов, включающую в себя все известные к тому времени элементы. Эта работа свидетельствовала в пользу гипотезы атомов: химические соединения содержат атомы в целочисленных количествах. Для описания своих экспериментов он разработал систему химических знаков, в которой каждый элемент обозначался буквой, например, О — для кислорода, H — для водорода и т. д. Эту систему мы используем и сегодня.
Закон постоянных отношений помог Джону Дальтону (17661844) разработать теорию атомов. Он проводил исследования в разных областях науки — от метеорологии до физики, но теория атомов пробудила в нем интерес к химии. В своей «Новой системе химической философии» (1808) Дальтон утверждал: «Подобные наблюдения[5] привели всех к молчаливому соглашению, что тела, обладающие заметной величиной, будь они жидкими или твердыми, состоят из громадного числа необыкновенно маленьких частиц, или атомов вещества, удерживаемых вместе силой притяжения…» И далее он писал: «Следовательно, мы должны заключить, что мельчайшие частицы любого однородного тела совершенно похожи друг на друга по весу, по форме и т. п. Иными словами, каждая частица воды похожа на все другие частицы воды; каждая частица водорода похожа на любую другую частицу водорода и т. д.». Однако он признавал, что атомы различных элементов разные и имеют разный вес.
Дальтон жил на доходы от работы учителем в Манчестере. В 1800 году он стал секретарем Манчестерского литературно-философского общества и продолжал давать уроки, как в школе, так и частным образом. Позже его избрали президентом Философского общества, и эту почетную он должность занимал вплоть до смерти.
Согласно Дальтону, атомы в химическом соединении объединяются друг с другом всегда одинаковым образом. Это порождает новые идентичные комбинации атомов, которые теперь называются молекулами. Отсюда следует закон постоянных отношений: эти пропорции заложены уже в молекулах. Мы знаем, что два атома Н, соединяясь с одним атомом О, образуют воду Н2O. Но представления Дальтона о том, как из атомов сложены молекулы, часто были ошибочными.
Правильные химические формулы и атомные веса были найдены после того, как в 1808 году Гей-Люссак установил, что элементы объединяются не только в данном весовом соотношении, но также в данном отношении объемов в том случае, если элементы находятся в газообразном состоянии. Например, 2 литра водорода и 1 литр кислорода всегда дают 2 литра водяного пара (а не три!). Правило Гей-Люссака объяснил профессор физики Туринского университета Амедео Авогадро (1776–1856). В 1811 году он опубликовал статью о различиях между молекулой и атомом, указав, что Дальтон пере-путал понятия атомов и молекул. «Атомы» водорода и кислорода Дальтона на самом деле являются «молекулами», каждая из которых содержит по два атома — Н2 и О2. Таким образом, две молекулы водорода могут объединиться с одной молекулой кислорода, чтобы образовать две молекулы воды.
Авогадро предположил, что одинаковые объемы любых газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое число молекул; теперь это называют законом Авогадро. Используя это правило, мы можем сразу догадаться, что молекула воды содержит два атома водорода на каждый атом кислорода, то есть химическая формула воды — Н2O. Если добавить к этому, что отношение весов кислорода и водорода в молекуле воды 8:1 = масса одного атома О, деленная на массу двух атомов Н, то получим, что О/Н = 16, то есть, что вес атома кислорода в 16 раз больше веса атома водорода.
Периодическая таблица элементов.Новые элементы с их измеренными атомными весами начали демонстрировать интересную регулярность своих свойств. Британский химик Джон Ньюлендс (1837–1898) заметил, что если расположить элементы в соответствии с их атомными весами, то химические свойства начинают повторяться через семь элементов. Он назвал это «законом октавы», но музыкальная аналогия не усилила доверия к идее. Поскольку в то время еще не было известно о благородных газах, в каждом ряду из семи элементов не хватало одного.
Периодическую систему химических элементов предложил Дмитрий Менделеев в двухтомном учебнике «Основы химии» (1868–1870). Менделеев вырос в Тобольске, в Сибири. Он был четырнадцатым ребенком учителя тобольской гимназии. Высшее образование получил в Санкт-Петербурге и Париже. В 1863 году стал профессором химии в Санкт-Петербургском университете (рис. 16.3).
Рис. 16.3. Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907).
С помощью своей таблицы Менделеев смог предсказать новые элементы, заполнив пробелы в системе. Первым элементом, подтвердившим его прогноз, стал открытый в 1875 году галлий. Независимо от Менделеева похожую систему разработал немецкий химик Лотар Мейер (1830–1895).
Врезка 16.1. Периодическая таблица и атомные веса первых 56 элементов.Жирным шрифтом указаны элементы, открытые после Менделеева. Полную современную версию этой таблицы можно найти на сайте http://www.chemicool.com/.
Английский химик Уильям Праут (1785–1850) еще в 1815 году предположил, что атомы состоят из более мелких единиц. Такой единицей, по-видимому, является атом водорода. Однако некоторые атомные веса не кратны атомному весу водорода, например, атом хлора весит 35,5 в единицах веса атома водорода (Врезка 16.1). Эту проблему разрешил в 1913 году Фредерик Содди (1877–1956). Он обнаружил изотопы, то есть химически одинаковые атомы, имеющие разный вес. Например, выяснилось, что атомы хлора бывают двух видов: 77,5 % из них весят 35,0 единиц, а 22,5 % весят 37,0 единиц числа, почти точно равного весу атома водорода. Среднее значение для хлора равно 35,5 единицам.
Хотя пустые клетки в таблице Менделеева постепенно заполнялись, оставалось неясным, все ли элементы в точности укладываются в эту систему. Почему бы не предположить, например, что между водородом (атомный вес 1) и гелием (атомный вес 4) существует еще один или два элемента. До 1913 года, когда Генри Мозли (1887–1915) предложил атомные номера, не существовало точного определения элемента. Мозли работал в Манчестерском университете, где изучал рентгеновские лучи. Исследуя рентгеновское излучение разных элементов, он выявил целые атомные номера для каждого элемента. Вскоре после этого открытия молодого ученого призвали в армию, и он погиб в битве при Галлиполи.
Согласно измерениям Мозли, атомное число кальция равно 20. Поскольку это же порядковый номер кальция в периодической таблице, то очевидно, что неизвестных элементов легче кальция в таблице нет. Во времена Мозли не хватало четырех атомных номеров, но соответствующие элементы с тех пор были обнаружены. Периодическая система сейчас содержит 117 известных элементов, 94 из которых формируются на Земле естественным путем. Нептуний (93) и плутоний (94) найдены на Земле в следовых количествах. Более тяжелые элементы очень нестабильны и производятся искусственно в ускорителях частиц. Самый легкие из них — технеций (43) и прометий (61), они очень редко встречаются на Земле и тоже входят в эту группу искусственных элементов.
