Механизм Вселенной

В 1799 году Пруст ввел закон постоянства состава и затем до 1808 года спорил по этому поводу с Бертолле, пока тот наконец не сдался. Возможно, Бертолле пришел к своим заключениям, анализируя нечистые вещества и смеси. У закона постоянства состава, или закона Пруста, есть несколько далеко идущих выводов, как мы увидим через минуту. Однако одно нужно отметить: готовите ли вы вещество в лаборатории или же находите в природе, соотношения в нем элементов, которые нужны для этого соединения, в обоих случаях одни и те же; метод изготовления данного соединения не меняет его химический состав.

Теперь это может показаться тривиальным, но в начале XIX века это не было общепринятой истиной, и исследование Пруста и других убедили нас в этом важном факте. Закон постоянства состава и закон сохранения Лавуазье сформировали основу, на которой Дальтон начал работать со своей атомной теорией.





Современная атомная теория: начало




Джон Дальтон, сын ткача, родился в семье квакера в Иглесфилде, Камберленд, в Англии. Когда ему было двенадцать, школу, в которой он учился, передали его старшему брату, который позвал Джона помогать в обучении; два года спустя братья купили свою школу.

В 1793 году Дальтон переехал в Манчестер, чтобы преподавать математику в Нью Колледже. Сначала Дальтона заинтересовала метеорология, и в том же году он издал «Метеорологические наблюдения и эссе». Однако у него было много научных интересов, и скоро он обратился к исследованию газов, заинтриговавших его во время исследования атмосферы Земли, являющейся смесью газов, которые мы называем воздухом.

Дальтон задался вопросом: почему экспериментальные данные его времени указывали, что атмосфера Земли была однородной? Другими словами, почему состав атмосферы мало изменялся по мере увеличения высоты? Он знал, что атмосфера Земли является смесью газов с разными плотностями. (Сегодня мы знаем, что атмосфера Земли состоит из азота на 78,09 %, кислорода на 20,95 %, аргона на 0,93 %, углекислого газа на 0,039 % и небольшого количества других газов. Воздух также содержит переменную объемную долю водяного пара в зависимости от температуры, составляющую в среднем приблизительно 1 %.) Таким образом, Дальтон ожидал, что более плотные газы будут находится ниже, в то время как менее плотные будут преобладать на больших высотах. Это и правда имело некоторый смысл.

В конце концов, нефть, смешиваясь с водой, за счет меньшей плотности поднимается вверх. Воздушный шар, заполненный гелием, летит вверх в направлении высоких слоев земной атмосферы, потому что гелий менее плотный, чем воздух. Так почему менее плотные газы не должны быть выше более плотных в атмосфере Земли? Во времена Дальтона не было известно, что это действительно так. Тем не менее это не слишком заметно на уровне нескольких миль выше Земли (на эти высоты распространялись экспериментальные данные во времена Дальтона), но становится хорошо заметно на больших высотах. Любой, кто бывал на большой высоте (возможно, вы занимались сноубордингом или пешим туризмом в горах), может засвидетельствовать, что дышать ощутимо тяжелее — из-за меньшего количества кислорода.

Так случилось, что кислород — один из наиболее плотных газов, составляющих воздух, и поэтому его содержание при удалении от поверхности Земли становится все меньше. Тем не менее такая смесь газов, как атмосфера, несколько отличается от смеси жидкостей, например нефти и воды. В то время как жидкости с разной плотностью при взаимодействии полностью расслаиваются, газообразные смеси ведут себя слегка иначе. Частицы (атомы, молекулы) газа движутся дальше и быстрее (за данный отрезок времени), чем частицы жидкости. За счет этого каждая частица подвергается приблизительно миллиарду столкновений с другими частицами каждую секунду. Как следствие, смеси газа имеют тенденцию… смешиваться. А именно, смешиваться таким образом, что частицы (более или менее) равномерно распределяются повсюду (или однородно, как мы говорили раньше), не формируя четко определенные слои, как это делают жидкие смеси.

Поэтому атмосфера Земли — однородная смесь газов, плотность которых меняется в зависимости от высоты, снижаясь на больших высотах. Вспомните, что мы говорили об идее движущихся частиц как об основе кинетической теории. Однако Дальтон просто не верил в кинетическую теорию. Он полагал, что атомы объекта остаются на месте (статическая модель вещества). Он также считал, что атомы объекта всегда находятся в прямом контакте друг с другом. Это согласовывалось с отказом Дальтона принять понятие «действия на расстоянии». Дальтон полагал, что объекты могут воздействовать друг на друга, только если они вступают в контакт.

Дальтон был не единственным, кто не признавал действия на расстоянии[148]. В самом деле, это был важный момент в формировании атомной теории Дальтона. Так как же Дальтон объяснял смешивание газов в атмосфере? На самом деле, очень просто — он пришел к выводу, что сила взаимного отталкивания[149] между частицами газа должна отвечать за их смешивание, пока они не придут в некоторое состояние равновесия, оставаясь на одном месте в тесном контакте.

Интерес Дальтона к газам, возможно, начался с его исследований атмосферы Земли, но скоро его привлекло поведение самих газов[150]. Дальтон был убежден, что растворимость газа в воде связана с весом атомов газа[151]. В результате Дальтон сконцентрировал свое внимание на определении массы атомов.

Как вы можете представить, определить массу атома не так-то просто. В конце концов, вы не видите атом, и поэтому не представляется возможным просто положить его на весы и измерить массу. Закон постоянства состава, каким его знал бы Дальтон, гласил, что когда вещи, из которых состоят вещества, объединяются, чтобы сформировать сложное вещество, они делают это в определенном соотношении.

Безусловно, закон постоянства состава не подтверждает существование атомов, но для Дальтона закон был сильным аргументом в пользу этого. Дальтон, должно быть, задавался вопросом, почему соединение может быть сформировано только таким способом, в определенных пропорциях. Он, должно быть, спрашивал себя: в чем же дело, почему эти соотношения строго зафиксированы?

В конце концов Дальтон сделал большой шаг вперед и пришел к заключению, что причиной были атомы (элементов), которые формируют вещество. Не было никаких сомнений — Дальтон полагал, что атомы являются физической основой вещества, а элемент (как мы и говорили прежде) придает атому его индивидуальность и соответствующие физические свойства. Это было смелым предположением в начале XIX века, когда большинство ученых не знали, что делать с атомами. Начав с этого, Дальтон намеревался определить атомные массы элементов.

Создание системы масс атомов было суровым испытанием в 1800 году. Дальтону нужно было сделать несколько разумных предположений, или гипотез. Во-первых, Дальтон не только решил, что закон постоянства состава подразумевает, что атомы объединяются в определенных соотношениях, но и что они делают так только в отношениях целых чисел, а не дробей. Таким образом, пропорции были бы, например, два к одному (2: 1); три к четырем (3: 4) и т. д. — не один к одной четверти (1: 1/4); половина к одной пятой (1/2: 1/5) и так далее. Причина была проста: Дальтон полагал, что атомы были неделимы:

«Вещество, пусть и может делиться множество раз, но не бесконечно. Таким образом, должна быть некоторая величина, по достижению которой дальнейшее деление вещества становится невозможным. Существование таких мельчайших частиц вещества едва ли может быть подвергнуто сомнению, хотя они, вероятно, слишком маленькие, чтобы их можно было показать, совершенствуя микроскоп».



Поэтому теория, что атомы неделимы, означает, что вы не сможете разделить их пополам на трети или четверти и т. д., следовательно, они должны объединяться в простых отношениях целых чисел. Все очень просто.

Вспомните, Лавуазье говорил, что в ходе химической реакции масса (вещество) сохраняется. Кроме того, интерпретация Дальтоном закона постоянства состава была такова: во время химической реакции атомы объединяются так, что их количества относятся как целые (не дробные) числа, чтобы сформировать сложное вещество. Определившись с этими двумя понятиями, мы можем прийти к выводу, что во время химической реакции сохраняются именно отдельные атомы; атом — дискретная единица сохранения массы в химической реакции. Другие главные заключения Дальтона о природе атомов следующие.

— Все атомы определенного химического элемента одинаковы. Понятие химических элементов, выдвинутое Бойлем и Лавуазье и получившее развитие в атомной теории Дальтона, было главным, отличавшим ее от древнегреческих атомных теорий, которые мы обсуждали ранее. Атомы формируют вещество, но не все атомы одинаковы. Скорее атомы отличаются друг от друга только тем, какой элемент они формируют — элемент «определяет» свои атомы, так сказать. Дальтон писал: «Мельчайшие частицы всех однородных тел абсолютно одинаковы по массе, форме и т. д.».

Некоторые элементы уже знакомы вам (наряду с их химическими символами), например кислород (O), водород (H), медь (Cu), свинец (Pb), золото (Au), серебро (Ag) и алюминий (Al).



— Атомы неизменны. Века неудавшихся попыток алхимиков превратить свинец в золото, несомненно, убедили Дальтона, что невозможно превратить атом одного элемента в атом другого элемента. В самом деле, вы не можете преобразовать кислород в водород. Однако сегодня мы знаем, что атомы не так уж неизменны (или вечны) — на самом деле они «разваливаются», переживая радиоактивный распад, который мы обсудим позже. Во времена Дальтона об этой особенности определенных атомов не знали, что было, вероятно, хорошо, поскольку это, скорее всего, просто запутало бы вопрос природы атомов.



— Атомы объединяются, чтобы сформировать более крупные объекты, известные как молекулы. Атомы — основополагающие частицы, из которых состоит вещество. Однако группа атомов может объединиться, чтобы сформировать нечто немного большее — не достаточно большое, чтобы быть замеченным невооруженным глазом, но большее, чем отдельный атом. Эти комбинации атомов формируют молекулы или соединения.



— В химических реакциях только перестраивается порядок атомов. Теперь мы знаем, что это связано с сохранением атомов в ходе химических реакций. Так как атомы не создаются и не разрушаются, они должны просто перестроиться («перемешаться»), чтобы сформировать молекулы. Кроме того (как только что было отмечено), они не изменяют свою природу, чтобы стать другим элементом в химической реакции.

Эти идеи сформировали систему взглядов Дальтона на атомы и позволили ему разработать собственную очень впечатляющую атомную теорию, которая выводит ряд атомных масс для различных элементов. Давайте посмотрим, как же он смог совершить этот подвиг.





Атомная масса элементов





Атомы очень малы. Их масса колеблется в пределах 10–22–10–24 грамм. Теперь представим средних размеров атом массой приблизительно 10–23 грамм, что составляет примерно 0,00000000000000000000001 грамма. Теперь представьте крупинку песка размером 1/156 сантиметра, чья масса составляла бы примерно 0,001 (10–3) грамма[152]. Поэтому крупинка песка в 100 000 000 000 000 000 000 раз больше, чем один-единственный атом, массой 10–23 грамм, — неудивительно, что вы не можете увидеть атом. Так каким же образом Дальтон определял массу атомов некоторых основных элементов, таких как кислород, водород и азот?

Должно быть ясно, что когда кто-то взвешивает любой объект, его общая масса зависит от массы всех атомов, из которых он состоит. Очевидно, отдельные массы всех атомов, составляющих объект, несомненно сложатся в массу объекта в целом. Если объект состоит только из одного типа атомов (одного элемента), то все еще проще: количество атомов в объекте, умноженное на массу элемента, равняется общей массе объекта.

Для экспериментальных целей хорошим начальным примером для «объекта», состоящего из атомов одного типа, лучше всего подойдет газ, например кислород, азот, водород и т. д. Кроме того, в некоторых случаях мы можем взять два различных газа, представляющих собой простые вещества, и смешать их вместе таким образом, что они претерпят химическую реакцию, образовав продукт. Например, если смешать газ водород с газом кислородом, они сформируют водяной пар (при правильных условиях)[153].

Наблюдая сохранение массы/атомов после взвешивания реагентов (водорода и кислорода) и конечного продукта (водяного пара), мы понимаем, что суммарная масса используемых реагентов и масса конечного продукта будут равняться друг другу. Вопрос заключается в том, как определить массу атомов, вовлеченных в эту химическую реакцию (а именно кислорода и водорода)?

Предположим, мы определяем полные массы кислорода и водорода, используемых в химической реакции, которую Дальтон и другие проводили с помощью средств, доступных в XIX веке. Общая масса кислорода (или водорода), используемых в химической реакции, равна количеству использованных атомов кислорода (водорода), умноженному на реальную массу единственного атома кислорода (водорода). Далее мы можем разделить (например) общую массу использованного кислорода и водорода, чтобы получить отношение количеств использованных атомов (кислорода и водорода), умноженное на отношение реальных масс их атомов.

Это последнее отношение и есть относительная масса, которую мы пытаемся определить, хотя мы все еще не определили реальную, «абсолютную» массу атома кислорода или атома водорода. Честно говоря, сама масса атомов не так важна, если мы можем получить их относительную массу, которая является отношением реальной массы данного атома к некоторому произвольному эталону.

Например, согласно современным данным, относительная масса атома кислорода приблизительно равна 16, тогда как у атома водорода — приблизительно равна 1. Это означает, что атом кислорода в шестнадцать раз тяжелее, чем атом водорода. Однако это не означает, что кислород фактически весит 16 некоторых единиц. Также по современным стандартам «опорным» атомом для нашей текущей системы является углерод, которому приписывают относительную массу, равную примерно 12. Это означает, что атом углерода в двенадцать раз тяжелее, чем атом водорода, но всего в 0,75 раза тяжелее, чем атом кислорода (12 ÷ 16 = 0,75).

Я действительно говорил, что мы близки к определению относительной массы, но еще не достигли результата. В то время как мы знаем отношение полных масс кислорода и водорода, участвующих в химической реакции (мы взвешиваем их), мы не знаем отношение между атомами кислорода и водорода, которые объединяются, чтобы создать воду. Если бы мы знали, то могли бы определить и относительный вес кислорода и водорода.

Сегодня общеизвестно, что формула воды — H2O, но Дальтон понятия не имел, что это так. Недостаточное количество экспериментальных данных и плохое понимание того, как объединяются атомы, чтобы сформировать вещества, не позволяли ему выяснить это. Дальтон должен был решить эту проблему, и он сделал это, создав очень простое правило: правило наибольшей простоты Дальтона. Правило Дальтона было не чем иным, как предположением, которое было необходимо ему, если он хотел добиться какого-то прогресса в определении относительных масс атомов.

Дальтон предположил, что если два элемента объединяются (такие как кислород (O) и водород (H)) и результатом их взаимодействия может быть только один продукт, то объединение их атомов возможно самым простым способом в соотношении 1: 1. Теперь, если эти элементы объединяются, чтобы создать два продукта реакции, то соотношение для первого продукта становится 1: 1, а для второго — 1: 2. Это предположение может объяснять и более сложные случаи: те же элементы при создании третьего продукта должны давать пропорцию 1: 3. Помните, что это было предположением, которое иногда работало, а иногда терпело неудачу.

Вернемся к нашему примеру с кислородом и водородом, образующими водяной пар. Во времена Дальтона вода была единственным продуктом, или соединением (сложным атомом, как называл его Дальтон) реакции с участием элементов кислорода и водорода. Поэтому отношение составляющих ее атомов — 1: 1, что сделало формулу воды таковой: HO, — так считал Дальтон. Сегодня мы знаем, что верная формула воды — H2O.

Однако были некоторые случаи, в которых правило Дальтона действительно работало. Рассмотрим угарный газ и углекислый газ, которые, как считал Дальтон, состоят из углерода (C) и кислорода (O). Зная, что для получения диоксида углерода используется вдвое больше кислорода, чем для формирования углекислого газа, и применяя правило наибольшей простоты Дальтона, мы получаем соответствующие формулы: CO2 и CO — и они верные. Заметьте, что отношение количеств кислорода в двух оксидах — 2: 1, в то же время количество углерода 1: 1.

Это пример того, что Дальтон называл законом кратных отношений, который гласит, что, когда те же элементы объединяются, чтобы сформировать несколько соединений, они делают это таким способом, что соответствующие элементы находятся в целочисленных отношениях. В нашем примере с оксидами углерод находится в отношении 1: 1 в двух веществах, в то время как кислород находится в соотношении 2: 1. Сегодня это нас совсем не удивляет. В конце концов, это результат веры в то, что атомы являются неделимыми единицами, из которых состоит материя; если вы не можете разделить атомы, тогда у вас не может быть одного вещества с дробным отношением между его элементами, и при этом у вас не может быть нескольких веществ, сформированных теми же элементами с дробным отношением между его элементами. Однако правило наибольшей простоты было слишком простым, как и закон кратных отношений[154].

С твердой верой в атомы, впечатляющей физической интуицией, вооруженный несколькими простыми правилами, Дальтон смог составить таблицу относительных масс, которую он представил в 1803 году на встрече Литературного и философского общества Манчестера. В 1805 году ее впервые опубликовали, а в 1808 году она вышла в свет с систематическими объяснениями метода, когда Дальтон опубликовал первый том книги «Новая система химической философии». В ней на основе водорода он рассчитывает следующие относительные массы: водород (H) — 1; азот (N) — 5; углерод (C) — 5,4; кислород (O) — 7; фосфор (P) — 9; сера (S) — 13 и так далее, включая еще несколько элементов и веществ.

Вспомните относительные веса — это только отношение весов, а не сам вес элемента. Например, согласно теории Дальтона, азот в пять раз тяжелее водорода. Беглый взгляд на современную периодическую таблицу элементов показывает, что Дальтон получил относительные веса неверно (за исключением водорода). Как же Дальтон наделал столько ошибок?

Ну, вспомните, что у него не было способа выяснить точные соотношения числа атомов в конкретной молекуле, и он применил свое (очень произвольное) правило наибольшей простоты. Кроме того, хотя у Дальтона была замечательная интуиция, он был довольно посредственным экспериментатором, и, таким образом, данные его экспериментов были сомнительными. Но, вероятно, больше всего Дальтона подвел тот факт, что вещества, с которыми он работал, — газы, такие как кислород, азот, водород и т. п., — не являлись одноатомными.

Строгая вера Дальтона в неделимость атомов означала, что он рассматривал газы, с которыми работал, как состоящие из одиночных атомов, или одноатомные по природе. В целом это не лишено смысла, так как большинство элементов действительно существует именно в таком виде. К сожалению, газы, с которыми работал Дальтон, не являются таковыми. Скорее, они существуют как два атома, «связанные» вместе, или как двухатомные молекулы.

Например, кислород, водород и азот существуют в природе в виде молекул O2, H2 и N2, опровергая теорию Дальтона. Когда появились более точные экспериментальные данные, стало ясно, что расчеты количества атомов веществ Дальтона были ошибочными. Сам Дальтон пытался доработать свою атомную теорию, и, исследуя воду, в 1810 году он утверждал: «В конце концов, можно допустить, что вода может быть трехмолекулярным веществом», — то есть ее формула может выглядеть так: H2O или HO2, а не как изначально предложенная НО.

В то время не было способа узнать точное отношение, в котором объединялись элементы, формируя соединения. Неудача системы атомных масс Дальтона не должна принижать его вклад в исследования атома, которые имеют актуальность и по сей день (далее мы обсудим это подробнее).

Можно предположить, что повторяющаяся обработка всех экспериментальных данных, возможно, позволила бы Дальтону выяснить соотношение атомных масс путем систематического устранения несоответствий — это было бы невероятно громоздкой работой. К счастью, новое решение ждало буквально за углом.





Глава 12

Последние сомнения разрешены

Атом как физическая реальность





К середине XIX века открытие первого начала и связанные с ним исследования нанесли окончательный удар по теплородной теории и ввели понятие энергии. Хотя не все были убеждены, но популярная теория, что тепло возникает вследствие движения элементарных частиц вещества, привлекла еще больше внимания к атомам.

В XIX веке ученые-новаторы, такие как Клаузиус, Максвелл и Больцман, строили свои теории, основываясь на предположительно существующих атомах. Позже, в 1905 году, молодой Альберт Эйнштейн написал труд (работая в патентном бюро) о хорошо известном физическом явлении того времени — броуновском движении, которое впервые было упомянуто в 1827 году.

Теория Эйнштейна правильно описала броуновское движение и основывалась на существовании атомов, которые пребывали в постоянном движении. Кроме того, теория Эйнштейна позволила получить первые экспериментальные доказательства существования атомов. Опыты, проведенные вскоре после этого, наконец подтвердили прогнозы, сделанные в новой теории Эйнштейна. Атом как физическое явление природы (а не просто удобный инструмент наглядного представления) теперь навсегда закрепился в современной химии и физике.





Смешивая объемы




В 1808 году Жозеф Гей-Люссак (1778–1850) повторял известный эксперимент по получению водяного пара из газов — водорода и кислорода. Ему удалось сделать это путем смешивания определенных объемов каждого из газов и воспламенения смеси при помощи электрической искры. Он заметил, что объемы кислорода и водорода, участвующие в реакции (объединяющиеся объемы), относятся друг к другу как небольшие целые числа. На самом деле, при тщательном исследовании не только собственной работы, но и других работ, он пришел к заключению, что объемы газов, участвующих в химической реакции, всегда относятся друг к другу как простые целые числа:

«Кажется, что газы при взаимодействии всегда объединяются в простых отношениях; и мы в действительности наблюдали во всех предыдущих примерах, что это такие отношения, как 1: 1, 1: 2, 1: 3».