Масса атомов. Дальтон. Атомная теория: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

— Постоянная Авогадро — количество элементарных частиц (атомов, молекул или ионов), содержащихся в одном моле; по существу, количество атомов углерода, содержащихся в 12 граммах углерода-12 (= 6, 02214129 χ 10²³).

— Молярная масса (М) — отношение массы вещества к количеству молей данного вещества, измеряется в кг/моль или г/моль. Например: М(Н₂О) = 18 г/моль.

— Объем одного моля идеального газа: при нормальных условиях (то есть при температуре О °С и атмосферном давлении, равном 1 атм.) один моль идеального газа занимает 22, 4 литра.

Полемика разразилась после огромного успеха книги Дальтона. Как и стоило ожидать, Хиггинс обвинил его в плагиате, утверждая, что Дальтон воспользовался его сочинением. Однако ирландский химик ни слова не говорил об атомной массе (а она лежит в основе атомной теории Дальтона), поэтому его упреки не имели под собой оснований. Кроме того, доказано, что Дальтон ничего не слышал об этом произведении и не знал самого Хиггинса. Дальтона никогда не беспокоили эти обвинения. Удивительно, но единственным человеком, поддержавшим Хиггинса, был Гемфри Дэви, однако и он после прочтения блестящего труда скромного квакера был вынужден сдаться.

Публикация одного за другим двух томов "Новой системы химической философии" ознаменовала поворот в химии. Еще до появления первой части первого тома (напомним, что это произошло в 1808 году) многочисленные выступления английского ученого, посвященные этой теории, возбудили интерес его коллег. Эрудит Томас Томсон добавил к третьему изданию своей "Химической системы" статью, целиком посвященную новой атомной гипотезе, предложенной Дальтоном. В 1807 году он писал по этому поводу:

"Если гипотеза (Дальтона) верна, она может дать химии очень точный метод для расчета относительной плотности атомов, составляющих соединения".

Восхищение Томсона атомной теорией росло по мере публикации огромного труда, собравшего все знания в области химии. Томсон посвятил Дальтону множество статей, в которых изложил и собственные идеи: он заменил водород в качестве точки отсчета атомной массы на кислород, считая это вещество более важным, особенно для процесса горения. Также Томсон выступал главным защитником автора в первые годы после публикации * Новой системы химической философии". Удивительно, но близкий друг Дальтона Уильям Генри, а также сэр Гемфри Дэви, которым Дальтон посвятил вторую часть первого тома, не сразу приняли его идеи. Несмотря на большое уважение, которое Уильям Хайд Волластон испытывал к Дальтону, в собственных исследованиях он продолжал использовать эквивалентные веса элементов (в русле идей Рихтера и стехиометрии), а не относительную атомную массу Дальтона. Он говорил, что эквивалентные веса имеют аналитическую ценность — граммы, которые можно применить практически, тогда как масса атомов — по сути, плод гипотезы.

Джон Дальтон продолжал свою работу в лаборатории на втором этаже Lit & Phil до самой смерти, которая произошла спустя много лет. Ученый был членом редакционного комитета, секретарем, вице-президентом и, наконец, президентом Lit & Phil Манчестера с 1817 года и до конца своих дней, до 1844 года, то есть в течение 27 лет. Разумеется, Lit & Phil было не единственным научным обществом в то время. Наибольшим авторитетом пользовалось Лондонское Королевское общество. Несмотря на усердия Дэви, который предложил принять в это общество Дальтона еще в 1810 году, сам Дальтон совершенно не стремился стать частью лондонской научной элиты. Однако к 1822 году его авторитет достиг такого уровня, что он был принят в Лондонское Королевское общество, не подавая прошения, что противоречило правилам. Дальтон критически относился к слабым попыткам этого института популяризировать науку. Только в 1834 году — когда общественное признание ученого было более чем заметным — он согласился на формальный пост в Лондонском Королевском обществе.

Сдержанное отношение Дальтона к самому знаменитому британскому научному учреждению не помешало ему стать членом других институтов, более соответствующих его взглядам на науку. В 1816 году, спустя несколько лет после публикации первого тома его главной книги, Дальтон согласился стать членом Французской академии наук. В 1822 году он первый и последний раз побывал во Франции, и эта исключительная поездка позволила ему познакомиться с цветом французской науки: со знаменитым математиком и астрономом Пьером Симоном Лапласом (1749-1827), натуралистом Жоржем Кювье (1769-1832) и физиком Андре-Мари Ампером (1775-1836), который вместе с французом Араго открыл электромагнит и в 1827 году сформулировал теорию электромагнетизма. Также Дальтон повстречался со своими научными оппонентами — и одновременно почитателями и друзьями — Клодом Луи Бертолле и его учеником Жозефом-Луи Гей-Люссаком, который в качестве президента Академии наук оказал самый радушный прием британскому коллеге. Через несколько лет, в 1830 году, после смерти сэра Гемфри Дэви, Дальтон унаследовал его титул почетного иностранного члена Академии.

The Manchester Literary and Philosophical Society — один из первых британских институтов, роль которых заключалась в популяризации науки и гуманитарных исследований, померкших в тени промышленной революции. Общество было основано в 1781 году, в его стенах работали самые крупные ученые, инженеры, физики и математики того времени. Оно даже составляло конкуренцию Лондонскому Королевскому обществу. Самым блестящим его членом был Джон Дальтон, однако в общество входили и другие видные ученые, такие как Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889), в честь которого названа единица измерения энергии и которому мы обязаны открытием эффекта Джоуля, то есть выделения тепла при прохождении электрического тока; химик Генри Роско (1833-1915) и новозеландец Эрнест Резерфорд, который во многом опирался на открытия Джона Дальтона. Здание общества было разрушено немецкими бомбежками во время Второй мировой войны: и в роковой день 24 декабря 1940 года все рукописи Джона Дальтона были утрачены. Впоследствии здание было восстановлено.

Логотип Литературно-философского общества Манчестера.

Прежде чем углубиться в то, как повлияла теория Дальтона на его французских коллег — и не только французских,— скажем несколько слов о последних годах жизни ученого. Его авторитет рос, в 1832 году он стал почетным доктором Оксфорда, хотя раньше этот университет был для него закрыт. Начиная с этого времени Дальтон целиком и полностью посвятил себя развитию науки в Британской Ассоциации, основанной в Йорке именно с этой целью. Он много чем занимался и входил в состав различных комитетов в области химии, минералогии, магнетизма и электричества, которое изучал с огромным интересом, особенно с появлением электролиза.

В 1833 году британское правительство назначило ученому пожизненную пенсию. В следующем, 1834 году он удостоился звания почетного доктора — на этот раз в области права — Университета Эдинбурга, который тоже раньше был закрыт для него, хоть и по другим причинам, нежели Оксфорд и Кембридж.

В апреле 1837 года у Дальтона случился первый инфаркт, в результате его парализовало, и ученый превратился практически в инвалида. Около года он не мог говорить. К концу жизни Дальтон практически перестал участвовать в жизни Манчестера, ограничил свою деятельность в Lit & Phil и общался с небольшим кругом друзей, с которыми встречался только на собраниях квакеров — их убеждения Дальтон разделял до последней минуты. Второй инфаркт 27 июля 1844 года унес его жизнь. Прощание с Дальтоном в зале мэрии Манчестера длилось четыре дня, последние почести ему отдали более 40 тысяч человек, а в день похорон все торговые точки и конторы в знак траура были закрыты.

Дальтон оставил после себя значительное наследство. Несмотря на репутацию скромного и даже чрезвычайно бедного человека, его лаборатория в Lit & Phil была оснащена очень ценными инструментами и оборудованием. Согласно завещанию покойного, инструменты перешли к сыну Уильяма Генри, Уильяму Чарльзу Генри, который был его учеником, а после него — к Lit & Phil. Реставрационные работы в здании Литературно-философского общества позволили сохранить инструменты. В 1936 году значительная их часть была выставлена на обозрение публики. Однако злополучной ночью с 23 на 24 декабря 1940 года все, что принадлежало Дальтону, погибло под немецкими бомбами. Лабораторные записи ученого, собранные в 12 томах, превратились в пепел, и сегодня мы располагаем всего лишь несколькими письмами и рукописями Дальтона.

К счастью, глубину мысли Дальтона можно понять и без этих материалов, поскольку он опубликовал много статей и свой нетленный труд "Новая система химической философии". Эти работы получили большой резонанс в последние годы его жизни и после смерти ученого. Особый интерес к ним проявляли его французские коллеги.

Выделение элементов из химического вещества не всегда было легкодоступным. Электролиз, безусловно, является одним из самых эффективных способов. Он состоит в том, что через раствор пропускается электрический ток. Для этого в емкость погружают два электрода: положительно заряженный (анод) и отрицательно заряженный (катод). В одном из самых простых примеров (см. рисунок) в воде растворяется обычная соль (хлорид натрия, NaCI), раствор подогревают. Из-за разницы потенциалов между анодом и катодом ионы СI^- будут притягиваться положительно заряженным электродом (в данном случае атома углерода), а ионы Na⁺ — отрицательно заряженным электродом (атома железа). Натрий оседает в твердой форме на поверхности, а хлор испаряется:

2Na⁺ + 2е^- → 2Na

2CI^- → СI₂ + 2е^-

Электролиз использовали химики — современники Дальтона и он сам для различных исследований и выделения новых элементов. Дэви, друг и меценат Дальтона, с помощью этого способа открыл барий, стронций, кальций, магний, калий и натрий. Ученик Дэви Майкл Фарадей обобщил и усовершенствовал электролиз и вывел два основных его принципа:

— количество вещества, образовавшегося на электроде при пропускании через электролит, прямо пропорционально количеству пропущенного электричества;

— для разных электролизных процессов при одинаковом количестве электричества, пропущенного через электролит, массы образовавшихся веществ пропорциональны их химическим эквивалентам.

В то время ничего не знали о носителе электрического заряда и об электроне как части атома.

Схема электролиза

Дальтон бегло говорил по-французски и переписывался со своим другом и соперником Бертолле, причем переписка не прерывалась даже в непростой период Наполеоновских войн. Ученые не только обменялись почетными званиями в своих научных учреждениях, но и не прекращали обмена идеями, статьями, произведениями. Бертолле получил экземпляр "Новой системы химической философии" в 1808 году, через два месяца после публикации, хотя он открыто критиковал книгу и предостерегал своих коллег от опасного влияния атомной теории. Бертолле после Лавуазье был самым большим авторитетом в области химии, по крайней мере во Франции.

Великий Бертолле умер в 1822 году, в тот же год, когда он лично познакомился с Дальтоном в Аркейле. Его учеником и ассистентом был Жозеф-Луи Гей-Люссак, один из величайших химиков нашей эпохи. Гей-Люссак был неутомим и бесстрашен в своих исследованиях. В 1804 году он дважды поднимался на воздушном шаре на высоту 7000 метров, чтобы провести несколько замеров и опытов в условиях разреженного воздуха и полюбоваться невероятным пейзажем. Этот человек заслуживает особого упоминания в книге, посвященной Дальтону, поскольку он был одним из немногих ученых, способных возражать Дальтону по существу.

Главное слабое место атомной теории Дальтона — вопрос об объеме. Постулаты теории основаны на количественных законах — открытых самим Дальтоном и его коллегами,— но в них не учтены отношения объемов. Ученый утверждал — и всегда отстаивал эту точку зрения, — что если два разных газа имеют одну температуру, одно давление и, кроме того, занимают один объем, они обязательно будут иметь разное количество атомов. Однако Гей-Люссак в 1808 году открыл экспериментальным образом то, что он позже назвал законом объемных отношений.

Самый известный результат его опытов с объемами газов — это опыт с водяными парами. Один объем кислорода вступает в реакцию с двумя объемами водорода, образуя два объема водяных паров: