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

Закон Авогадро (1811)

Оставшись сиротой в раннем возрасте, Берцелиус (1779-1848) изучал медицину в университете Упсалы, в Швеции. Он занимался медициной, но довольно быстро увлекся химическими исследованиями. Юноша самостоятельно открыл закон кратных отношений массы составных элементов веществ, в полном соответствии с теорией Дальтона. В1828 году он представил таблицу атомных масс элементов, более точную, чем таблица Дальтона. Вместе с другими учеными открыл селен, церий и торий. Кроме того, он первым использовал слово протеин, обозначив им материнское вещество, которое, по мнению Берцелиуса, образовывало большую молекулу.

Система химических обозначений, которую использовал Берцелиус, действует и в наши дни. Она была единогласно принята на Первом Международном химическом конгрессе в Карлсруэ в 1860 году. Химические элементы обозначались одной или двумя буквами, главным образом от их латинского названия (как Fe, Au или Ag), или их начальными буквами (как О, N, С, Н и так далее). Химическая реакция записывалась как математическое уравнение, с добавлением дополнительного знака и стрелок: вещество, вступающее в реакцию,— слева, а продукт реакции — справа.

Принцип Авогадро позволил определить величину и массу атомов, хотя это произошло только 50 лет спустя. Количество молекул, или элементарных тел, содержащихся в одном моле (грамм-молекуле), всегда одно и то же: 6022 х 10²³ моль^-1, вне зависимости от того, рассматриваем мы 32 грамма кислорода (О₂, двухатомный) или любой другой эквивалент другого вещества. Согласно сегодняшнему определению, это количество атомов углерода в 12 граммах углерода-12. Это число было разными способами получено французом Жаном Батистом Перреном в 1909 году, подтвердившим, как мы увидим позже, атомную природу материи во время исследований броуновского движения. Перрен получил Нобелевскую премию по физике в 1926 году.

Химия продолжала развиваться, но, к сожалению большинства ученых, изменения были хаотичными несмотря на благоприятствующую промышленную революцию. Открытие Амедео Авогадро было распространено только на уже упомянутом Первом Международном химическом конгрессе в Карлсруэ (1860). Этот конгресс был очень важен, причем не столько по причине представленных на нем научных результатов (хотя они тоже были), сколько потому, что он означал утверждение химии как независимой современной науки. Мероприятие предложил провести немец Фридрих Август Кёкуле, известный благодаря работам о строении бензолового кольца. В то время система Берцелиуса уже была принята, но среди некоторых ученых все равно царили споры. Продолжалась дискуссия между атомистами — последователями Дальтона — и теми, кто придерживался теории эквивалентных весов и ее производных. Великий русский химик Дмитрий Менделеев ( 1834-1907) еще не проделал свой длинный путь и не навел порядок — мы намеренно используем это сильное выражение — в природных элементах, изобретя знаменитую периодическую таблицу, основанную на атомной теории.

Ученые сошлись на том, что атом поможет объяснить состав материи и выстроить логичную классификацию атомных элементов по их свойствам, среди которых главное — атомная масса, открытая и определенная Джоном Дальтоном. Оставалось только обнаружить эти атомы. И здесь в игру вступила физика.

Голубая доска, посвященная Дальтону, в Манчестере.

Клод-Луи Бертолле, самый выдающийся научный соперник Дальтона и в то же время его искренний друг.

Литография 1833 года. Карикатура изображает Дальтона (справа), благодарящего голландского физика Герхарда Молля (1785-1838) за публикацию памфлета в защиту английской науки.

ГЛАВА 5

Наследие Дальтона. Атомный взрыв XX века

Работая в своей маленькой лаборатории в Манчестере, Джон Дальтон и представить не мог, какие последствия вызовет его атомная теория. Прошел целый век, прежде чем существование атомов было доказано экспериментально. Ученые решили не вводить новые данные по крупицам, а изменить вообще весь мир. Для того чтобы объяснить поведение атомов, были созданы новые невероятные теории, такие как квантовая физика.

Четвертая глава закончилась фразой, которая некоторым могла показаться слишком дерзкой — особенно из-за того, что она написана физиком. Но это не так. Мы уже рассказывали, как родилась современная химия и как она превратилась из магического искусства алхимии в науку в привычном нам смысле слова. Мы также говорили о том, какую важную роль сыграл Дальтон в изучении конечных частиц материи. Сегодня достаточно отрыть любой словарь, чтобы найти в нем определение химии, согласно которому она является наукой, изучающей атомный и молекулярный состав материи и особое взаимодействие ее составляющих.

Странным образом работы Бойля, Лавуазье, самого Дальтона и многих других ученых, которых мы уже перечислили, легли в основу нового взгляда на мир. В конце предыдущей главы мы упомянули важный конгресс в Карлсруэ, организованный в 1860 году. Это не только был первый международный конгресс по химии — мероприятие имело серьезные последствия для будущего химии, такие как практически немедленное принятие системы обозначений Берцелиуса и международное признание закона Авогадро.

Если бы нужно было свести историю науки к одному важному утверждению, оно прозвучало бы так: все вещи созданы из атомов.

Ричард Фейнман (1918-1988), лауреат Нобелевской премии по физике 1965 года

Именно благодаря работам Авогадро, Гей-Люссака и особенно Джона Дальтона итальянский химик Станислао Канниццаро распространил среди участников конгресса короткую брошюру под названием "Краткий очерк развития философии химииР (1856). В этой работе Канниццаро утверждал, что поскольку атомы неделимы, молекула должна содержать целое число — и почти всегда простое — атомов каждого вида. Если мы можем рассчитать молекулярный вес составляющих элемента и процент, в котором он присутствует в соединении, полученное количество является кратным простым числом атомного веса элементов. Чтобы определить относительную атомную массу некоторых элементов среди наиболее известных, Канниццаро применил закон Авогадро и рассчитал, что один моль газа — в нормальных условиях, то есть при давлении, равном 1 атмосфере, и температуре О °С — занимает объем 22, 4 литра. Из веса этих объемов в разных соединениях можно вычислить процент, относительную атомную массу и количество атомов элемента в молекулах реакций.

После того как стала понятна разница между атомом, молекулой и грамм-молекулой (или молем, единицей количества вещества), будущее химии прояснилось. Благодаря американцу Теодору Ричардсу (1868-1928) способ расчета массы известных элементов почти достиг совершенства, поскольку ему удалось определить атомную массу более 25 элементов с точностью до четырех знаков после запятой — за это Ричардс получил Нобелевскую премию по химии в 1914 году.

Однако без ответа оставался еще один вопрос: где находятся атомы? И он порождал следующие. Какой они формы? Действительно ли они неделимы, как это предположил в 1808 году Джон Дальтон? Сможем ли мы когда-либо их увидеть? Как они объединяются в молекулы? Хотя большинство ученых получили исключительные результаты, используя атомную теорию и ее определения атома и молекулы, никто на протяжении всего XIX века не смог представить убедительное доказательство существования этих частиц. Однако теория работала. В области химии практически все можно было объяснить с помощью атомов — при условии, что атом является конечной частицей. Но как обнаружить конечные частицы физически?

Самое сильное сопротивление теории существования атомов возникло в Германии и в сфере ее влияния — Австрии и балтийских странах. Возможно, связано это с тем, что в этих странах исследования в области физики и химии шли рука об руку с гуманитарными науками, в частности с философией. Атомизм был логичной гипотезой, возникшей в Древней Греции, потом это учение перешло в экспериментальную стадию — в Манчестере вместе с Джоном Дальтоном. И тем не менее, хотя атомы были "полезным понятием", для ученых их не существовало.

Самым серьезным критиком атомной теории был, наверное, австриец Эрнст Мах. В первой главе мы уже упоминали об этом ученом, так как он был наставником гениального физика-теоретика Людвига Больцмана, который в своих работах — особенно в области статистической механики — опирался на представления о реальности существования атомов. Австриец Больцман и шотландец Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) независимо друг от друга создали молекулярно-кинетическую теорию газов. Она предполагала справедливость теории существования атомов, предложенной Дальтоном, и, помимо прочего, утверждала, что атомы и состоящие из них молекулы находятся в постоянном движении. Также теория гласила, что размер частиц не имеет значения по отношению к расстояниям, разделяющим их (в веществе есть огромные пустоты), и, наконец, поскольку молекулы находятся в постоянном движении, они сталкиваются по законам упругого удара.

Главным вкладом Больцмана в атомно-молекулярную теорию было введение понятия движения: оно важнее для газов — самого простого состояния вещества, — нежели для твердых и жидких тел, поскольку сила сцепления усложняет теорию. Людвиг Больцман и Максвелл обобщили уже упомянутые работы Бойля, Шарля, Авогадро и Гей-Люссака, добавив к отношению давления и объема температуру. В законе идеального газа PV=nRT или PV=NkT первая связывает давление и объем идеального газа в количестве молей n с температурой Т и универсальной газовой постоянной R, которая будет результатом отношения числа Авогадро и постоянной Больцмана.

Молекулярно-кинетическая теория объясняет поведение газов и их макроскопические свойства через микроскопическое поведение молекул, используя статистический подход. Естественно, она предполагает существование очень большого числа молекул или атомов в газе, что заставляет принять атомно-молекулярную гипотезу и, значит, теорию Дальтона. Макроскопические экспериментальные результаты рассматриваются с точки зрения предложенного статистического подхода и представляют собой первое убедительное доказательство постулатов атомной теории. Модель опирается на статистику Джеймса Клерка Максвелла и Людвига Больцмана. Она описывает распределение частиц в силовом поле в условиях теплового равновесия, то есть когда температура является достаточно высокой (а плотность достаточно низкой), квантовые эффекты при этом пренебрежительно малы. На рисунке изображено распределение скоростей 10^е частиц кислорода при разных температурах газа (-100 °С, 20 °С, 100 °С), где п — число частиц. Необходимо учесть, что количество молекул огромно, как и количество операций их разделения, и следует учитывать точную массу; молекулы перемещаются по законам Ньютона на случайной, но в среднем постоянной скорости; при упругом столкновении направления движения молекул изменяются, а их кинетическая энергия сохраняется. Так, для одного идеального газа и N молекул каждая молекула, имеющая массу т, перемещается со средней постоянной скоростью V в определенном объеме V. Когда молекула сталкивается со стенкой сосуда и меняет направление, можно рассчитать силу, действующую на стенку сосуда, или давление, и получить следующий результат:

P = Nmx2/3V

Эта формула определяет отношение давления (измеряемого) и средней кинетической энергии на одну молекулу. Кроме того, она соответствует закону идеального газа (PV=nRT), согласно которому средняя молекулярная энергия пропорциональна температуре, а постоянная Больцмана связана с универсальной газовой постоянной и числом Авогадро.

Распределение скоростей 104 частиц кислорода при разных температурах газа (-100ºС, 20ºС, 100ºС).