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

У нас еще будет возможность поговорить о значении работ Роберта Бойля для Джона Дальтона в следующей главе, но прежде чем перейти к атомной теории Дальтона, скажем о двух других ученых. В первую очередь — о французе Лавуазье, который выделил из воды кислород и водород, а также другие вещества и дал точное определение понятию вещества: "то, что никаким образом нельзя разложить на более простые составляющие". Его закон сохранения вещества тоже имеет огромную важность: "При химических реакциях масса остается неизменной, то есть масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции" (1774).

Это означает, что во время химической реакции ничто не пропадает и не возникает из ничего. Если мы бросим полено в камин и сожжем его дотла, в процессе горения образуются газ и дым, а когда дерево исчезнет, элементы, из которых оно состоит, по-прежнему останутся, только их соединение будет иным. Ничто не пропадает, ничто не возникает из ничего, все трансформируется. После работ Лавуазье практически ничего не осталось от четырех стихий Аристотеля: вода разлагается на кислород и водород, воздух есть смесь газов, земля содержит бесконечное количество элементов, а огонь, наконец, не что иное, как продукт горения.

Закон сохранения вещества — основополагающий закон, распространяющийся далеко за пределы чистой химии (за исключением ядерных реакций и закона, открытого Альбертом Эйнштейном о взаимосвязи массы и энергии, Е=тс²). Его самая известная формулировка звучит следующим образом: "ничто не пропадает, ничто не возникает из ниоткуда, все трансформируется".

СН₄ + 2O₂ СO₂ + 2Н₂O + тепло.

С правой и с левой стороны мы видим одни и те же атомы — один атом углерода, четыре кислорода и четыре водорода, только в разном порядке и в разных соединениях. Таким образом, общая масса с обеих сторон будет одинаковой. В процессе экзотермической реакции с выделением теплоты или энергии произошел разрыв одних молекулярных связей и образование других. Закон сохранения вещества (или закон вечности вещества) был открыт независимо друг от друга Михаилом Ломоносовым (1711-1765) в 1745 году и Антуаном де Лавуазье в 1785 году. Ни тот, ни другой не использовали понятия атома — оно будет введено только Джоном Дальтоном, который превратит этот закон в один из основополагающих постулатов своей атомной теории.

Второй интересный ученый — француз Жозеф Пруст (1754-1826). Он открыл хорошо известный закон постоянства состава: "Соединение содержит всегда одни и те же элементы в одних и тех же пропорциях" (1779). Эти два закона — сохранения вещества и постоянства состава — наряду с законом кратных отношений Дальтона передают сущность понятия химического соединения и являются основой атомной теории Дальтона.

Некоторые утверждают, что ученый подошел к формулировке атомной теории в 1802 году. Закон кратных отношений, только что подтвержденный Дальтоном результатами опытов — очень неточных, — на самом деле вытекал из его еще не опубликованной атомной теории. Экспериментально закон был доказан несколькими годами позже.

Понятие элемента появилось благодаря Лавуазье, который выделил более 30 химических элементов. Дальтон смог объяснить, что они отличаются друг от друга, так как различаются составляющие их атомы. Существует столько же разных атомов, сколько и разных элементов, и каждый имеет свою атомную массу. Сочетания атомов, образующие разные соединения, — понятие молекулы появится только через несколько лет — определены количественными весовыми законами, сформулированными Лавуазье, Прустом и Дальтоном.

Следующий этап заключался в разработке таблицы атомных масс. Дальтон взял за точку отсчета самый легкий элемент — водород — и присвоил ему значение единицы. Потом он присвоил вес другим элементам и соединениям через их соотношение с водородом. Так, вода состоит из водорода и кислорода. При разложении воды кислород весит в восемь раз больше, чем водород. Дальтон присвоил ему в своих первых таблицах номер 7. Однако веса элементов не являются целыми числами, кратными атомной массе водорода, и Дальтон допустил некоторые мелкие ошибки. Мы также помним, что истинная масса кислорода равна 16, поскольку его молекула двухатомная. Для исправления этой ошибки предстояло дождаться работ Гей- Люссака (1778-1850). При определении масс других соединений Дальтон использовал схожий принцип.

Как мы уже говорили в предыдущей главе, первые выводы ученый зафиксировал в своей тетради 6 сентября 1803 года. В той же записи можно увидеть произвольно выбранные Дальтоном обозначения атомов и атомных масс около 20 элементов и соединений.

Результаты были представлены в Lit & Phil через несколько недель, в октябре 1803 года. В своем выступлении Дальтон представил слушателям атомную массу 21 элемента и соединения. За этим последовал целый ряд выступлений, новых расчетов и опытов, которые привели к публикации в 1808 году A New System of Chemical Philosophy ("Новой системы химической философии"). Первая часть первого тома была напечатана в 1808 году, вторая — в 1810-м. Второй том вышел в свет в 1827 году, а обещанный третий так и не был написан.

Пришло время сформулировать основные постулаты атомной теории Дальтона.

1. Вещество состоит из атомов, которые соединяются благодаря силе тяготения. Дальтон продолжает думать, что теория Ньютона адекватно объясняет взаимодействие атомов.

2. Атомы неделимы. Дальтону принадлежит заслуга введения понятия атома, которое будет использоваться вплоть до появления ядерной физики и открытия электронов, протонов и нейтронов. Однако для химии его постулат до сих пор справедлив.

3. Атомы вечны и неизменны. Здесь Дальтон включает в свои постулаты закон сохранения вещества Лавуазье. После химической реакции мы обнаруживаем те же самые атомы, что и до реакции, но в других соединениях.

4. Все атомы одного элемента одинаковы по форме, размеру и массе. Дальтон определяет элемент так же, как и Лавуазье: это вещество, которое нельзя разделить на более простые части.

5. Атомы разных элементов имеют разную атомную массу. Атомная масса отличает один атом от другого, один элемент от другого.

6. Атомы различных элементов могут соединяться, образуя молекулы, но всегда в определенных соотношениях.

Как и химики его эпохи, Джон Дальтон порой путает понятия атома и молекулы, ведь природа соединения атомов еще не была ясна. Сегодня мы знаем, например, что двухатомные газы образуют молекулу из двух атомов. Дальтон также использует понятие сложной частицы, или двойного (тройного) атома. Молекулы — это простейшие составляющие определенного химического соединения. В этом постулате Дальтон предвосхищает закон постоянства состава Пруста.

7. Масса молекулы является суммой массы составляющих ее атомов. Этот принцип является отправной точкой всей атомной теории.

8. В различных соединениях массы одного вещества, приходящиеся на одну и ту же массу другого вещества, относятся как простые целые числа. В этом случае Дальтон применяет свой знаменитый закон кратных отношений.

9. Масса элемента во всех химических соединениях не меняется. Как только была установлена атомная масса, этот постулат не заставил себя долго ждать и позволил сделать некоторые косвенные выводы. Если два элемента, А к В, соединяются с третьим элементом С, можно вычислить количество составляющих. Это утверждение основывается на другом количественном законе того времени, известном как закон эквивалентных отношений Рихтера (1792).

10. Атомы соединяются по правилу наибольшей простоты, то есть образуют скорее двойные, нежели тройные, соединения, тройные, нежели четверные, и так далее. Правило наибольшей простоты Дальтона не всегда подтверждается, и это одна из немногих неточностей его теории.

11. Равные объемы газа при равных давлении и температуре не могут содержать одно и то же количество атомов или молекул. Этот постулат был ложным. Гей-Люссак и Амедео Авогадро сформулировали эмпирические законы, подтвержденные данными, полученными при измерении объемов. Дальтон не принял открытий Гей- Люссака, особенно его закон объемных отношений, опубликованный в 1808 году. Но мы к этому еще вернемся в следующей главе.

Как мы уже говорили, между выводами Дальтона на основании его опытов и публикацией его главного труда в 1808 году прошло некоторое время. В этом промежутке Дальтон не прекращал выступать и давать уроки. Он завоевал поддержку ученых и обзавелся серьезными оппонентами, преподавал в Шотландии: в университете Эдинбурга (о чем мечтал еще в юности), двери которого открылись для него благодаря посредничеству друга Уильяма Генри, а затем в Глазго. В преподавании Дальтон обращался к любимым темам: "Упругие флюиды, объясненные через неделимые частицы или атомы, наблюдаемые в атмосфере тепла"· или "Причины, по которым в химическом соединении элементов мы обычно — если не всегда — обнаруживаем атом каждого элемента". В соответствии с этим постулатом Дальтон дает нам несколько примеров:

— вода: 1 атом кислорода и 1 атом водорода;

— аммиак: 1 атом азота и 1 атом водорода;

— окись азота: 1 атом азота и 1 атом кислорода;

— азотная кислота: 1 атом азота и 2 атома кислорода;

— окись углерода: 1 атом углерода и 1 атом кислорода;