Под знаком кванта - Леонид Иванович Пономарёв

ЭЛЕМЕНТЫ И АТОМЫ

Среди ученых своего времени Джон Дальтон — очень своеобразная фигура. В начале XIX века уже все уверовали в науку и поняли секрет ее могущества: она имеет дело с числами, а числа не обманут. Поэтому превыше всего в то время ценили искусство ставить точные опыты. Дальтон этим качеством решительно не обладал и потому при жизни подвергался нападкам маститых ученых. По складу ума это был типичный теоретик, как мы себе представляем сейчас эту профессию. Поэтому не следует слишком строго судить неточности измерений в его работах: на их основе он высказал светлые и плодотворные мысли, которые определили развитие химии на последующие сто лет. Суть его открытия состоит в том, что он указал экспериментальный путь проверки атомной гипотезы.

Дальтон определил элемент как вещество, состоящее из атомов одного вида. Атомы различных веществ различаются между собой по массе и при всех превращениях вещества остаются неизменными — происходит лишь их перегруппировка. «Мы с таким же успехом можем стараться прибавить новую планету в Солнечную систему, как уничтожить или создать атом водорода»,— писал Дальтон. Он не только твердо поверил в атомную гипотезу, но стал искать вытекающие из нее и притом наблюдаемые следствия. Ход его рассуждений состоял примерно в следующем.

Допустим, что все элементы состоят из атомов Тогда, скажем, в 16 г кислорода содержится N атомов кислорода. Предположим теперь, что мы сжигаем в этом кислороде водород. Легко измерить, что для сжигания 2 г водорода надо затратить 16 г кислорода, в результате чего получается 18 г воды. Первая мысль, которая приходит при этом в голову стороннику атомной гипотезы, состоит в том, что каждый атом кислорода О соединяется с одним атомом водорода 96

Н, образуя молекулу воды НО. Именно так думал и Дальтон. В дальнейшем Берцелиус доказал, что он немного неправ, а именно: с каждым атомом кислорода соединяются два атома водорода и поэтому формула воды принимает привычный для нас вид: НгО. Но здесь самое важное — идея: с каждым атомом кислорода соединяется целое число атомов водорода. Поэтому если в 16 г кислорода содержится N атомов, то в 2 г водорода — 2N атомов. А это означает, что один атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода.

Таким образом, появилась возможность сравнивать между собой массы атомов различных элементов. Ввели понятие атомная масса — число, которое показывает, во сколько раз атом какого-либо элемента тяжелее атома водорода, атомную массу которого по определению приняли за единицу.

К этим результатам Дальтон пришел в 1804—1805 гг., а в 1808 г. вышла его знаменитая книга «Новая система химической философии», открывшая в науке новую эпоху. Его выводы тут же проверил английский врач и химик Уильям Волластон (тот самый, который впервые обнаружил темные линии в спектре Солнца) и убедился в их справедливости.

Оставалось сделать последнее: научиться определять атомные массы элементов. Для этого нужно было выбрать простейшие вещества. Прежде всего обратили внимание на газы. Почти сразу же, в 1809 г., бывший ассистент Бертолле французский ученый Джозеф Луи Гей-Люссак (1778— 1850) — мы знаем его по «газовому закону Гей-Люссака» — сделал очень важное открытие: объемы двух газов, вступающих в реакцию, всегда относятся друг к другу как простые целые числа. Не массы, а объемы. Как мы скоро увидим, это очень важно. Например, чтобы получить воду, нужно в одном объеме кислорода сжечь ровно два объема водорода. Отсюда уже сам напрашивается вывод: в равных объемах газов содержится одинаковое число атомов.

Именно к такому выводу пришел в 1811 г. итальянский ученый Амедео Авогадро (1776—1856), только сформулировал его точнее: в равных объемах газов содержится одинаковое число молекул. Теперь мы знаем, что молекулы большинства газов (водорода, кислорода, азота и т. д.) состоят из двух атомов (Н2, О2, N2). После этого уже ничего не стоит

понять классический опыт по сжиганию водорода в кислороде. Известно, что при этом из 1 объема кислорода и 2 объемов водорода образуется 2 объема водяного пара. Коротко этот факт записывают уравнением

2Нг Ог = 2НгО.

В чем значение открытий Гей-Люссака и Авогадро и почему мы так подробно остановились на этих простых фактах?

Проследим еще раз цепочку рассуждений. В равных объемах газов содержится одинаковое число молекул. Известно, что 2 г водорода занимают объем 22,4 л; обозначим число молекул, которое содержится в этом объеме, через Мд- Те же самые Аа молекул кислорода занимают тот же объем 22,4 л, но масса их при этом не 2 г, а 32 г. Отсюда следует, что каждый атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода; это означает, что, измерив плотность какого-либо газа и сравнив ее с плотностью водорода, мы сразу же определим его атомную массу.

Нигде до сих пор реальность атомной гипотезы не была видна так явно. Действительно, плотность — величина легко измеримая и привычная, поскольку она воздействует на наши органы чувств. Поразительно то, что таким простым способом можно измерить атомную массу — величину, недоступную непосредственному восприятию.

Число молекул А, которые помещаются в 22,4 л любого газа при О °C и давлении 1 атмосфера, называют теперь постоянной Авогадро. Это одна из основных постоянных физики — подобно скорости света с или постоянной Планка h. Чтобы определить ее, достаточно знать абсолютную массу М одного атома водорода. И поскольку в 22,4 л содержится 2 г таких атомов, то число N^ — 2/М.

Гипотеза Авогадро была вскоре забыта, и лишь полстолетия спустя, в 1858 г., ей возвратил жизнь другой итальянский ученый — Станислао Каниццаро (1826—1910). Это было как нельзя более кстати, поскольку между химиками той поры не было согласия: почти каждый из них признавал только свою собственную таблицу атомных масс, органики не доверяли неорганикам, а созванный в 1860 г. в Карлсруэ съезд самых знаменитых химиков ни к какому соглашению не пришел. (Впрочем, резолюцией от 4 сентября 1860 г. он все-таки закрепил различие между атомом и молекулой.)

Только теперь, наконец, были достаточно правильно определены атомные массы элементов и можно было приступить к их классификации.

ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТОВ

Довольно часто можно услышать рассказ о том, как Менделеев, выписав все элементы на оборотной стороне визитных карточек, долго раскладывал их, как пасьянс, пока не забылся кратким дневным