Атомы и электроны - Матвей Бронштейн

Статья Праута была очень убедительна,- многие поверили в то, что водород есть действительно «первичное вещество», из которого состоит все на свете. Одна только была беда - те химические анализы, основываясь на которых Дальтон вычислил свои атомные массы, были очень уж неточны: Дальтон был, правду сказать, плохой экспериментатор. Если провести анализы тщательнее и вычислить атомные массы точнее, то окажутся ли они по-прежнему целыми числами?

За грандиозную работу точного определения атомных масс и точного анализа состава химических соединений взялся знаменитый шведский химик Пенс Якоб Берцелиус. Берцелиусу, больше чем кому-нибудь другому, химия обязана тем, что она стала точной наукой. Берцелиус был убежденнейшим сторонником атомистической теории Дальтона, которую он называл «одним из величайших успехов химии». Но в других отношениях он многого не мог простить Дальтону. «Следует упрекнуть Дальтона в том,- писал Берцелиус,- что он чересчур доверял своей собственной гипотезе и мало подвергал ее экспериментальной проверке. Можно подумать, что даже в тех немногочисленных химических анализах, которые производил Дальтон, он руководствовался желанием получить определенный результат, а ведь такого способа действий всегда нужно остерегаться, особенно если цель опытов - получить решающее доказательство в пользу или против какого-нибудь предвзятого теоретического мнения». И Берцелиус вооружился самой точной химической аппаратурой, какую только он мог достать или построить, и принялся за свои анализы. В течение своей жизни Берцелиус проанализировал больше двух тысяч различных химических соединений, и результаты его анализов отличаются от самых точных теперешних результатов не больше чем на 1-2% (попутно Берцелиус открыл и несколько химических элементов, до него неизвестных: селен, кремний, циркон[ 4 ], торий, тантал). Вычисляя атомные массы, Берцелиус никогда не определял состав молекулы анализируемого вещества наугад, как это делал Дальтон, предположивший «для простоты», что молекула воды имеет состав , а молекула аммиака - состав (т. е. что каждая из этих молекул состоит из двух атомов). Берцелиус стремился определить состав молекулы так, чтобы удовлетворительно объяснить возможно большее число химических фактов. Таким образом Берцелиус обнаружил, например, что молекула воды состоит не из двух атомов, а из трех - одного кислородного и двух водородных, что молекула аммиака состоит из четырех атомов - одного азотного и трех водородных, и т. д. Все это привело к тому, что хотя работы Берцелиуса и дали блестящее подтверждение основных идей Дальтона, но полученные Дальтоном конкретные цифры - атомные массы - оказались сплошь неверны. Берцелиус опубликовал свои атомные массы два раза. Один раз в 1818 году он выпустил таблицу атомных масс, основанную на химических анализах, которые представляли рекорд возможной тогда в химии точности (но, все же в атомных массах, выведенных из этих анализов, еще было очень много ошибок вследствие неверных формул состава молекул). В 1826 году Берцелиус опубликовал новую таблицу, в которой он побил свои собственные рекорды точности. Атомные массы, которые были помещены в этой таблице, в громадном большинстве случаев очень близки к тем, которые приняты в химии и теперь.

Небольшую путаницу, которая еще оставалась у Берцелиуса, устранил в 1860 году итальянский химик Станислав Канниццаро; собравшийся 3 сентября 1860 года в Карлсруэ Международный конгресс химиков принял систему относительных атомных масс, предложенную Канниццаро, и этот момент принято считать началом современной химии.

Мы приведем таблицу химических элементов и их атомных масс, принятую в настоящее время[ 5 ]. Заметим только, что теперь в качестве единицы атомной массы уже больше не принимают массу атома водорода, как предлагал в свое время Дальтон.

Сейчас атомная единица массы (а.е.м.) выбрана так, чтобы масса атома самого распространенного изотопа углерода была в точности равна 12 а.е.м. Масса атома водорода оказалась при этом чуть больше 1 а.е.м.

В таблицах обычно указывают относительную атомную массу химического элемента - отношение массы атома элемента к атомной единице массы. Эта система единиц принята и в той таблице, которую мы приводим. Что касается указанных там же значков (символов) химических элементов, то они уже нисколько не похожи на кружки Дальтона. Берцелиус предложил - и это было принято огромным большинством химиков, а потом и всеми без исключения - применять в качестве значка химического элемента начальную букву или две буквы его латинского названия (например, водород обозначать буквой Н от латинского Hydrogenium, азот - буквой N от латинского Nitrogenium, железо - значком Fe от Ferrum, медь - Cu - от Cuprum, углерод - С от Carbo и т. д.). Когда нужно обозначить молекулу, то, если в ней есть несколько атомов одного и того же химического элемента, обозначение этого атома не повторяется, как это делал Дальтон, изображавший, молекулу углекислого газа в виде , а просто внизу приписывается цифра, указывающая число атомов; например, та же молекула углекислого газа, состав которой Дальтон случайно угадал правильно, пишется в виде СO2 (С - углерод, О - кислород), молекула воды записывается Н2O, молекула аммиака - NH3 и т. д. Упрямый Дальтон до конца жизни (он умер в 1844 году) не хотел принять обозначений Берцелиуса (как из того же упрямства он не хотел принять и его точных атомных масс, предпочитая свои, неточные). Ворча, он говорил, что легче изучить древнееврейский язык, чем понять что-нибудь в химических формулах Берцелиуса. Но мы можем наглядно убедиться в удобстве обозначений Берцелиуса на примере молекулы тростникового сахара, которая по системе Берцелиуса записывается формулой С12Н22О11 (12 атомов углерода, 22 атома водорода, 11 атомов кислорода); по Дальтону же пришлось бы нарисовать сорок пять кружков, двенадцать из них зачернить, а в двадцати двух поставить в середине точку. Обозначения Берцелиуса позволяют также легко записать в виде формулы и то, что происходит при химической реакции: это записывают обыкновенно в виде равенства, где слева стоит все, что было до реакции, а справа - все, что стало после реакции. Например, горение водорода в кислороде, дающее в результате воду, пишется в виде уравнения

2H2+O2=2H2O

(две молекулы водорода и одна молекула кислорода дают две молекулы воды; заметим по поводу этой формулы, что обыкновенный водород состоит из молекул, содержащих каждая по два водородных атома, и подобным же образом кислород состоит из молекул, каждая из которых составлена из двух атомов кислорода). Горение черного пороха может быть представлено формулой

2KNO3 + S + ЗС = K2S + N2 + ЗСО2

(две молекулы калийной селитры, атом серы, три атома углерода, соединяясь, дают молекулу сернистого калия, молекулу азота и три молекулы углекислого газа).

Еще удобнее было бы (хотя, впрочем, это мало принято у химиков) вместо знака = писать стрелку , отчетливее указывающую направление химического превращения; обе реакции, которые в виде примера были только что написаны, при этом приняли бы вид

2Н2 + O2 2Н2O, 2KNO3 + S + ЗС K2S + N2 + 3CO2.

После всех этих предварительных разговоров и объяснений приводим таблицу ныне известных химических элементов и их атомных масс.

Не преувеличивая, можно сказать, что эта небольшая таблица, помещающаяся на одной-двух страницах, представляет концентрированный результат упорнейшего труда многих поколений химиков, со времен Берцелиуса и до наших дней. (Порядок, в котором в этой таблице расположены элементы, выбран не случайно: элементы расположены в порядке растущей атомной массы.)

Спросим себя, что же стало с гипотезой Праута, которая была основана на том, что атомные массы элементов - точные целые числа? Осталось ли что-нибудь от этой гипотезы? Увы, не только весьма точные современные числа не подтверждают мнения Праута о целочисленности атомных масс, но даже и первые измерения Берцелиуса показали, что не все атомные массы являются целыми числами.

Таблица химических элементов, их символов и атомных масс[ 6 ]

N п/п Название и символ Атомная масса N п/п Название и символ Атомная масса 1 Водород Н 1,008 37 Рубидий Rb 85,468 2 Гелий Не 4,003 38 Стронций Sr 87,62 3 Литий Li 6,941 39 Иттрий Y 88,906 4 Бериллий Be 9,012 40 Цирконий Zr 91,22 5 Бор В 10,811 41 Ниобий Nb 92,906 6 Углерод С 12,011 42 Молибден Мо 95,94 7 Азот N 14,007 43 Технеций Тс 98,906 8 Кислород О 15,9994 44 Рутений Ru 101,07 9 Фтор F 18,998 45 Родий Rh 102,905 10 Неон Ne 20,179 46 Палладий Pd 106,4 11 Натрий Na 22,990 47 Серебро Ag 107,868 12 Магний Mg 24,305 48 Кадмий Cd 112,40 13 Алюминий А1 26,981 49 Индий In 114,82 14 Кремний Si 28,086 50 Олово Sn 118,69 15 Фосфор Р 30,974 51 Сурьма Sb 121,75 16 Сера S 32,06 52 Теллур Те 127.60 17 Хлор С1 35,453 53 Йод I 126,905 18 Аргон Аr 39,948 54 Ксенон Хе 131,30 19 Калий К 39,098 55 Цезий Cs 132,905 20 Кальций Са 40,08 56 Барий Ва 137,33 21 Скандий Sc 44,956 57 Лантан La 138,906 22 Титан Ti 47,90 58 Церий Се 140,12 23 Ванадий V 50,941 59 Празеодим Рг 140,908 24 Хром Сг 51,996 60 Неодим Nd 144,24 25 Марганец Мп 54,938 61 Прометий Рт 146 26 Железо Fe 55,847 62 Самарий Sm 150,4 27 Кобальт Со 58,933 63 Европий Еu 151,96 28 Никель Ni 58,70 64 Гадолиний Gd 157,25 29 Медь Сu 63,546 65 Тербий Тb 158,925 30 Цинк Zn 65,38 66 Диспрозий Dy 162,50 31 Галлий Ga 69,72 67 Гольмий Но 164,930 32 Германий Ge 72,59 68 Эрбий Еr 167,26 33 Мышьяк As 74,922 69 Туллий Тm 168,934 34 Селен Se 78,96 70 Иттербий Yb 173,04 35 Бром Вr 79,904 71 Лютеций Lu 174,97 36 Криптон Кr 83,80 72 Гафний Hf 178,49

Таблица (продолжение)