Масса атомов. Дальтон. Атомная теория - Enrique Alvarez

Через много десятилетий после Демокрита греческая философская мысль ушла в сторону аристотелизма. Почти на протяжении двух тысяч лет учение Аристотеля доминировало в физике и изучении природы. Для него реальность есть то, что мы можем видеть, чувствовать, осязать, пробовать на вкус или слышать, то есть включает все явления, воспринимаемые органами чувств. Природа состоит из взаимодействия четырех стихий: воздуха, земли, воды и огня. Одно приводится в движение другим, а в основе всего этого лежит неподвижный вечный перводвигатель всего в мире, или Бог. Неудивительно, что великие христианские философы — главным образом святой Фома Аквинский — применили аристотелеву мысль с экклезиастической точки зрения, чтобы объяснить природные явления, и что науки вращались вокруг этого философского течения до эпохи Возрождения. Появление великих астрономов Николая Коперника, Галилея и Иоганна Кеплера определило переход от геоцентрической модели к гелиоцентрической, основываясь на анализе и наблюдении за небом, и это стало началом конца аристотелизма как философского течения, сдерживавшего развитие науки.

Четыре стихии Аристотеля являются основой всех соединений, или материи, и различные их сочетания определяют или изменяют свойства этих соединений (см. рисунок). В Средние века многие пытались найти идеальное сочетание, чтобы превратить одно вещество в другое. Это время поиска философского камня — вещества, способного трансформировать простые металлы, например железо или свинец, в золото. История алхимии банальна и длинна, и она не является предметом этой книги, разве что в качестве анекдота. Многие века короли, аристократы и простые люди не прекращали поиски этого несуществующего вещества.

Согласно концепции Аристотели, природа состоит из четырех элементов — воздуха, огни, земли и воды. Врачи, например Парацальс, утверждали, что болезни происходит от нарушении равновесии четырех главных состояний, снизанных с четыре ми качественными материи, — холодом, теплом, сухостью и влажностью.

Как мы уже говорили, в XVII веке ситуация изменилась. Великие астрономы опровергли представление о Земле как центре Вселенной и, соответственно, начали отрицать существование Бога и то, что человек создан по Его подобию, а химики перестали верить в четыре основополагающие стихии. Произошло это, в частности, благодаря работам ирландского химика Роберта Бойля. Он предположил, что все вещества состоят из крошечных частиц — элементов, — и выделил соединения, которые являются сочетанием двух или более элементов. При этом Бойль не переставал быть убежденным алхимиком. Главные критические замечания по поводу коллег-алхимиков сформулированы Бойлем в его знаменитой книге The Sceptical Chymist ("Химик- скептик", 1661), в которой он возражает всем, кто категорично утверждал, что Соль, Сульфур (сера) и Меркурий (ртуть) — три основные субстанции, присутствующие во всех вещах.

Исследования Бойля — важное звено в истории научной мысли, именно этого ученого справедливо называют первым химиком. Его понимание материи не ограничилось веществом, он предположил, что элементы, в свою очередь, состоят из крошечных одинаковых частиц.

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.