Масса атомов. Дальтон. Атомная теория - Enrique Alvarez

Как и все химики французской школы, Бертолле испытал влияние великого Антуана Лорана де Лавуазье. В свою очередь, он повлиял на своего блестящего ученика Луи Жозефа Гей-Люссака, который в итоге исправил некоторые ошибки учителя. Бертолле сыграл определенную роль и в становлении Дальтона, однако больше всего повлиял на работы героя нашей книги Антуан Лоран де Лавуазье. Этот человек по достоинству считается первым современным химиком (в отличие от Роберта Бойля, которого называют просто первым химиком), а перипетии его жизни и его научные открытия достойны стать темой отдельной книги. Отец Лавуазье купил дворянский титул; сам Лавуазье последовал примеру отца и вступил в генеральный откуп, общество финансистов Ferme generale, которое собирало налоги от имени государства со всех бедных и освобождало от уплаты богатых. Разумеется, работа откупщиком не принесла Лавуазье популярности, однако позволила ему разбогатеть. Для Лавуазье его благосостояние означало только одно — возможность посвятить свободные часы химии. Он женился на 14-летней Анн-Мари Пьеретте Польз — девушке из своего социального круга, которая была столь же умна, сколь и очаровательна. Если Лавуазье считается отцом современной химии, то его юная жена — ее матерью. Молодые супруги проводили в лаборатории как минимум пять часов в день, а также все воскресенья (их особый счастливый день). Они получили огромное количество важных результатов, касающихся изучения воздуха как смеси газов, определения состава воды, исследований процессов дыхания, горения и окисления, а также, разумеется, установления весовых соотношений веществ, вступающих в реакцию, — знаменитый закон сохранения массы. Лавуазье разработал новую химическую номенклатуру, или систему нумерации, которая легла в основу современной. Известно, что Клод Луи Бертолле принял ее почти сразу.

Я рассматриваю природу как огромную химическую лабораторию, в которой происходят всевозможные соединения и разложения.

Антуан де Лавуазье

Несмотря на то что работа супругов Лавуазье сыграла огромную роль в истории химии, остаются два необъяснимых вопроса. Лавуазье в своем знаменитом " Элементарном трактате по химии* 1789 года дал определение элемента как простого вещества, неделимого в результате химической реакции, и привел более 30 простых веществ, но сам он так и не открыл ни одного. С участием Карла Вильгельма Шееле (1742-1786) был выявлен кислород, также этот ученый открыл барий, хлор, магний, молибден, фтор и вольфрам. Позднее Гемфри Дэви, используя электролиз, существенно расширил этот список. В годы жизни Лавуазье еще не были открыты по крайней мере две трети элементов, а его лаборатория была лучшей в Европе. Но больше всего нас интересует, почему Лавуазье не придавал никакой важности составу материи. Его совершенно не интересовали атомы, и он держался на расстоянии от физических и философских гипотез, существовавших лишь как теория. Лавуазье интересовали только элементы, составляющие вещества, которые можно было выделить в его лаборатории. Можно утверждать, что деятельность Лавуазье лежала в области экспериментальной химии.

Прежде чем завершить рассказ о предшественниках Джона Дальтона, необходимо упомянуть о немце Иеремии Вениамине Рихтере (1762-1807). Мы уже говорили о его законе эквивалентных отношений, крайне важном для атомной теории Дальтона. Рихтер ввел понятие эквивалентной массы, которая, в отличие от атомной массы Дальтона, имеет и измерение, и единицы измерения — граммы. Кроме того, он сформулировал закон — "Вещества реагируют и образуются в эквивалентных количествах" — и тем самым ввел понятие стехиометрии, или соотношения между количеством реагирующих веществ. Стехиометрические законы известны также как количественные. Помимо химии, Рихтер питал страсть к математике.

В заключение представим довольно скандальную фигуру в истории атомистической теории — ирландца Уильяма Хиггинса (1763-1825), который унаследовал от своего дяди Брайана и отца Джона, профессора университета Эдинбурга, не только состояние, но и страсть к химии. В Лондоне Хиггинс опубликовал вместе с дядей сочинение Comparative View of Phlogistic and Antiphlogistic Theories ("Сравнительное изучение флогистических и антифлогистических теорий", 1789), которое позже многие сравнивали с атомной теорией Дальтона, опубликованной 19 годами позже. В этом сочинении также речь идет о конечных частицах. Хиггинс придумал диаграммы с символами (очень похожими на современные и абсолютно непохожими на символы Дальтона), чтобы показать, как взаимодействуют частицы и каким образом их соединяют "силы тяготения". В качестве символа атома он использовал начальные буквы элементов и связал эти буквы черточками, изображающими связи.

— Атом — простейшая частица вещества, или самая маленькая опознаваемая частица химического элемента. Состоит из центрального плотного ядра, окружен облаком отрицательно заряженных электронов.

— Химический элемент — чистое химическое вещество, образованное одним видом атомов с одинаковым атомным номером.

— Атомный номер — количество протонов в атомном ядре.

— Массовое число — количество протонов и нейтронов в атомном ядре. Всегда целое число. Например, магний-24 состоит из 12 протонов и 12 нейтронов.

— Изотопы — химические элементы, у которых одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Например, атом углерода может быть 12, 13, 14, у всех этих элементов 6 протонов, но, соответственно, 6, 7 и 8 нейтронов.

— Атомная единица массы (дальтон, а.е.м.) — стандартная единица для обозначения массы атома в молекулярной шкале. Атомная единица массы представляет собой 1/12 массы атома углерода и равна 1, 660538921 х10-27 кг.

— Относительная атомная масса, или атомный вес, — среднее значение атомных масс всех существующих в природе изотопов данного химического элемента в отношении к атомной единице массы. Не должна быть целым числом.

— Молекула — группа атомов, заряженных нейтрально, которые соединяются благодаря ковалентным связям.

— Ион — атом или молекула, общее число электронов которого отличается от числа протонов ядра (может быть положительным или отрицательным в зависимости оттого, потерян или присоединен электрон).

— Моль, или грамм-молекула, — химическая единица количества вещества, которое содержат элементарные единицы (атомы, молекулы или ионы). Соотносится с количеством атомов 12 граммов углерода-12: 1 моль = 6, 02214129 х 1023 элементарных единиц, соответственно 1 моль воды содержит 6, 02214129χ 1023 молекул воды.

— Постоянная Авогадро — количество элементарных частиц (атомов, молекул или ионов), содержащихся в одном моле; по существу, количество атомов углерода, содержащихся в 12 граммах углерода-12 (= 6, 02214129 χ 1023).

— Молярная масса (М) — отношение массы вещества к количеству молей данного вещества, измеряется в кг/моль или г/моль. Например: М(Н2О) = 18 г/моль.

— Объем одного моля идеального газа: при нормальных условиях (то есть при температуре О °С и атмосферном давлении, равном 1 атм.) один моль идеального газа занимает 22, 4 литра.

Полемика разразилась после огромного успеха книги Дальтона. Как и стоило ожидать, Хиггинс обвинил его в плагиате, утверждая, что Дальтон воспользовался его сочинением. Однако ирландский химик ни слова не говорил об атомной массе (а она лежит в основе атомной теории Дальтона), поэтому его упреки не имели под собой оснований. Кроме того, доказано, что Дальтон ничего не слышал об этом произведении и не знал самого Хиггинса. Дальтона никогда не беспокоили эти обвинения. Удивительно, но единственным человеком, поддержавшим Хиггинса, был Гемфри Дэви, однако и он после прочтения блестящего труда скромного квакера был вынужден сдаться.

Публикация одного за другим двух томов "Новой системы химической философии" ознаменовала поворот в химии. Еще до появления первой части первого тома (напомним, что это произошло в 1808 году) многочисленные выступления английского ученого, посвященные этой теории, возбудили интерес его коллег. Эрудит Томас Томсон добавил к третьему изданию своей "Химической системы" статью, целиком посвященную новой атомной гипотезе, предложенной Дальтоном. В 1807 году он писал по этому поводу:

"Если гипотеза (Дальтона) верна, она может дать химии очень точный метод для расчета относительной плотности атомов, составляющих соединения".