Атомы и электроны - Бронштейн Матвей Петрович

В 1808 году в Лондоне вышел первый том книги «Новая система химической философии», написанной Джоном Дальтоном, учителем в Манчестере. В этой книге Дальтон, по существу, повторяет взгляды Бойля, но какая огромная разница между книгами Бойля и Дальтона! Не будем забывать, что между выходом этих двух книг прошло 147 лет и что в течение этих лет в химии появился Лавуазье. Уже было известно, что водород, кислород, азот, углерод, сера, фосфор, натрий и калий (открыты Дэви в 1807 году), кальций, стронций, барий и магний (открыты тем же Дэви в 1808 году), железо, цинк, медь, свинец, серебро, платина, золото и ртуть являются простыми телами, а вода, аммиак, углекислый газ и многие другие — сложными. В химии уже употреблялись весы, и целый ряд количественных анализов сложных веществ уже был произведён. Поэтому Джон Дальтон и мог поставить перед собой смелую задачу: определить относительные массы всевозможных атомов.

Водород — простое тело, рассуждал Дальтон, значит, водород состоит из атомов одного и того же сорта — атомов водорода. Обозначим атом водорода значком . Кислород — тоже простое тело; значит, кислород состоит из атомов кислорода. Введём для них значок . Вода — это химическое соединение («совершенная смесь», как сказал бы Роберт Бойль); значит, она состоит из каких-то частиц, каждая из которых представляет комбинацию определённого числа водородных атомов с определённым числом кислородных атомов. Такую частицу, состоящую из нескольких сцепленных друг с другом атомов, Джон Дальтон называл «сложным атомом»; в химии теперь предпочитают употреблять слово «молекула», которым и мы будем всё время пользоваться. Итак, вода или водяной пар состоит из молекул воды. Каждая молекула воды, как решил Дальтон, руководствуясь при этом «принципом простоты», состоит из двух атомов — атома водорода и атома кислорода. Молекула воды, по Дальтону, имеет вот какой вид:

Отсюда легко заключить, во сколько раз атом кислорода тяжелее, чем атом водорода. Каждый фунт[3] воды — как гласили химические анализы, произведённые самим Дальтоном и другими современными ему химиками, — состоит из 1/8 фунта водорода и из 7/8 фунта кислорода. А так как все молекулы воды совершенно одинаковы, то, значит, и в каждой молекуле воды 1/8 часть её массы — это масса атома водорода, а остальные 7/8 её массы — это масса атома кислорода. Отсюда следует, что атом кислорода весит в 7 раз больше атома водорода. Если взять массу атома водорода за единицу, то масса атома кислорода будет равна семи.

Таким же образом Дальтон определил и во сколько раз масса атома азота, который он обозначил значком , больше массы атома водорода . Для этого он воспользовался химическим анализом газа аммиака, который является химическим соединением азота и водорода. Руководствуясь тем же самым принципом простоты, Дальтон предположил, что молекула аммиака состоит из одного атома водорода и одного атома азота, т. е. имеет вид .

Анализы аммиака показали, что каждый фунт аммиака состоит из 1/6 фунта водорода и 5/6 фунта азота. Применяя такое же самое рассуждение, как раньше, легко заключить, что атом азота должен быть в пять раз тяжелее, чем атом водорода. Если по-прежнему считать массу атома водорода равной единице, то масса атома азота окажется, по Дальтону, равной пяти.

Большим испытанием для атомистической теории оказался случай углерода. Углерод образует с кислородом не одно, а целых два различных соединения: в одном из них (окись углерода) на заданное количество углерода приходится сравнительно мало кислорода, а в другом (углекислый газ) — гораздо больше.

Поэтому молекулу окиси углерода Дальтон предложил рисовать в виде , где значок обозначает атом углерода, а молекулу углекислого газа, в которой кислорода больше, он предложил рисовать так: . Иными словами, по Дальтону, молекула углекислого газа состоит из трёх атомов (двух кислородных и одного углеродного), а молекула окиси углерода — из двух атомов — кислородного и углеродного. Химический анализ углекислого газа показал, что фунт углекислого газа состоит из 5/19 фунта углерода и 14/19 фунта кислорода. Так как такое же самое соотношение должно быть и для массы каждой отдельной молекулы углекислого газа, то, значит, масса атома углерода равна 5/14 частям массы двух атомов кислорода, т. е. она равна 5/7 массы одного кислородного атома. Сохраняя ту же условную единицу (масса атома водорода равна единице массы) и зная, что в этих отношениях масса атома кислорода равна 7, мы найдём, что масса атома углерода должна быть равна 5.

До сих пор мы ещё нигде не имели повода проверить правильность этих взглядов, сделав из них какой-нибудь вывод, который можно было бы уже затем сравнить с опытом. Но теперь такая возможность представляется: если верно то, что мы говорили о массах атомов углерода и кислорода, то в окиси углерода, молекула которой имеет вид , отношение массы кислорода к массе углерода должно быть 7: 5. Так и оказалось: опыт показал, что из 7 фунтов кислорода и 5 фунтов углерода получается 12 фунтов окиси углерода. Таким образом, взгляды Дальтона получили блестящее количественное подтверждение. Следует, впрочем, сказать, что химические анализы Дальтона были довольно неточны и цифры количественного состава химических соединений, которые были здесь приведены, несколько отличаются от правильных. Тем не менее Дальтон, несмотря на грубость своих анализов, был совершенно убеждён в правильности атомистической гипотезы.

Один биограф Дальтона говорит о нём так:

«Дальтон был атомист до мозга костей. Он был глубоко убеждён в правильности взглядов Ньютона. Для него его атомы — „твёрдые, непроницаемые, подвижные“ — были такой же реальностью, как если бы он видел их собственными глазами и трогал руками. В своём воображении он видел в воздухе атомы кислорода, азота и водяного пара. Он рисовал их на бумаге».

Приведём из книги Дальтона значки, обозначающие атомы разных химических элементов, и их атомные массы (см. таблицу; за единицу массы по-прежнему принята масса атома водорода).

Таблица химических символов и атомных масс по Дальтону; (1808 г.)

Таковы те первичные частицы, те атомы, те «кирпичи мироздания», из которых, по Дальтону, состоят все тела на свете.

Комбинация из нескольких атомов образует молекулу («сложный атом», как говорил Дальтон); сложные тела состоят из одинаковых молекул — такие тела являются химическими соединениями, например вода или аммиак, и их состав в процентах может быть легко вычислен, если знать состав молекулы (например, в случае воды в , в случае углекислого газа) и относительные массы атомов, входящих в молекулу; или же сложные тела состоят из разных молекул — такие тела являются не химическими соединениями, а смесями, например, воздух представляет смесь молекул кислорода с молекулами азота и с небольшим количеством молекул воды и углекислого газа.