Глазами Монжа-Бертолле

Быть может, именно эти жизненные невзгоды помешали Прусту обнаружить кратность атомных отношений?

Если проследить его публикации во время восьмилетнего спора с Бертолле, можно убедиться, что ученый задолго до мадридской катастрофы был на волосок от выводов, которые стали достоянием Дальтона. И мог их сделать уже тогда… Мог. А вот поди ж ты: не сделал.

Увы, наши недостатки зачастую не что иное, как продолжение наших же достоинств. По свидетельству члена-корреспондента АН СССР Капустинского, Прусту помешало как раз то, что обеспечило блистательную победу над Бертолле: «его осторожный и даже эмпирический подход, его привычка уж очень обстоятельно экспериментировать; особая тщательность его анализов, отвергающая мысль об округлении результатов».

Правда, у Дальтона было еще одно преимущество. В своих расчетах он выражал состав не в весовых процентах, как Пруст, а в атомных пропорциях.

В самом деле, даже очень проницательному глазу не так-то легко подметить какое-либо правило на примере метана CH4 и этилена C2H4, если состав обоих соединений выразить в процентах: у метана 74,87 процента C и 25,13 процента H, у этилена 85,63 процента C и 14,37 процента H. Зато дело существенно упрощается, если подсчитать количества C, приходящиеся в каждом углеводороде на один «пай» H. Они равны 2,979 для CH4 и 5,958 для C2H4. Эти числа относятся, как 1:2. Имейте в виду, повторяю, что в те времена еще не существовало формул типа CH4 или C2H4, на которых сегодня основана вся стехиометрия (количественные операции с формулами и уравнениями).

Любопытная мораль: как много может дать химии дружба с карандашом, а не только с пробиркой!

Казалось бы, особой разницы нет, как вычислять состав соединений. Тем более что проценты так лестно зарекомендовали себя в экономических операциях! Ан нет, традиционные мерки не всегда впору новым явлениям.

В дальнейшем мы не раз встретимся с примерами замечательных теоретических и практических успехов в химии, которые стали результатами усовершенствования — нет, не аналитических или синтетических методов, не измерительной аппаратуры — математического подхода.

Идея дискретности (прерывности) состава химических соединений с железной логикой вытекала из атомистических представлений. И законы Пруста и Дальтона на целое столетие предопределили победный марш химии.

Атомно-молекулярное учение. Теория валентности. Бутлеровская теория химического строения. Периодическая система элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Основы основ современной химии! А краеугольные камни этих величественных зданий были заложены Прустом и Дальтоном на обломках идеи Бертолле.

Из законов Пруста и Дальтона вытекали глубокие философские следствия. Если химические тела соединяются лишь в определенных пропорциях, значит число таких химических комбинаций не может быть бесконечно велико. Азот с кислородом способен дать неисчислимое множество смесей. Но соединений только пять: N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5. Смеси этих окислов могут опять-таки содержать самые разнообразные соотношения между количествами N2 и O2. Но если разделить смесь, то в любой из составных частей пропорции будут либо 2:1, либо 1:1, либо 2:3 и так далее. Получится всего пять индивидуальных веществ. От смеси ничего не останется. А раз так, то все многокрасочное царство бесчисленных минералов можно разложить на конечное число более простых тел. Неких неделимых первооснов материи. Так зародилось понятие о химическом индивиде.

В свое время Бертолле, затеяв разговор о содержании терминов «смесь» и «соединение», затронул один из самых важных вопросов, которые когда-либо волновали химиков.

Слово «индивид» заимствовано из латыни. Нечто единое, неделимое, целостное — вот его смысл. У каждой науки есть свой индивид, который служит главным предметом изучения. Скажем, в зоологии это кошка, собака, слон, человек — любое существо. Расчлени индивид — и объявится новый объект исследования, которым занимается уже иная наука. Например, органами живого тела интересуется анатомия. Клеткой — цитология. Внутриклеточными структурами — биохимия. И так далее.

А химия?

Еще Лавуазье подразделял химические тела на простые и сложные. Первые состоят из одного элемента. Вторые — из двух или более. Но лишь после торжества идей атомистики стало ясно, что речь идет о веществах, которые составлены из одного сорта атомов или молекул.

Конечно, молекулу можно расщепить на атомы. По тогда она прекратит свое существование как химический индивид. Правда, объявятся новые индивиды — атомы. Но разве не ясно, что это часть целого? Почему же одни химические индивиды (атомы), соединяясь, способны образовать новые химические индивиды (молекулы), а другие нет? А если попытаться объединить несколько сортов молекул, что будет? Химический индивид?

Нет, смесь! Если, конечно, молекулы химически не взаимодействуют друг с другом. Так отвечал Пруст своими опытами на каверзный вопрос Бертолле. Ведь у каждой составной части, входящей в смесь, свои, особые, неповторимые химические и физические свойства. И постоянный неизменный состав.

Например, горсть солевых отложений со дна африканского натронного озера — смесь химических индивидов. А сода и поваренная соль, входящие в эту смесь, — химические индивиды. Каждое из этих веществ представлено суммой одинаковых молекул. Атомы же, объединенные в их молекулах, разные. И пропорции у них неодинаковы.

Но почему так? Чем объяснить, что у природы две равные арифметики — одна для смесей, другая для соединений? Почему атомы в обычной смеси могут находиться в любых соотношениях, а вступают в химический союз лишь в заранее предписанных дискретных пропорциях? Какая разница между силами, слагающими атомы в молекулу, и силами, объединяющими молекулы в цельное тело — твердое, жидкое или газообразное?

Загадка химического индивида порождала десятки других загадок. И химики с нетерпением и энтузиазмом принялись за дело.

«Разделяй и властвуй!» — под таким девизом химия стала наводить порядок в мире атомов и молекул.

Овладеть секретами химических превращений, вникнуть в природу химических индивидов было невозможно без приготовления чистых препаратов. Однако получить их оказалось делом нелегким. Погоня за чистотой властно потребовала усовершенствовать способы разделения смесей. И приемы контроля за степенью загрязненности.

Исстари подметили люди: ложка дегтя портит бочку меда. Пусть ложка вмещает 10 граммов. А бочка — 1000 килограммов. Легко прикинуть загрязненность в этом случае: 0,001 процента. Не так уж она и велика. А все же недопустима. Совсем просто загрязнить вещество до такой степени. Зато насколько труднее добиться подобной чистоты: 99,999 процента — три девятки после запятой!

Чтобы очистить воду от минеральных солей, ее приходится дистиллировать — выпаривать и собирать в специальную лабораторную посуду со всеми предосторожностями. Даже многократная перегонка и то едва ли обеспечит чистоту выше 99,99 процента. А чтобы избавиться от заметных примесей углекислого газа, азота и кислорода, попадающих в воду из воздуха, немецкому химику Кольраушу понадобился не один год!

И тем не менее попытки химиков получить сверхчистые вещества становились все упорнее и упорнее. Многие годы, объявив войну примесям, терпеливо, настойчиво проводили ученые свои эксперименты.

И тут обнаружились удивительные вещи. После двадцати семи лет высушивания сероуглерод изменил температуру кипения. Причем весьма заметно — больше чем на треть! Раньше кипел при 49,5 градуса. Так и было записано в справочниках. А стал кипеть при 80! У бензола, который сушился восемь с половиной лет, точка кипения подпрыгнула на 26 градусов.