Глазами Монжа-Бертолле

Само собой разумеется, этому докладу предшествовали долголетняя исследовательская работа и многочисленные публикации Курнакова, а также его сподвижников и учеников.

— …для химии беспримерный рост фактического материала, неожиданные открытия новых областей требуют пересмотра наших воззрений на логическую структуру таких понятий, как элемент, соединение, раствор, индивид, которые, казалось бы, установлены с незыблемой прочностью великими основателями нашей науки.

Докладчик вспоминает знаменитый спор между Бертолле и Прустом.

— Установление закона кратных отношений и тесно связанной с ним атомистической теории составляет эпоху в истории химии. До тех пор не делалось принципиального различия между понятиями соединения и однородной смеси. Если же «истинные» соединения обладают постоянным составом, то, конечно, главной задачей химии должно стать их всестороннее изучение. Этим были заранее указаны объекты исследования и определена область развития химии как точной науки на целое столетие вперед.

Пока что выступающий говорит общеизвестные вещи. Но вот педагоги начинают переглядываться и что-то быстро писать в толстых блокнотах.

— Закон постоянных и кратных отношений явился приложением учения о целых числах в химии. Атомистические формулы с целочисленными значениями для атомных долей сделали это приложение необыкновенно простым и наглядным. При таких условиях состав соединений получил совершенно определенное числовое выражение и само понятие о химическом соединении стало понятием математическим.

Между прочим, и математики (Куммер, Минковский) неоднократно подчеркивали тесную связь между учением о составе химических соединений и общей теорией чисел.

Математические операции с целыми числами, за которыми стояли «неделимые» атомы, позволяли проверять и даже предвидеть состав сложных тел. И усилия химиков, направленные на поиски и исследование подобных веществ, увенчались блистательным успехом. Достаточно напомнить, что теперь известно более 300 тысяч веществ, подчиняющихся законам Пруста и Дальтона. Это неминуемо вело ученых к убеждению, что постоянство состава — главный индивидуальный признак, характеризующий истинные объекты химического изучения. Таким телам присвоили звание «химических индивидов». Постепенно термины «соединение» и «индивид» стали равнозначными.

Но если стать на эту классическую точку зрения, то за бортом понятия «индивид» останется масса других веществ, которыми тоже занимается химия! Нет, объектом изучения в химии не могут быть одни лишь соединения постоянного состава. Тогда что же?

Напряжение в аудитории нарастает.

— В реальной действительности, — подчеркивает ученый, — непосредственный изначальный объект химического или, правильнее, физико-химического изучения — фаза. Понятие фазы является более общим, чем современный химический индивид, соответствующий, как мы видели, только веществам постоянного состава или определенным соединениям; оно обнимает также и громадный класс однородных тел переменного состава или растворов. Обширную категорию растворов обыкновенно относили к физически однородным смесям и ставили особняком. Между тем учение о фазах не делает принципиального различия между телами постоянного и переменного состава.

…Чеканные в своей научной тяжеловесности, эти фразы, чего доброго, могут и отпугнуть непосвященного. А сколько живых человеческих драм, сколько раздумий бессонными ночами, успехов и неудач, надежд и разочарований, титанического труда скрывается за любым выводом, выстраданным в жарких теоретических схватках, в многолетней черновой работе экспериментатора!

Казалось бы, нет и не может быть даже тени сомнения в безграничной справедливости закона, который триумфально прошел сквозь целое столетие и выдержал испытание временем. Как не возбуждавшая сомнений реальность и неделимость атомов, над химией императивно и безоговорочно довлело представление о химическом индивиде, подчиняющемся кодексу Пруста — Дальтона. Всякий, кто посмел бы поднять руку на монопольное господство закона постоянных и кратных отношений, был бы немедленно предан анафеме. И надо же было так случиться, что идеи Бертолле, похороненные Прустом, возродились вновь, словно сказочная птица Феникс из пепла!

Еретики сыскались. В 1887 году традиционный взгляд на химический индивид получил первый нокаут от Дмитрия Ивановича Менделеева. В монографии, посвященной растворам, ученый писал: «Грани нет между этими явлениями и чисто химическими».

Обратите внимание: это слова великого создателя периодической системы, которая сама зиждется на законе постоянных и кратных отношений!

И вот теперь, на съезде физиков, химиков и космографов, вновь раздвигаются тесные рамки классических истин.

Как химия проигрывает в изоляции от физики, так и сугубо химическое толкование термина «химический индивид» слишком бедно, чтобы исчерпывать собой объект исследования в химии. Понятие «химический индивид» неотделимо от понятия «фаза».

Фаза… Этот термин отлично знаком каждому химику. Мы говорим «фазы Луны», «фазы развития», подразумевая различные формы одного явления, между которыми пролегает некая грань. Несколько иначе в химии. Например, серое олово и белое. Это две разные фазы. Только грань между ними не временная, а пространственная. Кристаллики одного и второго вещества отграничены поверхностями раздела. Алмаз, графит, сажа. Три фазы. Каждая отличается от другой набором несхожих свойств. А вещество одно! Разумеется, с точки зрения химии. По прежним представлениям именно олово или углерод должны как химические индивиды служить объектами химического исследования. А по новым — каждая фаза. То же самое относится к воде и поваренной соли, взятым порознь. А если вместе?

Соленые морские волны, да и любой иной раствор однородны. Значит, это одна фаза, хотя в ней слились несхожие вещества. Стоит, однако, кристаллам соли выпасть из пересыщенного раствора, как система тотчас становится двухфазной. А если выделяются из раствора сразу две соли — то и трехфазной. Пример: натронные озера в Египте с солевыми отложениями, изучением которых занимался еще Бертолле. Неспроста, видать, ставил перед своим испанским коллегой великий французский химик вопрос о разнице между смесью и соединением!

Пруст не дал вразумительного ответа на вопрос Бертолле. Но не потому, что не хотел. Не мог. Этого не позволял сделать уровень тогдашних знаний. Лишь семьдесят лет спустя было впервые введено четкое представление о фазах и фазовых равновесиях.

Фазовые равновесия окружают нас повсюду.

На дворе зима. Стужа такая, что капли воды превращаются в лед, не долетев до земли. И все-таки хозяйка вывешивает свежевыстиранное белье сушиться. Прямо на мороз! Из повседневного опыта она твердо усвоила, что холод сушке не помеха. Сырые рубашки затвердеют, что рыцарские латы, простыни загремят, как жестяные противни. А все же рано или поздно количество влаги в них уменьшится. Лед испаряется. Точнее, сублимирует, возгоняется: не превращаясь в жидкость, сразу же переходит в пар. При определенных атмосферных условиях в двухфазной системе лед — пар наступит равновесие. Количества молекул воды — тех, что покидают поверхность ледяных кристалликов, и тех, что возвращаются на нее, — уравняются. Белье больше сохнуть не будет. Придется досушивать утюгом.

Утюг расплавит лед, нагреет воду, заставит ее испаряться. На какое-то мгновенье возникнет система лед — вода — пар (три фазы). И тут же утратит равновесие. Однако клубы пара, вырывающиеся из-под утюга, сделают комнатный воздух сырым. Оконные стекла запотеют. И если скорости испарения и конденсации станут одинаковыми, система вода — пар снова очутится в равновесном состоянии.

Но вот на улице похолодало. Окно заиндевело. Правда, рядом со снежными блестками на стекле сверкают капельки воды. Опять перед нами система лед — вода — пар.