Страница 25 из 173
Таким образом, физика XVIII и XIX веков опытным путем подтвердила учение древних философов об атомном строении материи.
Не меньший вклад в изучение строения материи внесла другая наука, смежная с физикой,—химия. Ученые-химики обнаружили, что большинство веществ, с которыми мы постоянно встречаемся, кажутся нам простыми, но на самом деле являются сложными, то есть состоят из двух или нескольких других, более простых веществ. При определенных условиях их можно разложить на эти более простые вещества. Такое, казалось бы. совсем простое вещество, как вода, состоит из двух еще более простых веществ, причем совсем на нее не похожих: при пропускании через воду электрического тока она, как показали опыты химиков, разлагается на два газа — кислород и водород. Даже соль, обыкновенная поваренная соль, которую мы каждый день кладем в пищу, состоит, оказывается, из двух веществ: металла натрия и ядовитого газа хлора.
При пропускании электрического тока очень многие из тех веществ, которые казались раньше простыми, были разложены на два или даже более других веществ. Однако некоторые вещества, такие, как водород, кислород, углерод, железо, золото и другие, никакими способами не удалось разложить на более простые. Эти простые, неразложимые вещества получили название химических элементов. Сложные же вещества, состоящие из двух или нескольких химических элементов, стали называться химическими соединениями.
Химические элементы в химических соединениях всегда находятся в определенном отношении друг к другу по весу. Например, в воде, независимо от того, откуда она взята —из колодца, со дна океана, из реки,— всегда кислорода по весу содержится в 8 раз больше, чем водорода. Никогда не бывает так, чтобы на 1 весовую часть водорода приходилось не 8, а скажем, 7 или 6 частей кислорода. Постоянство весовых соотношений элементов в химическом соединении было установлено и для всех других сложных веществ. Эта закономерность получила в химии название закона постоянства состава химического соединения.
Объяснение этого закона дал английский химик Дальтон. Он связал вопрос о химических элементах и химических соединениях с атомной теорией строения материи. Все вещества — и элементы и химические соединения— состоят из мельчайших частиц. Но частицы, из которых состоят химические соединения, являются, утверждал Дальтон, не простыми, а сложными: они представляют собой сочетание частиц тех химических элементов, из которых состоит данное химическое соединение. Частица воды, например, является соединением частиц водорода и кислорода. Что же касается последних, то они уже не поддаются разложению ни при каких условиях. Следовательно, если частицы воды делимы, то частицы водорода, кислорода и других химических элементов неделимы. Они-то, по Дальтону, и есть подлинные атомы (вспомним, что слово «атом» означает «неделимый»). Мельчайшая же частица химического соединения, состоящая из нескольких атомов, получила название молекулы.
О размерах молекул нетрудно судить уже на основании того, что нам известно о размерах атомов. Конечно, молекулы крупнее атомов, но все же и они очень малы. Молекула воды, например, имеет диаметр 0,000 000028 сантиметра. Это значит, что молекула воды во столько раз меньше горошины, во сколько горошина меньше земного шара.
Атомы различаются прежде всего по весу. Например, один атом кислорода в 16 раз тяжелее одного атома водорода. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, поэтому кислорода в ней по весу содержится в 8 раз больше, чем водорода. Такое соотношение весов водорода и кислорода в воде является постоянным, так как вес каждого атома всегда один и тот же, и количество атомов в молекуле всегда одно и то же. Поэтому никогда не может получиться так, чтобы соотношение весов водорода и кислорода в воде было иное, чем 1 к 8. То же самое относится к атомам и молекулам всех других веществ. Так был объяснен с точки зрения атомной теории закон постоянства состава химических соединений.
Дальнейшее развитие науки подтвердило теорию Дальтона и привело к новым открытиям в области атомно-молекулярного строения вещества. В частности, было установлено, что соединяться в молекулы могут не только разнородные атомы, но и атомы одного и того же элемента. Так, молекула водорода состоит из двух атомов водорода, молекула кислорода — из двух атомов кислорода.
В зависимости от количества атомов в молекуле изменяются свойства веществ. Об этом говорит, например, такой факт. Известно, что после грозы дышится необыкновенно легко. В другое время даже в самом чистом, без всяких посторонних примесей, воздухе дышать труднее, чем в послегрозовом. В чем же дело? Разве в том и другом случае мы не дышим одним и тем же кислородом? Оказывается, что во время грозы образуется видоизмененный кислород, несколько отличающийся по своему составу от обычного кислорода. Обычно молекула кислорода состоит из двух атомов. Но во время грозы происходят некоторые процессы, в результате которых атомы кислорода соединяются не по два, а по три. Присутствие такого кислорода и объясняет то, что после грозы так легко и приятно дышать. Кислород, молекулы которого состоят из трех атомов, получил название озона, что значит «пахнущий».
Таким образом, можно сделать вывод, что свойства веществ зависят, во-первых, от того, из каких атомов состоят их молекулы, и, во-вторых,— от количества атомов, входящих в молекулу данного вещества.
Химики твердо установили, что свойства веществ зависят от свойств молекул, их составляющих, а свойства молекул определяются свойствами входящих в них атомов.
Но от чего зависят свойства самих атомов? Почему атомы каждого простого вещества или химического элемента одинаковы между собой, но отличаются от атомов всех других химических элементов? Чем определяются различные свойства разных химических элементов?
Важный шаг вперед в изучении разных видов атомов и свойств химических элементов был сделан великим русским химиком Д. И. Менделеевым. До Менделеева для химических элементов не было установлено никакой системы, никакого определенного порядка в изменении свойств от одних элементов к другим. Д. И. Менделеев создал эту систему, обнаружив определенные закономерности в свойствах химических элементов. Он начал с того, что расположил все известные в то время химические элементы в порядке возрастания весов составляющих их атомов, которые принято называть атомными весами. Сопоставляя затем свойства разных элементов, он тщательно проследил, как меняются эти свойства по мере
Условное изображение молекул некоторых веществ, состоящих из атомов водорода и кислорода. Кружок обозначает атом, латинские буквы: Н — водород, О — кислород.
возрастания атомного веса. Оказалось, что в изменении свойств элементов от более легких к более тяжелым наблюдается определенная периодичность. Сначала в каждом следующем элементе появлялись новые свойства, резко отличающие его от всех предыдущих. Например, бериллий с атомным весом 9,013[1] отличается довольно сильно от ближайшего к нему по атомному весу лития с атомным весом 6,940. Следующий за бериллием бор с атомным весом 10,82 не похож на бериллий и литий и так далее. Но следующий за неоном (атомный вес — 20,183) натрий (атомный вес — 22,991) по своим свойствам очень напоминает литий, затем магний (атомный вес — 24,32) похож на бериллий и так далее. Таким образом, свойства элементов, расположенных друг за другом в порядке возрастания их атомного веса, как бы повторяются.
Поместив элементы с похожими свойствами один под другим, Менделеев получил таблицу, состоящую из горизонтальных и вертикальных рядов: по горизонтали шли элементы с различными свойствами, тогда как в вертикальном ряду оказались группы элементов, очень близких друг к другу по своим свойствам. Эта таблица, которой химики широко пользуются до настоящего времени, получила название периодической системы Менделеева.