Страница 23 из 93
При всякой попытке привести что-либо в систему сразу же возникает вопрос: «А по какому признаку?» Если у вас в коробке навалены в беспорядке кубики с номерами, то упорядочить их не составляет труда: достаточно расставить их в порядке номеров. А теперь представьте, что вместо кубиков у вас в руках пробирки с химическими элементами. В этих пробирках вещества разного цвета и запаха, жидкие и твердые, тяжелые и легкие. Какое из этих качеств следует взять за основу классификации? Например, пробирки можно расставить на полке так, что их цвета образуют радугу. Это будет красиво, но для науки об элементах бесполезно: всякая систематика имеет смысл лишь в том случае, если она позволяет выявить глубокие свойства или особенности строения. (Такова, например, систематика зоологических видов.)
Чем вообще полезна любая система, кроме того, что она удовлетворяет наше инстинктивное стремление к простоте? Прежде всего — и это самое важное — без нее невозможна никакая наука. Мозг ученого — лишь небольшая часть природы, и он может надеяться познать всю природу только в том случае, если научится выделять в ней главные черты среди нагромождения деталей.
У химических элементов очень много свойств, что вполне понятно: ведь из них построен весь мир. Самое важное из них — способность вступать в химические реакции. Казалось бы, именно это свойство элементов и нужно положить в основу их классификации. Однако это не так: нет способа точно измерить (и даже строго определить) реакционную способность элементов. А без этого любая систематика ненадежна: чтобы не быть произвольной, она должна опираться на число, то есть элементы нужно классифицировать по тому их свойству, которое поддается точному измерению.
Но и здесь не все просто: плотность веществ мы можем измерить очень точно, однако положить ее в основу систематики нельзя — хотя бы потому, что среди элементов есть и газы, и жидкости, и твердые тела.
Многочисленные неудачные попытки найти систему элементов помогли, наконец, понять, что среди различных их свойств, доступных непосредственному наблюдению, нет того единственного, благодаря которому была найдена система элементов. Это свойство — атомная масса элемента — лежит вне химии и целиком принадлежит физике. Тот момент, когда это впервые поняли, можно считать началом современного учения о химических элементах. Этот решающий шаг сделал Джон Дальтон.
ЭЛЕМЕНТЫ И АТОМЫ
Среди ученых своего времени Джон Дальтон — очень своеобразная фигура. В начале XIX века уже все уверовали в науку и поняли секрет ее могущества: она имеет дело с числами, а числа не обманут. Поэтому превыше всего в то время ценили искусство ставить точные опыты. Дальтон этим качеством решительно не обладал и потому при жизни подвергался нападкам маститых ученых. По складу ума это был типичный теоретик, как мы себе представляем сейчас эту профессию. Поэтому не следует слишком строго судить неточности измерений в его работах: на их основе он высказал светлые и плодотворные мысли, которые определили развитие химии на последующие сто лет. Суть его открытия состоит в том, что он указал экспериментальный путь проверки атомной гипотезы.
Дальтон определил элемент как вещество, состоящее из атомов одного вида. Атомы различных веществ различаются между собой по массе и при всех превращениях вещества остаются неизменными — происходит лишь их перегруппировка. «Мы с таким же успехом можем стараться прибавить новую планету в Солнечную систему, как уничтожить или создать атом водорода»,— писал Дальтон. Он не только твердо поверил в атомную гипотезу, но стал искать вытекающие из нее и притом наблюдаемые следствия. Ход его рассуждений состоял примерно в следующем.
Допустим, что все элементы состоят из атомов Тогда, скажем, в 16 г кислорода содержится N атомов кислорода. Предположим теперь, что мы сжигаем в этом кислороде водород. Легко измерить, что для сжигания 2 г водорода надо затратить 16 г кислорода, в результате чего получается 18 г воды. Первая мысль, которая приходит при этом в голову стороннику атомной гипотезы, состоит в том, что каждый атом кислорода О соединяется с одним атомом водорода 96
Н, образуя молекулу воды НО. Именно так думал и Дальтон. В дальнейшем Берцелиус доказал, что он немного неправ, а именно: с каждым атомом кислорода соединяются два атома водорода и поэтому формула воды принимает привычный для нас вид: НгО. Но здесь самое важное — идея: с каждым атомом кислорода соединяется целое число атомов водорода. Поэтому если в 16 г кислорода содержится N атомов, то в 2 г водорода — 2N атомов. А это означает, что один атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода.
Таким образом, появилась возможность сравнивать между собой массы атомов различных элементов. Ввели понятие атомная масса — число, которое показывает, во сколько раз атом какого-либо элемента тяжелее атома водорода, атомную массу которого по определению приняли за единицу.
К этим результатам Дальтон пришел в 1804—1805 гг., а в 1808 г. вышла его знаменитая книга «Новая система химической философии», открывшая в науке новую эпоху. Его выводы тут же проверил английский врач и химик Уильям Волластон (тот самый, который впервые обнаружил темные линии в спектре Солнца) и убедился в их справедливости.
Оставалось сделать последнее: научиться определять атомные массы элементов. Для этого нужно было выбрать простейшие вещества. Прежде всего обратили внимание на газы. Почти сразу же, в 1809 г., бывший ассистент Бертолле французский ученый Джозеф Луи Гей-Люссак (1778— 1850) — мы знаем его по «газовому закону Гей-Люссака» — сделал очень важное открытие: объемы двух газов, вступающих в реакцию, всегда относятся друг к другу как простые целые числа. Не массы, а объемы. Как мы скоро увидим, это очень важно. Например, чтобы получить воду, нужно в одном объеме кислорода сжечь ровно два объема водорода. Отсюда уже сам напрашивается вывод: в равных объемах газов содержится одинаковое число атомов.
Именно к такому выводу пришел в 1811 г. итальянский ученый Амедео Авогадро (1776—1856), только сформулировал его точнее: в равных объемах газов содержится одинаковое число молекул. Теперь мы знаем, что молекулы большинства газов (водорода, кислорода, азота и т. д.) состоят из двух атомов (Н2, О2, N2). После этого уже ничего не стоит
понять классический опыт по сжиганию водорода в кислороде. Известно, что при этом из 1 объема кислорода и 2 объемов водорода образуется 2 объема водяного пара. Коротко этот факт записывают уравнением
2Нг Ог = 2НгО.
В чем значение открытий Гей-Люссака и Авогадро и почему мы так подробно остановились на этих простых фактах?
Проследим еще раз цепочку рассуждений. В равных объемах газов содержится одинаковое число молекул. Известно, что 2 г водорода занимают объем 22,4 л; обозначим число молекул, которое содержится в этом объеме, через Мд- Те же самые Аа молекул кислорода занимают тот же объем 22,4 л, но масса их при этом не 2 г, а 32 г. Отсюда следует, что каждый атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода; это означает, что, измерив плотность какого-либо газа и сравнив ее с плотностью водорода, мы сразу же определим его атомную массу.
Нигде до сих пор реальность атомной гипотезы не была видна так явно. Действительно, плотность — величина легко измеримая и привычная, поскольку она воздействует на наши органы чувств. Поразительно то, что таким простым способом можно измерить атомную массу — величину, недоступную непосредственному восприятию.
Число молекул А, которые помещаются в 22,4 л любого газа при О °C и давлении 1 атмосфера, называют теперь постоянной Авогадро. Это одна из основных постоянных физики — подобно скорости света с или постоянной Планка h. Чтобы определить ее, достаточно знать абсолютную массу М одного атома водорода. И поскольку в 22,4 л содержится 2 г таких атомов, то число N^ — 2/М.