Страница 20 из 27
O2 + 2Н2 → 2 Н2O (пар).
Эта реакция, подтвержденная опытом, не имеет смысла, если рассматривать ее в тесной связи с атомной теорией Дальтона. Для него газы не могли быть двухатомными, поскольку отталкивающие силы мешают атомам соединяться. Дальтон всегда отстаивал одноатомные соединения (O + Н → ОН), но эта реакция не соответствует результату опытов.
Гей-Люссак (1778-1850) был сыном прокурора Людовика XVI. Несмотря на полученное техническое образование — он учился на инженера, — ученый очень быстро увлекся химией и сформулировал два знаменитых газовых закона, носящих его имя. Кроме того, он изучал магнетизм, путешествуя по Европе в компании своего друга Александра фон Гумбольдта, а также электрофизику и электрохимию. Ученый открыл бор и калий, а также, параллельно с сэром Гемфри Дэви, йод и хлор. Его интересовали такие разные темы, как производство пушек и громоотвода, синтез едких кислот и определение сплава для монет. Отчасти его деятельность, как и большинства французских ученых того времени, касалась политической жизни. Гей-Люссак был членом палаты депутатов, Луи Филипп сделал его пэром Франции.
В 1805 году Гей-Люссак сформулировал первый закон, который устанавливал отношение между объемом и температурой определенного количества идеального газа при постоянном давлении:
V/T = постоянная.
Этот закон носит имя Шарля (или Шарля — Люссака), потому что около 1787 года его уже сформулировал Жак Шарль. Второй закон Гей-Люссака
Р/T = постоянная устанавливает отношение между давлением и температурой определенного объема. Этот закон, а также закон Бойля (PV = С) составляют группу законов идеальных газов.
Объемы реагирующих газов показывали, что две частицы водорода, соединяясь с одной частицей кислорода, образуют две частицы водяного пара (см. рисунок). Однако один атом кислорода не может дать две частицы воды, потому что каждая частица воды должна содержать по одному атому кислорода. Разумеется, если только атомы не могут делиться. После уточнения, сделанного Гей-Люссаком, мы получили исправленную атомную массу кислорода (равную 16 единицам по отношению к водороду). Гей-Люссак утверждал, что основной характеристикой элемента является объем, а вовсе не его атомная масса, как считал Дальтон. Поэтому при реакции лучше измерять объем газа, а не массу. Ошибка, допущенная Дальтоном в рассуждениях, заключалась в том, что он не различал атомы и молекулы.
В газообразном состоянии при равных температуре и давлении отношения между объемами образующегося газа выражаются простыми целыми числами.
Жозеф-Луи Гей-Люссак, закон отношения объемов
Однако Гей-Люссак не отрицал гипотезу Джона Дальтона; он открыто признавал полученные результаты искусными, и хотя в своих химических исследованиях он поменял местами по важности массу и объем, атомная теория, по сути, ему подходила. Она объясняла опыты не только Дальтона, но и других ученых, таких как Томсон и Волластон. В этом Гей-Люссак разошелся со своим учителем Бертолле, который верил не в атомы, а в частицы, опираясь на декартову идею об их бесконечной делимости. Гей-Люссак попытался соединить обе гипотезы в следующем утверждении: "Химическая реакция протекает с большей силой, если элементы находятся в простых отношениях, или в кратных отношениях" (1814).
Вопрос о том, какая из гипотез вернее — система "одного объема" или "двух объемов",— был решен только в 1860 году, когда состоялся Первый Международный химический конгресс в Карлсруэ (Германия). В те годы химики не знали, каким критериям следовать, потому что массу и объем связывали с плотностью. Томас Томсон, например, предложил поделить соединения на три группы в зависимости от плотности пара: плотность, равная их атомной массе, двойной атомной массе или четверной. Другие химики, например Волластон, работали не с атомной массой, объемом или плотностью пара, а с количественными эквивалентами, установленными в результате стехиометрических экспериментов. Были и такие (например, сэр Гемфри Дэви), кто работал только с пропорциями. Если сегодня проблема кажется нам легко решаемой, то это потому, что мы уже ясно различаем атом, молекулу и моль, или грамм- молекулу.
Количество кислорода кислоты и основания в солях всегда соотносятся как простые кратные числа.
Йенс Якоб Берцелиус, правило кислоты (1812)
Именно в этот момент на сцену выходит швед Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848). Сначала он был врачом, но потом посвятил себя преподаванию и химии. Говорят, что размышляя о том, как опытами проиллюстрировать свои занятия, Берцелиус открыл новый — хотя, наверное, не такой уж и новый — закон кратных отношений, названный им правилом кислоты.
Берцелиус, как и Дальтон, интересовался работами Пруста и Рихтера. Открытый им закон принципиально отличало от других известных количественных законов то, что Берцелиус работал не с газами, а главным образом с кислотами и неорганическими солями. Он был азартным и блестящим исследователем. В 1812 году Бертолле пригласил его в Париж, но уже выехав, Берцелиус из-за войны между Швецией и Францией
Конгресс в Карлсруэ считается первой в мире конференцией по химии. Он проходил с 3 по 5 ноября 1860 года в немецком городе Карлсруэ. Главную трудность для участников и организаторов, среди которых были Фридрих Август Кёкуле (1829-1896), Адольф Вюрц (1817-1884) и Карл Вельцин (1813-1870), представляло соединение номенклатуры и химических обозначений, с одной стороны, и разной атомной массы — с другой. При решении первой задачи с огромным успехом были приняты предложенные Берцелиусом обозначения и формулы. А вот по поводу атомной массы, начиная с публикации работ Дальтона в 1803 году, состоялось много споров о разных системах. Дальтон предложил водород (масса равна 1) как основу и присвоил 6 углероду и 8 — кислороду. В итоге, после того как было установлено, что некоторые элементы являются не одноатомными, а двухатомными (как кислород и водород), были приняты следующие значения:
1 для водорода, 12 для углерода, 16 для кислорода. Самый значительный вклад в эту работу внес итальянец Станислао Канниццаро (1826-1910).
Станислао Канниццаро в 1897 году.
Канниццаро предложил следующее: если сравнить плотность двух газов и допустить, что в одном объеме содержится одинаковое количество частиц (гипотеза Авогадро), можно получить отношение между атомными массами этих газов. Например, зная, что плотность соляной кислоты (HCI), воды (Н20), аммиака (NH3) и метана (СН4), измеренная в объеме 1 литр при нормальной атмосфере (1) и температуре 100°С, равна 1,19 г/л, 0,589 г/л, 0,557 г/л, и 0,524 г/л, то, вычислив процент веса интересующего нас элемента (в данном случае водорода, который в этих соединениях будет равен соответственно 2,76%, 11,2%, 17,7% и 25,1%), мы сможем вычислить массу элемента в соединении: 3,28 сг, 6,60 сг, 9,86 сг и 13,15 сг. Наглядно видно, числа соотносятся как 1, 2, 3 и 4. Это позволило Канниццаро утверждать, что атомный вес водорода равен 1 и что соляная кислота содержит 1 его атом, вода — 2, аммиак — 3 и метан — 4, и это соответствует действительности.