Книга: Химия - просто

Глава 7. Мал, да удал. Атом

Глава 7. Мал, да удал. Атом

Итак, теперь нам с тобой известны три ступени развития химии. Для закрепления материала напомню о них коротко, пунктирно. На первой ступени наука довольствуется сбором фактов, а её представители занимаются наблюдениями и записью результатов. Проще говоря, первая ступень — это период наблюдения, он характерен для древних народов и алхимиков.

Введение понятия «флогистон» подняло химию на вторую ступень развития: наступил период систематики, когда учёные озаботились созданием системы химических тел на основе их происхождения. Усовершенствовать химическую систематику помогла теория горения Лавуазье.

Вместе с тем благодаря открытию общих законов природы — закона сохранения массы и закона сохранения энергии — в химии произошёл серьёзный переворот, и наука поднялась на третью ступень развития: из описательной превратилась в рациональную.

Следующий вопрос, назревший в области химии, был сформулирован так: из чего состоит окружающая нас материя? Нет — нет, речь в данном случае шла не о химическом составе материи, а о том, как выглядит и что собой представляет самая маленькая частица, из которой состоят все окружающие нас предметы? И существует ли такая частица вообще?

Для наглядности обратимся к примерам. Итак, если мы взглянем на спил дерева, то увидим кольца. Если положим под микроскоп камень, то увидим отдельные кусочки, спаянные стекловидной массой. Если приглядимся к разрезу металлического рельса, то различим отдельные кристаллики, из которых и состоит этот кажущийся нам однородным предмет. Если же посмотрим на каплю чистой воды, то даже при увеличении мы не сможем выделить в ней отдельные частицы.

И здесь нам опять придётся вернуться на первую ступень развития химии — чтобы проследить за развитием человеческой мысли в данном вопросе.

Предположение, что все тела состоят из отдельных мелких частичек, между которыми имеются промежутки, первым высказал древнегреческий философ Демокрит (460–370 гг. до н. э.). Эти малые частички он назвал «атомами». В переводе с древнегреческого языка слово «атом» означает «неделимый». А гипотеза, основывающаяся на существовании этих частиц и рассматривающая их свойства, называется «атомистической гипотезой».

Демокрит

Так можно ли разделить неделимый «атом»? Если отклониться от современного понимания сущности атома, то мысленно мы можем, конечно, его разделить. А вот на практике каждая такая попытка ограничивалась техническими возможностями, имевшимися в распоряжении учёных на конкретный момент времени. Впрочем, в XVIII веке такой задачи перед ними ещё и не стояло. Важнее было понять, какова же самая маленькая существующая частичка?

Решающим моментом в данном вопросе является предположение, что любое вещество построено из отдельных частиц. Но здесь возникает очередной вопрос (его, кстати, очень часто задают современные школьники): для чего нам это знание может пригодиться и какую конкретную пользу оно может принести?

Чтобы положить конец беспредметному словоблудию, давай рассмотрим конкретные примеры. Всем нам прекрасно известно, что большинство тел при нагревании расширяются, а при охлаждении, наоборот, сжимаются. Если допустить, что эти тела состоят из сплошного, монолитного вещества, вывод напросится один: объём этих тел должен оставаться неизменным. Но мы-то ведь знаем, что это не так! Мы ведь видим на практике совершенно обратное!

Хорошо, тогда давай предположим, что вся материя построена из атомов и что объём атомов не изменяем, но при этом между атомам и есть пустоты. Вот это уже проще представить и объяснить, правда? Ведь тогда пустоты, отделяющие атомы друг от друга, смогут менять свой объём в зависимости от давления или температуры. Согласен?

Другой пример. Все мы миллион раз видели, как сахар растворяется в воде. А ты задумывался, почему сахар исчезает? Что с ним происходит? И вот здесь нам на выручку приходит атомистическая гипотеза: с её помощью мы легко можем представить, как частички сахара размещаются между частицами воды, которые раздвигаются, чтобы освободить им место.

Подобным же образом атомистическая гипотеза помогает нам получить представление о химических соединениях. Например, что вода — это соединение атомов водорода с атомами кислорода.

Приведённые примеры показывают, что предположение о существовании атомов, которое не поддавалось опытному доказательству в XIX веке, тем не менее позволило учёным того времени вывести верные заключения об устройстве окружающего мира. Практически тогда же они пришли к выводу, что отдельные атомы могут соединяться друг с другом, образуя своеобразные скопления. Такие группы, состоящие из двух и более атомов, мы и по сей день называем молекулами.

Молекула вещества

Кстати, забавный факт: в школьных учебниках того времени физика определялась как наука о молекулах, а химия — как наука об атомах. При этом атомы и молекулы считались тогда не реально существующими, а всего лишь плодом воображения, порождением человеческой фантазии.

Поверив наконец в то, что вся материя, любое вещество состоит из атомов, учёные поставили перед собой очередной закономерный вопрос: а сколько же весит этот самый атом?

На самом деле массу (вес) атомов начали вычислять ещё в XVII веке, причём даже не подозревая об этом. Дело в том, что немецкий химик Иеремия Вениамин Рихтер (1762–1807) и Иосиф Людовик Пру (1755–1826) открыли в своё время три закона стехиометрии. Подробно разбирать эти законы мы не будем, так как иначе уйдём от лёгкого повествования к сложным математическим расчётам и там заблудимся. Просто коротко остановимся на выводах, прямо или косвенно вытекающих из законов и опытов двух этих учёных.

Иеремия Вениамин Рихтер

Впрочем, первый закон стехиометрии я всё же здесь приведу, поскольку он довольно прост.

Два тела соединяются друг с другом в определённом весовом соотношении.

Например, водород соединяется с хлором и образуется соляная кислота (HCl). Причём весовое соотношение водорода к хлору в соляной кислоте всегда выражается числовым соотношением 1:35,5. И это соотношение никогда не меняется. Если чего — то будет больше или меньше, то какое-то вещество (то, которого было больше) попросту не прореагирует полностью. А теперь ради интереса посмотри в таблице Менделеева на молярные массы водорода и хлора. Знакомые цифры?! А ведь химики XVII века даже ещё и не подозревали, что соляная кислота состоит из атомов водорода и хлора! Они просто брали одно вещество, добавляли к нему другое и получали третье. И при этом умудрялись определять оптимальное соотношение исходных веществ, необходимое для полного их реагирования (без остатка).

То есть примерные веса элементов в XIX веке уже были известны. И они прекрасно укладывались в атомистическую теорию, которая начинала рассматривать химизм реакций.

Также учёные доказали, что одни и те же элементы, соединяясь между собою, могут образовывать разные вещества. В частности, английский химик Джон Дальтон (1766–1844), уже знакомый нам учитель юного Джеймса Джоуля, доказал, что при образовании молекул в её состав может входить только целое число атомов. Например, какое-нибудь соединение не может состоять из 1,5 атомов. Вроде бы логично, но учёные тех времён только начали развивать атомистическую теорию, постепенно выдвигая на её основе новые законы.

Джон Дальтон

Дальтон первым вызволил из забвения Демокритовы атомы и применил их для объяснения химических явлений и законов. Он быстро понял, что с помощью атомистической гипотезы можно наглядно и легко представить все основные законы химии.

Ответить на вопрос «Сколько весит атом?» учёные по-прежнему не могли, так как в виду микроскопичности размеров его невозможно было взвесить никакими известными им методами. Тогда они пошли другим путём. Те веса, что учёным удалось вычислить, были признаны относительными, то есть вычисленными по отношению к какому-то одному элементу. Например, как в соотношении водорода к хлору в соляной кислоте (1:35,5): атомный вес водорода был принят за единицу, а относительно него был посчитан вес хлора.

В качестве такого элемента можно было выбрать водород или, например, кислород, атомный вес которого решили считать равным 16. Но, как ты, наверное, уже догадался, при таком подходе к делу мог начаться полный кавардак. Если одни учёные начнут брать за точку отсчёта водород, а другие — кислород, путаницы не избежать.

После введения гипотезы Дальтона в науку подобная неопределённость существовала в химии ещё долго, сильно затрудняя проведение научных исследований. Пользуясь неодинаковыми основными единицами, а следовательно и различными формулами соединений, учёные перестали понимать друг друга.

Любопытный факт: до последней четверти XIX века формулу воды писали не H₂O, а НО. Считалось, что на один атом водорода приходится один атом кислорода.

Выход из создавшегося положения нашёл итальянский учёный Амедео Авогадро (1776–1856). Он родился в Турине, был дворянином и, как и Лавуазье, должен был пойти учиться в адвокатуру. Но, опять же как Лавуазье, отказался от изучения законов, придуманных человеком, в пользу законов природы. В 33 года Авогадро стал доцентом «философии природы», а когда сделал себе в научных кругах имя, король Виктор Эммануил создал для него в Турине специальную кафедру математической физики. Правда, спустя три года кафедру упразднили и восстановили только в 1833 году, но её тут же занял знаменитый французский математик Огюстен Луи Коши. И лишь через год кафедра вновь отошла в распоряжение Авогадро.

Амедео Авогадро

Главная заслуга Авогадро заключается в том, что он выдвинул гипотезу, позволившую наконец определять относительные веса молекул. В 1811 году он предположил, что одинаковые объёмы различных газов содержат одинаковое число частиц. Три года спустя к аналогичному заключению пришёл и знаменитый физик Ампер, однако другие учёные ещё долго не признавали эту гипотезу, несмотря на её простоту и огромное значение для определения атомных весов.

Наряду с вопросом о весе атомов и молекул перед химиками стоял также вопрос о размерах, диаметрах этих частиц. Поскольку разглядеть их в микроскоп не представлялось никакой возможности, учёные чего только не придумывали! В частности, делали из золота сверхтонкую пластинку, измеряли её площадь, взвешивали и, зная плотность золота, высчитывали толщину, которая в расчётах могла достигать 0,000066 миллиметра. Учёные приходили к выводу, что атом много меньше этого значения. Немецкий физик Рентген получал плёнки толщиной в 0,0000005 миллиметра. Значит, атом ещё меньше.

На основании других, более сложных опытов, проведённых независимо друг от друга, учёные вычислили, сколько частиц содержится в одном кубическом сантиметре газа при атмосферном давлении и нуле градусов по Цельсию. Поскольку ранее Авогадро установил, что в одинаковом объёме различных газов содержится одинаковое количество частиц, это число было принято за константу (постоянную величину). Правда, ей присвоили имя австрийского физика Лошмидта (постоянная Лошмидта), так как он первым установил, что в одном кубическом сантиметре газа содержится 32»10¹⁸ частиц. Теперь, если признать, что частица имеет форму шара, легко стало вычислить её радиус. В ходе дальнейших расчётов удалось установить, что размер одной частицы чрезвычайно мал: составляет примерно 10^-9 метра.

Такие размеры очень трудно представить даже мысленно. Да и зачем, если у нас под рукой всегда есть математика, способная проникнуть туда, куда не суждено проникнуть человеческому глазу? Так что теперь задача по определению размера частиц полностью легла на плечи математиков.

Перечень символов химических элементов Дж. Дальтона (1808)

Однако существует и другой путь. Благодаря радию заветная мечта физиков, заключающаяся в непосредственном визуальном наблюдении за атомами, приблизилась к осуществлению. Как известно, радий излучает альфа-частицы, а альфа-частица — это ядро атома гелия. Так вот если в тёмной комнате положить руду, содержащую радий, то на установленном напротив фосфоресцирующем экране можно будет наблюдать вспыхивание маленьких огоньков. Эти огоньки возникают при столкновении ядер атомов гелия с материалом экрана-пластинки. И человеческий глаз прекрасно данный процесс воспринимает.