Глава вторая. Атомы

Глава вторая. Атомы

Физические явления, происходящие в окружающем нас мире, представляют бесконечную цепь загадок. Вода, охлаждаясь, превращается в твердый, бесцветный лед, нагреваясь же, становится невидимым водяным паром. Если ее слегка подкислить серной кислотой и пропускать через нее электрический ток, она постепенно превращается в два газа - водород и кислород. Стоит только смешать эти газы и поджечь их искрой, как они со взрывом снова превращаются в воду. Блестящее железо в сыром воздухе превращается в ржавчину. Горящий уголь становится углекислым газом. Подлинно, «природа находит удовольствие во всевозможных превращениях», как когда-то сказал знаменитый английский ученый Исаак Ньютон. И все эти превращения ставят перед нами все тот же вопрос: в чем заключается интимная, внутренняя сторона всех этих явлений, которые мы воспринимаем как холод, как тепло, как пламя, как взрыв и т. д.? Каков закулисный механизм всех этих театральных эффектов, которые мы все время наблюдаем и которые изучает физика и химия? С давних пор люди стремились получить ответ на этот вопрос. И еще перед тем, как наука доросла до того, чтобы суметь ответить на этот вопрос правильно, нетерпеливые философы пытались ответить на него, заменив строгое исследование простой догадкой.

В глубокой древности, больше чем 2000 лет тому назад (в 5-м столетии до начала нашего летосчисления), греческие философы Демокрит Абдерский и Левкипп высказали замечательную догадку, которой впоследствии было суждено сыграть огромную роль в истории научного понимания мира. Демокрит и Левкипп утверждали, что все вещи в мире состоят из ничтожно малых, невидимых глазу по причине своей малости, частиц. Эти частицы уже не могут быть разрезаны на дальнейшие части, они являются последними и самыми основными частицами всего существующего на свете; поэтому они получили название «атомов» (по-гречески «атомос» значит неделимое - то, что не может быть разрезано или разорвано). Но в том рое атомов, которым является каждое тело окружающего нас мира, мы не видим отдельных атомов, подобно тому как в рое пчел мы издали не видим отдельных пчел: все пчелы сливаются для нас в одну сплошную тучу. Все явления, происходящие на свете, заключаются лишь в том, что атомы движутся в пространстве, образуют друг с другом разные комбинации, затем эти комбинации распадаются, возникают новые и т. д. Мы можем видеть пламя, ощущать холод, тепло, слышать звук и т. д., но все это лишь внешняя видимость вещей, воспринимаемая нашими несовершенными органами чувств, а на самом деле (с той самой внутренней, закулисной стороны, о которой мы говорили раньше) происходит одно только движение атомов, их перемещение в пространстве, разрушение и возникновение все новых и новых построек из того же самого вечного материала - атомов.

В этом и заключалось учение Левкиппа и Демокрита. Хотя оно было основано на простой догадке и не было подкреплено серьезными доказательствами, тем не менее оно получило широкое распространение уже в глубокой древности. Учение о том, что все тела природы состоят из атомов разной величины и разной формы, было особенно развито Эпикуром (300 лет до начала нашего летосчисления) и Лукрецием (в I веке до начала нашего летосчисления). Не только греко-римская цивилизация создала это учение, но и индийская: современник Лукреция индийский философ Канада учил, что тела состоят из атомов, отличающихся друг от друга различными свойствами. Мельчайшая пылинка солнечного луча,- так учил Канада,- состоит из шести атомов, из которых каждые два «волей бога или еще чем-нибудь» соединены в двойные атомы. Четыре пылинки солнечного луча образуют следующую по сложности частицу,- с восхитительной наглостью продолжает Канада (как будто он мог обо всем этом хоть что-нибудь знать!). Так, смешанная с фантастическими и грубо ошибочными рассуждениями, создавалась атомистическая теория - одна из наиболее глубоких и важных теорий строения вещества.

В средние века атомистическая теория имела сравнительно мало сторонников. Но в XVII веке, когда наука стала огромными шагами идти вперед, когда появилась научная механика и начала появляться научная химия, атомистическая теория снова стала распространяться среди физиков и философов. Вот что говорит об атомах Исаак Ньютон (приводим в точном переводе этот отрывок, чрезвычайно характерный для науки XVII столетия): «Мне представляется, что бог с самого начала сотворил вещество в виде твердых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц и что этим частицам он придал такие размеры, такую форму и такие другие свойства и создал их в таких относительных количествах, как ему нужно было для той цели, для которой он их сотворил. Эти первичные частицы абсолютно тверды: они неизмеримо более тверды, чем те тела, которые из них состоят,- настолько тверды, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются вдребезги, так как нет такой силы, которая могла бы разделить на части то, что сам бог создал неразделимым и целым в первый день творения. Именно потому, что сами частицы остаются целыми и неизменными, они могут образовать тела, обладающие той же самой природой и тем же строением во веки веков; ведь если бы частицы изнашивались или разбивались на части, то зависящая от них природа вещей изменилась бы. Вода и земля, составленные из старых изношенных частиц и осколков, отличались бы по строению и свойствам от воды и земли, построенных из еще целых частиц в начале творения. Поэтому, для того чтобы природа могла быть долговечной, все изменения тел природы могут заключаться лишь в перемене расположения, в образовании новых комбинаций и в движении этих вечных частиц. Бог мог создать частицы вещества, обладающие разными размерами и разной формой, поместить их на разных расстояниях друг от друга, наделить их, быть может, разными плотностями и разными действующими силами. Во всем этом я, по крайней мере, не вижу никаких внутренних противоречий. Итак, по-видимому, все тела были построены из вышеупомянутых твердых непроницаемых частиц, которые были в первый день творения размещены в пространстве по указанию божественного разума».

В 1661 году англичанин Роберт Бойль опубликовал книгу под заглавием «Скептический химик». В этой книге он дал необыкновенно ясный анализ атомистической теории с точки зрения химии. Атомы, как учил Роберт Бойль, бывают различных сортов; все тела, построенные из атомов одного и того же сорта, являются «простыми телами» (теперь говорят - химическими элементами). Атомы могут, соединяясь друг с другом, образовывать более сложные частицы. Если какое-нибудь тело состоит из одинаковых частиц, каждая из которых есть комбинация нескольких атомов разного сорта, то такое тело, по Бойлю, является «совершенной смесью» (теперь принято говорить - химическим соединением). Всякая «совершенная смесь» может быть разложена на «простые тела», из которых она состоит. Однако скудные химические познания XVII века не дали Бойлю возможности установить, какие из окружающих нас тел являются «совершенными смесями», а какие - «простыми телами». Он даже склонен был допустить, что единственным известным «простым телом» является вода, а что все другие вещества - в том числе железо, медь, золото, серебро, свинец, ртуть - это «совершенные, смеси». В этом Бойль заблуждался, и больше столетия понадобилось для того, чтобы выяснить, какие тела являются сложными, т. е. «смесями», а какие - простыми.

В 1808 году в Лондоне вышел первый том книги «Новая система химической философии», написанной Джоном Дальтоном, учителем в Манчестере. В этой книге Дальтон, по существу, повторяет взгляды Бойля, но какая огромная разница между книгами Бойля и Дальтона! Не будем забывать, что между выходом этих двух книг прошло 147 лет и что в течение этих лет в химии появился Лавуазье. Уже было известно, что водород, кислород, азот, углерод, сера, фосфор, натрий и калий (открыты Дэви в 1807 году), кальций, стронций, барий и магний (открыты тем же Дэви в 1808 году), железо, цинк, медь, свинец, серебро, платина, золото и ртуть являются простыми телами, а вода, аммиак, углекислый газ и многие другие - сложными. В химии уже употреблялись весы, и целый ряд количественных анализов сложных веществ уже был произведен. Поэтому Джон Дальтон и мог поставить перед собой смелую задачу: определить относительные массы всевозможных атомов.

Водород - простое тело, рассуждал Дальтон, значит, водород состоит из атомов одного и того же сорта - атомов водорода. Обозначим атом водорода значком . Кислород - тоже простое тело; значит, кислород состоит из атомов кислорода. Введем для них значок . Вода - это химическое соединение («совершенная смесь», как сказал бы Роберт Бойль); значит, она состоит из каких-то частиц, каждая из которых представляет комбинацию определенного числа водородных атомов с определенным числом кислородных атомов. Такую частицу, состоящую из нескольких сцепленных друг" с другом атомов, Джон Дальтон называл «сложным - атомом»; в химии теперь предпочитают употреблять слово «молекула», которым и мы будем все время пользоваться. Итак, вода или водяной пар состоит из молекул воды. Каждая молекула воды/ как решил Дальтон, руководствуясь при этом «принципом простоты», состоит из двух атомов - атома водорода и атома кислорода. Молекула воды, по Дальтону, имеет вот какой вид:

Отсюда легко заключить, во сколько раз атом кислорода тяжелее, чем атом водорода. Каждый фунт[ 3 ] воды - как гласили химические анализы, произведенные самим Дальтоном и другими современными ему химиками,- состоит из 1/8 фунта водорода и из 7/8 фунта кислорода. А так как все молекулы воды совершенно одинаковы, то, значит, и в каждой молекуле воды 1/8 часть ее массы - это масса атома водорода, а остальные 7/8 ее массы - это масса атома кислорода. Отсюда следует, что атом кислорода весит в 7 раз больше атома водорода. Если взять массу атома водорода за единицу, то масса атома кислорода будет равна семи.

Таким же образом Дальтон определил и во сколько раз масса атома азота, который он обозначил значком , больше массы атома водорода Для этого он воспользовался химическим анализом газа аммиака, который является химическим соединением азота и водорода. Руководствуясь тем же самым принципом простоты, Дальтон предположил, что молекула аммиака состоит из одного атома водорода и одного атома азота, т. е. имеет вид .

Анализы аммиака показали, что каждый фунт аммиака состоит из 1/6 фунта водорода и 5/6 фунта азота. Применяя такое же самое рассуждение, как раньше, легко заключить, что атом азота должен быть в пять раз тяжелее, чем атом водорода. Если по-прежнему считать массу атома водорода равной единице, то масса атома азота окажется, по Дальтону, равной пяти.

Большим испытанием для атомистической теории оказался случай углерода. Углерод образует с кислородом не одно, а целых два различных соединения: в одном из них (окись углерода) на заданное количество углерода приходится сравнительно мало кислорода, а в другом (углекислый газ) - гораздо больше.

Поэтому молекулу окиси углерода Дальтон предложил рисовать в виде , где значок обозначает атом углерода, а молекулу углекислого газа, в которой кислорода больше, он предложил рисовать так: _. Иными словами, по Дальтону, молекула углекислого газа состоит из трех атомов (двух кислородных и одного углеродного), а молекула окиси углерода - из двух атомов - кислородного и углеродного. Химический анализ углекислого газа показал, что фунт углекислого газа состоит из 5/19 фунта углерода и 14/19 фунта кислорода. Так как такое же самое соотношение должно быть и для массы каждой отдельной молекулы углекислого газа, то, значит, масса атома углерода равна 5/14 частям массы двух атомов кислорода, т. е. она равна 5/7 массы одного кислородного атома. Сохраняя ту же условную единицу (масса атома водорода равна единице массы) и зная, что в этих отношениях масса атома кислорода равна 7, мы найдём, что масса атома углерода должна быть равна 5.

До сих пор мы еще нигде не имели повода проверить правильность этих взглядов, сделав из них какой-нибудь вывод, который можно было бы уже затем сравнить с опытом. Но теперь такая возможность представляется: если верно то, что мы говорили о массах атомов углерода и кислорода, то в окиси углерода, молекула которой имеет вид , отношение массы кислорода к массе углерода должно быть 7 : 5. Так и оказалось: опыт показал, что из 7 фунтов кислорода и 5 фунтов углерода получается 12 фунтов окиси углерода. Таким образом, взгляды Дальтона получили блестящее количественное подтверждение. Следует, впрочем, сказать, что химические анализы Дальтона были довольно неточны и цифры количественного состава химических соединений, которые были здесь приведены, несколько отличаются от правильных. Тем не менее Дальтон, несмотря на грубость своих анализов, был совершенно убежден в правильности атомистической гипотезы.

Таблица химических символов и атомных масс по Дальтону; (1808 г.)

Один биограф Дальтона говорит о нем так: «Дальтон был атомист до мозга костей. Он был глубоко убежден в правильности взглядов Ньютона. Для него его атомы - «твердые, непроницаемые, подвижные» - были такой же реальностью, как если бы он видел их собственными глазами и трогал руками. В своем воображении он видел в воздухе атомы кислорода, азота и водяного пара. Он рисовал их на бумаге».

Приведем из книги Дальтона значки, обозначающие атомы разных химических элементов, и их атомные массы (см. таблицу; за единицу массы по-прежнему принята масса атома водорода).

Таковы те первичные частицы, те атомы, те «кирпичи мироздания», из которых, по Дальтону, состоят все тела на свете.

Комбинация из нескольких атомов образует молекулу («сложный атом», как говорил Дальтон); сложные тела состоят из одинаковых молекул - такие тела являются химическими соединениями, например вола или аммиак, и их состав в процентах может быть легко вычислен, если знать состав молекулы (например, в случае воды в _, в случае углекислого газа) и относительные массы атомов, входящих в молекулу; или же сложные тела состоят из разных молекул - такие тела являются не химическими соединениями, а смесями, например, воздух представляет смесь молекул кислорода с молекулами азота и с небольшим количеством молекул воды и углекислого газа.

Химические реакции, по Дальтону, заключаются в том, что атомы вступают друг с другом в разные комбинации, образуя «сложные атомы» (молекулы), затем эти молекулы распадаются, образуются новые молекулы и т. д., подобно тому, как танцоры, переходя от одного танца к другому, образуют новые комбинации. Но сами атомы при этом остаются неизменными и вечными: меняется только их распределение. «Каждая частица воды,- говорит Дальтон в своей «Химической философии»,- в точности похожа па любую другую частицу воды; каждая частица водорода в точности похожа на любую другую частицу водорода и т. д. Химическое разложение и химическое соединение означают лишь то, что атомы удаляются друг от друга или же снова сцепляются вместе. Но химик не способен уничтожить материю или создать ее вновь. Пытаться создать или уничтожить хотя бы один атом водорода так же безнадежно, как пытаться прибавить еще одну планету к Солнечной системе или уничтожить какую-нибудь из существующих планет. Все, что мы можем сделать,- это разъединить атомы, соединившиеся или сцепившиеся друг с другом, или же соединить те атомы, которые сейчас находятся на большом расстоянии друг от друга».

«Химическая философия», изложенная в этих строках Дальтона, действительно стала философией целого ряда поколений химиков и физиков. Невозможность создания хотя бы одного нового атома данного химического элемента, невозможность превращения одних атомов в другие - все это было необходимым выводом из всего огромного опытного материала, на котором основывалась научная химия. Когда-то, в средние века, химики - тогда они назывались алхимиками - поставили своей целью искусственное приготовление золота; но это невозможно, как следует из «химической философии» Джона Дальтона, потому что ведь золото - это химический элемент, и, значит, невозможно ни создать, ни разрушить хотя бы один-единственный атом ; можно лишь извлечь золото из какого-нибудь химического соединения, в котором оно уже находится, но невозможно создать новое золото из свинца или ртути. И в самом деле, разве из всех стараний алхимиков хоть что-нибудь вышло? Получить золото из свинца или ртути им так и не удалось. И «химическая философия» Дальтона раз и навсегда ставила крест над попытками алхимиков: эти попытки были обречены на неудачу, потому что атомы вечны и неразрушимы.

В этом пункте Дальтон не совсем сходился с Бойлем, который в 1661 году писал, что хотя атомы остаются неизменными при всех химических явлениях, но тем не менее когда-нибудь будет найден некий «сильный и тонкий агент», с помощью которого удастся разбить атомы на более мелкие части и превратить одни атомы в другие. Эта мысль Бойля казалась Дальтону чистой фантазией: ни один химический факт не указывал на то, что атомы возможно разбивать на части и превращать друг в друга. Впрочем, в 1816 году неожиданно нашелся один сторонник этой мысли Роберта Бойля, пытавшийся подтвердить ее фактами. Это был лондонский вольнопрактикующий врач Уильям Праут, который напечатал в журнале «Философские анналы» («Annals of Philosophy») статью, где обращал особенное внимание на тот факт, что все атомные массы, которые определил Дальтон и которые приведены в его «Химической философии», выражаются целыми числами. .Это - очень замечательный факт, говорил Праут, ведь если бы атомы всех химических элементов были первичными, основными частицами, подлинными «кирпичами мироздания», неразложимыми на частя и нисколько не связанными друг с другом, то какая могла бы быть причина того, что атом азота ровно в пять раз превосходит по массе атом водорода, а атом кислорода - ровно в семь раз? Праут предложил совсем другом взгляд на атомы, нисколько не противоречащий химическим опытам, но вместе с тем объясняющий и тот замечательный факт, что все атомные массы (измеренные в предположении, что масса атома водорода принята за единицу) оказались целыми числами. Мнение Праута вот какое: атом азота, который, по Дальтону, ровно в пять раз превосходит по массе атом водорода,- это и есть пять атомов водорода, очень тесно сцепленных друг с другом; атом кислорода - это семь атомов водорода, тесно сцепленных друг с другом; атом ртути - это 167 тесно прижавшихся друг к другу водородных атомов и т. д. Выходит, что все на свете состоит в конечном счете из водорода. А чем же объяснить, что все-таки в химических опытах никак не удается, например, разложить кислород на водород? Очень просто, отвечает Праут, все дело в том, что когда семь атомов водорода сцепляются, чтобы образовать атом кислорода, то они сцепляются гораздо теснее, чем тогда, когда, например, атом водорода и атом кислорода сцепляются, чтобы образовать молекулу воды. Поэтому-то в химических опытах и удается разложить молекулу воды на атом водорода и атом кислорода, но никак не удается разложить атом кислорода на семь атомов водорода, т. е. удается разложить воду на водород и кислород, но не удается превратить кислород в водород. Атомы всех веществ, кроме водорода, по мнению Праута,- это такие же молекулы, но только гораздо более прочные и тесно сцепившиеся, а поэтому, действуя обыкновенными химическими способами, не удается их разложить. Но что произойдет, если когда-нибудь будет найден «сильный и тонкий агент», о котором мечтал Роберт Бойль? Ведь с его помощью возможно будет превращать элементы друг в друга и даже, если угодно, осуществить идеал алхимии - получение золота: например (см. таблицу Дальтона), разбить атом на один атом и двадцать семь атомов , т. е. разложить ртуть на золото и водород.

Статья Праута была очень убедительна,- многие поверили в то, что водород есть действительно «первичное вещество», из которого состоит все на свете. Одна только была беда - те химические анализы, основываясь на которых Дальтон вычислил свои атомные массы, были очень уж неточны: Дальтон был, правду сказать, плохой экспериментатор. Если провести анализы тщательнее и вычислить атомные массы точнее, то окажутся ли они по-прежнему целыми числами?

За грандиозную работу точного определения атомных масс и точного анализа состава химических соединений взялся знаменитый шведский химик Пенс Якоб Берцелиус. Берцелиусу, больше чем кому-нибудь другому, химия обязана тем, что она стала точной наукой. Берцелиус был убежденнейшим сторонником атомистической теории Дальтона, которую он называл «одним из величайших успехов химии». Но в других отношениях он многого не мог простить Дальтону. «Следует упрекнуть Дальтона в том,- писал Берцелиус,- что он чересчур доверял своей собственной гипотезе и мало подвергал ее экспериментальной проверке. Можно подумать, что даже в тех немногочисленных химических анализах, которые производил Дальтон, он руководствовался желанием получить определенный результат, а ведь такого способа действий всегда нужно остерегаться, особенно если цель опытов - получить решающее доказательство в пользу или против какого-нибудь предвзятого теоретического мнения». И Берцелиус вооружился самой точной химической аппаратурой, какую только он мог достать или построить, и принялся за свои анализы. В течение своей жизни Берцелиус проанализировал больше двух тысяч различных химических соединений, и результаты его анализов отличаются от самых точных теперешних результатов не больше чем на 1-2% (попутно Берцелиус открыл и несколько химических элементов, до него неизвестных: селен, кремний, циркон[ 4 ], торий, тантал). Вычисляя атомные массы, Берцелиус никогда не определял состав молекулы анализируемого вещества наугад, как это делал Дальтон, предположивший «для простоты», что молекула воды имеет состав , а молекула аммиака - состав (т. е. что каждая из этих молекул состоит из двух атомов). Берцелиус стремился определить состав молекулы так, чтобы удовлетворительно объяснить возможно большее число химических фактов. Таким образом Берцелиус обнаружил, например, что молекула воды состоит не из двух атомов, а из трех - одного кислородного и двух водородных, что молекула аммиака состоит из четырех атомов - одного азотного и трех водородных, и т. д. Все это привело к тому, что хотя работы Берцелиуса и дали блестящее подтверждение основных идей Дальтона, но полученные Дальтоном конкретные цифры - атомные массы - оказались сплошь неверны. Берцелиус опубликовал свои атомные массы два раза. Один раз в 1818 году он выпустил таблицу атомных масс, основанную на химических анализах, которые представляли рекорд возможной тогда в химии точности (но, все же в атомных массах, выведенных из этих анализов, еще было очень много ошибок вследствие неверных формул состава молекул). В 1826 году Берцелиус опубликовал новую таблицу, в которой он побил свои собственные рекорды точности. Атомные массы, которые были помещены в этой таблице, в громадном большинстве случаев очень близки к тем, которые приняты в химии и теперь.

Небольшую путаницу, которая еще оставалась у Берцелиуса, устранил в 1860 году итальянский химик Станислав Канниццаро; собравшийся 3 сентября 1860 года в Карлсруэ Международный конгресс химиков принял систему относительных атомных масс, предложенную Канниццаро, и этот момент принято считать началом современной химии.

Мы приведем таблицу химических элементов и их атомных масс, принятую в настоящее время[ 5 ]. Заметим только, что теперь в качестве единицы атомной массы уже больше не принимают массу атома водорода, как предлагал в свое время Дальтон.

Сейчас атомная единица массы (а.е.м.) выбрана так, чтобы масса атома самого распространенного изотопа углерода была в точности равна 12 а.е.м. Масса атома водорода оказалась при этом чуть больше 1 а.е.м.

В таблицах обычно указывают относительную атомную массу химического элемента - отношение массы атома элемента к атомной единице массы. Эта система единиц принята и в той таблице, которую мы приводим. Что касается указанных там же значков (символов) химических элементов, то они уже нисколько не похожи на кружки Дальтона. Берцелиус предложил - и это было принято огромным большинством химиков, а потом и всеми без исключения - применять в качестве значка химического элемента начальную букву или две буквы его латинского названия (например, водород обозначать буквой Н от латинского Hydrogenium, азот - буквой N от латинского Nitrogenium, железо - значком Fe от Ferrum, медь - Cu - от Cuprum, углерод - С от Carbo и т. д.). Когда нужно обозначить молекулу, то, если в ней есть несколько атомов одного и того же химического элемента, обозначение этого атома не повторяется, как это делал Дальтон, изображавший, молекулу углекислого газа в виде _, а просто внизу приписывается цифра, указывающая число атомов; например, та же молекула углекислого газа, состав которой Дальтон случайно угадал правильно, пишется в виде СO₂ (С - углерод, О - кислород), молекула воды записывается Н₂O, молекула аммиака - NH₃ и т. д. Упрямый Дальтон до конца жизни (он умер в 1844 году) не хотел принять обозначений Берцелиуса (как из того же упрямства он не хотел принять и его точных атомных масс, предпочитая свои, неточные). Ворча, он говорил, что легче изучить древнееврейский язык, чем понять что-нибудь в химических формулах Берцелиуса. Но мы можем наглядно убедиться в удобстве обозначений Берцелиуса на примере молекулы тростникового сахара, которая по системе Берцелиуса записывается формулой С₁₂Н₂₂О₁₁ (12 атомов углерода, 22 атома водорода, 11 атомов кислорода); по Дальтону же пришлось бы нарисовать сорок пять кружков, двенадцать из них зачернить, а в двадцати двух поставить в середине точку. Обозначения Берцелиуса позволяют также легко записать в виде формулы и то, что происходит при химической реакции: это записывают обыкновенно в виде равенства, где слева стоит все, что было до реакции, а справа - все, что стало после реакции. Например, горение водорода в кислороде, дающее в результате воду, пишется в виде уравнения

2H₂+O₂=2H₂O

(две молекулы водорода и одна молекула кислорода дают две молекулы воды; заметим по поводу этой формулы, что обыкновенный водород состоит из молекул, содержащих каждая по два водородных атома, и подобным же образом кислород состоит из молекул, каждая из которых составлена из двух атомов кислорода). Горение черного пороха может быть представлено формулой

2KNO₃ + S + ЗС = K₂S + N₂ + ЗСО₂

(две молекулы калийной селитры, атом серы, три атома углерода, соединяясь, дают молекулу сернистого калия, молекулу азота и три молекулы углекислого газа).

Еще удобнее было бы (хотя, впрочем, это мало принято у химиков) вместо знака = писать стрелку , отчетливее указывающую направление химического превращения; обе реакции, которые в виде примера были только что написаны, при этом приняли бы вид

2Н₂ + O₂ 2Н₂O, 2KNO₃ + S + ЗС K₂S + N₂ + 3CO₂.

После всех этих предварительных разговоров и объяснений приводим таблицу ныне известных химических элементов и их атомных масс.

Не преувеличивая, можно сказать, что эта небольшая таблица, помещающаяся на одной-двух страницах, представляет концентрированный результат упорнейшего труда многих поколений химиков, со времен Берцелиуса и до наших дней. (Порядок, в котором в этой таблице расположены элементы, выбран не случайно: элементы расположены в порядке растущей атомной массы.)

Спросим себя, что же стало с гипотезой Праута, которая была основана на том, что атомные массы элементов - точные целые числа? Осталось ли что-нибудь от этой гипотезы? Увы, не только весьма точные современные числа не подтверждают мнения Праута о целочисленности атомных масс, но даже и первые измерения Берцелиуса показали, что не все атомные массы являются целыми числами.

Таблица химических элементов, их символов и атомных масс[ 6 ]

Таблица (продолжение)

Примером может служить хлор, атомная масса которого равна 35,453 (в таблице Берцелиуса, составленной в 1826 году, атомная масса хлора 35,4). Поэтому гипотеза Праута в том виде, в каком он ее сформулировал, безусловно долита быть отброшена.

Заметим все же, просматривая нашу таблицу, что очень многие атомные массы, особенно в начале таблицы, весьма близки к целым числам, иногда в точности им равны, например, у фтора и углерода, а иногда отличаются от них меньше чем на 0,01, например, у водорода, гелия, азота, натрия и т. д. Это странное обстоятельство заставляет как будто отнестись с некоторым вниманием к гипотезе Праута[ 7 ], так как трудно себе представить, чтобы это могло быть результатом чистого случая, но тем не менее такие атомные массы, как у магния или хлора, не говоря уже о многочисленных элементах с большими атомными массами, все-таки принуждают отбросить предположение о том, что все атомы состоят из атомов водорода.

Поэтому в XIX столетии совершенно укрепилось и распространилось представление о том, что все тела в мире состоят из этих нескольких десятков сортов атомов, которые являются совершенно независимыми друг от друга основными элементами мироздания. Атомы вечны и неразрушимы и не могут превращаться друг в друга. «Даже когда Солнечная система распадется и на ее развалинах возникнут другие миры, атомы, из которых она состоит, останутся целыми и неизношенными»,- так сказал в 1873 году в одной речи знаменитый английский физик Джемс Клерк Максвелл, основатель современной теории электрического и магнитного полей. Из этой цитаты видно, как нераздельно властвовали в физике идеи Дальтона даже через несколько десятилетий после появления его «Химической философии».

И все же, несмотря на все это, среди физиков и химиков продолжало жить смутное убеждение в том, что между атомами различных химических элементов имеются какие-то связи, что эти атомы образуют какую-то естественную систему. Удивительно, что эта мысль была отчетливо сформулирована еще задолго до того, как стало известно, какие именно химические элементы существуют в природе. В 1786 году немец Н.Г.Марне напечатал книгу, озаглавленную «О числе элементов». В этой книге, мистической и странной, он выражает свое глубокое убеждение в том, что «от мельчайшей пылинки солнечного пуча до святейшего серафима можно воздвигнуть целую лестницу творений» и что атомы химических элементов тоже являются ступенями этой лестницы. Марне продолжает: «Подобно тому, как каждый отдельный тон созвучен тому же тону октавой выше или ниже вследствие связи между числом колебаний струн, так же и определенные химические элементы («основные вещества», как называет их Марне) могут по тем же причинам стоять в самом близком родстве друг с другом, несмотря на то, что в их естественной последовательности между ними находятся многие вещества: с этими веществами они так же не могут соединиться, как два тона не могут приятно звучать вместе, несмотря на свою близость, если они находятся в отношении секунды».

Эта идея Марне не могла привести ни к каким последствиям, пока химические элементы не были в достаточной мере выделены и изучены. Но после того, как Канниццаро опубликовал (в 1858 году) свою таблицу атомных масс, стремление к естественной классификации химических элементов должно было принести свои плоды.

В 1863 году англичанин Дж. А. Ньюлендс, воспользовавшись атомными массами Канниццаро, нашел, что если . расположить элементы в порядке возрастания их атомных масс, то такой список элементов естественно разлагается на октавы, т. е. на строчки по семь элементов в каждой, где каждый элемент обладает большим сходством с одинаковым по номеру элементом предыдущей и последующей октав. Приведем первые три октавы Ньюлендса:

Н, Li, Be, В, С, N, О;

F, Na, Mg, Al, Si, Р, S;

С1, К, Са, Сг, Ti, Mn, Fe.

Аналогия проявляется в том, что все элементы, стоящие на втором месте в своей октаве (литий, натрий, калий), являются так называемыми щелочными металлами, образующими соединения по одному и тому же типу, например дающими соли LiCl, NaCl, КСl; элементы, стоящие на третьем месте в октаве (бериллий, магний, кальций), являются так называемыми щелочноземельными металлами, дающими тоже похожие друг на друга, но уже иного типа соединения, например соли ВеС1₂, MgCl₂, СаС1₂.Фтор весьма похож по своей химической природе на стоящий под ним хлор, азот обнаруживает некоторые аналогии с фосфором, кислород - с серой и т. д. Заметим, впрочем, что все получается так хорошо и убедительно лишь в первых октавах Ньюлендса: в дальнейших октавах было гораздо больше путаницы, и в некоторых случаях для ее устранения Ньюлендс позволил себе отступить от принятого им плана и располагать элементы не совсем в порядке возрастания атомной массы. Так или иначе, эта предложенная Ньюлендсом классификация, являвшаяся конкретным воплощением старой идеи Марне, не имела никакого успеха среди химиков. Когда Ньюлендс попробовал "рассказать о своей классификации химических элементов съезду английских естествоиспытателей, его почти не хотели слушать, и председатель химической секции съезда насмешливо спросил Ньюлендса,- а не пробовал ли он располагать химические элементы в порядке алфавита и не получалось ли и при этом каких-нибудь закономерностей.

Через несколько лет после этой попытки Ньюлендса она была повторена двумя другими учеными, работавшими над вопросом естественной классификации элементов совершенно независимо друг от друга. Одним из них был Юлиус Лотар Мейер, профессор университета в Бреслау (ныне Вроцлав в ПНР), другим - Дмитрий Иванович Менделеев, профессор университета в С.-Петербурге. И Мейер, и Менделеев сообразили, что могут существовать и элементы, еще не открытые химиками, а поэтому, если этого требует классификация, можно оставлять в таблице пропуски, соответствующие еще не открытым элементам.

Периодическая таблица элементов, опубликованная в 1869 г. Д. И. Менделеевым.

Кроме того, они сочли схему Ньюлендса с ее одинаковыми строчками чрезмерно узкой и допустили, что строчки (периоды) могут становиться длиннее к концу таблицы. Мы приводим «периодическую таблицу элементов», которую опубликовал Д. И. Менделеев в 1869 году в немецком журнале «Zeitschrift fur Chemie» (таблица приводится в несколько измененном виде, но так, что все идеи Менделеева, содержащиеся в его статье, переданы правильно).

В этой таблице курсивом даны те элементы, которые были поставлены Менделеевым неправильно вследствие познания их атомных масс или по другим причинам (в 1870 году Менделеев исправил большую часть этих ошибок). Уже в четвертой строке таблицы классификация потребовала оставления пустых мест. На этих пустых местах должны находиться какие-то еще не открытые элементы, а именно должен быть один элемент между кальцием п эрбием (впрочем, эрбий здесь поставлен по ошибке, и уже в 1870 году Менделеев правильно поставил вместо эрбия титан) и два элемента между цинком и, мышьяком. Этим элементам Менделеев дал следующие названия: элементу, который должен стоять после кальция, он дал имя экабор, а двум элементам, которые должны идти за цинком,- имена экаалюминий и экакремний (экабор, как видно из таблицы, должен быть аналогичен бору, а экаалюминий и экакремний - алюминию и кремнию). Менделеев был настолько убежден в своей классификации, что имел смелость заранее описать свойства этих трех элементов, прежде чем их откроют. Чтобы предсказать свойства, например, экакремния, он сообразил, что экакремний по своим свойствам должен быть чем-то средним между цинком и мышьяком (но заметно ближе к мышьяку) и что, с другой стороны, он должен иметь много сходства с кремнием и с элементом под ним, т. е. с оловом, будучи чем-то средним между кремнием и оловом. (Все это читатель легко поймет, пользуясь приведенной таблицей.)

И что же? Предсказания Менделеева блестящим образом сбылись. Летом 1875 года французский химик Лекок де Буабодран, исследуя найденный в Пиренейских горах кусок руды (цинковой обманки), обнаружил в этой руде новый химический элемент, который но своим свойствам был совершенно таким же, как предсказанный Менделеевым экаалюминий. Найденному им элементу Лекок де Буабодран дал название галлий (от латинского слова Галлия, что значит Франция). В 1879 году шведские химики Нильсон и Клеве нашли в одном редком норвежском минерале эвксените предсказанный Менделеевым экабор и назвали его скандием (по-латыни Скандия значит Швеция), И наконец, в 1885 году немецкий химик К. Винклер, исследуя только что открытый в фрейбургских рудниках в Саксонии минерал аргиродит, нашел в нем предсказанный Менделеевым экакремний. Продолжая тот же ряд патриотических названий, Винклер назвал экакремний германием.

Чтобы убедиться, насколько точны были предсказания Менделеева, сравним свойства экакремния и германия:

Свойства экакремния (обозначался Es), предсказанные Менделеевым в 1871 г.

Экакремний - серый металл, плавится с трудом, атомная маска - 72.

Плотность экакремния должна быть 5,5 г/см³.

Окись экакремпия должна иметь формулу EsO₂ и плотность 4,7 г/см³. Под действием водорода из нее должен выделяться экакремний.

Хлористый экакремний EsCU должен иметь плотность 1,9 г/см³ и кипеть при 90° С.

Фтористый экакремний EsF₄ не летуч.

Сернистый экакремний EsS₂ должен растворяться в сернистом аммоппи.

Экакремний этил Es(C₂H₅)₄ должен иметь плотность 0,96 г/см³ и кипеть при 160° С.

Свойства германия (обозначается Ge), изученные К. Винклером в 1886 г.

Германий - серый, трудно возгоняющийся металл, атомная масса - 72,6.

Плотность германия 5,409 г/см3.

Плотность окиси германия GeO₂ 4,703 г/см³. Под действием водорода из нее выделяется германий.

Хлористый германий GeCl₄ имеет плотность 1,887 г/см³ и кипит при 86° С.

Фтористый германий GeF₄-3Н₂O- твердое белое вещество.

Сернистый германий GeS₂ растворяется в сернистом аммонии.

Германий этил Ge (С₂Н₅)₄ имеет плотность 0,991 г/см³ и кипит при 160° С.

Пожалуй, можно сказать, что Менделеев предвидел в этом элементе все, кроме его названия.

После такой блестящей победы никто уже не мог сомневаться в том, что «периодический закон» Менделеева действительно выражает какое-то весьма глубокое свойство химических элементов и что атомы химических элементов могут быть расположены в какой-то «системе родства». Но что означает это, родство химических элементов, эти связи между разными атомами, не имеющими, казалось бы, ничего общего друг с другом,- этого в те времена еще никто - в том числе и сам Менделеев - не сумел бы сказать.

Периодический закон Менделеева, как выразился один историк химии, «среди многочисленных зданий научных теорий, воздвигнутых в XIX веке, был похож на обелиск, покрытый непонятными письменами; расшифровать эти письмена - вот великая задача, которую девятнадцатый век оставил в наследство двадцатому».

Приведем еще периодическую таблицу элементов в том виде, который она имела в тридцатых годах. Заметим, что предсказания свойств новых элементов на основании периодического закона неоднократно делались и впоследствии; так, например, У. Рамзай, после открытия (им и Дж. У. Рэлеем) аргона и гелия, предсказал существование неона, криптона, ксенона, которые он потом и открыл вместе с Траверсом в 1898 году.

Нет ничего невозможного в том, что в природе существуют и элементы, обладающие большей атомной массой, чем уран.

Периодическая таблица элементов Менделеева (первая половина 30-х гг. XX века).

Эти элементы, если они существуют, должны были бы в нашей таблице попасть на места, идущие после урана. Но до сих пор эти элементы еще не были обнаружены в природе [ 8 ]).

Таково, в общих чертах, учение об атомах химических элементов, созданное Дальтоном и определившее все дальнейшее развитие химии в XIX столетии. Но если гипотеза об атомах и молекулах оказалась такой важной и такой полезной для химии, то какую роль она сыграла в физике, занимающейся гораздо более широкой областью явлений природы, чем химия? Следует заметить, что в физике гипотеза атомов существовала и играла очень большую роль задолго до той поры, когда Дальтон сделал учение об атомах и молекулах необходимым для того, чтобы хоть что-нибудь понимать в химических явлениях. Ведь мы уже говорили о том, как и к теории атомов относился такой гениальный и авторитетный физик, как Исаак Ньютон. Представление об атомах служило физикам для того, чтобы составить ясное понятие о целом ряде физических явлений. Мы нагреваем тело - это тело расширяется. С точки зрения атомной гипотезы это значит, что атомы несколько отошли друг от друга - пустые промежутки между ними увеличились. Как можно было бы наглядно представить себе такое простое явление, как расширение тел при нагревании, если считать вещество не состоящим из атомов, а непрерывный и сплошным? Все газы обладают гораздо меньшей плотностью, чем жидкости и твердые тела,- это значит, что атомы (или молекулы) газов находятся на очень больших расстояниях друг от друга; поэтому-то так легко сжать газ, т. е. уменьшить пустые промежутки между его атомами или молекулами. Сжать сколько-нибудь заметно жидкость или твердое тело очень трудно, а уменьшить посредством сжатия объем жидкого или твердого тела в несколько раз вовсе невозможно. Что это значит? Это значит, что в жидких и твердых телах между атомами почти нет пустых промежутков; атомы почти соприкасаются друг с другом, как дробинки в мешочке с дробью, если его хорошенько встряхнуть.

Всякий газ давит изнутри на поверхность стенок того сосуда, в котором этот газ заключен. Как это понять? Очень просто: стоит только предположить, что атомы (или молекулы) газа не находятся в покое, а, напротив, все время очень быстро движутся. Если это так, то они должны все время наталкиваться на стенки сосуда и отскакивать от них, как отскакивают бильярдные шары от борта бильярда; стенки сосуда, в котором заперт газ, должны все время испытывать изнутри целый град толчков, целую бомбардировку со стороны молекул газа. Если увеличить объем сосуда, отодвинув в нем крышку или поршень, или если открыть перед молекулами газа дверь, ведущую в соседнее пустое пространство, то быстро движущиеся молекулы сейчас же начнут проникать в предоставленный им новый объем, пока весь сосуд не заполнится газом равномерно и целиком. Вот почему всякий газ всегда стремится расшириться и заполнить весь предоставленный ему объем. Легко понять, что будет, если сжать газ, находящийся в каком-нибудь сосуде с поршнем: молекулы газа, занимавшие раньше большой объем, теперь вынуждены будут сконцентрироваться в меньшем объеме, а поэтому на каждый квадратный сантиметр поверхности стенки будет приходиться в течение секунды больше ударов молекул, т. е. молекулярная бомбардировка на каждый квадратный сантиметр стенки возрастает. Давление газа, запертого в сосуде, увеличивается при уменьшении объема этого сосуда. Если нагреть газ, запертый в сосуде, не изменяя его объема, то давление газа, как показывают опыты, возрастает. Так как число атомов и молекул осталось тем же самым, то для того, чтобы понять, почему молекулярная бомбардировка увеличилась, необходимо допустить, что при повышении температуры молекулы и атомы начинают двигаться быстрее: вследствие увеличившейся скорости их движения возрастет и число ударов в секунду о стенку (ведь при возросшей скорости каждая молекула успевает в течение секунды большее число раз слетать от одной стенки сосуда до другой и обратно) и, кроме того, возрастет и сила каждого отдельного удара. Это допущение о том, что при повышении температуры скорость движения атомов и молекул растет, должно относиться не только к газам, но и к жидкостям, и к твердым телам: без этого невозможно понять, каким образом при нагревании происходит испарение.