Существование атомов

Теперь, когда у нас есть атомный вес, довольно просто понять, что называется молекулярным весом. Молекулярный вес — эта сумма атомных весов всех атомов в молекуле. Давайте начнем, скажем, с кислорода (атомный вес 16) и водорода (атомный вес 1)[117].

Химические опыты показывают, что при нормальных условиях атомарный кислород и водород практически не встречаются в природе, а наоборот, два атома стремятся соединиться друг с другом, чтобы образовать устойчивую молекулу. Молекулы газов кислорода и водорода состоят из двух атомов. Таким образом, химические формулы этих газов выглядят как O₂ и Н₂. Если нижний индекс отсутствует, значит, речь идет об отдельных атомах кислорода и водорода. Получается, что молекулярный вес молекулы кислорода — 32, а водорода — 2.

Озон состоит из 3 атомов кислорода, значит, его молекулярная масса равна 48. Молекулярная масса воды (Н₂O) равна 18, а так как мы знаем, что атомный вес углерода 12, то молекулярная масса молекулы углекислоты (СO₂) равна 44.

Удобно использовать количество вещества в граммах, равное его молекулярному весу. Например, удобно использовать 2 грамма водорода, 32 грамма кислорода, 18 граммов воды или 44 грамма углекислоты. Это называется грамм-молекулярным весом, или моль. То есть масса одного моля углекислоты равна 44 граммам, а одного моля озона — 48 граммам.

Впрочем, иногда встречаются вещества, состоящие из одного атома, например инертные газы гелий и аргон. Некоторые твердые элементы, такие как углерод и натрий, для удобства принимаются за одноатомные. Это уже называется грамм-атомным весом. Атомный вес гелий равняется 4, а натрия — 23, значит, их грамм-атомный вес 4 и 23 грамма соответственно. Как правило, моль подразумевает и грамм-молекулярный, и грамм-атомный вес.

Впервые об удобстве использования моля заговорил в 1811 году итальянский химик Амедео Авогадро (1776–1856). Эго гипотеза получила название гипотезы Авогадро. В современной интерпретации она звучит так: равные объемы любых газов при одинаковой температуре и давлении содержат равное количество молекул.

Впоследствии гипотеза Авогадро подтвердилась.

Объем одного моля водорода (2 грамма) при нормальном давлении и температуре 0 °С равен приблизительно 22,4 литра. Один моль кислорода (32 грамма) в 16 раз тяжелее одного моля водорода, но и каждая молекула кислорода в 16 раз тяжелее одной молекулы водорода. Значит, в одном моле кислорода содержится столько же молекул, сколько и в одном моле водорода. По гипотезе Авогадро, 32 грамма кислорода занимают такой же объем (22,4 литра), как и один моль водорода. Так и есть. Это правило верно и для других газов.

Короче говоря, один моль любого газа занимает один и тот же объем. Число молекул в одном моле любого газа называется числом Авогадро.

Один и тот же объем занимает один моль только лишь у газов. Однако гипотеза Авогадро нашла куда более широкое применение. В одном моле любого твердого, жидкого и газообразного вещества содержится одно и то же число молекул — число Авогадро. (Когда речь идет об одноатомных веществах, таких как гелий, то это число молекул в общем-то содержится в одном грамм-атоме, а не в одном моле, ну да это детали.)

Если бы только химики знали точное значение числа Авогадро, то они смогли бы раз и навсегда определить массу одной молекулы и лишний раз подтвердить существование атомов. А пока к атомам относились как к невидимым для глаза частичкам, которые просто удобно использовать для объяснения химических реакций. Но если определить точную массу одной молекулы, посчитать точное количество молекул в стакане воды или в грамме железа, тогда уже никто не усомнится в существовании атомов.

К несчастью, только полвека спустя ученые смогли выяснить значение числа Авогадро, да и то лишь приблизительно. До этого химики могли утверждать лишь то, что оно очень велико.

Все произошло в 1865 году. Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) совместно с австрийским физиком Людвигом Больцманом выявил свойства газов на основе математического анализа беспорядочного движения атомов и молекул газа (см. ч. I). С помощью формул, разработанных Максвеллом и Больцманом, можно было хотя бы приблизительно подсчитать число молекул. По расчетам немецкого химика Лошмидта, число Авогадро равнялось приблизительно 600 миллиардам триллионов молекул. Действительно, немало.

Более точные расчеты были проведены в XX веке. Оказалось, что Лошмидт был недалек от истины: принятое в наше время значение числа Авогадро равняется 602 300 000 000 000 000 000 000, или 6,023?10²³.

Если один моль кислорода весит 32 грамма и содержит 6,023?10²³ молекул, то масса одной молекулы кислорода будет равна 32/6,023?10²³, или примерно 5,3?10^–28 г. Но так как одна молекула кислорода состоит из двух атомов, то масса одного атома равна примерно 2,65?10^–28 г. Зная массу одного атома кислорода, по атомному весу остальных элементов таблицы можно вычислить массу их атомов.

Например, атомный вес водорода равен ¹/₁₆ атомного веса кислорода, значит, масса одного атома водорода должна быть равна ¹/₁₆ массы атома кислорода. Сегодня за массу одного атома водорода (самого легкого атома) приняты 1,67343?10^–24, или 0,00000000000000000000000167343 г.

Если представить атомы как сферы и принять во внимание то, что в жидкостях и твердых веществах атомы находятся в непосредственном контакте, то с помощью числа Авогадро можно приблизительно высчитать диаметр атома. Диаметр равен 10^–8 см. То есть в 1 см примерно 250 000 000 атомов.

Когда видишь, насколько малы атомы, то становится понятным, почему Демокрит, установивший существование атомов путем лишь логических рассуждений, гак и не смог убедить остальных в существовании атомов.

Однако существование атомов можно доказать лишь косвенно. В обычной жизни мы верим лишь прямым доказательствам, особенно тем, что можем сами увидеть. «Пока своими глазами не увижу, не поверю», — гласит народная мудрость.

Конечно же иногда человеку, чтобы поверить, недостаточно просто видеть. Ведь существует вероятность галлюцинации или оптического обмана. К тому же не каждый может правильно объяснить то, что он видит (а видит он, например, то, что земля плоская). Получается, что осторожные и логичные умозаключения, основанные на большом объеме верных, но косвенных знаний, могут стать намного более надежным проводником к важным выводам, чем чувства.

И тем не менее, когда стало возможно посмотреть на атом, люди (в том числе и ученые) крайне обрадовались. А возможным это с помощью специальных микроскопов сделал немецкий физик Эрвин Вильгельм Мюллер.

Первым таким микроскопом стал созданный в 1936 году автоэлектронный микроскоп. Его основу составляет тончайшая игла в вакууме. Под действием сильного электрического поля с конца этой игры срываются мельчайшие частицы и, попадая на экран вакуумной трубки, рисуют атомную структуру кончика иглы. К сожалению, даже в вакууме содержатся отдельные молекулы газов, летящие частицы ударяются о них и сбиваются с курса[118]. В результате картина становится смазанной, что называется «не в фокусе».

В 50-х годах Мюллер использовал более тяжелые частицы и добавил в вакуум немного атомов гелия. Как только один из таких атомов ударялся о кончик иглы, то под действием электрического поля преобразовывался в ион гелия и по прямой летел в экран.

Более тяжелые молекулы гелия реже сбиваются с курса при столкновениях с молекулами газа, и изображение получается гораздо более четкое. Такой микроскоп называется ионным. На экране видно, что атомы кончика иглы идеально круглые и находятся в определенном порядке. В микроскопе можно применять лишь некоторые легкоплавкие металлы, но, тем не менее, он делает атомы «видимыми», то есть доказывает их существование. Несколько таких фотографий атомов уже стали классикой науки.