И снова таинственный атом

И снова таинственный атом

Полная картина влияния состава веществ на их свойства прояснится, писал М.Ломоносов, «не раньше, чем будет определено число химических элементов и будет точно изучена химическая природа их». Пока же, как мы видим у Лавуазье, в ряду химических элементов значатся свет и тепло. Было немало и других флюидов, среди них, в частности, пользовались полным признанием носители магнитных и электрических явлений.

Словом, алхимические воззрения не сдавали без боя своих позиций. Правда, о том, что составляло главную страсть алхимиков в прошлом — о золоте, в научной среде теперь говорить было не принято, это считалось дурным тоном, поскольку такое занятие полностью ассоциировалось с шарлатанством. И вот именно в такой обстановке известный учёный, член Лондонского Королевского общества Джемс Прис печатает вдруг отчёт об экспериментах, в которых ему якобы удались превращения металлов. Ему тотчас предложили выступить на заседании общества. Он отговаривался, ссылался на то, что весь запас философского камня уже израсходован — ничего не помогло, пришлось выступать. Конечно, ничего вразумительного показать членам общества Прис не смог.

Отвергнутый всем научным миром, заклеймённый его презрением, Прис отравился.

В 1800 г. учёные с изумлением, а обыватели с недоверием узнали о таком пророчестве профессора Гитанера: «В XIX веке превращение одних металлов в другие будет осуществлено. Каждый химик будет уметь изготовлять золото. Кухонная посуда будет изготовлена из золота и серебра. Это будет в значительной степени иметь своим результатом то, что мы будем ограждены от многих заболеваний и что наша жизнь будет продлена…»

Вторая половина XVIII — первая половина XIX в. ознаменовались открытием ряда элементов, о существовании которых ранее ничего не знали: кобальт, никель, платина, марганец, молибден, вольфрам, бериллий, титан, хром, калий, натрий, кальций, магний, барий, стронций, кадмий, торий, цезий… Шквал открытий! Бурно развивалось химическое производство, нарастало вполне понятное желание учёных всё многообразие свойств веществ и химических процессов объяснить с позиций единой теории.

Как ни странно, впечатляющие достижения практической химии не только не гасили надежду на достижение пророчества Гитанера, а скорее, подогревали её.

Герметические философы (так называли себя сторонники идеи превращения в золото неблагородных металлов) чурались старого алхимического хлама вроде магии и астрологии и в своих доказательствах опирались на данные современной науки. Они пытались убедить всех, что великие алхимики прошлого действительно умели получать золото из неблагородных металлов, только их секреты, к сожалению, утрачены. Такую, к примеру, точку зрения в 1832 г. высказал в своей «Истории алхимии» профессор Шмидер. В 1844 г. в Париже появился «Химический трактат», автор которого утверждал, что «есть надежда достигнуть осуществления великого дела». В 1854 г. нантский химик Тифферо представил Парижской академии «мемуар» с описанием опытов по превращению серебра в золото. Проверку этих опытов устроили в лаборатории монетного двора в присутствии авторитетного химика Леволя. К неудаче Тифферо парижские учёные отнеслись не в пример английским коллегам снисходительно: возможно, у него действительно «что-то получалось», ведь он имел дело с американским серебром, в котором были примеси золота и платины. Ни золото, ни платина в азотной кислоте не растворяются и выпадают в осадок, а заблуждающийся Тифферо посчитал, что они образуются из серебра.

Среди крупных учёных находились такие, которые достижения экспериментальной науки и усовершенствование техники эксперимента воспринимали как многообещающий подход к осуществлению идеи трансмутации «с другой стороны». Когда электричество широко вошло в физические и химические лаборатории в качестве инструмента исследования, не кто иной, как сам великий Фарадей, мнение которого никому и в голову не пришло бы опровергать, сказал буквально следующее: «Разлагать металлы, преобразовывать их и осуществить некогда казавшуюся абсурдной идею трансмутации — такова задача, которая стоит теперь перед химией».

Спустя десятилетия Э.Резерфорд, впервые осуществивший вторжение в атом, назвал свою книгу о ядерных превращениях «Современной алхимией». Если сопоставить этот факт с высказыванием Фарадея, можно при желании протянуть между ними ниточку. Только ниточка эта непременно порвётся, потому что идее трансмутации металлов суждено было сначала умереть, а потом снова воскреснуть.

Мы уже знакомы с атомистическими воззрениями Бойля, Ньютона, Ломоносова. В этом же ряду находится и голландский химик Герман Бургаве, предполагавший, что причиной химических реакций является притяжение и отталкивание мельчайших частиц вещества. Английский учёный Б.Хиггинс в работах 1775–1796 гг. высказал мнение, что молекулы вещества состоят из одного атома, сами же атомы твёрдые и круглые, как шарики. Силы притяжения между атомами обратно пропорциональны расстоянию между ними. Атомы окружены теплородной оболочкой: когда газы соединяются между собой, их атомы преодолевают сопротивление этой оболочки.

Племянник Б.Хиггинса У.Хиггинс, преподаватель Дублинского университета, написал книгу «Сравнительный анализ флогистонной и антифлогистонной теории» (1789). Работа эта знаменательна тем, что в ней сделана попытка установления постоянства состава химических соединений и высказано предположение о простых кратных отношениях.

Были другие работы, которые в историческом плане можно рассматривать как свидетельства логически неумолимого развития химии в направлении к атомно-молекулярной теории строения вещества.

Рождение химической атомистики связано с именем английского физика и химика Джона Дальтона (1766–1844).

«Занимаясь долгое время метеорологическими наблюдениями, — писал в 1810 г. Дальтон, — и размышляя о природе и строении атмосферы, я нередко удивлялся тому, как может сложная атмосфера или смесь двух или более упругих флюидов представлять массу явно однородную».

Пусть нас не смущает здесь слово «флюид» — его нередко встретишь в трудах учёных и гораздо позже: никакого алхимического смысла оно уже не имело.

Если верно, что науку движет удивление, любопытство, то пример с Дальтоном — лучшее тому доказательство. «Удивляясь и размышляя», он в 1787 г. пришёл к твёрдому убеждению, что испарение воды — это отрыв от неё частичек под воздействием теплоты. В 1801 г. сформулировал ставший классическим закон парциальных давлений: давление смеси газов, химически не взаимодействующих друг с другом, равно сумме их парциальных (свойственных каждому газу в отдельности) давлений. Через год вывел закон равномерного расширения газов с увеличением температуры (так уж случилось, что этот закон в то же самое время открыл французский учёный Ж.Гей-Люссак и под его именем вошёл в учебники по химии).

И наконец, формулирует исходные положения, которые в дальнейшем легли в основу стройной, хотя и противоречивой, атомистической теории. Вот эти положения:

Причиной «отталкивательной силы» (отталкивания газовых частиц друг от друга) является теплота (теплород). Частицы газов (упругих флюидов) состоят из маленького центрального атома, окружённого оболочкой теплорода, наиболее плотной непосредственно у атома. Частицы различных газов (упругих флюидов) имеют различный размер (поэтому смесь газов можно представить себе как смесь крупной и мелкой дроби: мелкие дробинки занимают промежутки, образуемые крупными).

В 1803 г. Дальтон приступил к химическим исследованиям, поставив перед собой цель определить экспериментально величину частиц. Такой цели ещё никто никогда не ставил.

Чтобы найти размер частицы, нужно, очевидно, какой-то объём газа разделить на число составляющих его частиц. Ну, а как узнать, сколько в этом объёме частиц? Надо знать вес частицы — тогда всё просто: вес газа, занимающего данный объём, разделим на вес частицы… Так появляется на свет важнейшая физическая и химическая характеристика элемента — атомный вес (ныне — атомная масса).

Годом раньше Дальтон предположил, что элементы могут соединяться между собой по правилу кратных отношений. Опираясь на это предположение, позже вошедшее в его атомистическую теорию на правах закона, а также на результаты весового и объёмного анализа различных химических соединений, полученные химиками, начиная с Лавуазье, Дальтон рассчитал относительные атомные веса 14 веществ. За единицу расчета он принял вес атома водорода как самого лёгкого газа.

В 1805 г. в «Записках Манчестерского литературно-философского общества» появляется статья Дальтона с первой в мире таблицей атомных весов.

Ф.Энгельс это событие оценил так: «В химии, особенно благодаря дальтоновскому открытию атомных весов, мы находим порядок, относительную устойчивость однажды достигнутых результатов и систематический, почти планомерный натиск на ещё не завоёванные области, сравнимый с правильной осадой какой-нибудь крепости».

Атомистика Дальтона была принята не сразу и не всеми. Даже спустя более чем 60 лет после опубликования первых работ Дальтона президент лондонского Химического общества Уильямсон отмечал, «что, с одной стороны, все химики применяют атомную теорию, а с другой — значительное число их смотрит на неё с недоверием, а некоторые — с откровенной неприязнью».

Причина такого отношения к атомистике не только в том, что Дальтон и его последователи делали множество допущений, часто в буквальном смысле подгоняли практические результаты под свои теоретические положения (особенно этим грешил сам Дальтон), но и в том также, что атомистика не оставляла места для первоматерии, переливающейся из одного вещества в другое, как вода из сосуда в сосуд.

Предшествовавшие теории Дальтона атомистические воззрения без особого напряжения уживались с представлением о непрерывной материи и, стало быть, с идеей трансмутации элементов; теперь же идее наносился сокрушительный удар. Раз материя прерывна, если каждый элемент состоит из неделимых далее элементарных кирпичиков (точнее, шариков, окружённых атмосферой из теплорода), то ни о каком превращении их друг в друга не может быть и речи. (Кстати, Дальтон вымел, можно сказать, остатки алхимического мусора, отказавшись от употребления традиционных знаков для изображения веществ).

Однако «почти планомерный натиск на ещё не завоёванные области» сдержать было уже невозможно.

В 1808 г. Ж.Гей-Люссак экспериментальным путём вывел закон, согласно которому при взаимодействии газов объёмы исходных веществ и продукты реакции относятся как простые целые числа. У Дальтона в таком отношении взаимодействуют атомы. Если принять точку зрения Гей-Люссака, то надо отказаться от дальтоновской размерной неодинаковости атомов различных веществ. Если согласиться с Дальтоном, придётся отвергнуть открытый Гей-Люссаком закон.

Дальтон сам признавал, что «его (Гей-Люссака) представление об объёмах аналогично… представлению об атомах», но отказаться от своего неверного постулата не захотел, прекрасно сознавая, что представление об объёмах выведено экспериментально, а представление об атомах вообще и их неодинаковости в частности — всего лишь допущение.

В 1811 г. итальянский физик и химик Амедео Авогадро (1776–1856) предложил формулировку, которая «примиряла» Дальтона с Гей-Люссаком. По Авогадро, в равных объёмах различных газов, находящихся при одинаковых условиях (температуре, давлении), содержится одинаковое число молекул. Из этого вытекало, что относительный вес молекул газообразных веществ можно получить делением плотностей этих веществ. И ещё один очень важный вывод: количество атомов в соединении — число не произвольное, как у Дальтона (Дальтон, исходя из своего ошибочного рассуждения о размерной неодинаковости атомов, считал, например, что вода состоит из одного атома водорода и одного атома кислорода), а обусловливается объёмными отношениями образующих это соединение элементов (та же вода, например, должна состоять из двух атомов водорода и одного атома кислорода, потому что для образования воды, точнее, водяного пара, как установил Гей-Люссак, необходимы один объём кислорода и два объёма водорода).

Правда, когда Авогадро применил принцип расчёта атомных и молекулярных весов газообразных веществ к металлам, тут он испытал определённую трудность и допустил поэтому много ошибок. Но именно он предположил, что в «твёрдых и жидких телах» постоянство соотношений при соединении атомов в молекулы может не соблюдаться, что и подтвердилось в дальнейшем — уже в XX в.

Огромный вклад в развитие атомно-молекулярной теории внёс шведский химик, блестящий экспериментатор, Якоб Берцелиус (1779–1848). Установив, «что числа Д.Дальтона лишены той точности, которая необходима для практического применения его теории», Берцелиус рассчитал атомные веса 45 элементов и определил состав почти 2000 соединений. За точку отсчёта он взял атомный вес кислорода, приравняв его 100. Некоторые атомные веса, определённые Берцелиусом, дожили до нашего времени — так же, как и принятая им символика, т. е. обозначение химических элементов.

В 1819 г. французские учёные Пьер Дюлонг и Алексис Пти обнаружили, что произведение атомного веса простых тел на их теплоёмкость в твёрдом состоянии — величина почти постоянная. Другими словами, «атомы всех простых тел имеют совершенно одну и ту же теплоёмкость». Это открывало ещё одну возможность определения атомного веса — по экспериментально установленной теплоёмкости элемента. Французский физик А.Реньо в цикле работ, начатых в 1840 г., подтвердил, что закон удельных теплоёмкостей «с пользой может быть применяем при многих научных соображениях».

К середине XIX в. в химии накопилось столько нового материала, возникло столько новых идей и в то же время в ней сохранилось столько старых теоретических представлений, что пора было «остановиться» и разобраться в обширном, сложном и крайне противоречивом хозяйстве. Русский химик-органик А.М.Бутлеров так оценивал сложившуюся ситуацию: «Многочисленность работающих, неусыпная деятельность в лабораториях дают беспрерывно массу новых наблюдений, так что теория не успевает перерабатывать их и остаётся позади фактического развития науки». Правда, эти слова А.М.Бутлерова были сказаны о состоянии органической химии, но их с полным основанием можно отнести и к химии общей. Сами химики испытывали острейшую потребность в уточнении понятий атома и молекулы, поскольку здесь было много путаницы, неясности. Надо было договориться о единых способах и теоретических основах определения атомного и молекулярного весов; найти приемлемое для всех понимание атомного состава молекул — как простых, так и сложных веществ, нельзя было терпеть дальше такое положение, когда чуть ли не каждый химик, придерживавшийся атомно-молекулярной теории, предполагал свой атомный состав одного и того же химического соединения. Вся эта неразбериха, весь этот произвол приводили к тому, что консервативно настроенные учёные (например, У.Уолластон, Л.Гмелин) держались в стороне от атомно-молекулярной теории и отдавали предпочтение добрым старым традициям выражать состав сложных веществ при помощи так называемых химических эквивалентов (принцип, согласно которому элементы соединяются между собой в определённых весовых количествах; одним из первых его предложил еще в 1793 г. И.Б.Рихтер).

Решительную реформу атомно-молекулярной теории произвёл итальянский учёный и революционер (за активное участие в революционных событиях 1848–1849 гг. неаполитанским королевским судом был заочно приговорён к смертной казни) Станислао Канниццаро (1826–1910). Он довёл до конца дело, начатое Марком Антуаном Годэном, Огюстом Лораном и Шарлем Фредериком Жераром по устранению противоречий между атомистическими представлениями Дальтона и молекулярными — Авогадро.

Прежде чем выступить с какими-либо позитивными предложениями, Канниццаро основательно изучил состояние атомно-молекулярной теории и положение в химии. В 1858 г. он опубликовал в основанном Пириа журнале статью «Краткое изложение курса химической философии», в которой обосновал метод Авогадро по определению относительных молекулярных весов и метод нахождения атомных весов металлов по величине атомных теплоёмкостей.

В том же году эта работа вышла отдельным изданием.

Громадное значение для всей судьбы атомно-молекулярной теории имело уточнение двух её кардинальных понятий — атома и молекулы.

Как уже было сказано, химики смешивали эти два понятия, что было, естественно, следствием не столько их злого умысла, сколько гипотетичности и атома, и молекулы. «Я, — писал Дальтон, — избрал слово атом для обозначения… первичных частиц… потому, что это слово кажется мне значительно более выразительным; оно включает в себя представление о неделимости, чего нет в других обозначениях». Иллюстрируя своё понимание атома, Дальтон приводил такой пример: «…я называю первичную частицу угольной кислоты сложным атомом. Однако хотя этот атом и может быть разделён, но, распадаясь при таком делении на уголь и кислоту, он перестаёт уже быть угольной кислотой».

Авогадро, напротив, оперировал такими понятиями, как «интегральная молекула», «сложная молекула» (в современном понимании это просто молекула) и «простая молекула», т. е. атом.

Сначала Ш.Жерар и О.Лоран, а затем Канниццаро положили конец этим кривотолкам. Они дали однозначное определение атомному весу и показали, что атом и молекула — разные понятия и что молекулы в одних случаях состоят из разнородных, а в других — из однородных атомов.

Через год после выхода книги Канниццаро немецкий учёный Август Кекуле обратился к своему коллеге Карлу Вельтцину с предложением организовать международный конгресс для достижения единства в химии и разрешения спорных проблем. Вельтцину идея понравилась, и он взял на себя обязанности организатора и устроителя конгресса. К этому был привлечён также Адольф Вюрц, согласившийся вести заседания и быть секретарём. В марте 1860 г. они собрались в Париже, отпечатали обращение ко всем выдающимся химикам. 45 учёных подписали это обращение, среди них значатся известные русские химики — Н.Н.Бекетов, Н.Н.Соколов и Н.Н.Зинин.

Конгресс открылся 3 сентября 1860 г. в Карлсруэ, где Вельтцин преподавал в Политехническом институте.

Участникам конгресса предстояло сделать выбор по тем вопросам, которые имели жизненно важное значение для развития химии в целом. В сущности, речь шла о том, быть ли ей на старых позициях или принять воззрения Авогадро, Жерара, открывавшие перед ней новые перспективы.

Сторонником первой точки зрения был французский академик, прославленный учёный Ж.Дюма. «Дюма… — писал Д.И.Менделеев, принимавший участие в конгрессе, — старался поставить пропасть между старым и новым, искусственно уладить дело об обозначениях, предлагая в неорганической химии оставить старое обозначение, а в органической — принять новые… При этом Дюма прекрасно характеризовал оба существующие направления. Одно, говорил он, представляет ясное последование за Лавуазье, Дальтоном и Берцелиусом. Исходная точка для учёных этого образа мыслей есть атом, неделимое простое тело; всё прочее есть сумма атомов, величина, производная от первой. Другая партия идёт по пути… Жерара; она берёт готовые тела и сравнивает их; она берёт частицы тела, отыскивает изменения и сличает их физические свойства. Первая партия всё сделала для минеральной химии, в органической она до сих пор бессильна, потому что здесь химия ещё немного может создать из элементов. Вторая партия, несомненно сильно двинувшая органическую химию, ничего не сделала для минеральной». Дюма, свидетельствует далее Менделеев, призывал и тех и других идти своей дорогой.

Сторонником другой точки зрения был Станислао Канниццаро. Его речь потрясла слушателей. «Я не могу… передать того воодушевления, той здравой энергии, вполне сложившегося убеждения, которые так могущественно действовали на слушателей», — отзывался о речи Канниццаро Менделеев.

На конгрессе Канниццаро раздал оттиски своей книги «Краткое изложение курса химической философии». Читатели были поражены чёткостью изложения, убедительностью, с которой устранялись разногласия, и открывавшимися в связи с этим перспективами развития экспериментальной науки. «Я читал книгу неоднократно и был поражён ясностью, с какой она освещала важнейшие спорные вопросы, — писал тогда известный химик Лотар Мейер. — С моих глаз как бы спала пелена, исчезли сомнения, и вместо них возникло чувство самой спокойной уверенности».

Гипотезу Авогадро Канниццаро назвал краеугольным камнем развития атомной теории Дальтона, которая, основываясь только на весовых и объёмных соотношениях, становилась непригодной для экспериментальных исследований. Не надо удивляться, утверждал он, необходимости в гипотезе Авогадро для понимания законов. Именно неприятие идей Авогадро и привело к неудачам многих химиков и даже такого прославленного учёного, как Берцелиус.

С огромным воодушевлением произнёс свою речь Канниццаро, и члены конгресса, несмотря на те несогласия, которые были между ними до этого, встретили её почти единодушным одобрением. Когда предложили резолюцию, в которой характеризовалось различие понятий частицы (молекулы) и атома, то все проголосовали «за». Лишь одна чья-то рука робко поднялась при вопросе «кто против?», но и она тут же опустилась.

После конгресса в Карлсруэ отошли в прошлое разногласия, стоявшие на пути развития экспериментальных определений в химии, а атомный вес стал важнейшей характеристикой элемента.

Более чем на сто лет опередил М.В. Ломоносов всех химиков Европы. В своей незавершённой работе «Элементы математической химии» он дал представление о строении вещества, подобное тому, что приняли химики лишь после конгресса в Карлсруэ. Он писал, что «корпускула (так он называл молекулу) — собрание элементов (т. е. атомов) в одну незначительную массу. Корпускулы однородны, если состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, взаимосоединённых одинаковым образом. Корпускулы разнородны, когда элементы их различны и соединены разным образом или в различном числе; от этого зависит бесконечное разнообразие тел. Начало есть тело, состоящее из однородных молекул».

Можно, пожалуй, сказать, что математической химия получила право называться лишь с принятием идей Авогадро, чего так блестяще добился Канниццаро. Ломоносов к этому стремился задолго до знаменитого конгресса. Но, как было уже сказано, работы нашего великого соотечественника не были широко известны на Западе. К тому же сомнительно, чтобы его идеи и выводы были тогда поняты и приняты: они опережали время. По этой же причине пребывала в забвении более поздняя молекулярная теория Авогадро; по этой же причине в известной степени конгресс в Карлсруэ спорные вопросы решил голосованием — случай в науке беспрецедентный.

Да и не истину декретировали участники конгресса, если быть точным. Они обменялись информацией и попытались разрешить кризис путём принятия согласованной платформы для дальнейшего продвижения к истине. «Решающим моментом в развитии моей мысли о периодическом законе я считаю 1860 г., съезд химиков в Карлсруэ, в котором я участвовал, и на этом съезде идеи, высказанные итальянским химиком С.Канниццаро. Его я и считаю настоящим моим предшественником, так как установленные им атомные веса дали необходимую точку опоры». Эти слова Д.И.Менделеева как нельзя лучше характеризуют значение конгресса.

Именно потому, что научная истина не есть то, что принимается голосованием, положение в химии после конгресса не стало идиллическим. Борьба продолжалась. Одни были полностью «за» атомно-молекулярную теорию; другие принимали её постольку, поскольку она казалась неплохим «инструментом» познания; третьи не признавали её совсем.

А в промежутках между этими группами (и внутри групп), как в промежутках между большими дробинками-атомами Дальтона, — переходы, оттенки, колебания. И так до тех пор, пока атом не стал для науки реальностью.

Именно поэтому же нельзя утверждать, что идея трансмутации металлов, получив от атомистики весьма ощутительный удар, почила в бозе. Отнюдь нет. Она удерживала за собой ещё немало «опорных пунктов». Так, например, в 20-х гг. XIX в. было открыто поразительное явление — изомерия: вещества, отличающиеся друг от друга физическими и химическими свойствами, по непонятной причине имеют одинаковый элементарный состав. То же самое с другим непонятным явлением — аллотропией. Атомно-молекулярная теория пока не в состоянии была объяснить, почему олово (элемент!) вдруг само по себе, ни с чем не соединяясь, превращается в порошок. И наконец, третий пример: почему медь, металл мягкий, в соединении с мягким же металлом оловом даёт твёрдый сплав — бронзу?

На рубеже XVIII и XIX вв. химик Винтерль занимался опытами по «разложению» металлов. Никаких реальных результатов он не добился, но сама идея уцелела. Уже после 1860 г. химик Стас не скрывал своего позитивного к ней отношения и потратил немало усилий, чтобы получить ответ на вопрос: не распадаются ли химические элементы на другие, более лёгкие? А сколько раз подвергался проверке закон постоянства состава! И совсем не ради самой проверки: если бы закон экспериментально не подтвердился, то это означало бы, что при различных химических реакциях атомы элементов не остаются неизменными.

Даже Д.И.Менделеев в 60-е годы (после конгресса!), хотя и не признавал безоговорочно — из-за отсутствия экспериментальных подтверждений — принципиальную возможность взаимопревращаемости элементов, относился к ней тогда в целом сочувственно.