Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №11/2004

О ЧЕМ НЕ ПИШУТ В УЧЕБНИКАХ

Строение и превращение веществ

Джон Дальтон и его учение об атомах

Дж.Дальтон
Дж.Дальтон

В тяжелых условиях протекала жизнь человека, которого часто называли «отцом современной химии».
Джон Дальтон родился в 1766 г. в небольшой английской деревушке в семье бедного ткача. Уже с ранних лет он был вынужден собственным трудом зарабатывать себе на пропитание. До 11 лет он учился в местной деревенской школе, а уже в 12-летнем возрасте сам стал в ней учителем.
Всеми своими знаниями он был обязан исключительно самообразованию. Переходя из школы в школу, он, обучая других, учился сам. Свободное от занятий в школе время он посвящает основательному изучению латинского языка, математики и естественных наук. В возрасте 27 лет Дальтон переезжает в крупный промышленный центр — город Манчестер. Шесть лет там преподает математику в небольшой средней школе, а когда школу переводят в другой город, он добывает себе средства для жизни частными уроками и чтением публичных лекций.
Незадолго до приезда Дальтона в Манчестере было организовано местными учеными литературное и философское общество. Дальтона избирают членом этого общества, и он принимает деятельное участие в его работе. В журнале Манчестерского университета были напечатаны главнейшие научные труды Дальтона.
Лишь на склоне лет скромный учитель получает всеобщее признание как ученый. В 1816 г. его избирают членом-корреспондентом Французской академии наук, в 1822 г. – членом Лондонского королевского общества. 26 июля 1844 г. Дальтон сделал последнюю запись в дневнике наблюдений за погодой, который он вел регулярно изо дня в день в течение 57 лет, а на следующий день скончался.
Главнейшая научная заслуга Дальтона – развитие атомно-молекулярного учения и определение атомных весов (масс).
Дальтон был не первым, кто пытался применить учение древних философов об атомах при объяснении химических явлений.
Из его предшественников наиболее последовательно развивал в химии атомное учение М.В.Ломоносов. Но в то время, когда Ломоносов разрабатывал свое учение, наука не располагала достаточным количеством фактов, на которые можно было бы опереться, чтобы довести начатое им дело до конца и полностью перестроить химию на основе атомных представлений. Как и многие другие открытия Ломоносова, его атомное учение не оценили современники, и оно было вскоре забыто.
В гораздо более благоприятную эпоху для их признания были опубликованы работы Дальтона. За 50—60 лет, разделяющих учение Дальтона от учения Ломоносова, химическая наука обогатилась громадным числом новых открытий. Прежде всего был открыт мир разнообразных газов, которые ранее рассматривались большинством ученых как видоизменения обыкновенного воздуха. Был установлен сложный состав воды и воздуха, которые во времена Ломоносова считались простыми веществами.
Количественные измерения, о которых горячо ратовал русский ученый, начали планомерно применяться в химии и принесли свои плоды: были твердо установлены и подтверждены многочисленными опытами законы сохранения массы веществ при химических реакциях и постоянства состава химических соединений.
Теория флогистона, господствовавшая при жизни Ломоносова, была опровергнута. В химии утвердилось понятие об элементах как о неразложимых далее субстанциях. Но громадное число отдельных фактов и открытые опытным путем законы оставались необъединенными и необъясненными. Каким образом связать между собой химические законы? Должна ли химия иметь дело с каждым из них в отдельности или же она может создать такую теорию, из которой сами собой вытекали бы химические законы? Само развитие химической науки диктовало необходимость разработки такой теории, с помощью которой можно было бы предсказывать явления, а не проводить наблюдения и опыты вслепую.
К началу XIX в. была полностью подготовлена почва для повторного введения в химию атомного учения и его успешной разработки.
С самого начала научной деятельности Дальтона его внимание было сосредоточено на физических и химических свойствах газов. После блестящих открытий в конце XVIII в. внимание ученых привлекали газы, как в наши дни внутриатомные превращения.
Начав с наблюдений над атмосферными явлениями, Дальтон вскоре перешел к опытам и наблюдениям, касающимся давления газов, расширения их при нагревании и растворимости в различных жидкостях.
Но Дальтон имел обыкновение не ограничиваться только исследованием внешней стороны явлений. Он придавал большое значение точным опытам и вместе с тем считал, что одним описанием фактов наука не может ограничиться. «Факты и опыты, касающиеся любого предмета, никогда не оцениваются в достаточной мере до тех пор, пока в руках какого-либо искусного наблюдателя они не лягут в основу теории, при помощи которой мы сможем предсказывать результаты и предвидеть последствия опытов, до этого момента еще не производившихся. Так, трудолюбивый экспериментатор наших дней в поисках закона тяготения счел бы, пожалуй, необходимым углубиться чуть ли не до центра земного шара, чтобы найти там изменение тяготения, если бы величественные рассуждения Ньютона не предсказали бы заранее искомые результаты и не избавили бы его от предприятия столь бесплодной и бесконечной работы».
Чтобы разработать теорию газов, нужно представить себе их внутреннее строение. Оно рисуется Дальтону следующим образом: «В моем воображении сосуд, наполненный какой-нибудь эластической жидкостью (так тогда называли газы), представляется мне наполненным чем-то вроде мелкой дроби».
Однако ученый не ограничился только тем, что составил себе ясное представление о строении газов, которое стало результатом его отвлеченных размышлений: он постарался сблизить и согласовать это воображаемое строение с многими фактами, в действительности наблюдаемыми у газов. Так, он нашел, что при одних и тех же температуре и давлении вода растворяет разные объемы разных газов. Дальтон объяснил это тем, что частички различных газов, наподобие мелких дробинок, проникают между частичками воды, растворяются в ней до тех пор, пока для них есть свободное место.
«Но почему же, – спрашивал он себя, – если это представление о газах верно, вода не растворяет все газы в одинаковой степени?» На этот вопрос Дальтон дал ответ, имеющий громадное значение для химии: «Я почти убежден, что это различие зависит от веса и числа самых мельчайших частичек, из которых состоят газы; одни из них, будучи самыми легкими и простыми, растворяются с трудом, другие же как раз тем легче растворяются, чем больше возрастают их сложность и вес». К этому ответу он присоединил еще одно положение, которое оказалось очень важным для дальнейшего развития химической науки: «Исследования над определением относительных весов мельчайших частичек тел, насколько мне известно, являются совершенно новой задачей. Мне удалось впервые произвести эти исследования и с совершенно неожиданным замечательным успехом. В этом сообщении я не могу входить в изложение приемов, на основании которых произведено исследование, но я зато могу сообщить теперь же результаты, по крайней мере те, которые, как кажется, подтверждаются моими опытами».
Дальтон прилагает к этому «таблицу относительных весов мельчайших частичек газообразных и других тел». Этот список представляет собой первый пример того, что мы теперь называем относительной атомной массой.
В дальнейшем ученый распространяет свою теорию на все вещества — не только газообразные, но и жидкие, и твердые. Он изложил ее в книге «Новая система химической философии», первый том которой был издан в 1808 г.
Дальтон предполагает, что каждое жидкое, твердое или газообразное вещество имеет зернистое строение. Но что же такое в точности обозначает выражение «зернистое строение»? Очевиднее всего то, что определенное вещество заполняет пространство так, как наполняют бочку яблоки, а не как наполняет форму студень. По этому предположению, если бы кто-нибудь мог рассмотреть небольшую часть какого-нибудь вещества, скажем, воды, при необычайно большом увеличении, то он увидел бы необозримую кучу чрезвычайно мелких частичек воды, собранных вместе не вплотную, а с промежутками. Таким образом, зернистое строение дало бы совершенно такую же картину, как дальтоновский сосуд, наполненный очень мелкой дробью.
Затем Дальтон предполагает, что каждое отдельное зерно какого-нибудь чистого вещества до мельчайших подробностей сходно со всяким другим зерном того же вещества, а также по весу и по всем другим свойствам. Он пишет: «Одинаковы ли между собой первичные частицы вещества, такого, как вода, т.е. имеют ли одинаковую форму, вес и т.д.? Из того, что известно, мы не имеем никакого основания предполагать различие в этих особенностях. Едва ли можно себе представить, каким образом совокупность неодинаковых частиц может быть повсюду столь одинаковой. Если бы некоторые частицы воды были бы тяжелее других и если бы часть жидкости по какому-либо случаю состояла главным образом из этих более тяжелых частиц, то следовало предположить, что это повлияло бы на удельный вес всей массы, но такого случая до сих пор неизвестно. Подобное же замечание можно сделать относительно других веществ. Поэтому мы можем заключить, что первичные частицы всех одинаковых тел совершенно одинаковы по виду, форме и т. д. Другими словами, каждая частица воды подобна любой другой частице воды; каждая частица водорода подобна любой частице водорода и т. д.».

Таблица, которую Дж.Дальтон демонстрировал во время своих лекций. В ней символами обозначены элементы или атомы, которые ученый считал неделимыми. Атомные веса приведены относительно атома водорода, которому приписано значение 1

Таблица, которую Дж.Дальтон демонстрировал во время своих лекций.
В ней символами обозначены элементы или атомы, которые ученый считал неделимыми. Атомные веса приведены относительно атома водорода,
которому приписано значение 1

«Мельчайшие первичные частицы вещества» Дальтон назвал атомами. Частицы простого вещества он назвал «простыми атомами», а частицы сложных веществ — «сложными атомами». Последние мы теперь называем молекулами. Сложные атомы (молекулы) состоят из простых атомов. Но простые атомы Дальтон считал неделимыми, их нельзя разрушить и их нельзя создать вновь; атом одного элемента не может превратиться в атом другого. «Химический анализ и синтез, – писал ученый, – идет не далее, чем до отделения атомов друг от друга и их воссоединения. Никакое новое создание и разрушение материи не может быть достигнуто химическим действием. Мы могли бы с таким же успехом попытаться внести в Солнечную систему новую планету или уничтожить одну из уже существующих, как и создать или уничтожить частицу водорода. Единственные изменения, которые мы можем произвести, состоят в отделении соединенных друг с другом атомов или в их присоединении друг к другу».
Поскольку атомы не уничтожаются и не возникают при химических реакциях, то становится понятным, почему масса веществ до реакции равна массе веществ после нее.
Положение о неразрушимости атомов продержалось в науке до начала XX в., когда были открыты так называемые ядерные превращения, при которых один элемент превращается в другой или другие.
Но во времена Дальтона ядерные превращения не были известны, и поэтому атомы им рассматривались как предел дробления материи. Итак, по Дальтону, все атомы одного и того же элемента далее неразложимы на более простые частицы, они абсолютно неразличимы между собой и, в частности, совершенно одинаковы по весу. Зато атомы различных химических элементов имеют различный вес.
Простые атомы Дальтон условно изображал в виде кружков, а сложные – как их соединение.
Теория Дальтона дает простое объяснение закону постоянства состава. Действительно, «сложные атомы» (молекулы) одного и того же вещества одинаковы, значит, они состоят из одного и того же числа одних и тех же простых атомов.
Если молекулу данного соединения образует определенное число атомов элемента, а каждый атом имеет свою определенную массу, то ясно, что массовый состав всего соединения должен быть строго определенным.
С помощью атомного учения Дальтону удалось не только просто объяснить уже известные законы химии, но и открыть новый закон, относящийся к количественному составу различных соединений, образованных одними и теми же элементами.
Во времена Дальтона уже было твердо установлено, что различные вещества могут иметь одинаковый качественный состав, т.е. состоять из одних и тех же элементов, но отличаться друг от друга по своему количественному составу.
Примером могут служить угарный СО и углекислый СО2 газы. Они резко отличаются друг от друга по свойствам: углекислый газ почти в 1,5 раза тяжелее воздуха, а угарный – немного легче; угарный газ горит на воздухе, а углекислый – не горит; углекислый газ вызывает помутнение известковой воды, а угарный газ не вызывает ее помутнения и т. д. Между тем и угарный, и углекислый газы состоят из одних и тех же элементов – углерода и кислорода. Но при одинаковом качественном составе эти два соединения углерода с кислородом отличаются своим количественным составом.
Еще Ломоносов предполагал, что молекулы сложных веществ (корпускулы, как он их называл) могут отличаться друг от друга не только тем, что они состоят из разных атомов, но и числом атомов. Однако факты, которые могли бы подтвердить это предположение, еще не были известны.
Закон, которому подчиняется количественный состав различных соединений, образованных одними и теми же элементами, непосредственно вытекает из атомного учения Дальтона.
Предположим, что имеется какое-либо соединение, молекулы которого состоят из одного атома А и одного атома В. Допустим, что к молекуле АВ будет присоединен еще один атом В. Тогда мы получим молекулу другого вещества АВ2.
Очевидно, что в этом новом соединении на одно и то же весовое количество элемента А будет приходиться вдвое большее количество элемента В, чем в соединении АВ. Мы можем предположить и возможность образования соединения АВ3 и А2В3 и т.д. Во всех этих соединениях весовые количества элемента В, приходящиеся на одно и то же количество элемента А, должны относиться между собою как простые и целые числа, потому что атомы не могут входить в соединения половинками, четвертушками, восьмушками и т. д. В этом и заключается суть предсказанного и подтвержденного на опыте закона Дальтона.
Действительно, в угарном газе на 3 весовые части углерода приходится 4 весовые части кислорода, а в углекислом газе на 3 весовые части углерода — 8 весовых частей кислорода, т.е. ровно
в 2 раза больше.
Другим примером, исследованным Дальтоном, может служить весовой состав некоторых кислородных соединений азота: в оксиде азота(I) N2O на 7 весовых частей азота приходится
4 весовые части кислорода, в оксиде азота(II) NO на 7 весовых частей азота приходится 8 весовых частей кислорода, а в оксиде азота(IV) NO2 на 7 весовых частей азота – 16 весовых частей кислорода; 4 относится к 8 и 16, как 1:2:4.
Мы видим, что учение Дальтона с поразительной легкостью и простотой объясняет громадное число фактов. Нет ничего удивительного в том, что учение Дальтона прочно привилось в химии. Можно считать, что громадная часть успехов, достигнутых химией в XIX столетии, объясняется тем, что химики не ограничивались одним только накоплением все новых и новых опытных данных, а постоянно стремились их использовать в свете атомного учения. Этим путем удалось достигнуть удивительных успехов: для целого ряда весьма сложных по своему составу молекул химики смогли получить представление и о том, каким именно образом атомы связаны между собой в этой молекуле, а в отдельных случаях даже о том, как эти атомы расположены в пространстве.

П.А.КОШЕЛЬ