Масса атомов. Дальтон. Атомная теория - Enrique Alvarez

При постоянной температуре растворимость газа в единице объема жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над раствором.

Уильям Генри, закон Генри (1803)

С первых лет пребывания Дальтона в Манчестере его большим другом был коллега Уильям Генри, сын Томаса Генри и ученик Томаса Персиваля, которые рекомендовали Дальтона в Lit & Phil. Генри повезло больше, чем Дальтону, поскольку у него была возможность изучать медицину в университете Эдинбурга, но из-за плохого здоровья он прервал врачебную практику и целиком посвятил себя химическим исследованиям. Полученные Генри результаты хорошо известны и сегодня, особенно закон, носящий его имя (закон Генри), который изучал и Дальтон. К нему мы еще вернемся.

Уильям Генри сыграл значительную роль в начале научной карьеры Дальтона. Помимо их общих открытий в области растворимости газов, именно Генри вдохновил Дальтона на изучение массы первых частиц. Но при этом сказалось влияние не только Генри. В 1796 году Дальтон прослушал около 30 лекций по химии доктора Томаса Гарнетта (1776-1802), что, по всей видимости, и определило его выбор. Он решил посвятить себя исследованиям в области химии еще и потому, что на примере Гарнетта убедился: можно существовать безбедно, давая уроки и читая лекции.

С 1794 по 1802 год Дальтон не щадил себя: он преподавал, читал лекции, занимался исследованиями в Lit & Phil. Ученый интересовался не только способностью различать цвета, но и целым рядом других вопросов, в частности связанных с атмосферными явлениями (его первой страстью), а также с промышленной жизнью Манчестера (этому были посвящены труды о тепловом расширении газов, о механической конденсации воздуха, природе газовых смесей и, конечно, силе водяного пара). Так, всего за один месяц, в октябре 1801 года, он представил четыре работы о состоянии газов. В конце 1802 года Дальтон опубликовал первый научный труд по химии, в котором рассуждал о возможных соединениях кислорода и азота. Эти размышления легли в основу закона кратных отношений.

УИЛЬЯМ ГЕНРИ

Генри родился в Манчестере в 1774 году, он был сыном Томаса Генри и учеником Томаса Персиваля — оба хирурги и члены Королевского общества. В 1795 году он начал изучать медицину в университете Эдинбурга, а в 1807-м завершил обучение. По состоянию здоровья Генри оставил врачебную практику и посвятил себя исследованиям в области химии. Получил известность благодаря опытам с количеством газов, поглощаемых водой при различных температурах и давлении (1803). Его книга по химии "Элементы экспериментальной химии· была переиздана 11 раз за 30 лет. В 1836 году ученый застрелился в своей личной часовне в Пендлбери.

Закон о растворимости газов, или закон Генри

Знаменитый закон Генри гласит, что при постоянной температуре объем газа, растворенного в единице объема жидкости, прямо пропорционален давлению этого газа над раствором, если жидкость и газ не действуют друг на друга химически. Мы можем сформулировать этот закон, вслед за современными школьными учебниками, следующим образом:

S=k · P,

где S — растворимость, или концентрация газа в растворе, к — коэффициент Генри, зависящий от температуры и природы газа и раствора, а Р— парциальное давление газа над раствором. Знакомый всем пример действия этого закона — газированные напитки. Во всех этих жидкостях растворена двуокись углерода СO2, и давление этого газа больше атмосферного. Когда мы открываем бутылку, давление уравнивается, и часть газа начинает выделяться из напитка, в результате чего образуются пузыри. Если бутылку оставить открытой, вкус напитка изменится, поскольку весь газ выйдет. Точно так же этот закон действует на ныряльщиков во время погружения. Они вдыхают сжатый воздух, который растворяется в крови. При всплытии понижается растворимость газов в крови, что влечет за собой риск образования маленьких пузырьков, которые мешают нормальной циркуляции крови и могут привести к смерти. Именно поэтому необходимо подниматься после погружения медленно.

Кислород может соединяться с определенным количеством азота или уже с удвоенным таким же, но не может быть какого-либо промежуточного значения количества вещества.

Джон Дальтон, закон кратных отношений (1802)

Этот вывод из доклада Дальтона "О соотношении различных газов или жидкостей, содержащихся в атмосфере, а также о механическом или химическом растворении газов в жидкостях" основывается главным образом на его вере в теорию Ньютона. Дальтон считал, что увеличение объема (расширение) газа при уменьшении давления связано с тем, что составляющие его идентичные или, по крайней мере, однородные частицы отталкиваются друг от друга с силой, обратно пропорциональной расстоянию, их разделяющему. Для Дальтона это был еще один пример действия закона всемирного тяготения, сформулированного Исааком Ньютоном в 1687 году. Ученый постоянно пытался применить теорию Ньютона к воздуху. Доказав, как и Лавуазье несколькими годами раньше, что воздух является не соединением газов, а их смесью, он опытным путем подтвердил закон, который мы сегодня знаем как закон парциального давления газов. Дальтон сделал вывод, что частицы водяного пара не отталкивают частицы других газов, содержащихся в воздухе, по той простой причине, что они различны.

И это объясняет тот факт, что они свободно циркулируют в атмосфере. Несмотря на ошибку, которая заключалась в объяснении с использованием теории Ньютона, это доказательство принесло Дальтону известность за пределами Англии. Его доклад, названный *О диффузии газов другими газами*, вызвал огромную полемику в научном сообществе. Почему отталкивающую силу можно наблюдать только в некоторых случаях?

Ответ на этот вопрос уводит Дальтона от теории Ньютона, он начинает задумываться о том, что существуют конечные неделимые частицы, из которых состоят вещества, образующие воздух. Так Дальтон приступил к разработке понятия атомной структуры.

В то же время близкий друг Дальтона Уильям Генри уже представил свои результаты, касающиеся растворимости газов в жидкостях. Дальтон еще раз подтвердил выводы Генри. Это означало, что если растворимость газов зависит от давления (другими словами, от силы), значит она должна иметь механическую причину. Это было очевидно и Генри, и Дальтону, который снова обратился к исследованиям и чуть позднее, в 1802 году, представил труд "О поглощении газов водой и другими жидкостями" (правда, работа была опубликована лишь три года спустя). В двух словах, растворимость газов — это не просто химическая реакция, но некое количество механических действий между частицами, которые зависят от размеров этих частиц (то есть от атомов, от атомной массы).

ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ ДАЛЬТОНА

Закон кратных отношений, или закон Дальтона, сформулированный в 1802 году, — очень важный закон среди так называемых стехиометрических. Он гласит, что "если два вещества образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного вещества, приходящиеся на одну и ту же массу другого вещества, относятся как целые числа, обычно небольшие". Другими словами, если атом вещества А соединяется с одним и с двумя атомами вещества 8, соотношение массы вещества А и 8 будет 1:2. Классический пример — оксиды меди, в которых А — это кислород, а 8 — медь:

— CuO: 79, 89% (Cu), что равно 3, 973 грамма меди на 1 грамм кислорода;

— Cu2O:88, 82% (Cu), что равно 7, 945 грамма меди на 1 грамм кислорода.

Мы видим, что соотношение 3, 973/7, 945 приблизительно составляет 1:2. Рассмотрим другой пример с оксидами азота.

Соединение Масса азота Масса кислорода N2O 1, 00 г 0, 571 г NO 1, 00 г 1, 14 г NO2 1, 00 г 2, 28 г NO4 1, 00 г 4, 57 г Соотношение соединений Соотношение массы Пропорция Самое маленькое ΝO4 : ΝO2 4, 57:2, 28 2:1 2 Ν04 : NO 4, 57:1, 14 4:1 4 NO4 : N2O 4, 57:0, 571 8:1 8 NO2 : NO 2, 28:1, 14 2:1 2 NO2 : N2O 2, 28:0, 571 4:1 4 NO : N2O 1, 14:0, 571 2:1 2 NO4 : NO2 : NO : N2O 4, 57:2, 28 : 1, 14:0, 571 8:4:2:1 2Закон парциальных давлений Дальтона

Этот закон 1803 года невозможно было бы сформулировать проще: "Давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений всех газов, составляющих смесь".