Масса атомов. Дальтон. Атомная теория - Enrique Alvarez

1. Вещество состоит из атомов, которые соединяются благодаря силе тяготения. Дальтон продолжает думать, что теория Ньютона адекватно объясняет взаимодействие атомов.

2. Атомы неделимы. Дальтону принадлежит заслуга введения понятия атома, которое будет использоваться вплоть до появления ядерной физики и открытия электронов, протонов и нейтронов. Однако для химии его постулат до сих пор справедлив.

3. Атомы вечны и неизменны. Здесь Дальтон включает в свои постулаты закон сохранения вещества Лавуазье. После химической реакции мы обнаруживаем те же самые атомы, что и до реакции, но в других соединениях.

4. Все атомы одного элемента одинаковы по форме, размеру и массе. Дальтон определяет элемент так же, как и Лавуазье: это вещество, которое нельзя разделить на более простые части.

5. Атомы разных элементов имеют разную атомную массу. Атомная масса отличает один атом от другого, один элемент от другого.

6. Атомы различных элементов могут соединяться, образуя молекулы, но всегда в определенных соотношениях.

Как и химики его эпохи, Джон Дальтон порой путает понятия атома и молекулы, ведь природа соединения атомов еще не была ясна. Сегодня мы знаем, например, что двухатомные газы образуют молекулу из двух атомов. Дальтон также использует понятие сложной частицы, или двойного (тройного) атома. Молекулы — это простейшие составляющие определенного химического соединения. В этом постулате Дальтон предвосхищает закон постоянства состава Пруста.

7. Масса молекулы является суммой массы составляющих ее атомов. Этот принцип является отправной точкой всей атомной теории.

8. В различных соединениях массы одного вещества, приходящиеся на одну и ту же массу другого вещества, относятся как простые целые числа. В этом случае Дальтон применяет свой знаменитый закон кратных отношений.

9. Масса элемента во всех химических соединениях не меняется. Как только была установлена атомная масса, этот постулат не заставил себя долго ждать и позволил сделать некоторые косвенные выводы. Если два элемента, А к В, соединяются с третьим элементом С, можно вычислить количество составляющих. Это утверждение основывается на другом количественном законе того времени, известном как закон эквивалентных отношений Рихтера (1792).

10. Атомы соединяются по правилу наибольшей простоты, то есть образуют скорее двойные, нежели тройные, соединения, тройные, нежели четверные, и так далее. Правило наибольшей простоты Дальтона не всегда подтверждается, и это одна из немногих неточностей его теории.

11. Равные объемы газа при равных давлении и температуре не могут содержать одно и то же количество атомов или молекул. Этот постулат был ложным. Гей-Люссак и Амедео Авогадро сформулировали эмпирические законы, подтвержденные данными, полученными при измерении объемов. Дальтон не принял открытий Гей- Люссака, особенно его закон объемных отношений, опубликованный в 1808 году. Но мы к этому еще вернемся в следующей главе.

Как мы уже говорили, между выводами Дальтона на основании его опытов и публикацией его главного труда в 1808 году прошло некоторое время. В этом промежутке Дальтон не прекращал выступать и давать уроки. Он завоевал поддержку ученых и обзавелся серьезными оппонентами, преподавал в Шотландии: в университете Эдинбурга (о чем мечтал еще в юности), двери которого открылись для него благодаря посредничеству друга Уильяма Генри, а затем в Глазго. В преподавании Дальтон обращался к любимым темам: "Упругие флюиды, объясненные через неделимые частицы или атомы, наблюдаемые в атмосфере тепла"· или "Причины, по которым в химическом соединении элементов мы обычно — если не всегда — обнаруживаем атом каждого элемента". В соответствии с этим постулатом Дальтон дает нам несколько примеров:

— вода: 1 атом кислорода и 1 атом водорода;

— аммиак: 1 атом азота и 1 атом водорода;

— окись азота: 1 атом азота и 1 атом кислорода;

— азотная кислота: 1 атом азота и 2 атома кислорода;

— окись углерода: 1 атом углерода и 1 атом кислорода;

— угольная кислота: 1 атом углерода и 2 атома кислорода;

— маслообразующий газ этилен: 1 атом углерода и 1 атом водорода;

— углеродный водород (метан): 1 атом углерода и 2 атома водорода.

В марте 1807 года Джон Дальтон счел достаточной научную поддержку, которую получили его идеи. Значительную роль в этом сыграли хвалебные статьи, написанные двумя самыми крупными химиками того времени — Томсоном и Волластоном. Томас Томсон (1773-1852) был эрудитом, систематизировавшим в 1802 году все знания своих современников в знаменитом труде System of Chemistry ("Химическая система*), а очень богатый Уильям Волластон (1766-1828) был обязан своим состоянием изобретению способа выделения платины, которую испанец Антонио де Ульоа открыл в Эквадоре в 1735 году.

Сэр Гемфри Дэви (1778-1829) происходил из благородной, но разорившейся британской семьи. С детства он демонстрировал одаренность и выдающуюся память — с этим связано множество историй, например о том, какой эффект производили на ровесников способности Дэви к счету. Он всю жизнь оставался прекрасным рассказчиком, который просто завораживал слушателей. В юности Дэви писал талантливую прозу и стихи, но в итоге оставил литературу и посвятил себя науке. Он очень быстро проявил интерес к электрохимии (электрохимическая коррозия) и пневматике. С 1798 года Дэви работал в Пневматическом институте, который изучал влияние газов и воздуха на здоровье человека. Членом этого института также был Джеймс Уатт, изобретатель паровой машины. Из успехов Дэви упомянем использование в терапевтических целях закиси азота, известной сегодня как веселящий газ.

В 1799 году граф Румфорд основал Королевский институт, в котором сначала Томас Гарнетт, а затем Дэви давали уроки химии. При помощи вольтова столба Дэви удалось выделить и открыть новые элементы: натрий, калий, кальций, магний, бор и барий, а также различные соединения. Дэви получил известность, выступая по всей Европе (Италия, Германия, Франция и Греция), а еще более знаменитым его сделало изобретение безопасной рудничной лампы для шахтеров. Ученый был удостоен титула баронета — ранг между бароном и рыцарем (рыцарский титул был пожалован лишь Фрэнсису Бэкону и Исааку Ньютону). К концу жизни Дэви стал крайне раздражительным и непредсказуемым и огульно обвинил своего гениального лаборанта Майкла Фарадея в присвоении его открытий в области электромагнетизма. Джону Дальтону, несмотря на их взаимную дружбу с ученым, тоже не удалось избежать критики. Дэви умер в Швейцарии в возрасте 50 лет, прожив бурную и богатую событиями жизнь.

Также опыты позволили Волластону открыть палладий (1803) и родий (1804). Ученый обратился к электрохимии и улучшил лампу итальянца Алессандро Вольты (1745-1827). Известно, что у него были серьезные разногласия с Майклом Фарадеем (1791-1867), лаборантом знаменитого сэра Гемфри Дэви, только что открывшим электромагнитную индукцию.

По мнению некоторых авторов, роль Дэви в распространении атомной теории Дальтона достаточно противоречива. Нет никаких сомнений, что, учитывая огромный авторитет Дэви среди современников, его отрицательный отзыв о новой теории мог стать катастрофой. Внимательный читатель помнит, какое влияние оказали на Джона Дальтона уроки химии Томаса Гарнетта в Манчестере. В то время Гарнетт был профессором натурфилософии в Королевском институте, недавно открытом в Лондоне под покровительством Бенджамина Томпсона. На посту директора его затем сменил Дэви. Восприняв дух этого филантропического учреждения, Дэви сделал научные лекции доступными сначала для состоятельных граждан, а затем и для более простых слоев. С самого знакомства Дальтон слышал от Дэви лишь похвалы: "Этот молодой человек очень умен и приятен".

Видимо, сэр Гемфри Дэви помог подготовить то выступление 1803 года в Lit & Phil, на котором Дальтон изложил свою атомную теорию. Отношения между двумя учеными сохранились на всю жизнь, и не случайно Дальтон вторую часть своего труда посвятил не только своему другу Уильяму Генри, но и эксцентричному Дэви.

Главным противником Дальтона был Клод Луи Бертолле (1748-1822), для которого новые выкладки и теории о газовых смесях были не больше чем "игрой воображения". Как мы увидим в следующей главе, французский ученый в соответствии с идеями Ньютона разработал теорию химического сродства. Также он был наставником и учителем Луи-Жозефа Гей-Люссака. Несомненно, заслугой Бертолле является определение главного слабого места атомной теории, так что несправедливо говорить о нем как о противнике Дальтона. Более того, когда Дальтон приехал во Францию, чтобы познакомиться с главными учеными страны — Бертолле и Гей-Люссаком, его приняли со всеми почестями.