Масса атомов. Дальтон. Атомная теория - Enrique Alvarez

Конгресс в Карлсруэ считается первой в мире конференцией по химии. Он проходил с 3 по 5 ноября 1860 года в немецком городе Карлсруэ. Главную трудность для участников и организаторов, среди которых были Фридрих Август Кёкуле (1829-1896), Адольф Вюрц (1817-1884) и Карл Вельцин (1813-1870), представляло соединение номенклатуры и химических обозначений, с одной стороны, и разной атомной массы — с другой. При решении первой задачи с огромным успехом были приняты предложенные Берцелиусом обозначения и формулы. А вот по поводу атомной массы, начиная с публикации работ Дальтона в 1803 году, состоялось много споров о разных системах. Дальтон предложил водород (масса равна 1) как основу и присвоил 6 углероду и 8 — кислороду. В итоге, после того как было установлено, что некоторые элементы являются не одноатомными, а двухатомными (как кислород и водород), были приняты следующие значения:

1 для водорода, 12 для углерода, 16 для кислорода. Самый значительный вклад в эту работу внес итальянец Станислао Канниццаро (1826-1910).

Станислао Канниццаро в 1897 году.

Канниццаро предложил следующее: если сравнить плотность двух газов и допустить, что в одном объеме содержится одинаковое количество частиц (гипотеза Авогадро), можно получить отношение между атомными массами этих газов. Например, зная, что плотность соляной кислоты (HCI), воды (Н20), аммиака (NH3) и метана (СН4), измеренная в объеме 1 литр при нормальной атмосфере (1) и температуре 100°С, равна 1,19 г/л, 0,589 г/л, 0,557 г/л, и 0,524 г/л, то, вычислив процент веса интересующего нас элемента (в данном случае водорода, который в этих соединениях будет равен соответственно 2,76%, 11,2%, 17,7% и 25,1%), мы сможем вычислить массу элемента в соединении: 3,28 сг, 6,60 сг, 9,86 сг и 13,15 сг. Наглядно видно, числа соотносятся как 1, 2, 3 и 4. Это позволило Канниццаро утверждать, что атомный вес водорода равен 1 и что соляная кислота содержит 1 его атом, вода — 2, аммиак — 3 и метан — 4, и это соответствует действительности.

изменил маршрут и направился в Англию, где его принял сэр Гемфри Дэви. Именно тогда, через четыре года после публикации в 1808 году, Берцелиус познакомился с сочинением Дальтона, но с автором ему встретиться не удалось. Некоторое время спустя Дальтон послал ему экземпляр своей книги.

Берцелиус не был полностью согласен с работой Дальтона, но восхищался основными положениями его атомной теории. Он также был знаком с работами Гей-Люссака и соглашался с идеей о том, что "одинаковому объему" соответствуют "одинаковые числа". Под одинаковыми числами Берцелиус, как и Гей-Люссак, понимал число частиц, которые мы сегодня называем молекулами. Помимо этого, он использовал плотность пара для расчета атомной массы известных элементов. Исчерпывающая таблица, опубликованная в 1828 году, была более обширной, нежели таблица Дальтона, однако в ней использовались идеи последнего, дополненные еще одним очевидным фактом.

Главный вклад Берцелиуса в современную химию состоит не в открытии в полном смысле слова, а в инструменте. Берцелиус ввел новый инструмент — формулу. Он разработал для опытов систему химических обозначений, присвоив элементам простые символы, представляющие собой сокращения греческих или латинских названий (например, Ag от латинского argentum для серебра, Fe от латинского ferrum для железа), добавив, кроме того, число атомов элемента — то, что потом будет названо молекулой. Химические реакции записывались как математические формулы с использованием дополнительного обозначения. Собственно, сегодня мы используем систему Берцелиуса с некоторыми изменениями. Главная разница — в том, что Берцелиус использовал степень (Н2O), а не показатель (Н2O), как мы делаем сегодня.

Дальтон совершенно не оценил нововведения. В то время химики вообще использовали обескураживающее количество рисунков, символов и сокращений. Обозначения Берцелиуса он посчитал "отвратительными" и на протяжении всей жизни продолжал использовать собственные круглые символы, хотя все его коллеги уже давно оценили удобство формул. Берцелиус добавил в свои таблицы новые открытые им самым или его ассистентами элементы — церий, селен, кремний, торий, титан и натрий (заметим, что по поводу открытия некоторых из них имеются расхождения). Он был также страстным приверженцем техники электролиза Дэви и использования электричества в химии. Берцелиус первым для объяснения химических реакций подчеркнул важность атомной полярности — в противовес силам притяжения, защищаемым Джоном Дальтоном.

Если уж Берцелиусу потребовалось время на публикацию своих работ и на то, чтобы о нем узнали (Швеция в научном плане была не так развита, как Франция, Великобритания или Германия), то что говорить об итальянце Лоренцо Амедео Авогадро (1776-1856), графе Кваренья ди Черрето, который также сыграл значительную роль в развитии атомной теории. Авогадро был странным и достаточно нелюдимым человеком. Он поздно обратился к науке, работы публиковал редко и не участвовал в научных собраниях. Но то немногое, что нам известно о его трудах, доказывает: Авогадро был человеком незаурядного ума. Он смог объединить идеи Дальтона и Гей-Люссака и сформулировать удивительный и столь же важный закон (или принцип) Авогадро.

Он попытался применить законы объемов Гей-Люссака к атомной теории Дальтона. Чтобы объединить эти две теории, пришлось прибегнуть к понятию молекулы, которое Авогадро и ввел. Он считал, что есть три вида молекул, из которых так называемая элементарная похожа на атом Дальтона. В рамках своей теории Авогадро правильно объяснил образование воды, аммиака и окисей азота и углерода. На самом деле, поскольку он изобрел понятие молекулы, его закон помог окончательно оформить атомную теорию, и именно поэтому многие общие работы по химии называют ее атомно-молекулярной теорией материи.

В равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул.

Закон Авогадро (1811)

Оставшись сиротой в раннем возрасте, Берцелиус (1779-1848) изучал медицину в университете Упсалы, в Швеции. Он занимался медициной, но довольно быстро увлекся химическими исследованиями. Юноша самостоятельно открыл закон кратных отношений массы составных элементов веществ, в полном соответствии с теорией Дальтона. В1828 году он представил таблицу атомных масс элементов, более точную, чем таблица Дальтона. Вместе с другими учеными открыл селен, церий и торий. Кроме того, он первым использовал слово протеин, обозначив им материнское вещество, которое, по мнению Берцелиуса, образовывало большую молекулу.

Система химических обозначений, которую использовал Берцелиус, действует и в наши дни. Она была единогласно принята на Первом Международном химическом конгрессе в Карлсруэ в 1860 году. Химические элементы обозначались одной или двумя буквами, главным образом от их латинского названия (как Fe, Au или Ag), или их начальными буквами (как О, N, С, Н и так далее). Химическая реакция записывалась как математическое уравнение, с добавлением дополнительного знака и стрелок: вещество, вступающее в реакцию,— слева, а продукт реакции — справа.

Принцип Авогадро позволил определить величину и массу атомов, хотя это произошло только 50 лет спустя. Количество молекул, или элементарных тел, содержащихся в одном моле (грамм-молекуле), всегда одно и то же: 6022 х 1023 моль-1, вне зависимости от того, рассматриваем мы 32 грамма кислорода (О2, двухатомный) или любой другой эквивалент другого вещества. Согласно сегодняшнему определению, это количество атомов углерода в 12 граммах углерода-12. Это число было разными способами получено французом Жаном Батистом Перреном в 1909 году, подтвердившим, как мы увидим позже, атомную природу материи во время исследований броуновского движения. Перрен получил Нобелевскую премию по физике в 1926 году.

Химия продолжала развиваться, но, к сожалению большинства ученых, изменения были хаотичными несмотря на благоприятствующую промышленную революцию. Открытие Амедео Авогадро было распространено только на уже упомянутом Первом Международном химическом конгрессе в Карлсруэ (1860). Этот конгресс был очень важен, причем не столько по причине представленных на нем научных результатов (хотя они тоже были), сколько потому, что он означал утверждение химии как независимой современной науки. Мероприятие предложил провести немец Фридрих Август Кёкуле, известный благодаря работам о строении бензолового кольца. В то время система Берцелиуса уже была принята, но среди некоторых ученых все равно царили споры. Продолжалась дискуссия между атомистами — последователями Дальтона — и теми, кто придерживался теории эквивалентных весов и ее производных. Великий русский химик Дмитрий Менделеев ( 1834-1907) еще не проделал свой длинный путь и не навел порядок — мы намеренно используем это сильное выражение — в природных элементах, изобретя знаменитую периодическую таблицу, основанную на атомной теории.