Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

В 1661 году Роберт Бойль написал книгу под названием «Химик-скептик», где он объяснил суть элемента. Если все мироздание действительно состоит из элементов, то каждый элемент должен являться простейшей, неделимой субстанцией, и тогда элемент нельзя создать из еще более мелких субстанций. Если же субстанцию можно разбить на еще более мелкие субстанции, то это уже не элемент.

Землю можно легко разделить на более простые субстанции, значит, земля — не элемент. Век спустя вода и воздух были разделены на еще более мелкие частицы, значит, вода и воздух — тоже не элементы. Что касается четвертой стихии, то химики пришли к выводу, что огонь — это вообще одна из форм энергии, значит, он не принадлежит к элементам.

После Бойля химики еще долгое время вообще не могли ничего утверждать об элементах, так как опасались, что совершенствующаяся техника экспериментов могла разделить казавшиеся ранее неделимыми субстанции.

Взять, к примеру, известь. В XVIII веке известь считалась элементом, так как ни одна химическая реакция не могла разложить ее на составляющие. Однако у химиков возникло предположение, что известь состоит из какого-то метала и кислорода. И лишь в 1808 году английскому химику Гемфри Дэви (1778–1829) удалось разложить известь и выявить новый элемент — кальций (так по-латыни называется известь). Ученый применил для этого электрический ток — новую для того времени технологию.

Для более легкого обозначения химических элементов шведский химик Йене Якоб Берцелиус (1779–1848) ввел в 1814 году для каждого элемента свой химический символ. Естественно, проще всего было использовать для этого первую и (как правило) вторую букву латинского названия элемента. Благодаря столь логичному подходу новые обозначения легко запоминаются и после некоторой тренировки не вызывают никаких затруднений при чтении.

В XIX веке химия ушла далеко вперед в изучении природы элементов, и уже в начале этого века ученые довольно точно знали, что является элементом, а что не элемент. О том, как им удалось этого достичь, я расскажу чуть позже, а пока привожу список субстанций, которые ныне считаются химическими элементами (табл. 1).

Актиний … Ас

Алюминий … Аl

Америций … Am

Сурьма … Sb

Аргон … Ar

Мышьяк … As

Астатин … At

Барий … Ba

Беркелий … Bk

Бериллий … Be

Висмут … Bi

Бор … В

Бром … Br

Кадмий … Cd

Кальций … Ca

Калифорний … Cf

Углерод … С

Церий … Се

Цезий … Cs

Хлор … CI

Хром … Cr

Кобальт … Co

Медь … Cu

Кюрий … Cm

Диспрозий … Dy

Эйнштейний … Es

Эрбий … Er

Европий … Eu

Фермий … Fm

Фтор … F

Франций … Fr

Гадолиний … Gd

Галлий … Ga

Германий … Ge

Золото … Au

Гафний … Hf

Гелий … He

Гольмий … Ho

Водород … H

Индий … In

Йод … I

Иридий … Ir

Железо … Fe

Криптон … Kr

Лантан … La

Лавренций … Lw

Свинец … Pb

Литий … Li

Лютеций … Lu

Магний … Mg

Марганец … Mn

Менделевий … Md

Ртуть … Hg

Молибден … Mo

Неодим … Nd

Неон … Ne

Нептуний … Np

Никель … Ni

Ниобий … Nb

Азот … N

Нобелий [114] Название пока не зарегистрировано. … No

Осмий … Os

Кислород … 0

Палладий … Pd

Фосфор … P

Платина … Pt

Плутоний … Pu

Полоний … Po

Калий … К

Празеодиний … Pr

Прометий … Pm

Протактиний … Pa

Радий … Ra

Радон … Rn

Рений … Re

Родий … Rh

Рубидий … Rb

Рутений … Ru

Самарий … Sm

Скандий … Sc

Селен … Se

Кремний … Si

Серебро … Ag

Натрий … Na

Стронций … Sr

Сера … S

Тантал … Та

Технеций … Тс

Теллур … Те

Тербий … Tb

Таллий … Tl

Торий … Th

Тулий … Tm

Олово … Sn

Титан … Ti

Вольфрам … W

Уран … U

Ванадий … V

Ксенон … Xe

Иттербий … Yb

Иттрий … Y

Цинк … Zn

Цирконий … Zr

Рутений … Ru

Конечно же далеко не все встречающиеся в природе вещества являются химическими элементами. Большинство субстанций состоят из двух и более элементов, причем не просто смешанных, а связанных так, что конечное вещество обладает собственными, как правило, уникальными свойствами, не имеющими ничего общего со свойствами образующих его элементов. Такие вещества, между элементами которых существует химическая связь, называются химическими соединениями.

В конце XVIII века химики стали изучать не только качества продуктов реакции. Уже было недостаточно просто записать, что «выделился газ» или «появился осадок такого-то цвета». Химики стали взвешивать количество используемых и выделившихся в процессе реакции веществ.

Самый известный химик этой «новой волны» — французский ученый Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794). Это его называют «отцом современной химии». К 1789 году у Лавуазье накопилось достаточно опытных данных, чтобы заключить, что в закрытой системе (т. е. когда в процессе химической реакции не поступают вещества извне, а продукты реакции не покидают систему) общая масса исходных веществ равна общей массе получаемых. Этот закон получил название «закон сохранения вещества», или «закон сохранения массы».

Дальше нужно было замерить каждый элемент в составе химического соединения. Важный шаг вперед в этом направлении сделал французский химик Жозеф Луи Пруст (1754–1826). Он работал, к примеру, с неким соединением (теперь мы называем его дигидроксокарбонатом меди, состоящим из трех элементов: меди, углерода и кислорода). Сначала Пруст взял образец чистого дигидроксокарбоната меди, разложил его на эти три элемента и взвесил каждый из них. Он обнаружил, что все три элемента в составе вещества всегда находятся в одной и той же пропорции: 5 частей меди (по весу), 4 части кислорода и 1 часть углерода. То есть во всех образцах элементы складывались только в этой пропорции, и никак иначе.

Пруст обнаружил, что и в других соединениях элементы также находятся в определенных пропорциях, и в 1797 году он объявил о своем открытии, получившем название «закон Пруста», или «закон постоянства состава».

Именно благодаря закону постоянства состава ученые путем умозаключений исключительно химического толка вывели концепцию атомизма. Предположим, что медь состоит из крошечных атомов меди, кислород — из атомов кислорода, углерод — из атомов углерода, а дигидроксокарбонат меди образуется путем соединения одного атома меди, одного атома кислорода и одного атома углерода (на практике это немного не так, но ведь мы просто пытаемся следовать логике атомистов). Несколько связанных между собой атомов называются молекулой («малая масса» по-латыни). То есть представьте, что дигидроксокарбонат меди состоит из множества молекул, в каждой из которых по одному атому меди, кислорода и углерода.