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

Теперь если предположить, что атом меди в пять раз тяжелее атома углерода, а атом кислорода в четыре раза тяжелее атома углерода, то получается, что так как дигидроксокарбонат меди содержит 5 частей (по массе) меди, 4 части кислорода и 1 часть углерода, то, чтобы получить 5,1 части меди и 3,9 части кислорода к одной части углерода, нужно будет делить атом.

Но такого никогда не происходит. Химические элементы соединяются только в строгой пропорции. Таким образом, закон Пруста доказывает не только то, что атомы существуют, но и то, что, как и говорил Демокрит

Английский химик Джон Дальтон (1766–1844) был одним из первых, кто не только принял, но и развил теорию атомизма. Опираясь на закон Пруста и подобные обобщения, он создал современную атомистическую теорию (слово «современная» используется, чтобы не путать ее с оригинальной теорией Демокрита).

Конечно же Дальтон ушел в своих изысканиях намного дальше, чем Демокрит. Он не ограничился лишь заявлением о том, что атомы существуют. Из закона Пруста Дальтон вывел следующее:

каждый химический элемент состоит из нескольких атомов, масса которых постоянна и одинакова;

разные элементы состоят из разных по массе атомов;

химические соединения состоят из молекул, образованных несколькими атомами [115] Как только ученые смогли более глубоко изучить структуру веществ, оказалось, что все эти утверждения не верны. Однако к тем веществам, с которыми в основном работали ученые в XIX веке, эти утверждения вполне применимы. Утверждения Дальтона — это «первое приближение», именно благодаря им исследователи пошли по верному пути и, собрав достаточно информации, сделали правильные выводы. В научном мире далеко не всегда важно быть абсолютно правым, да и не всегда понятно, кто прав, а кто нет. Важно быть правым для своего времени, и Дальтон для своего времени был прав. .

Закон постоянства состава позволяет сделать выводы об относительной массе атомов разных веществ, то есть об атомном весе [116] Не следует забывать, что вес — это не то же самое, что масса (см. ч. I), и в данном случае корректнее было бы говорить об «атомной массе», а не об «атомном весе». Однако, как это часто случается, неверное обозначение прочно вошло в научную литературу и стало настолько известным, что стало невозможно его изменить. Как ми прискорбно, но с этим придется смириться. .

Например, вода состоит из водорода и кислорода, и на одну часть водорода (по массе) приходится восемь частей кислорода. Дальтон полагал, что в формировании связи принимает участие минимально возможное количество атомов и что в молекуле воды содержится по одному атому водорода и кислорода. Значит, по мнению Дальтона, атом кислорода в восемь раз тяжелее атома водорода.

Судить таким образом о реальной массе кислорода или водорода нельзя, однако сдаваться тоже не следует. Дальтон принял за единицу веса массу атома водорода, так как имел основания полагать, что атом водорода самый легкий (и здесь он оказался прав), и принял массу атома водорода равной 1. Получается, что если вес водорода равен 1, то вес кислорода равен 8.

Здесь я должен сделать поправку. Как раз когда Дальтон работал над своей теорией, ученым удалось с помощью электрического тока разложить воду на водород и кислород. И оказалось, что на каждый литр полученного кислорода приходится два литра водорода, то есть соотношение по объему кислорода и водорода в воде 1:2. На основе этого вскоре было доказано, что в одной молекуле воды содержится один атом кислорода и два атома водорода (Дальтон, однако, так с этим и не согласился).

Молекулу можно представить в виде химической формулы, где каждый атом каждого химического элемента имеет соответствующий химический символ. То есть, по Дальтону, формула воды будет выглядеть как НО. Если же в молекуле содержится более одного атома элемента, то их количество обозначается цифрой. Сейчас считается, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, и формула выглядит как Н 2O.

Изменились выводы, но не результаты научных экспериментов. Вода по-прежнему состоит из одной части (по весу) водорода и 8 частей кислорода. Однако, учитывая новый взгляд на состав молекулы воды, один атом кислорода должен по весу быть в 8 раз тяжелее двух атомов водорода и соответственно в 16 раз тяжелее одного атома водорода. Таким образом, если принять вес атома водорода за 1, то атомный вес кислорода будет равен 16.

По этой же системе можно вычислить относительный вес остальных элементов. Скажем, для получения углекислоты необходимы 3 части углерода и 8 частей кислорода (по весу). Молекула углекислоты содержит один атом углерода и два атома кислорода (СO 2). Это значит, что вес атома углерода — это 3/ 8веса двух атомов кислорода. Атомный вес кислорода равняется 16, значит, у двух атомов кислорода атомный вес 32 3/ 8от 32 будет 12, значит, относительный вес одного атома углерода — 12.

Одна молекула циана (C 2N 2) содержит 6 частей углерода и 7 частей азота. Атомный вес двух атомов углерода 24, значит, вес двух атомов азота будет 7/ 6от 24, то есть 28. А атомный вес одного атома азота равняется 14.

Получается, что атомный вес атома любого элемента — целое число, в чем и был глубоко убежден Дальтон. Однако последующие исследования других химиков, например Берцелиуса, показали, что атомный вес некоторых элементов — дробное число. Например, атомный вес хлора равен приблизительно 35,5, а атомный вес магния — 24,3.

На самом деле если провести более точные измерения, то почти все целые числа атомных весов окажутся также дробными. Например, соотношение кислорода и водорода в воде не 8 к 1, а 7,94 к 1. Значит, если приравнять вес одного атома водорода к 1, то атомный вес кислорода будет 15,88.

Кислород легко соединяется с другими элементами. Из всех известных 19 химических элементов кислород реагировал практически со всеми. Именно это свойство — химическая активность — кислорода позволило ученым узнать относительный вес атомов всех остальных элементов, а использование дробного числа вместо целого привело бы к абсолютно ненужным сложным математическим расчетам. Поэтому ученые решили приравнять атомный вес кислорода к 16,0000, то есть получалось, что атомный вес водорода — 1,008.

Это удовлетворило химиков вплоть до 1920 года. Именно тогда ученые узнали кое-что новое об атомах (см. гл. 8), и число 16,0000 перестало отвечать их требованиям. Однако это число настолько прочно осело в литературе и головах ученых, что его практически невозможно было оттуда выбить. Впрочем, в 1961 году была создана новая система, где изменения были настолько малы, что большинство их приняло. В 1961 году за атомный вес кислорода было принято число 15,9994.