Enrique Alvarez - Масса атомов. Дальтон. Атомная теория

Тетрадка с цветными нитями, которые Дальтон использовал, чтобы проверить, различает ли он цвета. Подарок Фредерика Уильяма Гершеля (1792-1871).

Настало время рассказать о том, в каком состоянии пребывала химия в первое десятилетие XIX века. Это позволит представить ту обстановку, в которой Дальтон начал свою научную карьеру и исследования в области химии. Большинство химиков, и Дальтон не был исключением, опирались на работы Роберта Бойля (1627-1691) — ирландского ученого, работавшего в Оксфорде. Бойль считается первым современным химиком, поскольку он первым отошел от алхимических убеждений. В школе Кендала Дальтон получил доступ к его многочисленным трудам и с жадностью их изучал. Однако труды Бойля были написаны так сухо, что Дальтон обращался и к работам по химии голландца Германа Бургаве (1668-1738), который был скорее врачом, нежели химиком, и считался одним из лучших преподавателей своего времени. Бургаве заведовал кафедрой в Лейдене и по материалам своих занятий написал труд под названием Elementa chemiae ("Химические элементы", 1724), в котором изложил все практические познания в этой области. Он был убежденным последователем Ньютона и впервые применил законы Ньютона в области химии (впоследствии это сделает и Дальтон).

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.

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.

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 СO 2, 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.