Книга Дальтон. Атомная теория - Enrique Joven Alvarez

АТОМНАЯ ТЕОРИЯ

Понятие элемента появилось благодаря Лавуазье, который выделил более 30 химических элементов. Дальтон смог объяснить, что они отличаются друг от друга, так как различаются составляющие их атомы. Существует столько же разных атомов, сколько и разных элементов, и каждый имеет свою атомную массу. Сочетания атомов, образующие разные соединения, — понятие молекулы появится только через несколько лет — определены количественными весовыми законами, сформулированными Лавуазье, Прустом и Дальтоном.

Следующий этап заключался в разработке таблицы атомных масс. Дальтон взял за точку отсчета самый легкий элемент — водород — и присвоил ему значение единицы. Потом он присвоил вес другим элементам и соединениям через их соотношение с водородом. Так, вода состоит из водорода и кислорода. При разложении воды кислород весит в восемь раз больше, чем водород. Дальтон присвоил ему в своих первых таблицах номер 7. Однако веса элементов не являются целыми числами, кратными атомной массе водорода, и Дальтон допустил некоторые мелкие ошибки. Мы также помним, что истинная масса кислорода равна 16, поскольку его молекула двухатомная. Для исправления этой ошибки предстояло дождаться работ Гей- Люссака (1778-1850). При определении масс других соединений Дальтон использовал схожий принцип.

Как мы уже говорили в предыдущей главе, первые выводы ученый зафиксировал в своей тетради 6 сентября 1803 года. В той же записи можно увидеть произвольно выбранные Дальтоном обозначения атомов и атомных масс около 20 элементов и соединений.

Результаты были представлены в Lit & Phil через несколько недель, в октябре 1803 года. В своем выступлении Дальтон представил слушателям атомную массу 21 элемента и соединения. За этим последовал целый ряд выступлений, новых расчетов и опытов, которые привели к публикации в 1808 году A New System of Chemical Philosophy ("Новой системы химической философии"). Первая часть первого тома была напечатана в 1808 году, вторая — в 1810-м. Второй том вышел в свет в 1827 году, а обещанный третий так и не был написан.

Пришло время сформулировать основные постулаты атомной теории Дальтона.

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.

ПРИНЯТИЕ АТОМНОЙ ТЕОРИИ

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.