Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

262

Читать книгу Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов полностью.

Шрифт:

Интервал:

Закладка:

Сделать

Перейти на страницу:

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 Н2O.

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 (СO2). Это значит, что вес атома углерода — это 3/8 веса двух атомов кислорода. Атомный вес кислорода равняется 16, значит, у двух атомов кислорода атомный вес 323/8 от 32 будет 12, значит, относительный вес одного атома углерода — 12.

Одна молекула циана (C2N2) содержит 6 частей углерода и 7 частей азота. Атомный вес двух атомов углерода 24, значит, вес двух атомов азота будет 7/6 от 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.

Из 103 известных химических элементов 83 широко представлены на поверхности земли. Все эти элементы приведены в табл. 2, где они расположены по возрастанию атомного веса. Рядом даны атомные веса этих элементов по системе, принятой в 1961 году. А об оставшихся двадцати мы поговорим в одной из следующих глав.

Периодическая таблица

В середине XIX века существовали два определения элемента. Первое — элемент не может быть разбит на два или несколько более простых субстанций (определение Бойля) и второе — элемент состоит из атомов с определенным атомным весом (определение Дальтона). Впрочем, все элементы удовлетворяли и первому и второму определению. Тем не менее определенные сомнения все-таки были, слишком уж много было химических элементов (в 1860 году было известно уже более 60 элементов).

Эти элементы обладали самыми различными свойствами: здесь были и газы, и жидкости, больше всего было твердых веществ; были и неметаллы, и легкие металлы, и тяжелые металлы, и полуметаллы; некоторые из них обладали высокой степенью активности, остальные средней, а какие-то были инертны; некоторые имели цвет, а некоторые были бесцветны.

Все это очень разочаровывало ученых. Конечно же ученые должны принимать мир таким, какой он есть, однако еще древние греки посеяли в их головах идею того, что все в природе организовано довольно просто. И если что-то на первый взгляд кажется очень сложным, то ученые пытаются найти какой-то скрытый и относительно простой порядок.

Таблица 2.

АТОМНЫЕ ВЕСА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Водород … 1,00797

Гелий … 4,0026

Литий … 6,939

Бериллий … 9,0122

Бор … 10,811

Углерод … 12,01115

Азот … 14,0067

Кислород … 15,9994

Фтор … 18,9984

Неон … 20,183