Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали - Скотт Бембенек

Бертолле был уважаемым ученым, идеи которого имели вес в научном сообществе на рубеже XIX века. Он полагал, что элементам, составляющим сложное вещество, не нужно находиться в определенных соотношениях друг с другом, они могут браться в различных пропорциях, и в результате получится та же самая смесь продуктов – тот же самый «яблочный пирог». Кроме того, по данным Бертолле, соотношения количеств элементов в соединении определены количествами используемых исходных материалов. Поэтому, если исходные материалы подобраны так, что некоторые элементы используются в бо2льших количествах, чем другие элементы, у конечного продукта реакции в составе так же будет больше элементов. Как и в кулинарии, если в рецепт добавить больше сахара, блюдо будет слаще.

Эта концепция не устраивала Жозефа Луи Пруста (1754–1826), он не считал химию кулинарным искусством. Пруст провел детальные исследования в хорошо оборудованной лаборатории и обнаружил, что формирующие определенное вещество элементы не находятся друг с другом в переменных пропорциях, а эти соотношения фиксированы. Таким образом, различные соотношения тех же самых элементов дают в результате разные соединения, а не просто вариации одного и того же соединения, как считал Бертолле, – таким образом, действительно имеет значение, используете ли вы пять яблок или шесть. Пруст объясняет это так:

«…свойства соединений неизменны, пока неизменна пропорция составляющих их элементов. В этих двух аспектах они идентичны. Вследствие смены агрегатного состояния этих веществ может измениться их внешний вид, но не свойства».

В 1799 году Пруст ввел закон постоянства состава и затем до 1808 года спорил по этому поводу с Бертолле, пока тот наконец не сдался. Возможно, Бертолле пришел к своим заключениям, анализируя нечистые вещества и смеси. У закона постоянства состава, или закона Пруста, есть несколько далеко идущих выводов, как мы увидим через минуту. Однако одно нужно отметить: готовите ли вы вещество в лаборатории или же находите в природе, соотношения в нем элементов, которые нужны для этого соединения, в обоих случаях одни и те же; метод изготовления данного соединения не меняет его химический состав.

Теперь это может показаться тривиальным, но в начале XIX века это не было общепринятой истиной, и исследование Пруста и других убедили нас в этом важном факте. Закон постоянства состава и закон сохранения Лавуазье сформировали основу, на которой Дальтон начал работать со своей атомной теорией.

Джон Дальтон, сын ткача, родился в семье квакера в Иглесфилде, Камберленд, в Англии. Когда ему было двенадцать, школу, в которой он учился, передали его старшему брату, который позвал Джона помогать в обучении; два года спустя братья купили свою школу.

В 1793 году Дальтон переехал в Манчестер, чтобы преподавать математику в Нью Колледже. Сначала Дальтона заинтересовала метеорология, и в том же году он издал «Метеорологические наблюдения и эссе». Однако у него было много научных интересов, и скоро он обратился к исследованию газов, заинтриговавших его во время исследования атмосферы Земли, являющейся смесью газов, которые мы называем воздухом.

Дальтон задался вопросом: почему экспериментальные данные его времени указывали, что атмосфера Земли была однородной? Другими словами, почему состав атмосферы мало изменялся по мере увеличения высоты? Он знал, что атмосфера Земли является смесью газов с разными плотностями. (Сегодня мы знаем, что атмосфера Земли состоит из азота на 78,09 %, кислорода на 20,95 %, аргона на 0,93 %, углекислого газа на 0,039 % и небольшого количества других газов. Воздух также содержит переменную объемную долю водяного пара в зависимости от температуры, составляющую в среднем приблизительно 1 %.) Таким образом, Дальтон ожидал, что более плотные газы будут находится ниже, в то время как менее плотные будут преобладать на больших высотах. Это и правда имело некоторый смысл.

В конце концов, нефть, смешиваясь с водой, за счет меньшей плотности поднимается вверх. Воздушный шар, заполненный гелием, летит вверх в направлении высоких слоев земной атмосферы, потому что гелий менее плотный, чем воздух. Так почему менее плотные газы не должны быть выше более плотных в атмосфере Земли? Во времена Дальтона не было известно, что это действительно так. Тем не менее это не слишком заметно на уровне нескольких миль выше Земли (на эти высоты распространялись экспериментальные данные во времена Дальтона), но становится хорошо заметно на больших высотах. Любой, кто бывал на большой высоте (возможно, вы занимались сноубордингом или пешим туризмом в горах), может засвидетельствовать, что дышать ощутимо тяжелее – из-за меньшего количества кислорода.

Так случилось, что кислород – один из наиболее плотных газов, составляющих воздух, и поэтому его содержание при удалении от поверхности Земли становится все меньше. Тем не менее такая смесь газов, как атмосфера, несколько отличается от смеси жидкостей, например нефти и воды. В то время как жидкости с разной плотностью при взаимодействии полностью расслаиваются, газообразные смеси ведут себя слегка иначе. Частицы (атомы, молекулы) газа движутся дальше и быстрее (за данный отрезок времени), чем частицы жидкости. За счет этого каждая частица подвергается приблизительно миллиарду столкновений с другими частицами каждую секунду. Как следствие, смеси газа имеют тенденцию… смешиваться. А именно, смешиваться таким образом, что частицы (более или менее) равномерно распределяются повсюду (или однородно, как мы говорили раньше), не формируя четко определенные слои, как это делают жидкие смеси.

Поэтому атмосфера Земли – однородная смесь газов, плотность которых меняется в зависимости от высоты, снижаясь на больших высотах. Вспомните, что мы говорили об идее движущихся частиц как об основе кинетической теории. Однако Дальтон просто не верил в кинетическую теорию. Он полагал, что атомы объекта остаются на месте (статическая модель вещества). Он также считал, что атомы объекта всегда находятся в прямом контакте друг с другом. Это согласовывалось с отказом Дальтона принять понятие «действия на расстоянии». Дальтон полагал, что объекты могут воздействовать друг на друга, только если они вступают в контакт.

Дальтон был не единственным, кто не признавал действия на расстоянии. В самом деле, это был важный момент в формировании атомной теории Дальтона. Так как же Дальтон объяснял смешивание газов в атмосфере? На самом деле, очень просто – он пришел к выводу, что сила взаимного отталкивания между частицами газа должна отвечать за их смешивание, пока они не придут в некоторое состояние равновесия, оставаясь на одном месте в тесном контакте.

Интерес Дальтона к газам, возможно, начался с его исследований атмосферы Земли, но скоро его привлекло поведение самих газов. Дальтон был убежден, что растворимость газа в воде связана с весом атомов газа. В результате Дальтон сконцентрировал свое внимание на определении массы атомов.

Как вы можете представить, определить массу атома не так-то просто. В конце концов, вы не видите атом, и поэтому не представляется возможным просто положить его на весы и измерить массу. Закон постоянства состава, каким его знал бы Дальтон, гласил, что когда вещи, из которых состоят вещества, объединяются, чтобы сформировать сложное вещество, они делают это в определенном соотношении.