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

Безусловно, закон постоянства состава не подтверждает существование атомов, но для Дальтона закон был сильным аргументом в пользу этого. Дальтон, должно быть, задавался вопросом, почему соединение может быть сформировано только таким способом, в определенных пропорциях. Он, должно быть, спрашивал себя: в чем же дело, почему эти соотношения строго зафиксированы?

В конце концов Дальтон сделал большой шаг вперед и пришел к заключению, что причиной были атомы (элементов), которые формируют вещество. Не было никаких сомнений – Дальтон полагал, что атомы являются физической основой вещества, а элемент (как мы и говорили прежде) придает атому его индивидуальность и соответствующие физические свойства. Это было смелым предположением в начале XIX века, когда большинство ученых не знали, что делать с атомами. Начав с этого, Дальтон намеревался определить атомные массы элементов.

Создание системы масс атомов было суровым испытанием в 1800 году. Дальтону нужно было сделать несколько разумных предположений, или гипотез. Во-первых, Дальтон не только решил, что закон постоянства состава подразумевает, что атомы объединяются в определенных соотношениях, но и что они делают так только в отношениях целых чисел, а не дробей. Таким образом, пропорции были бы, например, два к одному (2: 1); три к четырем (3: 4) и т. д. – не один к одной четверти (1: 1/4); половина к одной пятой (1/2: 1/5) и так далее. Причина была проста: Дальтон полагал, что атомы были неделимы:

«Вещество, пусть и может делиться множество раз, но не бесконечно. Таким образом, должна быть некоторая величина, по достижению которой дальнейшее деление вещества становится невозможным. Существование таких мельчайших частиц вещества едва ли может быть подвергнуто сомнению, хотя они, вероятно, слишком маленькие, чтобы их можно было показать, совершенствуя микроскоп».

Поэтому теория, что атомы неделимы, означает, что вы не сможете разделить их пополам на трети или четверти и т. д., следовательно, они должны объединяться в простых отношениях целых чисел. Все очень просто.

Вспомните, Лавуазье говорил, что в ходе химической реакции масса (вещество) сохраняется. Кроме того, интерпретация Дальтоном закона постоянства состава была такова: во время химической реакции атомы объединяются так, что их количества относятся как целые (не дробные) числа, чтобы сформировать сложное вещество. Определившись с этими двумя понятиями, мы можем прийти к выводу, что во время химической реакции сохраняются именно отдельные атомы; атом – дискретная единица сохранения массы в химической реакции. Другие главные заключения Дальтона о природе атомов следующие.

– Все атомы определенного химического элемента одинаковы. Понятие химических элементов, выдвинутое Бойлем и Лавуазье и получившее развитие в атомной теории Дальтона, было главным, отличавшим ее от древнегреческих атомных теорий, которые мы обсуждали ранее. Атомы формируют вещество, но не все атомы одинаковы. Скорее атомы отличаются друг от друга только тем, какой элемент они формируют – элемент «определяет» свои атомы, так сказать. Дальтон писал: «Мельчайшие частицы всех однородных тел абсолютно одинаковы по массе, форме и т. д.».

Некоторые элементы уже знакомы вам (наряду с их химическими символами), например кислород (O), водород (H), медь (Cu), свинец (Pb), золото (Au), серебро (Ag) и алюминий (Al).

– Атомы неизменны. Века неудавшихся попыток алхимиков превратить свинец в золото, несомненно, убедили Дальтона, что невозможно превратить атом одного элемента в атом другого элемента. В самом деле, вы не можете преобразовать кислород в водород. Однако сегодня мы знаем, что атомы не так уж неизменны (или вечны) – на самом деле они «разваливаются», переживая радиоактивный распад, который мы обсудим позже. Во времена Дальтона об этой особенности определенных атомов не знали, что было, вероятно, хорошо, поскольку это, скорее всего, просто запутало бы вопрос природы атомов.

– Атомы объединяются, чтобы сформировать более крупные объекты, известные как молекулы. Атомы – основополагающие частицы, из которых состоит вещество. Однако группа атомов может объединиться, чтобы сформировать нечто немного большее – не достаточно большое, чтобы быть замеченным невооруженным глазом, но большее, чем отдельный атом. Эти комбинации атомов формируют молекулы или соединения.

– В химических реакциях только перестраивается порядок атомов. Теперь мы знаем, что это связано с сохранением атомов в ходе химических реакций. Так как атомы не создаются и не разрушаются, они должны просто перестроиться («перемешаться»), чтобы сформировать молекулы. Кроме того (как только что было отмечено), они не изменяют свою природу, чтобы стать другим элементом в химической реакции.

Эти идеи сформировали систему взглядов Дальтона на атомы и позволили ему разработать собственную очень впечатляющую атомную теорию, которая выводит ряд атомных масс для различных элементов. Давайте посмотрим, как же он смог совершить этот подвиг.

Атомы очень малы. Их масса колеблется в пределах 10–22–10–24 грамм. Теперь представим средних размеров атом массой приблизительно 10–23 грамм, что составляет примерно 0,00000000000000000000001 грамма. Теперь представьте крупинку песка размером 1/156 сантиметра, чья масса составляла бы примерно 0,001 (10–3) грамма. Поэтому крупинка песка в 100 000 000 000 000 000 000 раз больше, чем один-единственный атом, массой 10–23 грамм, – неудивительно, что вы не можете увидеть атом. Так каким же образом Дальтон определял массу атомов некоторых основных элементов, таких как кислород, водород и азот?

Должно быть ясно, что когда кто-то взвешивает любой объект, его общая масса зависит от массы всех атомов, из которых он состоит. Очевидно, отдельные массы всех атомов, составляющих объект, несомненно сложатся в массу объекта в целом. Если объект состоит только из одного типа атомов (одного элемента), то все еще проще: количество атомов в объекте, умноженное на массу элемента, равняется общей массе объекта.

Для экспериментальных целей хорошим начальным примером для «объекта», состоящего из атомов одного типа, лучше всего подойдет газ, например кислород, азот, водород и т. д. Кроме того, в некоторых случаях мы можем взять два различных газа, представляющих собой простые вещества, и смешать их вместе таким образом, что они претерпят химическую реакцию, образовав продукт. Например, если смешать газ водород с газом кислородом, они сформируют водяной пар (при правильных условиях).

Наблюдая сохранение массы/атомов после взвешивания реагентов (водорода и кислорода) и конечного продукта (водяного пара), мы понимаем, что суммарная масса используемых реагентов и масса конечного продукта будут равняться друг другу. Вопрос заключается в том, как определить массу атомов, вовлеченных в эту химическую реакцию (а именно кислорода и водорода)?

Предположим, мы определяем полные массы кислорода и водорода, используемых в химической реакции, которую Дальтон и другие проводили с помощью средств, доступных в XIX веке. Общая масса кислорода (или водорода), используемых в химической реакции, равна количеству использованных атомов кислорода (водорода), умноженному на реальную массу единственного атома кислорода (водорода). Далее мы можем разделить (например) общую массу использованного кислорода и водорода, чтобы получить отношение количеств использованных атомов (кислорода и водорода), умноженное на отношение реальных масс их атомов.