Вид с высоты
Шрифт:
Многие известные нам вещества получены в результате комбинирования элементов в различных пропорциях. В процессе разложения веществ на компоненты и образования новых сочетаний в новых пропорциях одно вещество может превратиться в другое.
Все это прекрасно, но возник вопрос, по какому признаку элементы отличались друг от друга. Как установить разницу между атомами различных элементов?
Поскольку атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть или обнаружить каким-либо способом, греческие атомисты могли выбирать для атомов любой отличительный признак, какой им только заблагорассудится. Можно было предположить, что различные атомы имеют разный цвет, несходные отражательные
Все эти предположения подходили для создания связанной теории построения Вселенной, которую можно было преподнести с подобающим достоинством (чего-чего, а достоинства у древних греков было хоть отбавляй!).
И вот тут-то и выходит на арену форма мышления. Греки специализировались на геометрии. Для них почти вся математика (хотя и не совсем вся) была геометрией, которая по возможности проникала и в другие области знания. Раз уж встал вопрос об отличительных чертах атомов, то ответ, конечно, зиждется на геометрии.
Атомы (решили греческие атомисты) отличаются друг от друга по форме. Атомы огня, очевидно, сильно иззубрены, и поэтому огонь причиняет боль. Атомы воды, наверно, гладкие и круглые, и поэтому вода так легко течет. Атомы земли, по-видимому, имеют форму кубиков, и поэтому земля такая крепкая и устойчивая. И так далее.
Все это звучало весьма правдоподобно и разумно, но так как никто никогда атомов не видел, то теория эта оставалась всего лишь схоластическим упражнением; она казалась не более правомерной, чем умствования греческих философов, не принадлежавших к школе атомистов. Но их рассуждения были более убедительны, и атомисты остались в меньшинстве (в значительном меньшинстве) на добрых две тысячи лет.
Атомистическое учение было пересмотрено в первом десятилетии XIX века английским химиком Джоном Дальтоном. Он также считал, что все состоит из атомов, которые комбинируются и переходят из одного сочетания в другое в различных пропорциях, образуя все известные нам вещества.
В эпоху Дальтона понимание природы элементов приблизилось к современному, и он уже мог говорить об атомах углерода, водорода или кислорода, а не об атомах огня и воды. Далее, в течение XVII и XVIII столетий в области химии было сделано множество открытий, для объяснения которых атомистическая теория оказалась крайне плодотворной. В результате предположение о существовании атомов (по-прежнему невидимых) оказалось гипотезой гораздо более полезной, чем во времена древних греков.
Но теперь Дальтон столкнулся с той же проблемой, что и греки. Как можно различать невидимые атомы?
Что ж, наука в канун XIX века уже перестала быть геометрической и стала просто метрической. Теперь она основывалась на измерении трех основных свойств: массы (обычно неправильно называемой весом), расстояния и времени. Этих трех измерений было достаточно, чтобы управляться с механистической Вселенной Ньютона.
Поэтому Дальтон, сообразуясь с формой мышления своих современников, игнорировал структуру и форму атомов. Все атомы для него были сходными маленькими шариками, не имеющими внутренней структуры. Он механически перенес понятие о массе, расстоянии и времени в свою теорию об атомах. Но из всех понятий он оперировал только понятием о массе. По Дальтону, все атомы одного элемента имеют одинаковую массу, которая, однако, отличается от массы атомов любого другого элемента.
Дальтон пошел в своих исследованиях дальше и (по-видимому, это самая
Тогда речь вовсе не шла об определении массы атома в граммах. Сделать это оказалось возможным лишь много лет спустя. Совсем иное дело — определять массы относительно друг друга.
Например, атомы водорода и кислорода соединяются и образуют молекулу воды. («Молекула» — название, применимое к любому достаточно стойкому сочетанию атомов.) Можно установить путем химического анализа, что при образовании воды каждый грамм водорода соединяется с 8 граммами кислорода. Аналогично можно доказать, что при образовании метана 1 грамм водорода всегда соединяется точно с 3 граммами углерода. И, конечно, когда 3 грамма углерода соединяются точно с 8 граммами кислорода, то образуется окись углерода.
Таким образом мы определяем эквивалентные веса, то есть относительный вес различных элементов, остающийся неизменным при образовании соединений. (Соединение — это вещество, молекулы которого состоят из нескольких видов атомов.) Если произвольно установить, что эквивалентный вес водорода равен 1, то эквивалентный вес углерода будет равен 3, а кислорода — 8.
А какое это имеет отношение к атомам? Дальтон начал с простого предположения (это не мешало бы делать всем), а затем решил, что один атом водорода, соединяясь с одним атомом кислорода, образует воду. Если бы это было так, то атомы кислорода были бы, по-видимому, в 8 раз тяжелее атомов водорода; лучшего объяснения, почему 1 грамм водорода соединяется с 8 граммами кислорода, не найдешь. Как видите, число атомов обоих элементов одинаковое, но атомы кислорода тяжелее атомов водорода в 8 раз.
Следовательно, если произвольно установить, что атомный вес водорода равен 1, то атомный вес кислорода будет равен 8. По той же причине атомный вес углерода будет равен 3, если молекула метана состоит из одного атома углерода, соединяющегося с одним атомом водорода.
И сразу же неизбежно возникает вопрос: насколько правомерно предположение Дальтона? Непременно ли один атом соединяется только с одним атомом? Нет, не обязательно; 3 грамма углерода, соединяясь с 8 граммами кислорода, образуют окись углерода, а 3 грамма углерода, соединяясь с 16 граммами кислорода, образуют двуокись углерода.
Тогда можно предположить, что молекула окиси углерода состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода, и, обозначив углерод буквой С, а кислород буквой О, написать формулу молекулы окиси углерода — СО. Но если углерод соединяется с двойным количеством кислорода и образует молекулу вещества, обладающего другими свойствами, то на основе учения об атоме можно предположить, что каждый атом углерода соединяется с двумя атомами кислорода и образует двуокись углерода. Следовательно, формулу двуокиси углерода можно написать как СO2.
С другой стороны, если вы считаете, что молекула двуокиси углерода — это СО, то молекула окиси углерода будет С2О. Первое предположение, о котором говорилось выше, оказывается верным, однако в обоих случаях мы имеем дело с молекулой, в которой атом одного элемента соединяется с двумя атомами другого.
Если признать, что молекула может содержать несколько атомов определенного вида, то придется пересмотреть нашу структуру молекулы воды. Должна ли она состоять из одного атома водорода и одного атома кислорода согласно формуле НО? А что, если формула будет другой? Например, НO2, или НO4, или даже Н17O47?