Глава 21
Крохотные кусочки материи

«Атом» долгое время был не самым популярным термином.

Вспомните, древние греки определяли его как часть Вселенной, существующую по воле случая и безо всякой цели. Но как обстоит дело сейчас, когда для любого из нас понятие атома выглядит совершенно естественным?

Современный «атом» – отпрыск умственной работы респектабельного квакера Джона Дальтона (1766–1844). Сын ткача, он был отправлен в хорошую школу, расположенную неподалеку от места его рождения. Озерного края в Северо-западной Англии.

Дальтон оказался смышлен в математике и прочих науках, и знаменитый слепой математик Джон Гоух стал его учителем и вдохновителем.

Дальтон поселился в окрестностях Манчестера, города, процветавшего и быстро росшего в эпоху ранней промышленной революции, когда фабрики приобретали все большее значение в производстве товаров.

Он работал в качестве лектора и частного учителя.

Дальтон оказался первым, кто описал цветовую слепоту, от которой сам страдал; в дальнейшем, через много лет она получила имя «дальтонизм». Если вы знаете кого-либо, кто болеет дальтонизмом, то это, скорее всего, мальчик или мужчина, поскольку женщины почти не подвержены этой хвори.

Дальтон чувствовал себя как дома в Манчестерском литературно-философском обществе. Его активные члены стали чем-то вроде огромной семьи для этого застенчивого мужчины, который так никогда и не женился.

Манчестерский «Лит&Фил» был одним из множества одинаковых обществ, основанных в конце восемнадцатого века в городах по всей Европе и даже в Северной Америке. Бенджамин Франклин, о котором мы упоминали, вошел в число основателей Американского философского общества в Филадельфии. «Натурфилософией», конечно, тогда именовали то, что мы называем наукой. «Литература» в имени манчестерского общества напоминает нам, что наука тогда еще не была отделена от других форм интеллектуальной активности; и обсуждаться на собраниях могли самые разные вещи, от пьес Шекспира до новостей археологии и химии. Век специализации, когда химики большей частью общаются с другими химиками, а физики с физиками, еще не наступил, и видится нечто возвышенное в широте мысли тогдашних ученых.

Дальтон стал главной звездой Манчестерского литературно-философского общества, и его работы постепенно признавали в Европе и Северной Америке. Он провел множество значимых химических экспериментов, но его репутация и тогда и сейчас большей частью базируется на химическом понятии атома.

Ученые более раннего времени видели, что когда соединения вступают в реакцию, то они делают это предсказуемым образом. Когда водород «горит» в обычном воздухе, частью которого является кислород, то продуктом реакции всегда окажется вода, и если вы отмеряете все аккуратно, то увидите, что пропорция двух газов, комбинирующихся для образования жидкости, всегда будет одна и та же (только не пробуйте сделать это дома, поскольку водород легко загорается и даже может взорваться).

Тот же самый вид постоянства можно наблюдать и при прохождении других химических реакций с газами, жидкостями и твердыми веществами.

Почему?

Лавуазье, живший в девятнадцатом веке, объяснял это тем, что элементы являются базовыми единицами материи, и ни одни из них не может быть разложен на составляющие. Дальтон назвал мельчайшие частички материи «атомами» и настаивал, что атомы одного элемента все одинаковые, но в то же время отличаются от атомов других элементов. Он считал атомы невероятно маленькими кусочками сплошной материи, окруженными теплом. Тепло вокруг атома помогало объяснить то, как атомы и соединения, которые они создают, объединяясь с другими атомами, могут находиться в разных состояниях.

Например, атомы водорода и кислорода могут вместе выглядеть как твердый лед (в этом случае у них меньше всего тепла), или как вода, или как водяной пар (когда тепла больше всего).

Дальтон изготавливал модели из маленьких вырезок, пытаясь разобраться с тем, как состыкуются атомы. Он помечал эти куски картона символами, поскольку на полные названия не хватало места (а еще он экономил время), и записывал имена соединений, а также происходящие реакции (словно отправляя текстовое сообщение в мессенджере). Поначалу система выглядела слишком неудобной, чтобы пользоваться ей, но идея оказалась правильной, и постепенно химики решили употреблять инициалы как символы элементов (и само собой, атомов Дальтона).

Так водород стал обозначаться H (hydrogen), кислород – O (oxygen), углерод – C (carbon). Другие символы иногда требовалось добавлять, чтобы избежать путаницы: например, когда позже открыли гелий (helium), его нельзя было обозначить H, отсюда появилось He.

Красота Дальтоновской теории атомов заключалась в том, что она позволила химикам узнать такие вещи об этих кусочках материи, которые они не могли увидеть. Например, если все атомы одного элемента одинаковые, то они должны и весить одинаково, и отсюда возникает возможность измерить, насколько один из атомов тяжелее другого.

В соединении, состоящем из атомов разных видов, можно, используя относительную массу, рассчитать процент атомов каждого вида, то, какую долю они занимают (Дальтон на самом деле не имел возможности узнать, сколько весит атом, так что атомные массы были исключительно сравнительными).

Дальтон оказался первопроходцем, и на самом деле он не всегда шел в правильном направлении. Например, анализируя воду, в которой скомбинированы атомы водорода и кислорода, он предположил, что один атом одного элемента приходится на атом второго. Базируясь на самом тщательном взвешивании, он присвоил водороду атомную массу в единицу (водород был легчайшим из известных элементов), а кислороду – семерку, то есть масса одного относилась к другой как 1 к 7.

Он всегда округлял атомные массы до целых чисел, и сравнительные массы, с которыми работал ученый, намекали, что он прав. На самом деле соотношение массы в воде ближе к 1 на 8, и сейчас мы знаем, что два атома водорода содержатся в каждой молекуле воды и реальная пропорция атомных масс 1 к 16 – один атом водорода к шестнадцати кислорода. Текущая атомная масса кислорода 16, ну а водород сохранил магическую массу в единицу, полученную еще от Дальтона.

Водород, кстати, не только самый легкий из элементов, он еще и наиболее распространенный во Вселенной.

Атомарная теория Дальтона позволила объяснить химические реакции, она показала, как элементы или атомы комбинируются в различных пропорциях. Так, водород и кислород делают это, формируя воду, углерод и кислород, когда создают углекислый газ, а азот и водород – объединяясь в аммоний.

Подобные регулярность и постоянство, а также растущая точность измерений сделали химию передовой наукой в начале девятнадцатого века, ну а идеи Дальтона заложили для этого фундамент.

Гемфри Дэви (1778–1829) оказался одним из самых выдающихся химиков той эпохи. Насколько Дальтон был скромен, настолько же Дэви – красноречив и амбициозен. Подобно Дальтону, он вышел из рабочего класса и попал в хорошую начальную школу в Корнуолле.

Ну а еще Дэви повезло, нет сомнений, поскольку он стал учеником местного врача, который планировал воспитать себе смену. Но вместо этого Дэви использовал книги, полученные от наставника, чтобы научиться химии (и иностранным языкам). Он переехал в Бристоль, где стал ассистентом в особом медицинском учреждении, где использовали различные газы для лечения пациентов.

Именно тогда Дэви экспериментировал с оксидом азота, который называют также «веселящим газом», ведь когда вы им дышите, он заставляет вас смеяться. Книга Дэви о газах, появившаяся в 1800 году, произвела сенсацию, веселящий газ был объявлен «рекреационным препаратом», и вечеринки с его использованием вошли в моду.

Дэви также заметил, что после использования оксида азота для дыхания вы не чувствуете боли, и предположил, что тот может оказаться полезным в медицине. Потребовалось сорок лет, чтобы врачи согласились с этим утверждением, и веселящий газ кое-где до сих пор применяется для анестезии.

Но только большой город Лондон, столица империи, мог удовлетворить амбиции Дэви. Он получил свой шанс, став лектором по химии в Королевском институте, организации, созданной, чтобы продвигать науку в средний класс.

И здесь ученый показал себя отличным шоуменом, его публичные лекции по химии привлекали толпы, ведь люди часто ходят на лекции не только для того, чтобы узнать нечто новое, но и для развлечения. Дэви стал профессором института и продолжил заниматься исследованиями, в том числе он сообразил (другие химики тоже до этого доходили), как можно применить в своей науке Вольтов столб, прототип современной батарейки.

Он растворял вещества в жидкостях, изготавливая таким образом растворы, и затем использовал столб, чтобы пропускать через растворы электрический ток, и смотрел, что происходит. Дэви обнаружил, что во многих растворах элементы и соединения притягиваются либо к отрицательному, либо к положительному полюсу устройства. Именно таким образом он идентифицировал несколько новых элементов: натрий и калий, например, которые оба собирались у отрицательного полюса. Натрий является частью хлорида натрия, вещества, которое придает водам океана соленость, и именно его мы добавляем в еду как поваренную соль.

Ну а с того момента, как новый элемент открыт, с ним можно проводить эксперименты, и узнать его сравнительную атомную массу, и этим Дэви тоже занимался.

Вольтов столб с его положительным и отрицательным полюсами также изменил взгляд химиков на атомы и соединения. Положительно заряженные вещества устремлялись к отрицательному полюсу, а отрицательно заряженные – к положительному, и это помогло объяснить, почему элементы имеют естественную склонность вступать в соединение друг с другом.

Шведский химик Йенс-Якоб Берцелиус (1779–1848) сделал этот принцип основой для своей знаменитой теории химических комбинаций. До того, как стать ученым. Берцелиус пережил тяжелое детство, его родители умерли, и воспитанием мальчика занимались различные родственники. Но несмотря на это, он стал одним из самых знаменитых химиков всей Европы.

Он открыл для себя все удовольствие химических исследований, когда обучался на врача, и получил возможность работать в качестве химика в столице Швеции Стокгольме, где сам жил. Впоследствии Берцелиус много путешествовал, особенно часто в Париж и Лондон, центры науки того времени.

Подобно Дэви Берцелиус использовал Вольтов столб, чтобы изучать растворы. Таким образом он открыл несколько новых элементов, и опубликовал их перечень (с уточненными значениями атомной массы). Он определил эти массы посредством тщательного анализа разных соединений, скомбинированных, чтобы произвести новые вещества, или разлагая соединения на составляющие и аккуратно взвешивая то, что получилось.

Его химическая таблица, появившаяся в 1818-м, показывала атомную массу сорока пяти элементов, и водород имел массу в единицу.

Также Берцелиус определил состав более чем двух тысяч соединений, и он же популяризовал идею Дальтона, связанную с идентификацией элементов по первой (или первым двум) букве названия: С для углерода (carbon), Ca для кальция и так далее. Записанные таким образом химические реакции стало очень легко читать.

Когда в соединении содержалось более одного атома некоего элемента. Берцелиус приписывал к букве цифру, обозначающую число атомов. Он ставил цифру чуть выше буквы, хотя современные ученые поступают наоборот: O₂ означает, что у нас два атома кислорода. В остальном шведский ученый записывал формулы в точности так же, как пишем мы их сегодня.

Берцелиус куда лучше работал с неорганическими соединениями, чем с органическими, «Органическими» называют такие соединения, которые содержат углерод и ассоциируются с живыми существами: сахара и протеины находятся в их числе. Органические соединения часто сложнее, чем неорганические, и они имеют склонность вступать в реакции несколько не так, как это делают соли, кислоты и минералы, с которыми большей частью имел дело шведский ученый.

Берцелиус полагал, что реакции, идущие внутри наших тел (или внутри иных живых существ, таких как коровы или деревья), не могут быть объяснены тем же образом, как происходящие в лаборатории. Органическая химия во время его жизни развивалась в Германии и Франции, и хотя швед всегда дистанцировал себя от коллег, ей занимавшихся, он внес немалый вклад в их работу.

Во-первых, он предложил слово «протеин», чтобы поименовать один из наиболее значимых видов органических соединений. Во-вторых, он догадался, что многие химические реакции не идут, если не присутствует некая третья субстанция, и он назвал ее «катализатором». Катализатор помогает реакции – часто ускоряя ее, – но сам в процессе реакции не изменяется, в отличие от других веществ, которые соединяются или разлагаются. Катализаторы обнаруживают всюду в живой природе, и попытки объяснить, как именно они работают, становились целью многих химиков со времен Берцелиуса.

По всей Европе концепция «атома» помогала химикам лучше понимать то, что они изучали.

Но оставались и сложные моменты.

В 1811 году итальянский физик Амедео Авогадро (1776–1856) сделал смелое заявление. Оно оказалось столь смелым, что химики отвергали его почти сорок лет. Итальянец сказал, что в заданном объеме пространства число частиц любого газа при фиксированной температуре всегда одинаково. «Гипотеза Авогадро», как назвали это утверждение, имела очень важные последствия. Из нее выводилось, что молекулярные массы можно рассчитывать напрямую, используя предложенную Авогадро формулу. Идея итальянца помогла модифицировать атомарную схему Дальтона, поскольку объясняла любопытное поведение одного из наиболее часто изучаемых газов, водяного пара.

Химики долго не могли понять, отчего процент водорода и кислорода в определенном объеме пара выглядел неправильным, если предположить, что молекула воды состоит из одного атома каждого элемента. В конечном же счете получилось так, что в водяном паре два атома водорода приходятся на один атом кислорода.

Ну а позже открыли, что многие газы, включая те же водород и кислород, существуют в природе не в виде одиночных атомов, а в виде молекул, состоящих из двух или более «слипшихся» атомов: H₂ и О₂, как бы мы это записали.

Идеи Авогадро казались бессмысленными, если вы верили в атомарную теорию Дальтона, и в мнение Берцелиуса по поводу того, что атомы элементов имеют положительные или отрицательные характеристики. Как могут «слипаться» два отрицательно заряженных атома кислорода? Именно поэтому гипотезу итальянца долго не принимали.

Много позже она тем не менее позволила решить многие химические головоломки, и сейчас на ней основано наше понимание атома с точки зрения химии. В науке часто происходит подобное: все кусочки загадки сходятся вместе только спустя долгое время, и тогда старые гипотезы обретают новое значение.