Глава 11

Природа атомов

Физические основы устройства атомов

В течение XVIII века слова «частица», «корпускула», «элемент» и «атом» использовали как синонимы для обозначения строительных блоков вещества. Фактически с тех пор, как 2000 лет назад появилась теория Демокрита, никаких новых догадок о том, что такое атом, не было. Для химика атом как мельчайшая частица вещества был концептуально симпатичен, однако не помогал приблизиться к пониманию его главной заботы: как в материи протекают разные реакции.

Представьте на мгновение, что вы химик конца XVIII века, который работает с реагентами, смешивает их, смотрит, как они взаимодействуют, как протекает химическая реакция, создает новые вещества. Как понимание того, что атом – мельчайшая составная частица материи, поможет вам объяснить протекание химической реакции, которую вы только что наблюдали?

Для многих химиков того времени атом не играл значительной роли в их каждодневных экспериментах. Несомненно, химики нарисовали бы «схемы, где присутствует атом». Однако для большинства химиков они были не более чем инструментом визуализации, полезным в организации размышлений о химической реакции, но не дающим подробного объяснения процесса. Чего химики действительно желали, так это объяснения огромного количества экспериментальных данных.

Как знание об атоме (если бы даже оно существовало) на самом деле могло предоставить такую информацию? Более того, если бы атом был действительно самой маленькой, неделимой частью материи, как бы вы поняли это? Сколько бы он весил? Есть ли различные типы атомов? Вот над чем размышляли некоторые химики.

Со всеми этими атомными теориями, блуждающими вокруг, атом вносил очень мало определенности и предлагал больше путаницы, чем ясности. Было крайне нужно найти путь к ответам на некоторые из этих вопросов. Первое ощущение ясности пришло с уточнением атомного понятия под названием «элемент».

Элементы и атомы

В 1661 году Роберт Бойль написал свою главную работу «Скептический химик». В ней он жестко критикует теории элементов Аристотеля и Парацельса. Что важнее, он предложил идею элемента как чего-то, что нельзя дальше разделить посредством каких бы то ни было экспериментов:

«…определенные простые и примитивные или совершенно однородные тела; которые не состоят из каких-либо иных тел, или друг друга, являются компонентами, из которых состоят все эти так называемые идеально смешанные тела и на которые они в конечном счете распадаются».

Более ста лет спустя, в 1789 году, Антуан Лавуазье повторяет это в «Элементарном трактате о химии»:

«Если мы будем использовать термин “элементы”, чтобы выразить нашу идею о последней точке, которую [химический] анализ может достигнуть, мы должны признать элементами все вещества, до которых мы можем любыми средствами низвести тела в процессе распада».

Конечно, речь шла о средствах, доступных в то время. Таким образом, смогут ли будущие поколения ученых разработать новые методы дальнейшего разделения этих вещей, которые они назвали элементами, показало бы только время. Однако это не было первоочередной проблемой, и не должно было быть. Вот как Лавуазье продолжает:

«Не то чтобы мы наделены правом утверждать, что эти вещества, которые мы рассматриваем как простые, не могут состоять из двух или даже большего количества [элементов]; но, раз эти [элементы] нельзя разделить, или раз мы до настоящего времени не обнаружили средства их разделить, для нас они выполняют роль простых веществ, и мы ни в коем случае не должны считать их составными, пока эксперименты и наблюдения не докажут, что это так».

Лавуазье знал, что в будущем то, что в его время называли элементами, может на самом деле оказаться более сложными веществами. Эти вещества, будучи разделенными при помощи новых методов, наконец показали бы, из чего же состоят вещества. Однако важно определение элемента, которое дают Бойль и Лавуазье.

Как уже упоминалось, тогда понятие атома было расплывчатым. Но, дав атомам физическую индивидуальность, концепция элемента начала расчищать путь. Элемент – это атом определенного типа, это действительно так просто.

Уникальные особенности атома, зависящие от его элемента, определяют то, как он будет взаимодействовать с другими элементами. Наши знания об этих взаимодействиях дают нам основу понимания химических реакций, и именно через эти химические реакции вещество «создается» и «разрушается».

По состоянию на август 2018 года мы знаем о 126 элементах, тогда как Лавуазье в «Элементарном трактате по химии», изданном в 1789 году, определил тридцать три, среди которых были теплород и свет. Он включал и известные сегодня элементы: кислород, азот и водород. Были и другие элементы, с которыми мы знакомы сегодня, – золото, серебро, железо, медь, олово и ртуть.

Как объединяются элементы

В 1789 году Лавуазье показал, что общая масса (или вещество) сохраняется – она не изменяется от начала до конца химической реакции. Другими словами, если вы тщательно взвесите исходные материалы (реагенты) и получите значение, равное одному грамму, сумма конечных материалов (продуктов), после того как химическая реакция закончилась, тоже будет равняться одному грамму. Все очень просто. В ходе химической реакции никакая масса не прирастает, никакая масса не исчезает. Так что же именно происходит?

По-видимому, «вещи» просто «реорганизовывают» себя. В конце концов, если ничего не теряется и не появляется, но то, что вы получили на выходе, отличается от того, что было в начале, – значит, вещи каким-то образом переставляются, верно?

Давайте рассмотрим эту ситуацию на примере карт. Скажем, у нас есть совершенно новая колода карт, прямо из пакета (исходные материалы, или реагенты), и теперь мы перетасовываем колоду карт (химическая реакция) и получаем как бы новую колоду (конечный продукт). Очевидно, эта новая вещь – просто измененная колода карт. То есть никакие карты не были потеряны или добавлены в нее (если я только не хочу сжульничать в карточной игре); скорее, просто порядок карт поменялся.

Так, химическая реакция подобна колоде перетасовываемых карт. Джон Дальтон (1766–1844) пришел к заключению, что как меняют порядок предметы, так меняют порядок и атомы элементов, составляющие исходные материалы. Таким образом, закономерно возникает следующий вопрос: если мы хотим провести химическую реакцию, сколько исходных материалов необходимо, чтобы получить желаемые конечные материалы?

Другими словами, действительно ли важно реальное количество, или нужна какая-либо сумма перемешанных друг с другом исходных материалов, чтобы получить желаемый конечный материал? Возможно, химические реакции похожи на кулинарию, где вы просто добавляете «часть» этого или «немного» того. Клод Луи Бертолле (1748–1822), ученик Лавуазье, думал именно так.

Когда вы готовите яблочный пирог, вы можете использовать пять яблок, шесть яблок и так далее, но большинство из нас просто назовет его «яблочным пирогом», не описывая его как «яблочный пирог из пяти яблок» или «яблочный пирог из шести яблок». Бертолле именно так представлял, что элементы объединяются в ходе химической реакции при создании нового соединения.

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.