Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв

кислорода. Предположим теперь, что мы сжигаем в этом кислороде водород. Легко измерить, что для сжигания 2 г водорода надо затратить 16 г кислорода, в результате чего получается 18 г воды. Первая мысль, которая приходит при этом в голову стороннику атомной гипотезы, состоит в том, что каждый атом кислорода О соединяется с одним атомом водорода Н, образуя молекулу воды НО. Именно так думал и Дальтон. В дальнейшем Берцелиус доказал, что он немного неправ, а именно: с каждым атомом кислорода соединяются два атома водорода и поэтому формула воды принимает привычный для нас вид: Н2О. Но здесь самое важное — идея: с каждым атомом кислорода соединяется целое число атомов водорода. Поэтому если в 16 г кислорода содержится N атомов, то в 2 г водорода — 2Ν атомов. А это означает, что один атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода.

Таким образом, появилась возможность сравнивать между собой массы атомов различных элементов. Ввели понятие атомная масса — число, которое показывает, во сколько раз атом какого-либо элемента тяжелее атома водорода, атомную массу которого по определению приняли за единицу.

К этим результатам Дальтон пришел в 1804—1805 гг., а в 1808 г. вышла его знаменитая книга «Новая система химической философии», открывшая в науке новую эпоху. Его выводы тут же проверил английский врач и химик Уильям Волластон (тот самый, который впервые обнаружил темные линии в спектре Солнца) и убедился в их справедливости.

Оставалось сделать последнее: научиться определять атомные массы элементов. Для этого нужно было выбрать простейшие вещества. Прежде всего обратили внимание на газы. Почти сразу же, в 1809 г., бывший ассистент Бертолле французский ученый Джозеф Луи Гей-Люссак (1778— 1850) — мы знаем его по «газовому закону Гей-Люссака» — сделал очень важное открытие: объемы двух газов, вступающих в реакцию, всегда относятся друг к другу как простые целые числа. Не массы, а объемы. Как мы скоро увидим, это очень важно. Например, чтобы получить воду, нужно в одном объеме кислорода сжечь ровно два объема водорода. Отсюда уже сам напрашивается вывод: в равных объемах газов содержится одинаковое число атомов.

Именно к такому выводу пришел в 1811 г. итальянский ученый Амедео Авогадро (1776—1856), только сформулировал его точнее: в равных объемах газов содержится одинаковое число молекул. Теперь мы знаем, что молекулы большинства газов (водорода, кислорода, азота и т. д.) состоят из двух атомов (Н2, О2, Ν2). После этого уже ничего не стоит понять классический опыт по сжиганию водорода в кислороде. Известно, что при этом из 1 объема кислорода и 2 объемов водорода образуется 2 объема водяного пара. Коротко этот факт записывают уравнением

2Н2 +О2 = 2Н2О.

В чем значение открытий Гей-Люссака и Авогадро и почему мы так подробно остановились на этих простых фактах?

Проследим еще раз цепочку рассуждений. В равных объемах газов содержится одинаковое число молекул. Известно, что 2 г водорода занимают объем 22,4 л; обозначим число молекул, которое содержится в этом объеме, через NA. Те же самые NA молекул кислорода занимают тот же объем 22,4 л, но масса их при этом не 2 г, а 32 г. Отсюда следует, что каждый атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода; это означает, что, измерив плотность какого-либо газа и сравнив ее с плотностью водорода, мы сразу же определим его атомную массу.

Нигде до сих пор реальность атомной гипотезы не была видна так явно. Действительно, плотность — величина легко измеримая и привычная, поскольку она воздействует на наши органы чувств. Поразительно то, что таким простым способом можно измерить атомную массу — величину, недоступную непосредственному восприятию.

Число молекул NA, которые помещаются в 22,4 л любого газа при 0°C и давлении 1 атмосфера, называют теперь постоянной Авогадро. Это одна из основных постоянных физики — подобно скорости света с или постоянной Планка h. Чтобы определить ее, достаточно знать абсолютную массу М одного атома водорода. И поскольку в 22,4 л содержится 2 г таких атомов, то число NA = 2/M.

Гипотеза Авогадро была вскоре забыта, и лишь полстолетия спустя, в 1858 г., ей возвратил жизнь другой итальянский ученый — Станислао Каниццаро (1826—1910). Это было как нельзя более кстати, поскольку между химиками той поры не было согласия: почти каждый из них признавал только свою собственную таблицу атомных масс, органики не доверяли неорганикам, а созванный в 1860 г. в Карлсруэ съезд самых знаменитых химиков ни к какому соглашению не пришел. (Впрочем, резолюцией от 4 сентября 1860 г. он все-таки закрепил различие между атомом и молекулой.)

Только теперь, наконец, были достаточно правильно определены атомные массы элементов и можно было приступить к их классификации.

ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТОВ

Довольно часто можно услышать рассказ о том, как Менделеев, выписав все элементы на оборотной стороне визитных карточек, долго раскладывал их, как пасьянс, пока не забылся кратким дневным сном. Во время этого-то сна к нему и пришло решение проблемы. Быть может, история эта не вполне достоверна, но даже те, кто относится к ней с полным доверием, должны все-таки понимать, что счастливому дню 1 марта 1869 г. предшествовало много других дней и ночей — бессонных и бесплодных, когда проблема казалась безнадежной.

В чем состояла трудность задачи? Вспомните пример с беспорядочной грудой пронумерованных кубиков — расставить их по порядку не составляет труда. Но на химических элементах нет ярлыков с номерами — это просто вещества разного цвета, твердые, жидкие, газообразные. Мы знаем только, что каждому из них можно поставить в соответствие число — атомную массу. Это число возрастает монотонно от элемента к элементу, и потому именно его приняли за основу классификации. Самое простое — многие именно так и поступали — расположить все элементы в порядке возрастания атомных масс, но это — занятие, достойное ремесленника, а не мастера. Прежде всего, откуда известно, что мы знаем уже все элементы? А без этой уверенности какой смысл располагать их по возрастающим атомным массам?

Проблема в действительности напоминает известную детскую игру в кубики, на которых изображены части картины и нужно сложить их все вместе так, чтобы эту картину воспроизвести. Теперь представьте, что часть кубиков утеряна, а на части других рисунки искажены. В этом случае изображение все равно можно восстановить, хотя, конечно, и с большим трудом. Нужно только стремиться представить себе именно картину, всю целиком, а не надеяться, что она сама собой получится, если