Дальнейшее развитие атомистики (XIX в.)

Всеобъемлемость принципов термодинамики, открытых и разработанных к этому времени и, в частности, второго начала, заставляла физиков-теоретиков искать причины универсальной мощи термодинамики.
В результате в науке возникли два направления: феноменологическое и атомистическое. Феноменологическое направление не считало необходимым искать более глубоких причин физических процессов, оно ограничивало задачу изучения природы описанием явлений на основе экспериментально установленных принципов. Энергетики Гельм, Оствальд и другие считали энергию основным понятием науки, а такие понятия, как «материя», «сила», производными и даже излишними.
Что касается представления об атомах и молекулах, то энергетики, а также венский физик Эрнст Мах, один из видных сторонников феноменологического направления, считали эти представления продуктами чистой фантазии, аналогичными представлениям о ведьмах и привидениях.
Однако такие видные представители науки, как Клаузиус, Максвелл, а затем
Больцман, с успехом разрабатывали молекулярно-кинетическую теорию.
Максвелл, Клаузиус, Больцман, Гиббс, развивая физическую атомистику, искали законы, управляющие поведением коллектива атомов и молекул, делая по возможности простые гипотезы о строении самих атомов. В XIX в. единственным средством наблюдать взаимодействия атомов и определять их индивидуальные особенности были химические реакции. Именно в недрах химической атомистики родилась первая гипотеза о строении всех атомов из атомов водорода (Проут,
1815).
В 1859 г. было сделано важное открытие в оптике, физик Густав Кирхгос
(1824-1887) и химик Роберт Бунзен (1811—1899) открыли спектральный анализ, давший в руки химикам новое мощное средство исследования.

Периодический закон. Есть ли граница системы элементов Менделеева?

В 1869 г. уже было известно 63 химических элемента. В этом же году
Д.И.Менделеев открыл фундаментальный закон распределения элементов в систему, которую он назвал периодической системой химических элементов.
До этого на протяжении более ста лет в научном мире господствовала картина мира, которую вполне выразил 1808 году своим трудом «Новая система химической философии» Джон Дальтон.
Уже было известно, что водород, кислород, сера и другие вещества – простые тела состоят из атомов одного сорта, а вода, аммиак, углекислый газ и др. – сложные, созданы комбинацией атомов разных веществ. Это вполне подтверждалось опытами того времени.

Химические реакции, по Дальтону, заключаются в том, что атомы вступают друг с другом в разные комбинации, образуя «сложные атомы» (молекулы), затем эти молекулы распадаются, образуются новые молекулы и т. д., подобно тому как танцоры, переходя от одного танца к другому; образуют новые комбинации. Но сами атомы при этом остаются неизменными и вечными: меняется только их распределение.
«Каждая частица воды,— говорит Дальтон в своей „Химической философии",— в точности похожа на любую другую частицу воды; каждая частица водорода в точности похожа на любую другую частицу водорода и т. д. Химическое разложение и химическое соединение означают лишь то, что атомы удаляются друг от друга или же снова сцепляются вместе. Но химик не способен уничтожить материю или создать ее вновь. Пытаться создать или уничтожить хотя бы один атом водорода так же безнадежно, как пытаться прибавить еще одну планету к Солнечной системе или уничтожить какую-нибудь из существующих планет. Все, что мы можем сделать,— это разъединить атомы, соединившиеся или сцепившиеся друг с другом, или же соединить те атомы, которые сейчас находятся на большом расстоянии друг от друга».
«Химическая философия», изложенная в этих строках Дальтона, действительно стала философией целого ряда поколений химиков и физиков. Невозможность создания хотя бы одного нового атома данного химического элемента, невозможность превращения одних атомов в другие — все это было необходимым выводом из всего огромного опытного материала, на котором основывалась научная химия.
В этом пункте Дальтон не совсем сходился с Бойлем, который в 1661 году писал, что хотя атомы остаются неизменными при всех химических явлениях, но тем не менее когда-нибудь будет найден некий «сильный и тонкий агент», с помощью которого удастся разбить атомы на более мелкие части и превратить одни атомы в другие.
Эта мысль Бойля казалась Дальтону чистой фантазией: ни один химический факт не указывал на то, что атомы возможно разбивать на части и превращать друг в друга.

В 1816 грду неожиданно нашелся один сторонник Бойля, пытавшийся подтвердить ее фактами. Это был Уильям Праут, который напечатал в журнале
«Философские анналы» статью, где обращал особенное внимание на тот факт, что все атомные массы, которые определил Дальтон, выражаются целыми числами. Это — очень замечательный факт, говорил Праут, ведь если бы атомы всех химических элементов были первичными, основными частицами, подлинными
«кирпичами мироздания», неразложимыми на частя и нисколько не связанными друг с другом, то какая могла бы быть причина того, что атом азота ровно в пять раз превосходит по массе атом водорода, а атом кислорода — ровно в семь раз?
Мнение Праута вот какое: атом азота, который, по Дальтону, ровно в пять раз превосходит по массе атом водорода,— это и есть пять атомов водорода, очень тесно сцепленных друг с другом; атом кислорода — это семь атомов водорода, тесно сцепленных друг с другом; атом ртути—это 167 тесно прижавшихся друг к другу водородных атомов и т. д. Выходит, что все на свете состоит в конечном счете из водорода.
А чем же объяснить, что все-таки в химических опытах никак не удается, например, разложить кислород на водород? Очень просто, отвечает Праут, все дело в том, что когда семь атомов водорода сцепляются, чтобы образовать атом кислорода, то они сцепляются гораздо теснее, чем тогда, когда, например, атом водорода и атом кислорода сцепляются, чтобы образовать молекулу воды. Поэтому-то в химических опытах и удается разложить молекулу воды на атом водорода и атом кислорода, но ни как не удается разложить атом кислорода на семь атомов водорода.

Статья Праута была очень убедительна,— многие поверили в то, что водород есть действительно «первичное вещество», из которого состоит все на свете.
Одна только была беда — те химические анализы, основываясь на которых
Дальтон вычислил свои атомные массы, были очень уж неточны. Если провести анализы тщательнее и вычислить атомные массы точнее, то окажутся ли они по- прежнему целыми числами?

За грандиозную работу точного определения атомных масс взялся знаменитый шведский химик Йене Якоб Берцелиус. Берцелиусу, больше чем кому-нибудь другому, химия обязана тем, что она стала точной наукой. В течение своей жизни Берцелиус проанализировал больше двух тысяч различных химических соединений, и результаты его анализов отличаются от самых точных теперешних результатов не больше чем на 1—2%.

Берцелиус стремился определить состав молекулы так, чтобы удовлетворительно объяснить возможно большее число химических фактов. Таким образом Берцелиус обнаружил, например, что молекула воды состоит не из двух атомов, а из трех — одного кислородного и двух водородных, что молекула аммиака состоит из четырех атомов — одного азотного и трех водородных, и т. д. Все это привело к тому, что хотя работы Берцелиуса и дали блестящее подтверждение основных идей Дальтона, но полученные Дальтоном конкретные цифры — атомные массы — оказались сплошь неверны.

Таким образом, гипотеза Праута, которая была основана на том, что атомные массы элементов — точные целые числа в то время не подтвердилась.

|Таблица химических элементов, их символов и атомных масс *) |
|№ |Название и символ |Ат. масса|№ |Название и символ |Ат. |
| | | | | |масса |
|1 |Водород Н |1,008 |37 |Рубидий Rb |85,468 |
|2 |Гелий Не |4,003 |38 |Стронций Sr |87,62 |
|3 |Литий Li |6,941 |39 |Иттрий Y |88,906 |
|4 |Бериллий Be |9,012 |40 |Цирконий Zr |91,22 |
|5 |Бор В |10,811 |41 |Ниобий Nb |92,906 |
|6 |Углерод С |12,011 |42 |Молибден Мо |95,94 |
|7 |Дзот N |14,007 |43 |Технеций Те |98,906 |
|8 |Кислород 0 |15,9994 |44 |Рутений Ru |101,07 |
|9 |Фтор F |18,998 |45 |Родий Rh |102,905 |
|10 |Неон Ne |20,179 |46 |Палладий Pd |106,4 |
|11 |Натрий Na |22,990 |47 |Серебро Ag Кадмий Cd|107,868 |
|12 |Магний Mg |24,305 |48 | |112,40 |
|13 |Алюминий AI |26,981 |49 |Индий In |114,82 |
|14 |Кремний Si |28,086 |50 |Олово Sn |118,69 |
|15 |Фосфор Р |30,974 |51 |Сурьма Sb |121,75 |
|16 |Сера S |32,06 |52 |Теллур Те |127,60 |
|17 |Хлор С1 |35,453 |53 |Йод I |126,905 |
|18 |Аргон Аг |39,948 |54 |Ксенон Хе |131,30 |
|19 |Калий К |39,098 |55 |Цезий Cs |132,905 |
|20 |Кальций Са |40,08 |56 |Барий Ва |137,33 |
|21 |Скандий Sc |44,956 |57 |Лантан La |138,906 |
|22 |Титан Ti |47,90 |58 |Церий Се |140,12 |
|23 |Ванадий V |50,941 |59 |Празеодим Рг |140,908 |
|24 |Хром Сг |51,996 |60 |Неодим Nd |144,24 |
|25 |Марганец Мп |54,938 |61 |Прометий Рш |146 |
|26 |Железо Fe |55,847 |62 |Самарий Sm |150,4 |
|27 |Кобальт Со |58,933 |63 |Европий Ей |151,96 |
|28 |Никель^ Ni |58,70 |64 |Гадолиний Gd |157,25 |
|29 |Медь Си |63,546 |65 |Тербий ТЬ |158,925 |
|30 |Цинк Zn |65,38 |66 |Диспрозий Dy |162,50 |
|31 |Галлий Ga |69,72 |67 |Гольмий Но |164,930 |
|32 |Германий Ge |72,59 |68 |Эрбий Ег |167,26 |
|33 |Мышьяк As |74,922 |69 |Туллий Тш |168,934 |
|34 |Солен Se |78,96 |70 |Иттербий Yb |173,04 |
|35 |Бром Вг |79,904 |71 |Лютеций Lu |174,97 |
|36 |Криптон Кг |83,80 |72 |Гафний Hf |178,49 |

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5