Атомы и электроны

Бронштейн Матвей Петрович

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

За грандиозную работу точного определения атомных масс и точного анализа состава химических соединений взялся знаменитый шведский химик Пенс Якоб Берцелиус. Берцелиусу, больше чем кому-нибудь другому, химия обязана тем, что она стала точной наукой. Берцелиус был убеждённейшим сторонником атомистической теории Дальтона, которую он называл «одним из величайших успехов химии». Но в других отношениях он многого не мог простить Дальтону.

«Следует упрекнуть Дальтона в том, — писал Берцелиус, — что он чересчур доверял своей собственной гипотезе и мало подвергал её экспериментальной проверке. Можно подумать, что даже в тех немногочисленных химических анализах, которые производил Дальтон, он руководствовался желанием получить определённый результат, а ведь такого способа действий всегда нужно остерегаться, особенно если цель опытов — получить решающее доказательство в пользу или против какого-нибудь предвзятого теоретического мнения».

И Берцелиус вооружился самой точной химической аппаратурой, какую только он мог достать или построить, и принялся за свои анализы. 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 % (попутно Берцелиус открыл и несколько химических элементов, до него неизвестных: селен, кремний, циркон [4] , торий, тантал). Вычисляя атомные массы, Берцелиус никогда не определял состав молекулы анализируемого вещества наугад, как это делал

Дальтон, предположивший «для простоты», что молекула воды имеет состав

, а молекула аммиака — состав

(т. е. что каждая из этих молекул состоит из двух атомов). 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 трёх — одного кислородного и двух водородных, что молекула аммиака состоит из четырёх атомов — одного азотного и трёх водородных, и т. д. Всё 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. Берцелиус опубликовал свои атомные массы два раза. Один раз в 1818 году он выпустил таблицу атомных масс, основанную на химических анализах, которые представляли рекорд возможной тогда в химии точности (но, всё же в атомных массах, выведенных из этих анализов, ещё было очень много ошибок вследствие неверных формул состава молекул). В 1826 году Берцелиус опубликовал новую таблицу, в которой он побил свои собственные рекорды точности. Атомные массы, которые были помещены в этой таблице, в громадном большинстве случаев очень близки к тем, которые приняты в химии и теперь.

4

Церий. (Прим. ред.)

Небольшую путаницу, которая ещё оставалась у Берцелиуса, устранил в 1860 году итальянский химик Станислав Канниццаро; собравшийся 3 сентября 1860 года в Карлсруэ Международный конгресс химиков принял систему относительных атомных масс, предложенную Канниццаро, и этот момент принято считать началом современной химии.

Мы приведём таблицу химических элементов и их атомных масс, принятую в настоящее время [5] . Заметим только, что теперь в качестве единицы атомной массы уже больше не принимают массу атома водорода, как предлагал в своё время Дальтон.

5

См, примечание на следующую таблицу (Примеч. ред.)

Сейчас атомная единица массы (а.е.м.) выбрана так, чтобы масса атома самого распространённого изотопа углерода была в точности равна 12 а.е.м. Масса атома водорода оказалась при этом чуть больше 1 а.е.м.

В таблицах обычно указывают относительную атомную массу химического элемента — отношение массы атома элемента к атомной единице массы. Эта система единиц принята и в той таблице, которую мы приводим. Что касается указанных там же значков (символов) химических элементов, то они уже нисколько не похожи на кружки Дальтона. Берцелиус предложил — и это было принято огромным большинством химиков, а потом и всеми без исключения — применять в качестве значка химического элемента начальную букву или две буквы его латинского названия, например, водород обозначать буквой H (от латинского Hydrogenium), азот — буквой N (от латинского Nitrogenium), железо — значком Fe (от Ferrum), медь — Cu (от Cuprum), углерод — C (от Carbo) и т. д. Когда нужно обозначить молекулу, то, если в ней есть несколько атомов одного и того же химического элемента, обозначение этого атома не повторяется, как это делал Дальтон, изображавший, молекулу углекислого газа в виде

_, а просто внизу приписывается цифра, указывающая число атомов; например, та же молекула углекислого газа, состав которой Дальтон случайно угадал правильно, пишется в виде CO₂ (C — углерод, O — кислород), молекула воды записывается H₂O, молекула аммиака — NH₃ и т. д. Упрямый Дальтон до конца жизни (он умер в 1844 году) не хотел принять обозначений Берцелиуса (как из того же упрямства он не хотел принять и его точных атомных масс, предпочитая свои, неточные). Ворча, он говорил, что легче изучить древнееврейский язык, чем понять что-нибудь в химических формулах Берцелиуса. Но мы можем наглядно убедиться в удобстве обозначений Берцелиуса на примере молекулы тростникового сахара, которая по системе Берцелиуса записывается формулой C₁₂H₂₂O₁₁ (12 атомов углерода, 22 атома водорода, 11 атомов кислорода); по Дальтону же пришлось бы нарисовать сорок пять кружков, двенадцать из них зачернить, а в двадцати двух поставить в середине точку. Обозначения Берцелиуса позволяют также легко записать в виде формулы и то, что происходит при химической реакции: это записывают обыкновенно в виде равенства, где слева стоит всё, что было до реакции, а справа — всё, что стало после реакции. Например, горение водорода в кислороде, дающее в результате воду, пишется в виде уравнения

2H₂+O₂=2H₂O

(две молекулы водорода и одна молекула кислорода дают две молекулы воды; заметим по поводу этой формулы, что обыкновенный водород состоит из молекул, содержащих каждая по два водородных атома, и подобным же образом кислород состоит из молекул, каждая из которых составлена из двух атомов кислорода). Горение чёрного пороха может быть представлено формулой

2KNO₃ + S + ЗC = K₂S + N₂ + ЗCO₂

(две молекулы калийной селитры, атом серы, три атома углерода, соединяясь, дают молекулу сернистого калия, молекулу азота и три молекулы углекислого газа).

Ещё удобнее было бы (хотя, впрочем, это мало принято у химиков) вместо знака = писать стрелку ->, отчётливее указывающую направление химического превращения; обе реакции, которые в виде примера были только что написаны, при этом приняли бы вид:

2H₂ + O₂ – > 2H₂O

2KNO₃ + S + ЗC -> K₂S + N₂ + 3CO₂

После всех этих предварительных разговоров и объяснений приводим таблицу ныне известных химических элементов и их атомных масс.

Не преувеличивая, можно сказать, что эта небольшая таблица, помещающаяся на одной-двух страницах, представляет концентрированный результат упорнейшего труда многих поколений химиков, со времён Берцелиуса и до наших дней. (Порядок, в котором в этой таблице расположены элементы, выбран не случайно: элементы расположены в порядке растущей атомной массы.)

Спросим себя, что же стало с гипотезой Праута, которая была основана на том, что атомные массы элементов — точные целые числа? Осталось ли что-нибудь от этой гипотезы? Увы, не только весьма точные современные числа не подтверждают мнения Праута о целочисленности атомных масс, но даже и первые измерения Берцелиуса показали, что не все атомные массы являются целыми числами.

Таблица химических элементов, их символов и атомных масс [6]

N п/п	Название и символ	Атомная масса	N п/п	Название и символ	Атомная масса
1	Водород H	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 Mo	95,94
7	Азот N	14,007	43	Технеций Tc	98,906
8	Кислород О	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	107,868
12	Магний Mg	24,305	48	Кадмий Cd	112,40
13	Алюминий Al	26,981	49	Индий In	114,82
14	Кремний Si	28,086	50	Олово Sn	118,69
15	Фосфор P	30,974	51	Сурьма Sb	121,75
16	Сера S	32,06	52	Теллур Те	127.60
17	Хлор Cl	35,453	53	Йод I	126,905
18	Аргон Ar	39,948	54	Ксенон Хе	131,30
19	Калий K	39,098	55	Цезий Cs	132,905
20	Кальций Ca	40,08	56	Барий Ba	137,33
21	Скандий Sc	44,956	57	Лантан La	138,906
22	Титан Ti	47,90	58	Церий Ce	140,12
23	Ванадий V	50,941	59	Празеодим Pr	140,908
24	Хром Cr	51,996	60	Неодим Nd	144,24
25	Марганец Mn	54,938	61	Прометий Pm	146
26	Железо Fe	55,847	62	Самарий Sm	150,4
27	Кобальт Со	58,933	63	Европий Eu	151,96
28	Никель Ni	58,70	64	Гадолиний Gd	157,25
29	Медь Cu	63,546	65	Тербий Tb	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 Er	167,26
33	Мышьяк As	74,922	69	Туллий Tm	168,934
34	Селен Se	78,96	70	Иттербий Yb	173,04
35	Бром Br	79,904	71	Лютеций Lu	174,97
36	Криптон Kr	83,80	72	Гафний Hf	178,49

6

Значения атомных масс, данные М. П. Бронштейном, за последующие годы были уточнены и приведены в соответствие с новыми данными. В примечании к таблице М. П. Бронштейн указывал, что в скобках в ней приведены названия тех элементов, открытие которых «ещё сомнительно». Это элементы: 85, который, назывался тогда алабамий и 87 — Виргиний; их атомные массы не были известны (ныне это астат и франций соответственно). Подверглись изменению и названия 43-го (мазурий), 61-го (иллиний) и 71-го (Кассиопей) элементов. Наконец, таблица пополнилась трансурановыми элементами, о которых в предположительных тонах говорит М. П. Бронштейн на стр. 56. (Прим. ред.)

Таблица (продолжение)

N° п/п	Название и символ	Атомная масса	N п/п	Название и символ	Атомная масса
73	Тантал Та	180,948	89	Актиний Ас	227
74	Вольфрам W	183,85	90	Торий Th	232,038
75	Рений Re	186,2	91	Протактиний Pa	231,036
76	Осмий Os	190,2	92	Уран U	238,029
77	Иридий Ir	192,2	93	Нептуний Np	237,048
78	Платина Pt	195,09	94	Плутоний Pu	244
79	Золото Au	196,967	95	Америций Am	243
80	Ртуть Hg	200,59	96	Кюрий Cm	247
81	Таллий Tl	204,37	97	Берклий Bk	247
82	Свинец Pb	207,19	98	Калифорний Cf	251
83	Висмут Bi	208,981	99	Эйнштейний Es	254
84	Полоний Ро	209	100	Фермий Fm	257
85	Астат At	210	101	Менделевий Md	258
86	Радон Rn	222	102	Нобелий No	255
87	Франций Fr	223	103	Лоуреснсий Lo	256
88	Радий Ra	226,025	104	Курчатовий Ku	260