Виток спирали
Шрифт:
Тем не менее в главном Дальтон оказался прав — у каждого элемента был только ему одному присущий атомный вес — число, показывающее, во сколько раз атом такого-то элемента тяжелее, чем атом водорода, или, впоследствии, чем одна шестнадцатая часть атома кислорода.
Точное определение этих чисел стало в принципе возможным после того, как появился закон Авогадро.
Амедео Авогадро, профессор Туринского университета в Италии, задумался над химическими реакциями, в которых из одних газообразных веществ получаются другие газообразные вещества. Например, над тем, как разлагается аммиак. Если полностью разложить один кубический дюйм аммиака, то из него получится ровно столько же азота и ровно три кубических дюйма
Что бы это могло значить? Почему более сложный газ всегда занимает ровно такой же объем, как один из исходных, и притом тот, которого было меньше?
Авогадро рассуждал примерно так.
Молекула сложного вещества образовалась из атомов простых веществ или молекул менее сложных веществ. Например, молекула аммиака состоит из атомов азота и водорода. Значит, в ней не может не быть хотя бы одной частицы азота. Значит, число полученных молекул аммиака не может быть больше числа атомов азота.
Но и сложные частицы аммиака, и простые частицы азота занимают один и тот же объем. Почему? Проще всего это можно было объяснить следующим: при одной и той же температуре и давлении в равных объемах находится одинаковое число частиц любого газа. Хоть легчайшего водорода, хоть тяжелой углекислоты.
Из этого обнаруженного Авогадро закона, которому подчиняется жизнь газов, оказалось возможным определить относительный атомный вес любого элемента. Надо только выделить его в виде газа или пара, собрать в сосуд, взвесить и сравнить его вес с весом другого такого же сосуда с водородом. Ведь от того, будете вы делить вес одного атома кислорода на вес одного атома водорода или же вес миллиарда атомов кислорода на вес миллиарда атомов водорода — результат измениться не может.
Так была определены атомные веса многих элементов, и все они оказались разными.
Легче водорода не нашлось ни одного элемента.
А наиболее тяжелым оказался висмут.
На самом деле еще тяжелей был уран, но правильно определить атомный вес урана долго не удавалось…
Когда исследователя находили какой-нибудь, новый элемент, то его атомный вес обязательно оказывался не таким, как у ранее известных.
Все же другие свойства атомов не были так индивидуальны. Цвет, вкус, запах, металлический блеск, растворимость, горючесть, способность образовывать кислоты, или, наоборот, щелочи — не были особым признаком. Этими свойствами обладали — пусть в развой мере — многие элементы, атомы многих сортов.
В таблице Лавуазье, составленной в 1789 году, было двадцать шесть элементов. После того как Лавуазье объяснил, что такое простое тело и что такое — сложное, перечень известных химикам элементов стал расти с невиданной быстротой.
В том же 1789 году появились уран и цирконий, в 1791 — титан, в 1794 — иттрий, в 1797 — хром. Первый же год нового, XIX века ознаменовался открытием ниобия, второй — тантала, третий — церия и палладия, четвертый — родия, осмия, иридия. Затем после двухлетнего перерыва наступил черед калия, натрия, бария, стронция, магния, кальция и бора — все они были открыты великим охотником за элементами англичанином Хемфри Дэви. Второе десятилетие XIX века дало человечеству хлор, йод, литий, кадмий, селен. Третье — кремний, бром, алюминий, торий. Четвертое и пятое — маленькая передышка: всего три новых элемента — ванадий, лантан и рутений. А потом снова лавина: 1860 — цезий, 1861 — рубидий, 1862 — таллий, 1863-индий, 1868 — гелий…
Через восемьдесят лет, прошедших после появления таблицы Лавуазье с ее 26 элементами, люди знали уже более 60 сортов атомов. Среди новых элементов были такие активные, как калий, горящий даже в воде. И такие стойкие, как осмий или иридий, не боящиеся самых сильных кислот. Был легчайший металл алюминий и более тяжелые, чем свинец, — торий и уран.
Сколько элементов еще предстоит открыть? И какими окажутся их свойства? И вообще — от чего эти свойства зависят, по какому закону от элемента к элементу изменяются?
На эти вопросы не мог ответить никто.
Только что упорядоченный Лавуазье и Дальтоном мир элементов снова постепенно превращался в хаос, за которым отдельные мыслители тщетно стремились угадать систему.
Английский врач Уильям Праут выступил с идеей, которую сегодня нельзя не назвать пророческой. Вес любого атома кратен весу атома водорода потому, что все атомы состоят из атомов водорода; именно водород и есть та первичная материя, из которой затем постепенно образовались и все остальные элементы…
Но эта крайне привлекательная мысль не подтвердилась. Точные измерения показали, что атомные веса более тяжелых элементов не делятся нацело, без остатка, на атомный вес водорода.
Другой англичанин Джон Ньюлендс предложил расположить все сорта атомов в порядке возрастания атомных весов и посмотреть, не обнаружится ли при этом какая-нибудь закономерность в изменении других свойств элементов.
В 1866 году он высказал свою идею в Лондоне. Но присутствовавшие на докладе ученые подняли его на смех; один физик даже спросил: а не пробовал ли достопочтенный докладчик расположить элементы не по атомным весам, а по алфавиту?
И Ньюлендс отступил.
Не достигли успеха и другие попытки обнаружить закономерную систему элементов, предпринятые французом Александром де Шанкуртуа, немцем Лотаром Мейером, англичанином Уильямом Одлингом.
Но если общий чертеж системы элементов до конца 60-х годов XIX века оставался неизвестным, то кое-какие его детали все же постепенно прояснялись. Более всего это относилась к установлению сходства между отдельными элементами и даже группами элементов.
Пожалуй, наиболее важный шаг в этой области сделал немецкий химик Иоганн Деберейнер. Он установил, что существуют группы элементов, сходные не только по химическим, но и по некоторым физическим свойствам. Например, литий-калий-натрий. Или магний-кальций-стронций. Или фосфор-мышьяк-сурьма. Или фтор-хлор-бром. Такие группы Деберейнер назвал триадами. А установленная им закономерность — "закон триад" — гласила: атомный вес среднего члена триады есть среднее арифметическое атомных весов ее крайних членов. Таким же средним был у средних элементов триад и удельный вес окисей.
Казалось бы, что могло помешать распространению "закона триад" и на несходственные по своим химическим свойствам и даже на все вообще элементы?
Но парадоксальная по тому времени мысль о "сходстве несходного", если и возникала, то ее тут же отбрасывали, или остерегались обнародовать, или, как в случае с Ньюлендсом, не могли доказать.
Кроме того, препятствием для ее утверждения была путаница с атомными весами: атомные веса многих элементов были определены неверно. И главным образом потому, что большинство исследователей первой половины XIX века не представляли себе как следует различие между двумя видами частиц вещества — атомами и молекулами. И не понимали, что закон кратных отношений Дальтона относится к атомам, а закон Авогадро — к молекулам. Поэтому при определении атомного веса того или иного элемента нередко получали ошибочный результат. Например, зная, что в воде на 1 весовую часть водорода приходится 8 весовых частей кислорода и полагая, что соотношение атомов элементов здесь один к одному, можно было принять атомный вес кислорода за 8. А рассуждая так же о перекиси водорода, можно было принять его за 16.