Теория атомов Дальтона

В 1803 году один английский ученый совершил нечто необычное. Вместо того чтобы опровергать устоявшиеся веками представления о Вселенной, которые пришли к нам еще из Древней Греции, он неожиданно доказал, что одно из них было правильным. Оказалось, что демокритовы атомы действительно являются фундаментальным кирпичиком материи.

Большую часть своей жизни Джон Дальтон провел в английском городе Манчестер, который впоследствии знал немало научных прорывов в области теории атомов.

К началу XIX века ученые основательно изучили воздух и установили, что фактически это смесь газов — диоксида углерода, азота и кислорода. Также они обнаружили, что некоторые химические процессы могут производить другие газы, такие как водород, который при сжигании с кислородом дает воду. Классическая картина природных субстанций дала трещину. Появилась уже пара десятков элементарных субстанций, причем с регулярным постоянством открывались новые. Земля, вода и воздух оказались вовсе не элементарными, не говоря уже о том, что огонь в ту пору считали горячим светящимся газом.

Смесь газов

Вот на каком историческом фоне англичанин Джон Дальтон сделал еще один шаг в изучении характеристик газов. В 1738 году Даниил Бернулли произвел теоретические выкладки, в которых давление газа представлялось слабыми, но частыми столкновениями со стенками сосуда частиц, находящихся в постоянном движении. Дальтон же подошел к этой проблеме с другой стороны — а именно предсказания погоды.

В двадцать с небольшим лет Дальтон начал записывать погодные условия и продолжал вести метеорологические записи вплоть до смерти в 1844 году. В ежедневные записи входило и изменение атмосферного давления, поскольку со времен Блеза Паскаля было известно о связи давления с погодой.

Заинтересовавшись связью между давлением воздуха и погодой, Дальтон пришел к великому озарению. Он понял, что два ранее известных газовых закона (Чарльза и Гей-Люссака) дополняют закон Бойля и вместе прекрасно описывают поведение газов. Как было установлено прежде, воздух является смесью газов, а они находятся в постоянных потоках движения. Свидетельством этому была переменчивая погода в Англии!

Первым и главным вкладом Дальтона в науку стало предположение, что общее давление воздуха можно разделить на «парциальные давления» различных газов, входящих в состав воздуха. Это положение известно сегодня как закон Дальтона.

Дальтоновская таблица элементов, упорядоченная по атомным весам (веса более тяжелых элементов даны в единицах веса атома водорода). Видно, что в большинстве своем цифры не отличаются точностью, а некоторые из них вообще не являются элементами. Но несмотря на такие погрешности, дальтоновская таблица элементов стала для науки большим шагом.

Независимость и вездесущесть

Закон Дальтона также приводит нас к тому факту, что в смеси газы диффундируют независимо друг от друга, так что парциальное давление каждого из них дает вклад во всем объеме сосуда без исключения. Другими словами, если смешать два чистых газа в равных количествах, то они распределятся равномерно по всему объему. В любом месте сосуда смесь будет одинакова по составу (половина одного газа и половина другого). Дальтон показал, что каждый газ обладает собственными физическими характеристиками (включая способность оказывать давление) и состоит из свойственного только ему вещества.

Как в целом газ обладает физическими характеристиками, так и составляющие этот газ частицы демонстрируют свои химические свойства. Понимая это, Дальтон провел много экспериментов в попытках проанализировать, каким образом водород и кислород соединяются и дают воду.

Опыты показали, что элементы объединяются в соединения в строго фиксированных соотношениях, причем всегда целых чисел. Например, углерод и кислород соединяются в соотношении 1:1 и дают монооксид углерода. Сжигание углерода дает диоксид углерода, где соотношение углерода и кислорода составляет 1:2. Дальтон сформулировал это в виде «закона кратных отношений».

Подобные эксперименты показали Дальтону, что одни газы «весят» больше, а другие — меньше. Может показаться, что водород и кислород похожи, но достаточно легкая емкость с одним газом (кислородом) оказалась значительно тяжелее емкости с водородом.

Близилась финальная часть экспериментов, и в 1803 году Дальтон предположил, что газы состоят из множества невидимых малых частиц. Он назвал их «атомами», почти приблизившись к древнегреческому пониманию природы. Поскольку было известно, что газы могут превращаться в жидкость и твердые тела, то логически следовало, что все в мире состоит из этих атомов. Итак, теория Дальтона утверждала, что атомы одного элемента идентичны друг другу, но отличатся от атомов другого элемента. Для физиков тут же назрел вопрос: «Из чего состоят атомы?»

Многие газы, открытые в ранние годы химии, были бесцветными. Но далеко не все! Например, диоксид азота имеет ярко-оранжевый цвет и довольно сильный запах. Этот газ используется учеными для исследования явления диффузии — ведь любой газ рано или поздно заполнит весь объем сосуда, каким бы большим тот ни был.

Химические молекулы

Дальтон представил молекулы в виде диаграмм и даже построил из атомов деревянную модель, чтобы наглядно представить себе, какими способами они могут соединяться

Дальтон описывал химическую реакцию как процесс, в котором атомы соединяются, разъединяются и перегруппировываются. Фиксированные пропорции представились ему тогда в новом свете. Дальтон открыл, что атомы различных элементов соединяются друг с другом, образуя группы со своей особой геометрией. А слово для этого геометрического кластера уже было придумано несколько лет назад — «молекулы». Молекулы — это соединения, в которых атомы являются наименьшей возможной частью. Если молекулу разбить, она перестает быть известной нам субстанцией.