|
ОСНОВЫ АТОМНОЙ ТЕОРИИ
I. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБ АТОМЕ
§ 1. Раииий период истории атома
Общее представление об атомном строении материи, по-видимому, существовало уже за 2500 лет до настоящего времени — у ученых древней Греции и даже ранее — у индийских философов еще более далеких веков. В 5 веке до н. э. Левкипп и его ученик Демокрит, основатели греческой школы атомистов, учили, что все материальные предметы состоят в конечном счете из маленьких неделимых частиц, которые Демокрит назвал atoma (атомами)1). Хотя это учение поддерживалось Эпикуром, идеи которого были подробно развиты Лукрецием в его знаменитой латинской поэме De Rerum Natura (О природе вещей) в начале 1 века до н. э., однако оно не получило широкого распространения главным образом из-за возражений влиятельного греческого философа Аристотеля (384 — 322 гг. до н. э.). Таким образом, атомные представления оставались забытыми в течение нескольких столетий, пока они не возродились в активный период развития науки, который последовал за Возрождением в Европе. В 16 и 17 веках философы и ученые, такие как Галилео Галилей в Италии, Рене Декарт во Франции и Фрэнсис Бэкон, Роберт Бойль и Исаак Ньютон в Англии, считали, что материя не непрерывна по своей природе,а состоит из неделимых частиц, или атомов.
*) Термин атом, происходящий от двух греческих слов «а» (не) и «темнеин» (резать), означает «неделимый».
§ 2. Дальтон и атомиая теория
Однако лишь в 19 веке работы химиков превратили атом из смутной философской идеи в вещественную реальность, тогда как открытия физиков положили начало накоплению сведений о внутренней структуре атома.
Честь создания современной атомной теории обычно приписывается английскому школьному учителю Джону Дальтону, который заинтересовался этим вопросом в результате своих исследований по растворимости газов в воде и других жидкостях. Роль, которую он сыграл в развитии атомной теории, хотя и очень велика, но часто понимается неправильно. Так, говоря о роли Дальтона, немецкий физико-химик Нернст заявил, что «благодаря одному усилию современной науки она [атомная теория] возникла подобно фениксу из пепла древней греческой философии». То, что такое утверждение является неправильным, можно доказать с помощью цитаты из «Новой системы химической философии» Дальтона, опубликованной в 1808 г., в которой он подробно изложил свои представления об атоме как о единице химической структуры.
Рассматривая такое вещество, как вода, в газообразном (пар), жидком и твердом (лед) состояниях, Дальтон говорит: «Наблюдения приводят к выводу, который, по-видимому, является общепринятым, что все тела сколько-нибудь заметной величины... состоят из громадного числа чрезвычайно маленьких частиц, или атомов материи, связанных между собой силами притяжения». Слова «который, по-видимому, является общепринятым» многозначительны, так как из них можно заключить, что представление об атомном строении материи уже получило широкое распространение. Можно предположить, что Дальтон был обязан своими идеями Ньютону, труды которого он, вероятно, изучал, так как в своих записках к лекции, прочитанной им. в Королевском институте в Лондоне в январе 1810 г., он говорит: «Ньютон ясно показал,., что упругая жидкость (т. е. газ) состоит из маленьких частиц, или атомов материи».
Не вызывает также сомнений тот факт, что ирландские химики Брайан Хиггинс (1737 — 1820 гг.) и его племянник Уильям Хиггинс (1769 — 1825 гг.) совершенно ясно высказывались по поводу атомных соединений на несколько лет раньше Дальтона. Почему же в таком случае последнего считают основателем атомной теории? Ответ заключается в том, что Дальтон обосновал эту теорию количественно. Показав, как можно определить относительные веса различных атомов, он придал реальность чисто абстрактной идее. В докладе, представленном Литературному и философскому обществу в Манчестере (Англия) в октябре 1803 г., Дальтон пишет: «Исследование относительных весов неделимых частиц [атомов] различных тел — тема, насколько я знаю, совершенно новая. Я недавно провел это исследование со значительным успехом». В большинстве случаев определенные им веса впоследствии оказались ошибочными, но Дальтон посеял семя, которое выросло там, где другие перед этим только взрыхлили почву.
В Лоуэлловских лекциях на тему «Наука в современном мире», прочитанных в Гарвардском университете в 1925 г., англо-американский философ и математик Уайтхед сказал: «Изучая историю развития человеческой мысли, необходимо отличать реальное течение, определяющее целый период, от безрезультатных, случайно возникающих идей. В 18 веке каждый хорошо образованный человек читал Лукреция и увлекался представлениями об атомах. Но Дальтон сделал их полезными развитию науки; атомизм, с точки зрения пользы, явился новой идеей». Атомная теория классических мыслителей носила характер неясной философской идеи, в то время как теория, созданная Дальтоном, была значительно более определенной. Она позволяла объяснить или по крайней мере интерпретировать многие химические данные и, что особенно важно, направляла на путь дальнейших экспериментов и исследований.
Со времен Дальтона атомная гипотеза играла все возрастающую роль в науке, сначала в химии, а позднее и в физике. Правда, некоторые ученые, среди них довольно известные, как, например, немецкий физико-химик Вильгельм Оствальд, сомневались в существовании атомов, но к началу текущего столетия даже эти противники были побеждены. В настоящее время аргументы в пользу атомной структуры материи настолько многочисленны и убедительны, что атомные представления получили всеобщее признание не как теория, а как установленный факт.
II. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
§ 3. Теория четырех элемептов
Параллельно с развитием атомной теории человеческие умы из поколения в поколение занимал другой важный принцип, также основанный на греческой филосбфии. Размышляя о строении Вселенной, Эмпедокл в 5 веке до н. э. высказал идею о том, что вся материя состоит из четырех «элементов», а именно из огня, земли, воздуха и воды. Вероятно, в этом отношении так же, как и в представлении об атомах, древние индийские мыслители опередили греков, однако наши современные представления происходят непосредственно от последних. Поддержанная Аристотелем и другими учеными теория четырех элементов была широко принята на протяжении более двух тысяч лет, несмотря на отсутствие четких представлений о ее конкретном смысле.
Некоторые ученые, несомненно, рассматривали эти элементы как обычные землю, воздух, огонь и воду, в то время как другие мыслили их себе скорее в качестве некоторых представителей физических свойств (признаков). Аристотель, например, считал, что вся материя состоит из одного первичного вещества, которое он назвал hyle (вещество, материя)1). Это вещество может приобретать в различных количествах четыре качества, илп «принципа», — горячее, холодное, сухое и влажное. Так, воздух — горячий и влажный, вода — холодная и влажная, огонь — горячий и сухой и земля — холодная и сухая. Различие между вещества мирассматрива-лось как следствие изменений в первичных качествах, причем считалось, что основная материя всегда остается неизменной.
По-видимому, именно такая интерпретация теории четырех элементов служила основанием для тщетных попыток древних алхимиков превратить обычные металлы в золото. На протяжении сотен лет все попытки осуществить такое превращение кончались полной неудачей, однако в настоящее время благодаря накопленным знаниям о свойствах атомов превращение одного элемента в другой ежедневно производится во многих лабораториях (гл. 10).
§ 4. Элементы и соединения
Хотя теория Аристотеля была широко распространена еще в 17 веке, тем не менее стали возникать сомнения в способности этой теории объяснить природу различных форм материи. Одно из самых сильных возражений было высказано Робертом Бойлем, ирландцем по происхождению, в книге «Химик-скептик», опубликованной в Лондоне в 1661 г. В этой книге он дал свою собственную интерпретацию элемента. Так, он писал: «Так же как те химики, которые говорят наиболее простым языком, я подразумеваю под элементами некоторые примитивные и простые или совершенно несмешанные тела, которые, поскольку они не состоят ни из каких других тел или одно из другого, являются ингредиентами, из которых... смешанные тела составляются непосредственно и на которые они в конечном счете разделяются... Я не должен смотреть на какое-либо тело, как на... элемент... если оно не совершенно однородно и может
х) В более поздние годы это название было изменено, по-видимому, Роджером Бэконом в 13 веке на прошил от protos и hyle, что означает основная, или первичная, материя.
в дальнейшем разделиться на некоторое, хотя бы и малое, число отдельных элементов».
Высказывалось мнение о том, что данное выше представление об элементе не принадлежит самому Бойлю, и некоторое подтверждение такого мнения можно найти в его собственных словах «так же как те химики, которые говорят наиболее простым языком», стоящих в начале вышеприведенной цитаты. Может быть это и так, но и в данном случае остается фактом то, что Бойль ясно выразил основные идеи, из которых развились современные представления о природе элементов. Однако прошло более ста лет, прежде чем эти идеи оказали сколько-нибудь ощутимое влияние на научную мысль. Только после того, как французский химик Лавуазье в 1774 г. доказал, что воздух является не простым веществом, а смесью по крайней мере двух различных газов, называемых теперь азотом и кислородом, а также после работы Джозефа Пристли и Генри Кэвен-диша (1781 г.), в которой было установлено, что вода состоит из водорода и кислорода, теория четырех элементов была окончательно отвергнута. Вместо нее Лавуазье в 1789 г. установил современное понятие элемента следующим образом: «Мы применяем термин элементы... к телам, чтобы выразить наше представление о последнем пределе, которого может достичь анализ». Таким образом, элемент рассматривается как вещество, содержащее, насколько известно, только один род материи, которое нельзя любым известным способом разложить на нечто более простое.
На этой основе Лавуазье заменил четыре элемента греческих философов таблицей 33 элементов, из которых более 20 считаются элементами и в настоящее время. К 1819 г. шведскйй химик Берцелиус увеличил это число до 50. В настоящее время насчитывается 90 различных элементов, о которых определенно известно, что они имеются на Земле; еще несколько элементов можно получить с помощью методов, о которых говорится в гл. 16. Все материальные тела состоят по крайней мере из одного элемента; если два или более элемента соединяются друг с другом в процессе химической реакции, то получающийся в результате продукт называется соединением.
§ 5. Определение элемента
До начала настоящего столетия химический элемент определялся просто как форма материи, которую нельзя разделить на другие формы. Теперь, с открытием явлений радиоактивности, сопровождающихся самопроизвольным превращением одного элемента в другой (гл.5),и с развитием методов превращения и расщепления многих элементов (гл. 9) такое точное определение дать нелегко. В последующих главах показано, что эти процессы, как самопроизвольные, так и осуществляемые искусственными методами, связаны с очень большими количествами энергии. С другой стороны, в химических реакциях изменения энергии много меньше по порядку величины. Таким образом, элемент можно описать как форму материи, которая не может быть разложена на более простые формы (или получена из них) путем химических реакций, т. е. путем реакций, связанных с относительно малыми количествами энергии. Несмотря на несколько неясный характер этого определения1), в настоящее время не существует каких-либо сомнений относительно того, является ли данное вещество элементом или соединением. Имеющиеся теперь многочисленные способы проверки, основанные на характерных физических свойствах, таких, как оптический спектр, спектр масс и спектр рентгеновских лучей, позволяют различать и идентифицировать элементы.
Атом может быть теперь определен как мельчайшая возможная или первичная частица элемента, причем каждый элемент имеет свои, характерные для него одного атомы. Как будет видно из гл. 4, атом имеет внутреннее строение и может быть расщеплен на внутриатомные частицы. Но эти частицы, большинство из которых имеет электрическую природу, не имеют свойств, характерных для элемента. Если подразумевать, что идентичность элемента должна быть сохранена, то атом можно считать неделимым.
§ 6. Символы и формулы
Чтобы наглядно представить образование соединения из элементов, Дальтон ввел для атомов ряд символов. Так, атом кислорода он обозначил кружком, атом водорода — кружком с точкой в середине, а атом азота — кружком, пересеченным вертикальной чертой. Такой способ записи химических формул был довольно громоздким при рассмотрении соединений, и, кроме того, открытие каждого нового элемента порождало проблему обозначения его подходящим символом. Эта трудность была преодолена Берцелиусом, который придумал метод, давший основу для символического представления элементов и соединений, применяемого в настоящее время.
В своем трактате «О теории химических соотношений» (Париж, 1819 г.) Берцелиус предложил «использовать в качестве химических символов буквы алфавита, так как их легко писать и печатать без искажения текста», и использовать для этой цели «одну или несколько начальных букв латинского названия каждого элемента». Таким образом, кислород (oxygenium) был обозначен символом О, водород (hydrogenium) — Н,медь (cuprum) — Си, золото (aurum) — Аи, серебро (argentum) — Ag и т. д.1) Обозначение соединения, или, как его обычно называют, формула соединения, получается как комбинация символов соответствующих элементов с индексами, указывающими число присутствующих в соединении атомов. Так, формулу воды, представляющей собой химическое соединение двух атомов водорода с одним атомом кислорода, записывают в виде Н20; серная кислота, содержащая два атома водорода, один атом серы и четыре атома кислорода, имеет формулу H2S04 и т. д.
III. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АТОМНЫХ ВЕСОВ
§ 7. Система атомпых весов Дальтона
Как упоминалось выше, пожалуй, наиболее значительным вкладом Дальтона в атомную теорию была его попытка определить относительные массы, или веса2), атомов.
1) Некоторые символы, например О и Н, были получены от латинизированных наименований французского или какого-либо иного происхождения. Полная таблица современных символов элементов приведена в § 15 настоящей главы.
2) Хотя масса и вес считаются здесь синонимами, однако, строго говоря, между ними необходимо проводить различие. Масса является мерой количества вещества в теле, в то время как вес есть сила, действующая на тело вследствие земного притяжения. На практике принято говорить «атомные веса», хотя точнее было бы говорить «атомные массы».
Реальные атомы, конечно, слишком малы, чтобы их можно было непосредственно взвесить, поэтому их веса удобно выражать по отношению к весу какого-нибудь одного атома. Дальтон выбрал для этой дели атом водорода, самый легкий из известных ему атомов и, как оказалось впоследствии, самый легкий из атомов всех элементов. Таким образом, вес атома водорода был принят за единицу, а веса других атомов были выражены в единицах веса атома водорода.
При этом методы получения относительных атомных весов были основаны на определенных постулатах, касающихся природы атомов и способа их соединения. Дальтон в упоминавшейся выше «Новой системе химической философии» приводит следующие соображения.
Важным является вопрос, «одинаковы ли между собой первичные частицы тела, такого как вода, т. е. имеют ли они одинаковую форму, размер, вес и т.д., Из того,что известно,мы не имеем никакого основания предполагать различие в этих свойствах;если это различие существует в воде,то оно должно в равной мере существовать у элементов, составляющих воду, а именно у водорода и кислорода. Однако едва ли можно себе представить, каким образом совокупность неодинаковых частиц может быть повсюду столь однородной... Поэтому мы можем заключить, что первичные частицы всех однородных тел совершенно одинаковы по весу, форме и т. п. Другими словами, каждая [первичная] частица воды подобна любой другой частице воды, каждая [первичная] частица водорода подобна любой другой частице водорода и т. д. ...»
«Химический анализ и синтез не идут дальше отделения частиц одной от другой и их воссоединения. Создание новой материи или ее разрушение лежат вне пределов химических средств... Все изменения, которые мы можем производить, сводятся к отделению частиц, находящихся в связанном состоянии или входящих в состав какого-либо соединения, и к соединению частиц, ранее отделенных друг от друга...»
«Если имеются два вещества А и В, которые могут соединяться одно с другим, то могут иметь место следующие комбинации, начиная с наиболее простой: 1 атом А+1 атом В [=АВ]..,1 атом А+2 атомаВ [=АВ2].., 2 атома А+1 атом В [=А2В] и т. д.»
Короче говоря, Дальтон сделал три заключения: первичные частицы данного чистого вещества, как элемента, так и соединения, подобны по размеру, форме и весу; химические реакции не вызывают никаких изменений в природе атомов и проявляются только в их перераспределении; комбинации атомов выражаются в отношениях наиболее простых целых чисел — АВ предпочтительно перед АВ2 и т. д. Если, как предположил Дальтон, атомы данного элемента все подобны и не меняются при химическом взаимодействии, то относительный атомный вес, полученный из анализа сложного вещества, должен иметь определенное постоянное значение. Хотя при фактическом определении относительных атомных весов используется только третий из приведенных выше постулатов, результаты не имели бы никакого значения без первых двух постулатов.
Способ, использованный Дальтоном, может быть проиллюстрирован на примере определения им атомного веса кислорода. В то время было известно только одно соединение кислорода с водородом — вода. Поэтому Дальтон, в соответствии с принципами, которые он сформулировал, предположил, что оно представляет собой простейшее возможное соединение, а именно соединение одного атома водорода с одним атомом кислорода, т. е. НО. На основе химического анализа он нашел, что вода состоит из одной весовой части водорода и семи (как было показано позднее, восьмн) весовых частей кислорода. Отсюда следует, что если атомный вес водорода
принять за единицу, то относительный атомный вес кислорода будет равеп семи (в действительности восьми). Иначе говоря, вес одного атома кислорода, по Дальтону, в семь (на самом деле в восемь) раз больше веса одного атома водорода. Подобным же образом в предположении, что формула аммиака имеет вид NH, было найдено, что атомный вес азота равен пяти (более точно 4,7) относительно атомного веса водорода.
§ 8. Эквивалетппые веса
Даже если оставить в стороне экспериментальные ошибки Дальтона, некоторые из его атомных весов, например атомные веса кислорода и азота, оказались неправильными. Причина такого расхождения состоит в том, что постулированные простые формулы типа АВ, например НО для воды и NH для аммиака, были ошибочны; теперь известно, что вода должна быть представлена формулой Н20, а аммиак — формулой NH3. То, что определял Дальтон, в действительности было эквивалентным весом элемента, т. е. весом элемента, который соединяется с одной весовой частью водорода или замещает ее, т. е. является ее эквивалентом1).
Если формула рассматриваемого соединения действительно имеет вид НХ, как, например, в случае, когда X обозначает хлор, то атомный и эквивалентный веса будут идентичны. В других случаях атомный вес есть целое кратное эквивалентного веса. Легко видеть, что кратность должна совпадать с числом атомов водорода, соединяющихся с одним атомом данного элемента или замещающих его. Таким образом, поскольку формула воды имеет вид Н20, т. е. два атома водорода соединены с одним атомом кислорода, атомный вес кислорода точно в 2 раза больше его эквивалентного веса. Поэтому, если бы Дальтон пользовался правильной химической формулой воды, он пришел бы к атомному весу кислорода, в 2 раза большему 7,т. е. равному 14,по отношепию к водороду, что находится в неплохом согласии с более точным значением 16. Подобным образом, если бы он знал, что формула аммиака имеет вид NH3, он получил бы атомный вес азота, в 3 раза больший 5, т. е. равный 15, что не сильно отличается от принятого теперь атомного веса азота, равного приблизительно 14.
§ 9. Шкала атомиых весов
Из приведенных выше значений следует, что экспериментальные работы Дальтона были не очень надежными. Одной из причин этого был выбор водорода в качестве основы для сравнения атомных весов. Во-первых, относительно небольшое число элементов образует соединения с водородом, и эти соединения нелегко анализировать; во-вторых, вследствие легкости водорода небольшие ошибки при взвешивании ведут к значительным ошибкам в окончательном результате. Поскольку большинство элементов соединяется с кислородом, атом которого примерно в 16 раз тяжелее атома водорода, Берцелиус использовал в качестве эталона кислород, приписав ему произвольный эквивалентный вес 100. Позднее вернулись к дальтоновской системе и нашли, что если атомный вес водорода принять равным единице, то атомный вес кислорода очень близок к 16. В интересах практического удобства, химики условились принять атомный вес кислорода, находящегося в воздухе в точности равным 16,0000, а его эквивалентный вес — 8,0000. Это допущение и сейчас является основой современных химических атомных и эквивалентных весов1). Атомный вес водорода в этой шкале, как теперь известно, равен 1,0080, а не точно единице.
1) В современном определении эквивалентного веса элемента в качестве основы для сравнения используют не 1 весовую часть водорода, а 8,000 весовых частей кислорода (см. § 9 настоящей главы).
§ 10. Атомные и эквивалентные веса
Во времена Дальтона не были в достаточной мере известны основы количественного химического анализа.Не существовало еще точных весов, так что эквивалентные веса нельзя было получить с большой степенью точности. С совершенствованием техники и методов аналитической химии в течение первой половины 19 века определялись все более точные значения эквивалентных весов многих элементов, что является в основном заслугой Берцелиуса (Швеция) и Стаса л(Бельгия). Чтобы перевести их в атомные веса, необходимо было найти для каждого элемента целое число, на которое следует умнржить эквивалентный вес. Берцелиус использовал для этой цели закон изоморфизма2), предложенный его учеником Мит-шерлихом в 1819 г., а также закон постоянства теплоемкостей атомов3), открытый в том . же году французскими учеными Дюлонгом и Пти.
IV. АТОМЫ И МОЛЕКУЛЫ
§ 11. Ранний период развития
Основной постулат, который мог бы принести неоценимую пользу ранним попыткам определения атомных весов, был предложен независимо итальянским физиком Амадео Авогадро в 1811 г. и примерно на 3 года позднее Ампером, по имени которого названа единица силы электрического тока. К сожалению, содержащиеся в этом постулате представления не были ни достаточно ясно выражены, ни достаточно хорошо поняты до 1858 г., когда Станислао Канпицаро в своем «Наброске курса химичёской философии», читавшемся в Генуэзском университете, ясно выразил и объяснил значение идей своего соотечественника Авогадро, опубликованных более 40 лет назад.
Чтобы понять обстановку того времени, необходимо рассмотреть разницу между атомом и молекулой4). В начале 19 века достаточно четкое различие между этими понятиями не было проведено. Дальтон, например, употреблял иногда слово «молекула» как синоним первичной частицы, т. е. атома. Далее, он не делал различия между частицами элемента и частицами соединения: оба типа частиц он относил к атомам.
1) Значение определений «находящийся в воздухе кислород» и «химический атомный вес» объясняется в гл. 8, § 11.
2) Согласно этому закону, изоморфные вещества (т. е. вещества, образующие кристаллы подобной формы), имеющие сходные химические свойства, обычно могут быть представлены одинаковыми формулами, например Cu2S и Ag2S, Fe203 и А1203. Валентность элемента, т. е. отношение атомного веса к эквивалентному весу, можно найти из формулы соответствующего соединения.
3) Для большинства твердых элементов произведение атомного веса на теплоемкость есть приблизительно постоянная величина. Теплоемкость может быть легко измерена; отсюда можно приближенно определить атомный вес. Затем можно вычислить точный атомный вес из эквивалентного веса.
4) Уменьшительное от латинского слова moles (масса). Таким образом, слово «молекула» означает «маленькая масса».
Авогадро, наоборот, впал в другую крайность: он не употреблял слова «атом», но применял к различным частицам общее наименование «молекула». Однако внимательное чтение работы Авогадро показывает, что он различал три типа молекул1), хотя это различие лишь подразумевалось и явно высказано не было. Вряд ли можно сомневаться, что ситуация была ясна самому Авогадро, но его точка зрения не была выражена настолько ясно, чтобы ее поняли его современники.В последующие десятилетия делались попытки определить значение слов «атом» и «молекула», особенно французскими учеными Годэном (1833 г.), Ампером (1835 г.), Лораном (1846 г.) и Герхардтом (1856 г.). Выводы о различии между этими терминами были логически завершены Канницаро, что открыло новую эпоху в определении атомных весов.
Молекула может быть определена как наименьшая частица любого вещества — соединения или элемента, — способная к самостоятельному существованию. Молекула соединения всегда содержит атомы двух или более элементов; так, молекула воды выражается формулой Н20, так как она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Поскольку атом элемента является неделимым, молекула не может содержать менее одного атома какого-либо элемента. Поэтому для наших целей атом можно определить как наименьшее количество элемента, которое может быть найдено в молекуле какого-либо его соединения. Теперь уже нельзя говорить «атом соединения» или «сложный атом», как это делал Дальтон: первичными частицами соединения являются молекулы, а не атомы. Если такую молекулу разделить дальше, она разобьется на атомы составляющих ее элементов и, таким образом, перестанет быть соединением.
§ 12. Атомы и молекулы элементов
Остается разъяснить еще один вопрос, а именно различие между атомом и молекулой элемента. Атом — наименьшая частица элемента, которую можно себе представить, а также наименьшая его часть, которая может вступать в химические соединения. Однако необязательно эта же частица является наименьшей единицей, способной к самостоятельному существованию; такой единицей является молекула данного элемента. Рассмотрим, например, кислород — газ, составляющий пятую часть воздуха. Его атом обозначается символом О, а молекула, находящаяся в атмосфере, представляет собой соединение двух таких атомов и, таким образом, обозначается символом 02. Правда, при нагревании до очень высокой температуры или при электрическом разряде некоторые молекулы могут распадаться на два атома, но как только нормальные условия восстанавливаются, атомы вновь соединяются попарно, образуя молекулы. Одиночный атом кислорода стремится вступить в соединение с другим атомом. Если два атома кислорода взаимодействуют друг с другом, в результате получается молекула кислорода; если же один атом кислорода соединяется с двумя атомами водорода, то получается молекула воды.
При обычных температуре и давлении большинство элементов — по крайней мере те из них, которые являются газами, например кислород, водород, азот, хлор, — образует двухатомные молекулы; иначе говоря, молекулы этих элементов содержат по два атома. Существуют, однако, некоторые элементы, часто называемые «инертными газами атмосферы»,
х) Об атомах элемента Авогадро говорил как об элементарных молекулах (molecules elementaires), молекулы элемента он называл составляющими молекулами (molecules constituantes), а молекулы соединения — интегральными молекулами (molecules integr antes).
2 С. Глесстон
для которых атом и молекула идентичны. Так, например, элемент гелии, находящийся в атмосфере и в некоторых природных газах, состоит из одиночных атомов, которые столь же правильно назвать молекулами. Таким образом, говорят, что гелий есть одноатомный газ. Атомы гелия и родственных ему газов — неона, аргона и т. д. — настолько инертны, что не соединяются ни между собой, ни с атомами других элементов.
§ 13. Запои Авогадро
Закон Авогадро утверждает (если придавать слову «молекула» правильное значение), что при одинаковых температуре и давлении равные объемы различных газов содержат равное число молекул1). Плотность газа определяется как вес данного объема газа, например 1 л поэтому она равна весу молекул, содержащихся в данном объеме. Но для различных газов этот объем содержит одинаковое число молекул; отсюда следует, что плотность газа прямо пропорциональна весу одной его молекулы. Говоря словами Авогадро, «исходя из этой гипотезы [приведенной выше], мы, очевидно, получаем возможность очень легко определять относительные массы молекул веществ, которые можно получить в газообразном состоянии..., так как отношения масс молекул различных газов при равных температурах и давлениях будут равны отношениям их плотностей».
§ 14. Определение молекулярным весов
Таким образом, путем сравнения плотностей можно определить вес одного сорта молекул по отношению к другому; поэтому для практических целей желательно выбрать постоянный эталон для выражения молекулярных весов. Предложение Канницаро, которое теперь повсюду принято, состояло в том, чтобы использовать тот же самый эталон, что и для атомных весов. Следовательно, молекулярный вес определяется как вес данной молекулы относительно веса атома кислорода, принятого за 16.0000. Определенный таким образом молекулярный вес равен сумме атомных весов (§ 15) элементов, составляющих молекулу, с учетом числа атомов каждого элемента в молекуле.
Имеются достаточные основания утверждать, что молекула кислорода состоит из двух атомов; поэтому молекулярный вес кислорода принят равным 32,0000. Отсюда молекулярный вес любого вещества есть вес молекулы этого вещества по сравнению с принятым для кислорода молекулярным весом 32,0000. Поэтому легко видеть, что с учетом закона Авогадро для любого газообразного вещества — элемента или соединения — при одних и тех же температуре и давлении можно написать соотношение
1) Дальтон еще ранее (1808 г.) рассматривал такую возможность, но отбросил ее, вероятно, вследствие непонимания им различия между атомом и молекулой. Он писал: «У меня была смутная мысль..., что данный объем кислородного газа содержит столько же частиц, сколько тот же объем водородного... Но... я пришел к убеждению, что различные газы состоят из частиц неодинакового размера [т. е. не занимают одинакового объема]».
так что для получения молекулярного веса достаточно определить плотность вещества в газообразном состоянии. Следует отметить, что использование обычных значений плотностей дает результаты весьма невысокой степени точности; однако, вводя необходимые поправки, можно получить молекулярные веса с довольно высокой точностью1).
§ 15. Молекулярные и атомные веса
Остается рассмотреть, как появление надежного метода определения молекулярных весов обеспечило решение проблемы атомных весов. Если бы Дальтон знал, что молекулярный вес воды равен 18 в единицах атомного веса водорода, ему было бы очевидно, что формула воды не могла быть НО, как он думал; согласно сказанному выше, из этой формулы следует, что атомный вес кислорода равен восьмиоткуда молекулярный вес воды равен 1+8, т. е. 9. Взяв для воды формулу Н20 и используя тот экспериментальный факт, что одна.весовая часть водорода соединяется с восемью весовыми частями кислорода, легко получить, что атомный вес кислорода должен быть равен 16. В таком случае молекулярный вес воды будет равен 2+16, т. е. 18, как действительно было найдено путем измерения плотностей газов. Рассуждения такого рода были использованы для определения атомных весов нескольких элементов.
Поскольку атом есть наименьшая часть элемента, которая может находиться в молекуле, атомный вес есть наименьший вес элемента, который может входить в молекулярный вес любого его соединения. Это утверждение лежит в основе метода оценки атомных весов, предложенного Канницаро. Приготавливаются легко испаряющиеся соединения данного элемента, и из измерений газовых плотностей определяются их молекулярные веса.Затем проводится анализ этих веществ, чтобы найти вес данного элемента, входящий в молекулярный вес каждого соединения. Наименьший из найденных таким образом весов или, более, точно, наименьший общий делитель этих весов и представляет собой атомный вес элемента.
Имели место и другие применения молекулярных весов в связи с определением атомных весов элементов, но здесь достаточно указать, что правильное применение закона Авогадро помогло устранить одну из основных трудностей, с которыми столкнулись химики начала 19 века. Во второй половине того же столетия были разработаны методы определения молекулярных весов, не требующие измерения газовых плотностей, так что для изучения атомных весов могли быть использованы неиспаряю-щиеся твердые соединения. Для получения точных эквивалентных весов были использованы другие, усовершенствованные методы, основанные на применении хлоридов и бромидов вместо оксидов. В результате химические атомные веса почти всех элементов, встречающихся на Земле, были установлены со значительной степенью точности. Кроме того, очень точные определения атомных весов были выполнены с помощью масс-спектрографа (гл. 8).
В таблице приведены считающиеся наиболее точными значения атомных весов восьмидесяти шести элементов, расположенных в алфавитном порядке. Даны также химические символы, принятые для этих элементов2)..
1) Такие поправки необходимы потому, что, строго говоря, закон Авогадро» применим лишь к «совершенным», или «идеальным», газам, в то время как реальные газы при обычных температуре и давлении отличаются от идеальных.
2) Значение термина «атомный номер» объяснено в § 18 настоящей главы; и в гл. 4, § 6.
ждал, что если элементы поместить один за другим согласно их атомным весам, то они распределятся по группам, так что восьмой элемент будет иметь свойства, сходные с первым, девятый — со вторым, десятый — с третьим и т. д. — нечто вроде серии октав в музыке. Хотя такая схема и имела некоторые достоинства, но Ньюлендс зашел в ней слишком далеко. Этот факт, в соединении с применением им в некоторых случаях неправильных атомных весов и непониманием того, что могут существовать еще не открытые элементы, привел в результате к некоторым весьма невероятным ассоциациям. Так, железо оказалось в одной группе с серой, золото — с иодом, с чем не мог согласиться ни один химик.
§ 18. Периодический закон
В 1869 г. русский ученый Менделеев опубликовал короткую заметку «Соотношение свойств с атомным весом элементов», которую он затем развил в 1871 г. в форме большого труда «Периодическая законность для химических элементов». Несмотря на то, что Лотар Мейер (Германия) сначала в 1864 г., а затем еще раз в 1869 г. указал, что некоторые свойства элементов являются периодической функцией их атомных весов, именно русский химик считается основоположником периодического закона и основанного на этом законе метода классификации элементов. По словам Менделеева, было очевидно уже «в течение периода с 1860 по 1870 г.,... что соотношения между атомными весами аналогичных элементов подчиняются некоторому общему и простому закону... Когда я расположил элементы в соответствии с величинами их атомных весов, начиная с самых малых, то стало очевидно, что в их свойствах существует периодичность. Я назвал периодическим законом взаимные соотношения между свойствами элементов и их атомными весами; эти соотношения применимы ко всем элементам и имеют периодическую природу».
Успех предложенного Менделеевым расположения элементов состоит в том, что он придавал особое значение периодичности физических и химических свойств. Там, где эта периодичность нарушалась, Менделеев смело утверждал — в одних случаях, — что принятые атомные веса ошибочны, в других, — что должны существовать еще не открытые элементы. Именно в связи с последним утверждением периодический закон достиг таких поразительных успехов. Рассматривая свойства известных элементов, окружающих оставленные для недостающих элементов пустые места, Менделеев очень подробно предсказал свойства последних. В частности, в трех случаях открытие действительно существующих элементов — галлия в 1875 г., скандия в 1879 г. и германия в 1886 г., — блестяще подтвердило эти предсказания. Фактически только с 1875 г., когда французский химик де-Буабодран обнаружил вцинковой обманке, найденной в Пиренеях, неизвестный ранее элемент, который он назвал галлием, периодический закон стал привлекать к себе общее внимание1).
1) Статья о работе Менделеева, которая, по-видимому, являлась первым сообщением, появившимся на английском языке, была опубликована в лондонском журнале Chemical News в декабре 1875 г. Его работа 1871 г. была переведена в том же журнале в 1879 — 1880 гг.
Несмотря на то, что некоторые из предсказаний Менделеева впоследствии оказались неправильными, а кое-какие детали его периодической классификации пришлось исправить, основные принципы его закона остаются неизменными. Периодический закон принят теперь как один из основных законов природы, причем установлена тесная связь между положением элементов в периодической системе и внутренней структурой их атомов.
На стр. 22 приведена современная форма периодической системы элементов, в которую включены все известные элементы, расположенные за некоторыми исключениями1) в порядке возрастания их атомных весов. Тринадцать элементов, химические символы которых помещены в скобках, весьма неустойчивы и, по-видимому, не существуют в природе в сколько-нибудь заметном количестве; однако в последние годы они были получены посредством ядерных реакций из других элементов. Для каждого элемента дается порядковый номер, который называют атомным номером (гл. 4, § 6).
Таблица состоит из нескольких горизонтальных рядов, называемых периодами и содержащих соответственно 2, 8, 8, 18, 18, 32 и 16 (неполный период) элементов2). В каждом периоде существует определенное и характерное изменение химических и физических свойств при переходе от одного элемента к другому. В некоторых местах это изменение весьма отчетливо, например для Al, Si, Р, S, G1, Аг. В других местах (Сг, Мп, Fe, Со, Ni, Си, Zn) оно относительно мало. Эти факты были объяснены на основе структуры атомов соответствующих элементов.
Вертикальные столбцы, на которые разделена таблица, называются группами; большинство групп состоит из двух подгрупп А ж В, например, L4, IB, II A, I IB и т. д. Между свойствами членов подгруппы А и членов соответствующей подгруппы В имеется некоторое сходство второстепенного характера. В пределах каждой подгруппы элементы имеют сходные свойства, однако с возрастанием атомного веса эти свойства постепенно изменяются. Это повторение физических и химических свойств через регулярные промежутки и представляет собой ту периодичность, на которую обратили внимание Менделеев и другие ученые.
Присутствие нулевой группы, состоящей из «инертных газов», представляет особый интерес. До 1895 г. ни один из элементов этой группы не был обнаружен, по крайней мере на Земле. Поэтому в ранних изданиях группы периодической системы нумеровались от I до VIII. После того как были открыты инертные газы атмосферы, стало ясно, что они образуют группу между VIIZ и Ы; однако во избежание полного изменения нумерации групп для новой группы было введено обозначение 0 (нуль). Это обозначение особенно удачно вследствие чрезвычайной инертности этих элементов.
§ 19. Лапшаииды и актиниды
Периодическая система элементов имеет много и других важных особенностей, но мы ограничимся здесь рассмотрением только одной из них, особенно интересной. В группе НЫ в периоде 6 вместо одного элемента помещено семейство пятнадцати элементов с атомными номерами от 57 до 71 включительно, которое подробно выписано внизу под основной таблицей. Эти элементы, названные лантанидами по названию первого из них (лантана), обычно более известны как редкоземельные.
1) Исключение составляют пары: аргон и калий, кобальт и никель, теллур и иод; их атомные веса мало отличаются друг от друга.
2) Тот факт, что во втором и третьем периодах находится по восьми элементов, из которых в то время было известно семь, привел Ньюлендса к «закону октав». Поскольку последующие периоды значительно длиннее, то, очевидно, этот закон здесь должен нарушаться.
Они настолько близки по свойствам, что отделение их друг от друга является серьезной химической задачей.
В связи с существованием лантанидов широко обсуждался вопрос о возможности существования аналогичного семейства актинидов, начинающегося с элемента актиния (атомный номер 89). В периодических таблицах, помещенных в книгах и журналах, изданных до 1945 г. и даже позднее, четыре элемента такого возможного семейства, свойства которых были в основном известны в то время, а именно актиний, торий, протактиний и уран, размещались в группах III4, IVA, У А и VL4. Другими словами, до 1945 г. большинство химиков подвергало сомнению существование семейства актинидов; считалось, что седьмой период более похож на пятыйпериод, чем на шестой. Однако сведения, полученные после 1939 г., совершенно по-новому осветили этот вопрос (см. гл. 16). Подробное изучение химических свойств новых, «искусственных» элементов — нептуния (Np 93), плутония (Ри 94), америция (Ат 95), кюрия (Cm 96), берклия (Вк 97), калифорния (Cf 98), эйнштейния (Es 99), фермия (Fm 100), менделевия (Md 101) и нобелия (No 102) — и повторное исследование химических свойств урана ясно показали, что эти элементы являются членами такого же семейства, как и семейство лантанидов.
VI. РАЗМЕРЫ И ВЕСА АТОМОВ
§ 20. Атомные веса и реальность атомов
До сих пор атомные представления излагались здесь как рабочая гипотеза, без какого бы то ни было доказательства того, что атомы действительно существуют.Предположив, что соединения состоят из молекул, которые в свою очередь состоят из атомов различных элементов, можно было приписать этим элементам так называемые атомные веса. Тот факт, что расположение элементов в порядке возрастания атомного веса выявляет поразительную периодичность их свойств, говорит о том, что эти веса действительно имеют какое-то значение. Таким образом, эти результаты подтверждают теорию о том, что вся материя в конечном счете состоит из атомов. Однако, если бы оказалось возможным получить из разных источников сведения относительно размеров и действительных весов атомов, а не только об их относительных весах, согласие между этими результатами могло бы служить более убедительным аргументом в пользу атомной теории.
§ 21. Размеры молекул; первые оценки
Первое достаточно точное определение размеров молекул было опубликовано английским физиком Томасом Юнгом в статье, написанной в 1816 г. для приложения к Британской энциклопедии. В этой статье Юнг говорит: «С некоторой степенью точности мы можем получить нечто вроде предположительной оценки взаимного расстояния между частицами паров и даже действительной величины элементарных атомов жидкостей, в предположении, что они почти соприкасаются друг с другом; если расстояния, на которых начинают действовать силы связи, остаются постоянными при постоянной температуре и если частицы пара, приближаясь на более близкие расстояния друг к другу, конденсируются, то отсюда следует, что при температуре 16° С расстояния между частицами
чистого водяного пара составляют около 630 миллионных сантиметра». Из этого результата и из сравнения плотностей жидкости и пара Юнг заключил, что диаметр молекулы воды равен приблизительно 3 миллиардным сантиметра, т. е. 3-10~9 см. Учитывая приближенный характер вычислений и чрезвычайную малость рассматриваемой величины, этот результат следует признать очень хорошим — он всего лишь примерно в 10 раз меньше принятой теперь величины.
Оценка Томасом Юнгом размера молекулы была основана на разумном предположении; однако для дальнейшего продвижения вперед необходимо было ввести новые физические представления. Одно из них относилось к поведению газа. Тот факт, что газ испытывает давление, или, как его назвал Роберт Бойль, «упругое воздействие», был объяснен кинетической теорией. Согласно этой теории, молекулы газа находятся в постоянном движении, часто сталкиваясь друг с другом и ударяясь о стенки содержащего их сосуда и меняя, таким образом, направление своего движения. Используя это относительно простое представление, Клаузиус в Германии и Максвелл в Англии в период между 1850 и 1860 г. вывели несколько уравнений, связывающих некоторые свойства газа, доступные измерению, с характеристиками отдельных молекул. Одно из этих уравнений показывает, как вязкость газа, т. е. его сопротивление потоку, зависит от размеров молекул газа и числа молекул в единице объема. Однако, поскольку ни одна из последних величин не была известна, их связь с доступной экспериментальному определению вязкостью не имела никакого практического значения, так как из одного уравнения с двумя неизвестными нельзя получить определенного решения.
Дилемма была решена простым, хотя и приближенным, способом немецким ученым Лошмидгом в 1865 г. Лошмидт указал, что если считать молекулу сферической и, кроме того, предположить, что в жидком состоянии сферические молекулы уложены насколько возможно плотно, то легко получить другое уравнение, связывающее те же величины с плотностью жидкости. Таким образом, если известна вязкость данного газа и плотность жидкости, образующейся при его сжатии и охлаждении, то эти два уравнения позволяют вычислить размер молекул этого газа и число их в единице объема.
Применяя этот способ к азоту, кислороду и двуокиси углерода, Лошмидт нашел, что диаметры их молекул немногим больше одной десятимиллионной сантиметра, т. е. 10~7 см, — величины, как теперь известно, примерно в пять раз превышающей действительное значение, но тем не менее того же порядка. Кроме того, вычисления показали, что в каждом случае в одном кубическом сантиметре (1 см?) при обычных температуре и давлении содержится 2-1018 молекул — значение, которое примерно в четырнадцать раз меньше действительного1). Так как вес 1 смъ кислорода известен, можно вычислить вес одной его молекулы. Тогда вес атома составит половину этой величины. Несмотря на приближенность результатов Лошмидта, — частично вследствие использования неправильных данных для вязкости и частично вследствие предположения о том, что жидкость состоит из тесно упакованных сфер, — они имеют большое значение, так как представляют собой первую, основанную на глубоких теоретических принципах, попытку оценить свойства отдельных молекул.
1) Согласно закону Авогадро, число молекул в 1 см3 газа при данных температуре и давлении должно быть одинаково для всех газов. Результаты Лошмидта в пределах их степени точности подтверждают этот закон.
В 1870 г. выдающийся шотландский физик и изобретатель Уильям Томсон (позднее лорд Кельвин), рассматривая многие методы определения размера молекул, заключил, что все они приводят к величине одного порядка, а именно 108 см, для диаметра молекулы. В лекции, которую он прочел в Королевском институте в Лондоне в 1881 г., он попытался дать некоторое представление о чрезвычайной малости атомов и молекул следующими словами: «Чтобы составить некоторое представление [о размере молекул]..., представьте себе шар с водой величиной с футбольный мяч... диаметром, скажем, 16 см, увеличенный до размеров Земли, так чтобы каждая входящая в его состав молекула увеличилась в том же отношении. Увеличенная структура была бы более крупнозерниста, чем множество мелких дробинок, но, вероятно, менее крупнозерниста, чем множество футбольных мячей».
§ 22. Число Авогадро
Прежде чем перейти к обсуждению более поздних работ по изучению свойств отдельных молекул, следует рассмотреть один интересный вопрос. По закону Авогадро число отдельных молекул (идеального) газа в данном объеме не зависит от химической природы газа. Объем можно выбрать любой, наиболее удобный для рассмотрения; однако существует специальный объем, имеющий особое значение. Если взять вес какого-либо вещества в граммах, численно равный его молекулярному весу, то в результате получится величина, известная как граммолекулярный вес, или грам-молекула, или, более кратко, моль вещества. Так, 2,016 а водорода, 32,000 г кислорода и 28,020 а азота представляют один моль соответствующего вещества. Опыты с большим числом газов показали, что в соответствии с законом Авогадро один моль любого газа с учетом отклонения его от идеального поведения1) при температуре 0° С и давлении в одну атмосферу всегда занимает объем 22,414 л. Этот объем известен как молярный объем газа при обычных температуре и давлении, а число молекул, содержащихся в этом объеме, одинаковое для всех газов, называется числом Авогадро, или постоянной Авогадро.
Поскольку в молярном объеме содержится один моль, число Авогадро представляет собой число молекул в одной граммолекуле2). Таким образом, если молекулярный вес какого-либо вещества, элемента или соединения разделить на число Авогадро, то получим вес одной молекулы вещества, выраженный в граммах. Подобным же образом при делении на число Авогадро атомного веса какого-либо элемента получаем вес в граммах одного атома этого элемента.
Одно из наиболее выдающихся исследований, касающихся молекул, было предпринято во Франции, начиная примерно с 1908 г., Перреном. Примерно за восемьдесят лет до этого английский ботаник Роберт Броун, наблюдая в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде, заметил, что пылинки находятся в постоянном беспорядочном движении. Их поведение было точно таким, какого следовало бы ожидать от молекул, ведущих себя в согласии с кинетической теорией (§ 21). Это явление, наблюдающееся с различного рода маленькими взвешенными частицами,
1) См. примечание на стр 19.
2) Один моль вещества должен содержать одинаковое число отдельных молекул, независимо от того, находится ли это вещество в твердом, жидком или газообразном состоянии. Следовательно, число Авогадро дает число молекул в одном моле любого вещества
называется броуновским движением; оно происходит вследствие непрерывной бомбардировки частиц молекулами среды, в которой они взвешены. Таким образом, наблюдаемое в микроскоп движение частиц представляет собой как бы сильно увеличенную картину движения невидимых молекул, окружающих эти частицы. Перрен провел серию измерений с различными типами взвешенных частиц и, предполагая, что они ведут себя так же, как и молекулы, подчиняющиеся уравнениям кинетической теории газов, получил возможность определить число Авогадро.
В других опытах с движением взвешенных частиц Перрен пользовался уравнением, впервые полуденным Эйнштейном в 1905 г. Комбинируя это уравнение с другими уравнениями, ему удалось получить ряд соотношений, позволяющих независимо оценить число молекул газа, содержащихся в данном объеме. Следствием этой работы явился тот поразительный факт, что значение числа Авогадро оказалось в пределах экспериментальной ошибки всегда одинаковым и равным примерно 6-1023, независимо от типа измерений, которыми оно определялось. Это значение находилось в превосходном согласии со значениями, полученными на основе более тонких вычислений, например таких, которые впервые были проделаны Лошмидтом на основании свойств газов. Тот факт, что совершенно различными путями были получены одинаковые результаты, имел особенно большое значение. Работа Перрена, помимо того, что она дала сведения о числе Авогадро, явилась одним из наиболее убедительных доказательств реального существования молекул.
Число Авогадро определялось. и другими методами, на основе самых разнообразных явлений, — от радиоактивности до голубого цвета неба. Два из этих методов дают особенно точные результаты: первый основан на измерении заряда электрона (гл. 2, § 11), а второй — на изучении кристаллов при помощи рентгеновских лучей. Полученное таким образом значение числа Авогадро равно 6,025 1023; оно равно числу молекул в граммолекуле, т. е. в моле, любого вещества.
§ 23. Атомы в газах, жидкостях и твердых телах
При обычных атмосферных условиях 1 см газа содержит независимо от его природы около 2,7 1019 молекул. Молекулы газа обычно содержат от одного до десяти, а иногда и больше атомов, и, таким образом, в этом объеме газа в среднем находится около 1020 атомов. В ряде исследований по атомной физике (некоторые из них упомянуты ниже) требуется получать так называемый «высокий вакуум» путем откачки возможно большей части газа из сосуда, в котором этот газ находится. Однако даже при лучшем вакууме, который обычно удается достигнуть, т. е. при давлении, уменьшенном до одной миллиардной (109) доли атмосферного или даже еще ниже, 1 см* газа при нормальной температуре все еще содержит более 10 миллиардов, т. е. более 1010, молекул.
Жидкости и твердые тела содержат в единице объема еще больше атомов и молекул. В отличие от газов число молекул зависит здесь от природы вещества. Оно определяется главным образом отношением плотности твердого тела или жидкости к плотности того же вещества в газообразном состоянии. Однако в грубом приближении можно считать, что твердое тело или жидкость содержит в 1000 раз больше атомов, чем равный объем газа при обычном давлении. Следовательно, при обычных условиях в 1 см3 жидкости или твердого тела содержится примерно 1023 атомов.
Число молекул какого-либо вещества — газа, жидкости или твердого тела, — содержащееся в данном весовом количестве вещества, может быть вычислено следующим образом. Вес в граммах при делении на молекулярный вес дает число молей. При умножении полученного результата на число Авогадро, т. е. на число молекул в одном моле (6,02-1023), получается общее число молекул в данном веществе. Если это вещество представляет собой элемент, то деление данного веса на атомный вес и умножение результата на число Авогадро дает соответственно число атомов.
§ 24. Веса и размеры атомов и молекул
Как говорилось выше, вес в граммах одного атома или молекулы может быть получен делением соответствующего атомного или молекулярного веса на число Авогадро. Так, вес самого легкого атома — атома водорода — оказывается равным 1,67 1024 а,в то время как вес атома самого тяжелого из встречающихся в естественных условиях элементов — урана — равен 3,95-10"22 г1). При помощи специальных весов, предназначенных для взвешивания очень малых количеств вещества (гл. 16, § 2), можно обнаружить вес до 108 а. Такая мельчайшая частичка вещества, например урана, будет невидима для невооруженного глаза, но тем не менее она будет содержать более чем 1013 атомов.
Теперь, когда число Авогадро, а следовательно, и число молекул в 1 см? газа следует считать известным, можно применить упоминавшиеся выше уравнения кинетической теории для определения диаметра молекул из таких измерений, как измерения вязкости, диффузии или теплопроводности газов. Так как число атомов в молекуле обычно известно, можно оценить диаметры некоторых легких атомов.Таким путем было найдено, что диаметр атома водорода, наименьшего из всех атомов, равен 1,35-10~8 см, диаметр атома гелия — 2,2-10~8сж, а диаметры атомов азота и кислорода — около 1,8* 10"8 см2). Таким образом, легкие атомы и молекулы, содержащие сравнительно мало атомов, имеют диаметры порядка 10"8 см. По крайней мере для тех атомов, которые можно считать сферическими, радиусы имеют тот же порядок величины.
Приближенную оценку радиусов молекул и атомов можно сделать, используя предположение Лошмидта о том, что жидкость или твердое тело могут быть представлены как совокупность тесно упакованных сферических молекул (или атомов). Молекулярный вес воды, например, равен 18, поэтому 18 г воды, занимающие в жидком состоянии около 18 см*, содержат 6-1023 (число Авогадро) молекул. Если принять, что молекулы воды имеют кубическую форму и упакованы так,что между ними нет свободного пространства, то объем одной молекулы будет равен 18 сж3, деленным на 6-1023, т. е. 3-1023 см*. Если считать молекулу сферической, то объем получится несколько меньшим, примерно 2-10"23 см*. Объем сферы радиуса г равен 4я73/3, где я можно считать равным 3,14; следовательно,
г) Слова «самый тяжелый» здесь относятся к относительным весам атомов. Обычная «тяжесть» твердого вещества, в действительности являющаяся плотностью, т. е. весом некоторого объема вещества, зависит как от веса атомов, так и от того, каким образом атомы упакованы в твердом теле. Тяжелые атомы, свободно упакованные, могут составлять твердое тело с меньшей плотностью, чем тесно упакованные легкие атомы.
2) По-видимому, все эти значения больше действительных диаметров атомов на величину порядка 0,3 * 10-8 см, так как уравнения кинетической теории дают диаметр столкновения — наименьшее расстояние, на которое могут приблизиться друг к другу две молекулы.
если молекула воды представляет собой сферу, то можно легко подсчитать, что ее радиус равен около 1,710"8 см. Отсюда видно, что такой простой способ дает результаты правильного порядка величины и позволяет приближенно оценить размеры молекул и атомов.
Таким образом, атомы так малы, что не могут быть обнаружены даже в самый сильный электронный микроскоп, дающий увеличение в 100 000 раз. Возможно, что некоторые большие молекулы, встречающиеся в природе, особенно молекулы, сходные по характеру с молекулами белка, можно будет рассмотреть таким путем; но каждая из таких сложных молекул состоит из нескольких тысяч атомов. Мельчайшая частица вещества, которую можно надеяться увидеть в хороший оптический микроскоп, содержит примерно миллиард (10°) атомов!
В последние годы для определения размеров атомов и молекул особенно часто применялись три метода.Для твердых тел использовалась дифракция рентгеновских лучей (гл. 2, § 23), а для газов нашли применение дифракция электронов (гл. 3, § 11) и так называемые «полосатые» спектры молекул. В таблице приведены приближенные радиусы атомов некоторых наиболее известных элементов. Для удобства результаты выражены в ангстремах [1 ангстрем (А) равен 108 см]1).
ПРИБЛИЖЕННЫЕ РАДИУСЫ АТОМОВ
Элемент Радиус о атомов, А Элемент Радиус о атомов, А
Водород 0,53 Алюминий 1,45
Кислород 0,74 Магний 1,6
Углерод 0,77 Свинец 1,75
Мышьяк 1,2 Натрий 1,9
Олово 1,4 Калий 2,35
Замечательным достижением является то, что, несмотря на почти бесконечно малые размеры, атомы и молекулы были взвешены и измерены. Правда, результат был получен косвенным путем, но он считается настолько же достоверным, как если бы каждый атом прошел через человеческие руки. Еще более поразительным является тот факт, что были найдены методы, при помощи которых удалось заглянуть внутрь атома и подробно исследовать его структуру. Хотя в этой области еще очень многое осталось неоткрытым, однако уже достигнут поразительный прогресс. Много сведений было получено при исследовании прохождения электрического тока через газ при низких давлениях; этот вопрос рассматривается в следующей главе.
*) Эта единица, названная в честь шведского спектроскописта Ангстрема, была введена первоначально для выражения длин волн в атомных спектрах (см. гл. 3, § 6). KOHEЦ ФPAГMEHTA
|
