Использование весов, столь важных в работах Джозефа Пристли (1733-1804) и Антуана Лавуазье, также было определяющим для Дальтона. С 1800 по 1808 год исследователь провел точные и системные измерения некоторых химических реакций и на их основе сформулировал закон кратных отношений. Иногда два элемента реагируют друг с другом различным образом, и получаются различные сложные вещества. Это случай кислорода и углерода, которые могут образовывать монооксид углерода (СО) или диоксид углерода (СO2). Масса кислорода, реагирующая с постоянной массой углерода, сохраняет простое числовое отношение (2:1). Так, для каждых 100 г углерода нужно 133 г кислорода, чтобы образовать СО, и 266 г — чтобы образовать СО2. Это простое отношение, но его можно определить, только когда в распоряжении имеются точные измерительные приборы.
Молодой Нильс Бор с матерью, Эллен Адлер, происходившей из состоятельной еврейской семьи с многочисленными связями в банковской и политической сферах.
Датский ученый в Копенгагенском университете, 1920-е годы.
Веру в то, что материя состоит из атомов, вновь пробудил авторитет Ньютона. Но каковы эти атомы? Вклад Дальтона состоит в том, что он утвердил атомную теорию, совместимую с наблюдениями за газами и химическими реакциями. Закон кратных отношений, казалось, говорил о том, что атомы определенного вещества отличаются от других атомов массой. Можно было представить, что каждый химический элемент характеризуется массой его атомов. Дальтон допускал, что атомы — это твердые шарики, окруженные атмосферой тепла. Основываясь на своем законе парциальных давлений, он также решился предположить, что кроме массы, у атомов есть и другая характеристика — размер.
Наблюдения за смесями газов привели его к выводу, что при соединении различные газы сохраняют некую независимость друг от друга. Таким образом, вклад каждого газа в общее давление независим от прочих смешанных газов. Это навело его на мысль, что причина подобной независимости заключается в различном объеме атомов, входящих в состав газа. Атомы достигают равновесия с другими атомами такого же размера, но это равновесие невозможно с другими типами атомов.
АТОМЫ, ЭЛЕМЕНТЫ И ВЕЩЕСТВА
С усовершенствованием весов и прочих измерительных приборов Лавуазье и Дальтон, среди прочего, сумели сформировать новую химию. Атомная гипотеза, принятая лишь частично, позволила выделить новые вещества (24 из них были отделены с 1800 по 1850 год: алюминий, кальций, литий, магний, калий, кремний...). В 1860 году в немецком городе Карлсруэ международное научное сообщество предприняло попытку навести порядок в хаосе, вызванном появлением стольких новых «действующих лиц».
МАССА АТОМОВ
Атомная теория Дальтона обеспечила истории атомизма главный элемент: представление о том, что масса — одна из основных характеристик атома. С 1805 года Дальтон прокомментировал свою теорию в Манчестерском литературно-философском обществе, а затем в университетах Глазго и Эдинбурга. В качестве дидактического материала он приводил таблицу, в которой атомы некоторых элементов представлены в виде шариков различной структуры, упорядоченных в зависимости от их массы. Номер (масса), результат измерения на весах, впервые превратился в критерий для упорядочивания химических веществ. Следуя алхимической традиции, Дальтон определил специальный символ для каждого типа атомов; сегодня мы пользуемся буквами (С — углерод, Hg —ртуть и так далее).
Страница книги Дальтона «Новый курс химической философии» (1808), на которой представлены символы, использованные им для обозначения каждого из атомов (вверху). Внизу приведены символы сложных веществ, образованных двумя или более атомами.
[Этот съезд] позволит прийти к согласию в определении важных химических понятий, которые выражаются словами «атом», «молекула», «эквивалентность», «атомный» и «базовый», [...] а также установить единые обозначение и номенклатуру.
Приглашение на Съезд в Карлсруэ
Съезд в Карлсруэ в 1860 году стал первой международной встречей химиков в истории и имел чрезвычайную важность для развития химии как научной дисциплины. Алхимия всегда была особым знанием, передаваемым из уст в уста практически по секрету. Характеристика материальных веществ в зависимости от их свойств делала материю чем-то таинственным и закрытым, и это знание было доступно немногим. С появлением точных весов химические вещества стали классифицироваться по их массе, а не по свойствам. Но чтобы говорить об атомных массах, нужно было иметь базовую единицу, которая стала бы единой для всех лабораторий. Без нее научное общение и сравнение результатов оказались бы невозможными. Именно эта задача была решена в Карлсруэ: ученые высказались за систему измерений, в которой атомная масса углерода равнялась 12, а кислорода — 16.
Определение атомной массы — нелегкий процесс, поскольку атомы не видны и их также нельзя измерить по отдельности. Дальтон считал, что каждое химическое вещество состоит из особенного типа атомов, отличающегося от остальных веществ. Допустим, если назначить массу 1 атому водорода, то на основе измерения массы сложных веществ в составе с водородом можно вывести массу других веществ. Так, например, если вода состоит из водорода и кислорода и весит в восемь раз больше, чем масса чистого водорода, то логично предполагать, что атомная масса кислорода — 8.
Итальянский ученый Амедео Авогадро (1776-1856) предложил другой метод определения атомной массы, основанный на измерении объемов газов, которые вступают в реакцию. С другой стороны, Луи Жозеф Гей-Люссак (1778-1850) заметил, что в реакциях между газообразными веществами пропорции объемов, вступающих в реакцию, всегда простые — 1:1, 2:1 или 3:1. Например, в случае с водой два объема водорода приходятся на каждый объем кислорода. Авогадро предположил, что число молекул каждого объема газа всегда одно и то же, независимо от типа газа. Это единственная гипотеза, совместимая с наблюдениями Гей-Люссака. Однако если это так, то реакция для образования воды — уже не соединение одного атома водорода с одним атомом кислорода, а двух с одним. То есть масса кислорода приближается к 16, это в два раза больше, чем предлагал Дальтон.
Один объем кислорода вступает в реакцию с двумя объемами водорода, и получается два объема воды. Если гипотеза Авогадро об одинаковом числе молекул одинакового объема газов верна, то кое-что не сходится. Один объем кислорода дает два объема воды, то есть каждая молекула кислорода дает две молекулы воды. Это возможно, только если молекулы чистого кислорода состоят из двух атомов кислорода и каждый из них дает одну молекулу воды. Все это абсолютно очевидно сегодня, когда мы привыкли говорить о воде как об Н20, но в начале XIX века это было рискованное предположение.
