Страница:
Да и не видно того, как она исчезает от зноя.
Значит, дробится вода на такие мельчайшие части,
Что недоступны они совершенно для нашего глаза.
Так и кольцо изнутри, что долгое время на пальце
Носится, из году в год становится тоньше и тоньше;
Нам очевидно, что вещь от стиранья становится меньше,
Но отделение тел, из нее каждый миг уходящих,
Нашим глазам усмотреть запретила природа ревниво.
Чем не современное объяснение атомной теории строения вещества? Лукреций уверен, что атомы, в отличие от видимых тел, не стареют, не разрушаются, а существуют в неизменном виде вечно и только переходят из одних тел в другие. При этом общее число атомов в мире постоянно:
Теоретические построения древнегреческих философов были первыми научными построениями. На их основе через много веков зародились современные науки, в числе которых была и химия. Без древней атомистической теории не только химия, но и все естественные науки не могли бы развиваться. Однако на протяжении еще многих столетий лишь малая часть философов и ученых разделяла гипотезу о существовании атомов. Ну а все, что касалось размеров атомов, их массы, формы и т. п., оставалось тайной за семью печатями, и не было даже надежды, что эту тайну удастся раскрыть.
Что такое элемент
Из чего сделаны атомы
Химия и нумизматика
Значит, дробится вода на такие мельчайшие части,
Что недоступны они совершенно для нашего глаза.
Так и кольцо изнутри, что долгое время на пальце
Носится, из году в год становится тоньше и тоньше;
Нам очевидно, что вещь от стиранья становится меньше,
Но отделение тел, из нее каждый миг уходящих,
Нашим глазам усмотреть запретила природа ревниво.
Чем не современное объяснение атомной теории строения вещества? Лукреций уверен, что атомы, в отличие от видимых тел, не стареют, не разрушаются, а существуют в неизменном виде вечно и только переходят из одних тел в другие. При этом общее число атомов в мире постоянно:
А вот как Лукреций объясняет, каким образом из одних и тех же атомов могут получаться разные вещи: он проводит аналогию между порядком сочетания атомов, соединяющихся друг с другом, и букв, образующих множество разных слов:
…Существуют такие тела, что и плотны, и вечны:
Это – вещей семена и начала в учении нашем,
То, из чего получился весь мир, существующий ныне…
Первоначалам должно быть присуще бессмертное тело,
Чтобы все вещи могли при кончине на них разлагаться.
Пне иссяк бы запас вещества…
Первоначала вещей, таким образом, просты и плотны.
Иначе ведь не могли бы они, сохраняясь веками,
От бесконечных времен и досель восстанавливать вещи.
Лукреций уверен, что многообразие тел можно объяснить не только различным способом соединения атомов между собой, но и тем, что сами атомы отличаются друг от друга. Действительно, интересно ли играть с конструктором, в котором все детали одинаковы? (На самом деле такие «конструкторы» существуют – это кубики, но ведь это игра для самых маленьких.)
Часто имеет еще большое значенье, с какими
И в положеньи каком войдут в сочетание те же
Первоначала и как они двигаться будут взаимно.
Те же начала собой образуют ведь небо и землю,
Солнце, потоки, моря, деревья, плоды и животных…
Даже и в наших стихах постоянно, как можешь заметить,
Множество слов состоит из множества букв однородных,
Но и стихи, и слова, как ты непременно признаешь,
Разнятся между собой и по смыслу и также по звуку.
Видишь, как буквы сильны лишь одним измененьем порядка.
Что же до первоначал, то они еще больше имеют
Средств для того, чтоб из них возникали различные вещи.
Поразительно, но Лукреций предполагал, по-видимому, делимость атомов! Во всяком случае, именно так можно понимать следующие строчки из его поэмы:
Что же до первоначал, то они еще больше имеют
Средств для того, чтоб из них возникали различные вещи,
Нет ни одной из вещей, доступных для нашего взора,
Чтоб она из начал состояла вполне однородных;
Нет ничего, что различных семян не являлось бы смесью.
А вот еще один довод Лукреция в пользу существования мельчайших частиц материи, находящихся в постоянном движении:
Предположи, например, что тела изначальные будут
Три или несколько больше частей заключать наименьших;
Если затем ты начнешь эти части у данного тела
Переставлять или снизу наверх, или слева направо,
То обнаружишь тогда, сочетания все их исчерпав,
Все изменения форм, что для этого тела возможны;
Если ж иные еще получить ты желаешь фигуры, —
Части другие тебе прибавить придется.
Современная наука не подтвердила этот вывод древнего философа: пылинки в луче солнца слишком велики, чтобы молекулы воздуха могли на них действовать, и «пляшут» они под влиянием потоков воздуха. Но, наблюдая значительно более мелкие пылинки под микроскопом, можно увидеть их «пляску», действительно вызванную ударами молекул. Так что в принципе Лукреций правильно описал явление, открытое английским ботаником Робертом Броуном (1773–1858) в 1827 году и теоретически объясненное только в XX веке, в том числе в работе знаменитого физика Альберта Эйнштейна (1879–1955).
Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает
В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,
Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,
Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света.
Знай же: идет от начал всеобщее это блужданье.
Первоначала вещей сначала движутся сами,
Следом за ними тела из мельчайшего их сочетанья,
Близкие, как бы сказать, по силам к началам первичным,
Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться
Сами к движенью, затем побуждая тела покрупнее.
Так, исходя от начал, движение мало-помалу
Наших касается чувств и становится видимым также
Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете,
Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит…
Первоначала вещей уносятся собственным весом
Или толчками других.
Теоретические построения древнегреческих философов были первыми научными построениями. На их основе через много веков зародились современные науки, в числе которых была и химия. Без древней атомистической теории не только химия, но и все естественные науки не могли бы развиваться. Однако на протяжении еще многих столетий лишь малая часть философов и ученых разделяла гипотезу о существовании атомов. Ну а все, что касалось размеров атомов, их массы, формы и т. п., оставалось тайной за семью печатями, и не было даже надежды, что эту тайну удастся раскрыть.
Что такое элемент
Лукреций, написавший свою поэму на латинском языке, часто использовал слово principium, которое означает «основа, первоначало». Есть в латинском языке и другое близкое понятие: elementum. Оно означает «вещество, стихия», а во множественном числе (elementa) – «основания, основные начала». В древности было распространено изречение: «Как слова состоят из букв, так и тела – из элементов». Любопытно, что по одной из версий слово elementum происходит от названия следующих по алфавиту латинских согласных: l, m, n («el» – «em» – «en») и окончания t («tum»).
Современное понятие «элемент» появилось в XVII веке. Английский ученый Роберт Бойль (1627–1691) определял элементы не умозрительно, как древние, а чисто практически. Рассуждал он примерно так: «Если вещества невозможно разложить на более простые, значит они являются элементами и состоят из атомов только одного сорта. (Сейчас такие вещества называют простыми.) Если же вещества разлагаются под действием кислот или при сильном нагреве, значит эти вещества состоят из разных элементов и являются сложными веществами».
В те времена считать какое-либо вещество элементом можно было только условно; ведь никто не сомневался в том, что со временем химики сумеют разложить на составные части некоторые из тех веществ, которые признавались простыми. Вот что писал по этому поводу французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) в своем учебнике «Элементарный курс химии», изданном в 1789 году: «Все вещества, которые мы еще не смогли никаким способом разложить, являются для нас элементами; но не потому, что мы могли бы утверждать, что эти тела, рассматриваемые нами как простые, не состоят из двух или большего числа начал, но… потому, что мы не имеем никаких средств их разделить, эти тела ведут себя, с нашей точки зрения, как простые, и мы не должны считать их сложными до тех пор, пока опыт или наблюдения не докажут нам этого».
Сам Бойль, например, полагал, что металлы не являются простыми веществами и потому возможны превращения одних металлов в другие. Такого же мнения придерживался и выдающийся английский физик Исаак Ньютон (1643–1727), потративший массу времени и здоровья на алхимические опыты.
Со временем химики достигли больших успехов в изучении различных превращений. Но у них еще не было достаточно надежных методов, которые бы позволяли различать простые и сложные вещества. Отсюда возникали ошибки даже у известных ученых. Сам Лавуазье в своем учебнике привел таблицу примерно из 30 простых тел. Среди них были действительно простые вещества (газы – кислород, азот, водород; металлы – серебро, золото, медь, олово, железо, ртуть, никель, марганец и др.; неметаллы – сера, фосфор, углерод, хлор). А были и сложные вещества, о чем тогда еще не было известно (например: известь, глинозем, кремнезем). Воду, например, долго считали элементом, пока Лавуазье не опроверг это мнение и не написал в 1783 году сочинение, которое он назвал «Статья, имеющая целью доказать, что вода не простое вещество, не элемент в собственном смысле слова, но что она может быть разложена и получена вновь». Оказалось, что вода образуется при горении многих веществ, например водорода. А с помощью раскаленного железа воду можно снова разложить на водород и кислород (Лавуазье пропускал для этого пары воды через раскаленный ружейный ствол).
Основу современной атомистики заложил английский ученый Джон Дальтон (1766–1844). Свою теорию он вывел исходя из сделанного им открытия. Оказалось, что многие элементы могут соединяться друг с другом в разных соотношениях, при этом образуются разные вещества. А самое главное – в этих веществах массы элементов кратны друг другу и соотносятся как небольшие числа. Например, углерод может соединяться с кислородом в массовых соотношениях 3:4 или 3:8 (при этом образуется либо угарный газ, либо углекислый); сера соединяется с кислородом в соотношении 1:1 или 2:3, азот с кислородом – в соотношении 7:4, 7:8, 7:12, 7:16 и 7:20 (правда, Дальтону были известны не все эти соединения). Платон, наверное, долго ломал бы голову, соображая, как эти странные соотношения можно подогнать к его теории строения мира. Дальтон же рассудил просто. Существуют атомы углерода, кислорода, серы, азота, причем атомы каждого элемента имеют свою массу. В разных веществах атомы соединяются друг с другом в строго определенных соотношениях. Например, если один атом азота «весит» 7 условных единиц, а один атом кислорода – 8 таких же единиц, то соотношение атомов в разных оксидах азота (так называются соединения азота с кислородом) будет: 2:1, 1:1, 2:3, 1:2 и 2:5.
Рассуждая таким образом и основываясь на экспериментах, Дальтон составил первую таблицу атомных масс. Атомы разных элементов он обозначил разными фигурками, запомнить которые было довольно трудно. Позднее шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779–1848) предложил очень простой способ для обозначений атомов – по первой букве названий элементов на латинском языке. Если же буквы у разных названий оказывались одинаковыми, тогда он добавлял вторую букву. Например, водород на латыни – Hydrogenium (в переводе – «рождающий воду»), знак элемента Н; углерод – Carboneum, знак С; кислород – Oxygenium («рождающий кислоты»), знак О; азот – Nitrogenium («рождающий селитру»), знак N и т. д. Теперь различные оксиды азота можно было записать совсем просто: N2O, NO, N2O3, NO2 и N2O5. На таком «языке» говорят сегодня все химики мира; написав формулы, китайский химик легко поймет норвежского, хотя норвежец может не знать ни одного слова по-китайски, и наоборот.
Помимо аргументов, основанных на представлениях о кратных соотношениях, в пользу атомистического учения приводились и другие доводы. Например, существование красивых кристаллов разной формы – простой (как у поваренной соли, кристаллы которой образуют кубики) или сложной (рис. 1.5) – можно было объяснить тем, что они построены из атомов, которые соединены друг с другом в пространстве по определенным правилам.
Рис. 1.5. Кристаллы разной формы: 1 – каменная соль; 2 – гранат; 3 – алмаз; 4 – квасцы; 5 – берилл; 6 – турмалин; 7 – «правая» форма кварца; 8 – «левая» форма кварца; 9 – медный купорос
Дальтон, чтобы его теория была понятной и наглядной, демонстрировал на своих лекциях разноцветные кубики, которые символизировали атомы разных элементов. Из этих кубиков, подбирая их в нужном количестве, он составлял различные химические соединения. Не все слушатели хорошо понимали суть его теории. Когда одного из студентов спросили, что такое атомы, он ответил: «Атомы – это разноцветные деревянные кубики, которые мистер Дальтон показывает на лекциях…»
Массы атомов Дальтон выражал в относительных единицах – ведь он не мог взвесить отдельный атом, который так мал, что не виден даже в микроскоп! Можно было бы взвесить кусочек вещества побольше, но тогда для определения массы одного атома надо было точно знать, сколько атомов в этом кусочке. Во времена Дальтона этого не знали. Позднее химики и физики определили, сколько атомов содержится, например, в одном миллиграмме золота – едва заметной маленькой крупинке. Оказалось – астрономическое число: 3·1018 (т. е. 3, умноженное на 10 с восемнадцатью нулями)! Сумели построить и приборы, которые позволили разглядеть отдельные атомы (рис. 1.6). Теперь уже никто не вправе усомниться в том, что атомы существуют на самом деле! Правда, значение греческого слова «атомос» уже не соответствует современным представлениям об атоме как о неделимой частице: атомы состоят из более мелких «деталей» – протонов, нейтронов и электронов, а есть и еще более «элементарные» – кварки. Но этот «конструктор» уже не для химиков – им пользуются физики для «конструирования» казавшихся ранее элементарными частиц – протонов и нейтронов.
Рис. 1.6. На этой не очень четкой фотографии, сделанной с помощью электронного микроскопа, видны выстроившиеся в ряды атомы элемента ниобия
В силу того, что никакие химические реакции не способны изменить ядро атома, невозможно химическими методами превратить один атом в другой. Вот почему не переходят друг в друга и химические элементы. Это как в конструкторе: если в нем очень много разных деталей, то из них можно собрать множество сложных конструкций. Но невозможно одну деталь превратить в другую, например кубик – в уголок. Поэтому сейчас только чудаку или совершенно дремучему человеку может прийти в голову идея превратить одно простое вещество в другое (например, свинец в золото, как это пытались в течение сотен лет сделать алхимики). И как мастер может распилить детали и из их частей склеить, спаять или сварить детали другой формы, так и физики сейчас умеют из одних атомов получать другие, правда, не любые. Золото из свинца они вряд ли получат, а вот из ртути, пожалуй, смогут (у ртути заряд ядра атома всего лишь на единицу больше, чем у золота). Однако осуществлять такие чудесные превращения они могут, как правило, лишь с небольшим числом атомов. Так что один грамм «искусственного» золота будет стоить, вероятно, больше, чем тысячи тонн «обычного» золота. Именно по этой причине теперь ни у кого не возникает желания обогатиться, превратив неблагородный металл в золото…
Большинство окружающих нас веществ являются сложными веществами, построенными из нескольких элементов. Например, вода состоит из атомов водорода и кислорода, поваренная соль – из атомов натрия и хлора, сахар – из атомов углерода, водорода и кислорода (поэтому сахар относят к углеводам), витамин В12 – из атомов углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора и кобальта и т. д.
На практике понятие простого вещества, как и многие другие химические понятия, носит условный характер. (Все же химия – не математика!) Ведь «железный» гвоздь сделан вовсе не из чистого железа, а из низкоуглеродистой стали, содержащей небольшое количество углерода. Чистое железо очень мягкое и почти никогда не используется. То же можно сказать про свинцовую оболочку кабеля, серебряную вилку, алюминиевую ложку – все они представляют собой сплавы разных металлов, хотя свинца, серебра и алюминия в них больше всего. Например, «серебряные» полтинники, которые были отчеканены в нашей стране в 1921–1927 годах в количестве почти 150 миллионов, и потому их сохранилось довольно много, содержат только 90 % серебра, остальное – медь.
Вообще число относительно чистых простых веществ, с которыми человек сталкивается в повседневной жизни, невелико. Из металлов это, прежде всего, медь и алюминий, из которых сделаны электрические провода (примеси снижают электропроводность). Раскаленный волосок электрической лампочки – практически чистый, очень тугоплавкий металл вольфрам, а тоненькие подвески с крючками на концах, которые одним концом впаяны в стекло, а другим поддерживают вольфрамовую нить, сделаны из тугоплавкого металла молибдена. Тонкий защитный слой на консервной банке – практически чистое олово, а красивые крупные кристаллы на стенках и дне нового «железного» ведра – это цинк. В некоторых магазинах можно увидеть очень дорогие юбилейные монеты из платины, палладия, золота, сделанные из металлов высокой чистоты (степень чистоты на них, как правило, указана и может достигать 99,9 %). В медицинских градусниках используют единственный жидкий при 20 °C металл – ртуть. Многие металлические изделия покрывают хромом или никелем, которые придают предметам привлекательный блеск. Вот, пожалуй, и все чистые металлы, встречающиеся в быту. Остальные – это сплавы, которых огромное множество: латунь, бронза, томпак, баббит, мельхиор, нейзильбер, дуралюминий, силумин, инвар, платинит, нихром, константан – всех не перечислить…
Из неметаллов в быту в чистом виде встречается сера (ее используют для борьбы с вредителями растений), углерод (например, в виде сажи), гелий (им наполнены «летучие» воздушные шарики, а раньше для этого использовали более дешевый, но горючий водород), криптон (в электрических «криптоновых» лампочках, отличающихся при той же мощности меньшим размером и грибовидной формой). Конечно, если покопаться в микросхеме компьютера или телевизора, возможно, найдутся маленькие кристаллы чистого кремния и германия.
Современное понятие «элемент» появилось в XVII веке. Английский ученый Роберт Бойль (1627–1691) определял элементы не умозрительно, как древние, а чисто практически. Рассуждал он примерно так: «Если вещества невозможно разложить на более простые, значит они являются элементами и состоят из атомов только одного сорта. (Сейчас такие вещества называют простыми.) Если же вещества разлагаются под действием кислот или при сильном нагреве, значит эти вещества состоят из разных элементов и являются сложными веществами».
В те времена считать какое-либо вещество элементом можно было только условно; ведь никто не сомневался в том, что со временем химики сумеют разложить на составные части некоторые из тех веществ, которые признавались простыми. Вот что писал по этому поводу французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) в своем учебнике «Элементарный курс химии», изданном в 1789 году: «Все вещества, которые мы еще не смогли никаким способом разложить, являются для нас элементами; но не потому, что мы могли бы утверждать, что эти тела, рассматриваемые нами как простые, не состоят из двух или большего числа начал, но… потому, что мы не имеем никаких средств их разделить, эти тела ведут себя, с нашей точки зрения, как простые, и мы не должны считать их сложными до тех пор, пока опыт или наблюдения не докажут нам этого».
Сам Бойль, например, полагал, что металлы не являются простыми веществами и потому возможны превращения одних металлов в другие. Такого же мнения придерживался и выдающийся английский физик Исаак Ньютон (1643–1727), потративший массу времени и здоровья на алхимические опыты.
Со временем химики достигли больших успехов в изучении различных превращений. Но у них еще не было достаточно надежных методов, которые бы позволяли различать простые и сложные вещества. Отсюда возникали ошибки даже у известных ученых. Сам Лавуазье в своем учебнике привел таблицу примерно из 30 простых тел. Среди них были действительно простые вещества (газы – кислород, азот, водород; металлы – серебро, золото, медь, олово, железо, ртуть, никель, марганец и др.; неметаллы – сера, фосфор, углерод, хлор). А были и сложные вещества, о чем тогда еще не было известно (например: известь, глинозем, кремнезем). Воду, например, долго считали элементом, пока Лавуазье не опроверг это мнение и не написал в 1783 году сочинение, которое он назвал «Статья, имеющая целью доказать, что вода не простое вещество, не элемент в собственном смысле слова, но что она может быть разложена и получена вновь». Оказалось, что вода образуется при горении многих веществ, например водорода. А с помощью раскаленного железа воду можно снова разложить на водород и кислород (Лавуазье пропускал для этого пары воды через раскаленный ружейный ствол).
Основу современной атомистики заложил английский ученый Джон Дальтон (1766–1844). Свою теорию он вывел исходя из сделанного им открытия. Оказалось, что многие элементы могут соединяться друг с другом в разных соотношениях, при этом образуются разные вещества. А самое главное – в этих веществах массы элементов кратны друг другу и соотносятся как небольшие числа. Например, углерод может соединяться с кислородом в массовых соотношениях 3:4 или 3:8 (при этом образуется либо угарный газ, либо углекислый); сера соединяется с кислородом в соотношении 1:1 или 2:3, азот с кислородом – в соотношении 7:4, 7:8, 7:12, 7:16 и 7:20 (правда, Дальтону были известны не все эти соединения). Платон, наверное, долго ломал бы голову, соображая, как эти странные соотношения можно подогнать к его теории строения мира. Дальтон же рассудил просто. Существуют атомы углерода, кислорода, серы, азота, причем атомы каждого элемента имеют свою массу. В разных веществах атомы соединяются друг с другом в строго определенных соотношениях. Например, если один атом азота «весит» 7 условных единиц, а один атом кислорода – 8 таких же единиц, то соотношение атомов в разных оксидах азота (так называются соединения азота с кислородом) будет: 2:1, 1:1, 2:3, 1:2 и 2:5.
Рассуждая таким образом и основываясь на экспериментах, Дальтон составил первую таблицу атомных масс. Атомы разных элементов он обозначил разными фигурками, запомнить которые было довольно трудно. Позднее шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779–1848) предложил очень простой способ для обозначений атомов – по первой букве названий элементов на латинском языке. Если же буквы у разных названий оказывались одинаковыми, тогда он добавлял вторую букву. Например, водород на латыни – Hydrogenium (в переводе – «рождающий воду»), знак элемента Н; углерод – Carboneum, знак С; кислород – Oxygenium («рождающий кислоты»), знак О; азот – Nitrogenium («рождающий селитру»), знак N и т. д. Теперь различные оксиды азота можно было записать совсем просто: N2O, NO, N2O3, NO2 и N2O5. На таком «языке» говорят сегодня все химики мира; написав формулы, китайский химик легко поймет норвежского, хотя норвежец может не знать ни одного слова по-китайски, и наоборот.
Помимо аргументов, основанных на представлениях о кратных соотношениях, в пользу атомистического учения приводились и другие доводы. Например, существование красивых кристаллов разной формы – простой (как у поваренной соли, кристаллы которой образуют кубики) или сложной (рис. 1.5) – можно было объяснить тем, что они построены из атомов, которые соединены друг с другом в пространстве по определенным правилам.
Рис. 1.5. Кристаллы разной формы: 1 – каменная соль; 2 – гранат; 3 – алмаз; 4 – квасцы; 5 – берилл; 6 – турмалин; 7 – «правая» форма кварца; 8 – «левая» форма кварца; 9 – медный купорос
Дальтон, чтобы его теория была понятной и наглядной, демонстрировал на своих лекциях разноцветные кубики, которые символизировали атомы разных элементов. Из этих кубиков, подбирая их в нужном количестве, он составлял различные химические соединения. Не все слушатели хорошо понимали суть его теории. Когда одного из студентов спросили, что такое атомы, он ответил: «Атомы – это разноцветные деревянные кубики, которые мистер Дальтон показывает на лекциях…»
Массы атомов Дальтон выражал в относительных единицах – ведь он не мог взвесить отдельный атом, который так мал, что не виден даже в микроскоп! Можно было бы взвесить кусочек вещества побольше, но тогда для определения массы одного атома надо было точно знать, сколько атомов в этом кусочке. Во времена Дальтона этого не знали. Позднее химики и физики определили, сколько атомов содержится, например, в одном миллиграмме золота – едва заметной маленькой крупинке. Оказалось – астрономическое число: 3·1018 (т. е. 3, умноженное на 10 с восемнадцатью нулями)! Сумели построить и приборы, которые позволили разглядеть отдельные атомы (рис. 1.6). Теперь уже никто не вправе усомниться в том, что атомы существуют на самом деле! Правда, значение греческого слова «атомос» уже не соответствует современным представлениям об атоме как о неделимой частице: атомы состоят из более мелких «деталей» – протонов, нейтронов и электронов, а есть и еще более «элементарные» – кварки. Но этот «конструктор» уже не для химиков – им пользуются физики для «конструирования» казавшихся ранее элементарными частиц – протонов и нейтронов.
Рис. 1.6. На этой не очень четкой фотографии, сделанной с помощью электронного микроскопа, видны выстроившиеся в ряды атомы элемента ниобия
В силу того, что никакие химические реакции не способны изменить ядро атома, невозможно химическими методами превратить один атом в другой. Вот почему не переходят друг в друга и химические элементы. Это как в конструкторе: если в нем очень много разных деталей, то из них можно собрать множество сложных конструкций. Но невозможно одну деталь превратить в другую, например кубик – в уголок. Поэтому сейчас только чудаку или совершенно дремучему человеку может прийти в голову идея превратить одно простое вещество в другое (например, свинец в золото, как это пытались в течение сотен лет сделать алхимики). И как мастер может распилить детали и из их частей склеить, спаять или сварить детали другой формы, так и физики сейчас умеют из одних атомов получать другие, правда, не любые. Золото из свинца они вряд ли получат, а вот из ртути, пожалуй, смогут (у ртути заряд ядра атома всего лишь на единицу больше, чем у золота). Однако осуществлять такие чудесные превращения они могут, как правило, лишь с небольшим числом атомов. Так что один грамм «искусственного» золота будет стоить, вероятно, больше, чем тысячи тонн «обычного» золота. Именно по этой причине теперь ни у кого не возникает желания обогатиться, превратив неблагородный металл в золото…
Большинство окружающих нас веществ являются сложными веществами, построенными из нескольких элементов. Например, вода состоит из атомов водорода и кислорода, поваренная соль – из атомов натрия и хлора, сахар – из атомов углерода, водорода и кислорода (поэтому сахар относят к углеводам), витамин В12 – из атомов углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора и кобальта и т. д.
На практике понятие простого вещества, как и многие другие химические понятия, носит условный характер. (Все же химия – не математика!) Ведь «железный» гвоздь сделан вовсе не из чистого железа, а из низкоуглеродистой стали, содержащей небольшое количество углерода. Чистое железо очень мягкое и почти никогда не используется. То же можно сказать про свинцовую оболочку кабеля, серебряную вилку, алюминиевую ложку – все они представляют собой сплавы разных металлов, хотя свинца, серебра и алюминия в них больше всего. Например, «серебряные» полтинники, которые были отчеканены в нашей стране в 1921–1927 годах в количестве почти 150 миллионов, и потому их сохранилось довольно много, содержат только 90 % серебра, остальное – медь.
Вообще число относительно чистых простых веществ, с которыми человек сталкивается в повседневной жизни, невелико. Из металлов это, прежде всего, медь и алюминий, из которых сделаны электрические провода (примеси снижают электропроводность). Раскаленный волосок электрической лампочки – практически чистый, очень тугоплавкий металл вольфрам, а тоненькие подвески с крючками на концах, которые одним концом впаяны в стекло, а другим поддерживают вольфрамовую нить, сделаны из тугоплавкого металла молибдена. Тонкий защитный слой на консервной банке – практически чистое олово, а красивые крупные кристаллы на стенках и дне нового «железного» ведра – это цинк. В некоторых магазинах можно увидеть очень дорогие юбилейные монеты из платины, палладия, золота, сделанные из металлов высокой чистоты (степень чистоты на них, как правило, указана и может достигать 99,9 %). В медицинских градусниках используют единственный жидкий при 20 °C металл – ртуть. Многие металлические изделия покрывают хромом или никелем, которые придают предметам привлекательный блеск. Вот, пожалуй, и все чистые металлы, встречающиеся в быту. Остальные – это сплавы, которых огромное множество: латунь, бронза, томпак, баббит, мельхиор, нейзильбер, дуралюминий, силумин, инвар, платинит, нихром, константан – всех не перечислить…
Из неметаллов в быту в чистом виде встречается сера (ее используют для борьбы с вредителями растений), углерод (например, в виде сажи), гелий (им наполнены «летучие» воздушные шарики, а раньше для этого использовали более дешевый, но горючий водород), криптон (в электрических «криптоновых» лампочках, отличающихся при той же мощности меньшим размером и грибовидной формой). Конечно, если покопаться в микросхеме компьютера или телевизора, возможно, найдутся маленькие кристаллы чистого кремния и германия.
Из чего сделаны атомы
Итак, к концу XVIII – началу XIX века благодаря работам Михаила Васильевича Ломоносова (1711–1765), А. Л. Лавуазье, Уильяма Праута (1785–1850), Амедео Авогадро (1776–1856) и других ученых гипотеза о существовании атомов и молекул начала приобретать черты теории, которая могла бы принести огромную практическую пользу. Однако многие ученые, в том числе и выдающиеся, не поняли этого. Вот несколько примеров. Крупнейший французский химик XIX века Марселен Бертло (1827–1907) писал: «Понятие молекулы, с точки зрения наших знаний, неопределенно, в то время как другое понятие – атом – чисто гипотетическое». Еще определеннее высказался известный французский химик Анри Этьен Сент-Клер Девилль (1818–1881): «Я не допускаю ни закона Авогадро, ни атома, ни молекулы, ибо я отказываюсь верить в то, что не могу ни видеть, ни наблюдать». А немецкий химик Вильгельм Оствальд (1853–1932), лауреат Нобелевской премии, один из основателей физической химии, еще в начале XX столетия решительно отрицал существование атомов! В своем трехтомном учебнике химии он ни разу даже не упомянул о них.
Теперь о том, что мир построен из атомов, знают даже школьники младших классов. Ученые получили довольно много сведений о строении различных атомов и молекул, об их форме и размерах. Еще более важными оказались знания, относящиеся к явлениям, которые происходят при «изменении форм» различных веществ, или, выражаясь современным языком, при изменении взаимного расположения атомов, когда они объединяются в более крупные частицы – молекулы, состоящие из одинаковых или разных атомов. С точки зрения современной науки взаимное расположение атомов в молекулах, а также взаимное расположение молекул определяют свойства веществ, о чем догадывались еще древние. А процесс перестройки взаимного расположения атомов составляет сущность химической реакции.
Нелегкий путь становления теории строения вещества на основе атомистических представлений можно проследить на примере изменений, которые претерпела периодическая таблица элементов Д. И. Менделеева.
Периодическая таблица начинается с самого легкого элемента – водорода. Некоторые ученые полагали, что все химические элементы произошли от самых простых атомов. В 1815 году английский химик Уильям Праут выдвинул гипотезу, согласно которой атомы всех химических элементов «построены» из атомов водорода. Если массу атома водорода принять за единицу, то атомные массы всех остальных элементов должны в соответствии с гипотезой Праута в целое число раз превышать массу атома водорода и потому выражаться целыми числами. Эти числа (их называют относительной атомной массой) действительно были целыми для ряда известных на то время элементов.
Во второй половине XIX века отдельные ученые попытались обосновать гипотезу Праута, но у них ничего не получилось, о чем достаточно определенно написал уже знаменитый в то время Д. И. Менделеев: «Все подобные мысли… должно относить к области, лишенной какой-либо опытной опоры». То есть на тот момент ученые не располагали надежными методами проверки истинности гипотезы Праута. Кстати, в первой таблице химических элементов, составленной Д. И. Менделеевым в 1869 году, было немногим более 60 элементов, причем атомные массы 50 из них, или у подавляющего большинства, приводились в целых числах. Но массы-то остальных 13 элементов были дробными! В чем тут дело? Сторонники гипотезы Праута считали, что просто атомные массы этих элементов были определены недостаточно точно. Ведь определить экспериментально относительную атомную массу элемента с высокой точностью в XIX веке было делом трудным; некоторые химики годами работали над этой задачей. Между прочим, сам Менделеев не был уверен в точности всех атомных масс, значениями которых он располагал. В своей первой таблице он в этих случаях ставил рядом с символом элемента знак вопроса. Так, на месте золота в этой таблице стоит Au = 197?
Однако атомные массы некоторых элементов, например, меди (63,4) или хлора (35,5), настолько сильно отличались от целых чисел, что ошибками эксперимента объяснить это было невозможно. Более того, результаты экспериментов как бы в насмешку над гипотезой Праута свидетельствовали: чем точнее становились измерения, тем у большего числа элементов обнаруживались «отклонения». Так, в последний год жизни Д. И. Менделеева шведский ученый Иоганн Ридберг (1854–1919), чьим именем названа одна из физических констант, опубликовал таблицу элементов, в которой впервые каждому элементу был присвоен соответствующий порядковый номер. В этой таблице оказалось уже 69 элементов, из которых лишь у 21 атомная масса была выражена целым числом. Любопытно, что в современной таблице Менделеева нет ни одного (!) элемента со строго целочисленной атомной массой. Объясняется это разными причинами. Одна из них, очень важная, была обнаружена английским ученым Френсисом Уильямом Астоном (1877–1945) в 1919 г.
Раньше считалось, что атомы одного и того же химического элемента во всем одинаковы. Астон впервые доказал, что это не так. Они могут отличаться по массе, хотя с химической точки зрения ведут себя сходным образом. Другими словами, Астон открыл, что у элементов могут быть «близнецы-братья», но одни из них чуть полегче, другие потяжелее. Этих близнецов назвали изотопами, так как в таблице Менделеева им отвели одно и то же место (по гречески «изос» – «равный, одинаковый», «топос» – «место»). Из встречающихся в природе элементов (а их почти 90) только у 20 нет «родственников» – это элементы-одиночки. Другим же повезло больше, например у олова их целых 10! Есть изотопы и у самого легкого в природе элемента – водорода, и у самого тяжелого – урана.
После того как было доказано существование изотопов, стало понятно, почему элементы с целочисленной атомной массой встречаются гораздо реже, чем с дробной. Например, у меди было обнаружено два изотопа с атомными массами, очень близкими к 63 и 65. Легких атомов меди в природе больше – их 69 %, а тяжелых меньше – 31 %. Поскольку оба изотопа и в металлической меди, и во всех ее соединениях равномерно перемешаны, не удивительно, что измерения всегда давали усредненное значение атомной массы меди – примерно 63,5.
В XX веке, когда стало известно, из чего состоят атомы, появилось четкое и вполне определенное понятие химического элемента. Элемент – это совокупность атомов, которые устроены примерно одинаково. В центре атома – ядро, вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и потому несет положительный заряд. В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов. Главное, что отличает один элемент от другого, – это заряд ядра: у всех атомов данного элемента этот заряд одинаковый (одинаковое число протонов). Например, у всех атомов золота в ядре 79 протонов, а у всех атомов свинца – 82. Атомы самого легкого элемента водорода состоят всего из одного протона и одного электрона. А в ядрах самого тяжелого на Земле элемента урана уже 92 протона. Число же нейтронов в ядрах атомов данного элемента может быть переменным. Например, у 99,3 % атомов урана в ядре 146 нейтронов, а у оставшихся 0,7 % – на три нейтрона меньше; если выделить в чистом виде несколько килограммов данного изотопа, то этого количества будет достаточно для осуществления ядерного взрыва! (Есть еще, правда, очень редкая разновидность атомов урана со 142 нейтронами в ядре, но таких атомов всего 0,0055 %.)
Теперь о том, что мир построен из атомов, знают даже школьники младших классов. Ученые получили довольно много сведений о строении различных атомов и молекул, об их форме и размерах. Еще более важными оказались знания, относящиеся к явлениям, которые происходят при «изменении форм» различных веществ, или, выражаясь современным языком, при изменении взаимного расположения атомов, когда они объединяются в более крупные частицы – молекулы, состоящие из одинаковых или разных атомов. С точки зрения современной науки взаимное расположение атомов в молекулах, а также взаимное расположение молекул определяют свойства веществ, о чем догадывались еще древние. А процесс перестройки взаимного расположения атомов составляет сущность химической реакции.
Нелегкий путь становления теории строения вещества на основе атомистических представлений можно проследить на примере изменений, которые претерпела периодическая таблица элементов Д. И. Менделеева.
Периодическая таблица начинается с самого легкого элемента – водорода. Некоторые ученые полагали, что все химические элементы произошли от самых простых атомов. В 1815 году английский химик Уильям Праут выдвинул гипотезу, согласно которой атомы всех химических элементов «построены» из атомов водорода. Если массу атома водорода принять за единицу, то атомные массы всех остальных элементов должны в соответствии с гипотезой Праута в целое число раз превышать массу атома водорода и потому выражаться целыми числами. Эти числа (их называют относительной атомной массой) действительно были целыми для ряда известных на то время элементов.
Во второй половине XIX века отдельные ученые попытались обосновать гипотезу Праута, но у них ничего не получилось, о чем достаточно определенно написал уже знаменитый в то время Д. И. Менделеев: «Все подобные мысли… должно относить к области, лишенной какой-либо опытной опоры». То есть на тот момент ученые не располагали надежными методами проверки истинности гипотезы Праута. Кстати, в первой таблице химических элементов, составленной Д. И. Менделеевым в 1869 году, было немногим более 60 элементов, причем атомные массы 50 из них, или у подавляющего большинства, приводились в целых числах. Но массы-то остальных 13 элементов были дробными! В чем тут дело? Сторонники гипотезы Праута считали, что просто атомные массы этих элементов были определены недостаточно точно. Ведь определить экспериментально относительную атомную массу элемента с высокой точностью в XIX веке было делом трудным; некоторые химики годами работали над этой задачей. Между прочим, сам Менделеев не был уверен в точности всех атомных масс, значениями которых он располагал. В своей первой таблице он в этих случаях ставил рядом с символом элемента знак вопроса. Так, на месте золота в этой таблице стоит Au = 197?
Однако атомные массы некоторых элементов, например, меди (63,4) или хлора (35,5), настолько сильно отличались от целых чисел, что ошибками эксперимента объяснить это было невозможно. Более того, результаты экспериментов как бы в насмешку над гипотезой Праута свидетельствовали: чем точнее становились измерения, тем у большего числа элементов обнаруживались «отклонения». Так, в последний год жизни Д. И. Менделеева шведский ученый Иоганн Ридберг (1854–1919), чьим именем названа одна из физических констант, опубликовал таблицу элементов, в которой впервые каждому элементу был присвоен соответствующий порядковый номер. В этой таблице оказалось уже 69 элементов, из которых лишь у 21 атомная масса была выражена целым числом. Любопытно, что в современной таблице Менделеева нет ни одного (!) элемента со строго целочисленной атомной массой. Объясняется это разными причинами. Одна из них, очень важная, была обнаружена английским ученым Френсисом Уильямом Астоном (1877–1945) в 1919 г.
Раньше считалось, что атомы одного и того же химического элемента во всем одинаковы. Астон впервые доказал, что это не так. Они могут отличаться по массе, хотя с химической точки зрения ведут себя сходным образом. Другими словами, Астон открыл, что у элементов могут быть «близнецы-братья», но одни из них чуть полегче, другие потяжелее. Этих близнецов назвали изотопами, так как в таблице Менделеева им отвели одно и то же место (по гречески «изос» – «равный, одинаковый», «топос» – «место»). Из встречающихся в природе элементов (а их почти 90) только у 20 нет «родственников» – это элементы-одиночки. Другим же повезло больше, например у олова их целых 10! Есть изотопы и у самого легкого в природе элемента – водорода, и у самого тяжелого – урана.
После того как было доказано существование изотопов, стало понятно, почему элементы с целочисленной атомной массой встречаются гораздо реже, чем с дробной. Например, у меди было обнаружено два изотопа с атомными массами, очень близкими к 63 и 65. Легких атомов меди в природе больше – их 69 %, а тяжелых меньше – 31 %. Поскольку оба изотопа и в металлической меди, и во всех ее соединениях равномерно перемешаны, не удивительно, что измерения всегда давали усредненное значение атомной массы меди – примерно 63,5.
В XX веке, когда стало известно, из чего состоят атомы, появилось четкое и вполне определенное понятие химического элемента. Элемент – это совокупность атомов, которые устроены примерно одинаково. В центре атома – ядро, вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и потому несет положительный заряд. В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов. Главное, что отличает один элемент от другого, – это заряд ядра: у всех атомов данного элемента этот заряд одинаковый (одинаковое число протонов). Например, у всех атомов золота в ядре 79 протонов, а у всех атомов свинца – 82. Атомы самого легкого элемента водорода состоят всего из одного протона и одного электрона. А в ядрах самого тяжелого на Земле элемента урана уже 92 протона. Число же нейтронов в ядрах атомов данного элемента может быть переменным. Например, у 99,3 % атомов урана в ядре 146 нейтронов, а у оставшихся 0,7 % – на три нейтрона меньше; если выделить в чистом виде несколько килограммов данного изотопа, то этого количества будет достаточно для осуществления ядерного взрыва! (Есть еще, правда, очень редкая разновидность атомов урана со 142 нейтронами в ядре, но таких атомов всего 0,0055 %.)
Химия и нумизматика
А теперь поговорим о том, как удалось установить процентный состав двух изотопов меди. Наглядно это можно показать на примере разновидностей монет одного достоинства, отличающихся массой. В 1993 году в России были выпущены 50-рублевые монеты из желтого медного сплава массой 6,1 г. Вскоре вместо них начали чеканить такие же с виду монеты, но более дешевые: их делали из стали и лишь сверху покрывали тонким слоем медного сплава. Стальные монеты были немного легче (5,3 г), но внешне они почти ничем не отличались от своих предшественниц (даже годом чеканки), как не отличаются по химическим свойствам два сорта атомов меди. Будем считать, что у нас было два «изотопа» 50-рублевых монет.