Многие простые тела существуют в различных видоизменениях, а элемент есть нечто, изменению не подлежащее. Так, углерод является в виде угля, графи­та и алмаза, которые суть различные тела, притом простые, а элемент один. Тот же углерод содержится и в углекислом газе, но в нём нет ни угля, ни графита, ни алмаза.

Д. И. Менделеев. «Основы химии»

Химия, как и любая другая наука, имеет свой особый язык Это язык хи­мических символов, формул и урав­нений реакций. Каждое химическое соединение записывается в виде фор­мулы, показывающей, атомы каких элементов и в каком количестве в нём присутствуют.

В настоящее время известно око­ло 500 тыс. неорганических веществ. Знать все их формулы и названия, не говоря уже о свойствах, практически

невозможно. Чтобы легче ориенти­роваться в мире химии, всё это мно­гообразие веществ подразделено на отдельные классы, включающие со­единения, сходные по строению и свойствам.

Если сравнить относительные атом­ные массы элементов А_r в таблице Менделеева, можно обнаружить неко­торые, на первый взгляд, «странности». Одна из них — разная степень точно­сти представленных данных. Напри­мер, современное значение А_r для С содержит пять значащих цифр, для О — шесть, для Al и Р — по семь, для F — девять, тогда как для Zn, Ge, Li, Se, Kr, Mo, Ni, Pb, Sr, Ti — лишь по четы­ре. Почему?

Оказывается, точность, с которой определяется относительная атомная масса элемента, зависит не только от тщательности измерений, но и от непо­стоянства его изотопного состава. В разных образцах соотношение изо­топов не вполне одинаковое: лёгкие изотопы могут концентрироваться в одних породах, тяжёлые — в других. Поэтому давать очень точные значения атомных масс просто не имеет смыс­ла. Кстати, по точности, с какой при­водятся атомные массы, можно сразу сказать, происходит ли в природе «раз­деление изотопов» данного элемента, и насколько сильно.

Вторая «странность» заключается вот в чём.

Казалось, химикам и впредь остава­лось лишь уточнять значения атом­ных масс по кислородной шкале. Однако с открытием изотопов — сначала для радиоактивных элемен­тов, а затем и для стабильных, гипо­теза Праута получила новую жизнь. Действительно, отсутствие «простых кратных отношений», на которые указывал Менделеев, легко можно было объяснить тем, что элементы состоят из нескольких изотопов, т. е. сортов атомов с одинаковым зарядом ядра Z, но с разным числом нейтро­нов. Атомные же массы отдельных изотопов в самом деле очень близки к целым числам. Близки, но всё же не целые.

Теодор Уильямс Ричардс.

Пользуясь новой шкалой атомных масс, Стас провёл ряд очень точных определений. Сливая растворы тщательно очищенных AgNO₃ и NaCl, он отделял и взвешивал осадок AgCl. Проведя десять опытов, учёный уста­новил, что ровно 100 г серебра реагируют с 54,2078 г NaCl. Далее из хло­ра и серебра он синтезировал AgCl. По данным семи независимых опы­тов, из 100 г серебра получается 132,8445 г AgCl. Отсюда легко рассчитать, что 32,8445 г хлора соединяется со 100 г серебра и с 21,3633 г натрия. Затем Стас показал, что из 100 г хлората серебра в результате его разложения (2AgClO₃=2AgCl+3О₂) получается 74,9205 г AgCl, и, следовательно, 25,0795 г кислорода. Принимая массу атома кислорода равной 16,000, он нашёл относительные атомные массы серебра (107,94), хлора (35,45) и натрия (23,05), очень близкие к современным значениям. Эта работа Стаса позволила Менделееву говорить о том, что гипотеза Праута не выдерживает экспериментальной проверки.

Атомистическая гипотеза в химии утверждалась медленно и с трудом, хо­тя для этой науки понятие атома — основное, и без него, казалось бы, она развиваться не может. Однако лаже крупнейшие химики высказыва­лись скептически на сей счёт. Так, знаменитый французский химик-ор­ганик Марселен Бертло писал: «Понятие молекулы, с точки зрения наших знаний, неопределённо, в то время как другое понятие — атом — чисто гипотетическое». Известный французский химик Анри Этьен Сент-Клер Девилль (1818—1881) без обиняков заявлял: «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 учёный Вильгельм Оствальд, один из основателей физической химии, даже в начале XX в. решитель­но отрицал существование атомов! «То, что мы называем материей, — утверждал он, — является лишь совокупностью энергий, собранной во­едино в данном месте». В своём трёхтомном учебнике химии Оствальд ухитрился ни разу не употребить слово «атом».

Многие выдающиеся ученые XIX в. не верили в существование атомов. Даже такие светила химии, как Бертло, Оствальд, Девилль, отрицали идею атомарного строения вещества.

В I860 г. Стаc предложил изменить атомную единицу массы. Со времён Дальтона за неё чаще всего принима­ли массу атома водорода. Это было не очень удобно, поскольку большое чис­ло элементов, в частности многие ме­таллы, не образуют с водородом ус­тойчивых соединений. Значительно проще анализировать многочислен­ные соединения различных элементов с кислородом (или хлором) и таким образом находить их относительные атомные массы. Пока стандартом ос­тавался атом водорода, полученные значения пересчитывали, используя известное соотношение масс Н и О. И тут не возникло бы никаких проб­лем, если бы данное соотношение было известно с высокой точностью. Однако, как уже отмечалось, оно по­стоянно уточнялось. Впервые доста­точно точно отношение масс кисло­рода и водорода в воде определил в 1842 г. французский химик Жан Ба­тист Андре Дюма, по данным которо­го оно составило 7,98. Эдвард Морли в 1885 г. получил значение 7,9396; аме­риканский физик Кеннет Бейнбридж в 1933 г. — 7,9383; современное же значение — 7,9367. После каждого такого уточнения приходилось пере­считывать атомные массы почти всех известных элементов!

Поэтому предложение Стаса при­нять в качестве стандарта атом кисло­рода представлялось разумным. Тог­да любое последующее уточнение отношения масс атомов Н и О повли­яло бы только на атомную массу во­дорода. В результате была принята так называемая кислородная шкала:

Работая над периодической систе­мой, Менделеев, конечно, задумывал­ся о том, что же представляют собой атомы элементов, возможно ли их превращение друг в друга. Он особо интересовался гипотезой Праута, от­мечая, что, как бы ни была она кра­сива, главным судьёй остаётся опыт.

Менделеев дожил до того времени, когда стало возможным наблюдать «сложность простых тел» и превраще­ние одних элементов (радиоактив­ных) в другие, однако чётких доказа­тельств этому ещё не было. «Рамзай (1903 г.) наблюдал появление спект­ра гелия в собираемой эманации ра­дия, — писал Менделеев в „Основах химии", — и в этом видят превраще­ние одних элементов в другие. Но, быть может, что гелий просто был в радии и из него при эманации выделяется. Вопрос весьма важен, но его точное опытное расследование невозможно, пока радий не будет до­ступен для исследований в количест­вах, допускающих точные измере­ния». Более того, были сомнения даже в существовании радия как самосто­ятельного элемента: «К. Винклер, — отмечал Менделеев, — не находил су­щественных химических различий между препаратами радия и бария и, хотя атомный вес радия по существу­ющим определениям явно превосхо­дит атомный вес бария, всё же имеет­ся основание полагать, что причина различия здесь такова же, как между железом намагниченным и лишён­ным магнитности».

Тем не менее, по словам Менделе­ева, многие учёные старались приме­нить его периодический закон для оправдания гипотезы о сложности простых веществ (фактически — о сложности атомов) — гипотезы, «взя­той из той глубокой древности, когда находили удобным признавать мно­го богов, но единую материю». В на­стоящее время гипотеза Праута фак­тически подтвердилась: все элементы действительно образовались в про­цессах ядерного нуклеосинтеза в звёздах из ядер атомов водорода — протонов, а также нейтронов.

Сейчас имя Эдварда Морли вспоминают в основном в связи со знамени­тым опытом Майкельсона — Морли, к которому химика Морли привлёк американский физик Альберт Абрахам Майкельсон (1852—1931). Иссле­дователи установили отсутствие так называемого эфирного ветра, из че­го следовало постоянство скорости света.

Имея сан священника, Морли очень интересовался «универсальными константами природы», считая, что в них проявляется «благословение Соз­дателя». Среди современников профессор химии Морли прославился глав­ным образом точнейшими определениями атомных масс ряда элемен­тов. Эти его работы связаны с попытками обосновать гипотезу Праута. В 1891 г. несколько американских химиков обратились к Морли с насто­ятельной просьбой «раз и навсегда разделаться с Праутом». Ответ Морли был уклончивым. Лишь в 1896 г. он опубликовал, пожалуй, главную свою работу «О плотностях кислорода и водорода и об отношении их атомных весов». В том же году Морли избрали президентом самого пре­стижного научного общества страны — Американской ассоциации содей­ствия науке. И вскоре он выступил с обращением к членам ассоциации, названным «Завершающая глава в истории атомной теории». Основыва­ясь на своих экспериментальных данных, Морли заявил, что гипотеза Праута, наконец, окончательно опровергнута.

В книге «Основы химии» Д. И. Менделеев ярко описал атмосферу Пер­вого международного конгресса химиков: «Присутствовав на этом кон­грессе, я хорошо помню, как велико было разногласие... и как тогда по­следователи Жерара, во главе которых стал итальянский профессор Канниццаро, горячо проводили следствия закона Авогадро. При господ­стве научной свободы (без неё наука не двигалась бы вперёд, окаменела бы, как в средние века) и при одновременной необходимости научного консерватизма (без него корни прошлого изучения не могли бы давать но­вых плодов)... истина... при посредстве конгресса, получила более широ­кое распространение и скоро затем покорила все умы. Тогда сами собою укрепились новые, так называемые жераровские веса атомов и уже с 70-х годов они вошли во всеобщее употребление».

В 1815 г. английский химик и врач Уильям Праут (1785—1850) опубли­ковал статью «О связи между удель­ным весом тел в газообразном состо­янии и весами их атомов», в которой высказал предположение, что атом­ные массы всех элементов являются кратными атомной массе водорода. Значит, если за единицу атомной массы взять водород, относительные атомные массы других элементов должны оказаться целыми числами.

Одной из первых была предложена водородная шкала атомных масс. Атомные массы всех элементов рассчитывались по отношению к атомной массе водорода.

Важнейшей вехой в становлении хи­мической науки назвал Й. Я. Берце­лиус работы английского учёного Джона Дальтона. Именно он напол­нил смутные атомистические воз­зрения древних конкретным химиче­ским содержанием.

Дальтон ввёл понятие о «соотноше­нии весов мельчайших частиц газооб­разных и других тел». Фактически это и есть относительная атомная масса. За её единицу учёный принял массу атома водорода, а для определения масс других атомов использовал най­денный ранее процентный состав раз­личных соединений водорода. Так, Лавуазье установил, что в воде содер­жится 15% водорода и 85% кислоро­да. Отсюда Дальтон вычислил относи­тельную атомную массу кислорода: 85:15=5,67. По данным английского химика Уильяма Остина (1754—1793) о составе аммиака (80 % азота и 20 % водорода) он рассчитал относитель­ную атомную массу азота: 80 : 20 = 4. В 1803 г. Дальтон составил первую в истории таблицу относительных атомных масс некоторых элементов.

По определению, простое вещество — это форма существования химическо­го элемента в свободном состоянии. Но это определение нередко вызыва­ет споры даже среди профессиональ­ных химиков. Возьмём, к примеру, элемент № 1 — водород. Каковы фор­мы его существования? Самые извест­ные — газообразный, жидкий и твёр­дый водород (для этих форм есть своё название — агрегатные состояния ве­щества). Но, оказывается, и в газо­образном водороде при комнатной температуре присутствуют две разно­видности водорода — ортоводород и параводород (они отличаются магнит­ной ориентацией ядер Н), которые можно разделить. Эти два «сорта» во­дорода имеют разные свойства (напри­мер, теплоёмкость). Такие газы, как Н₂, D₂, T₂, HD, HT, DT тоже следует счи­тать простыми веществами, поскольку каждый из них содержит атомы толь­ко одного элемента — водорода.