«ФАМИЛЬНОЕ ДРЕВО» НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Наука » Химия

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»

 

«ФАМИЛЬНОЕ ДРЕВО» НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

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.

ПАРАДОКСЫ АТОМНЫХ МАСС

Наука » Химия

Если сравнить относительные атом­ные массы элементов Аr в таблице Менделеева, можно обнаружить неко­торые, на первый взгляд, «странности». Одна из них — разная степень точно­сти представленных данных. Напри­мер, современное значение Аr 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.

ОТ КИСЛОРОДНОЙ ЕДИНИЦЫ К УГЛЕРОДНОЙ

Наука » Химия

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.

ОТ КИСЛОРОДНОЙ ЕДИНИЦЫ К УГЛЕРОДНОЙ

 

Теодор Уильямс Ричардс.

ТАК РАБОТАЛ СТАС

Наука » Химия

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.

Я НЕ ДОПУСКАЮ НИ АТОМА, НИ МОЛЕКУЛЫ»

Наука » Химия

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».

  

Я НЕ ДОПУСКАЮ НИ АТОМА, НИ МОЛЕКУЛЫ»

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

АТОМНЫЕ МАССЫ: РОЖДЕНИЕ КИСЛОРОДНОЙ ЕДИНИЦЫ

Наука » Химия

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:

МЕНДЕЛЕЕВ И ГИПОТЕЗА ПРАУТА

Наука » Химия

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.

МОРЛИ БЕЗ МАЙКЕЛЬСОНА

Наука » Химия

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.

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ СТАВИТСЯ НА ГОЛОСОВАНИЕ

Наука » Химия

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».

АТОМНЫЕ МАССЫ: ГИПОТЕЗА ПРАУТА

Наука » Химия

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.

АТОМНЫЕ МАССЫ: ГИПОТЕЗА ПРАУТА

 

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

 

АТОМНЫЕ МАССЫ: ОТ ДАЛЬТОНА АО...

Наука » Химия

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.

ТАК ЛИ «ПРОСТЫ» ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА?

Наука » Химия

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.