В теории, разработанной американ­ским физикохимиком Гилбертом Ньютоном Льюисом (1875—1946), кислотно-основные свойства частиц определяются, исходя из их электрон­ного строения. Кислота, по Льюису, — это вещество, являющееся акцептором электронной пары, а основание — донором электронной пары. Так, в ре­акции образования иона аммония мо­лекула аммиака служит основанием, а ион водорода — кислотой:

N^••H₃+Н⁺®NH⁺₄

Теория Льюиса позволяет вклю­чить в число кислот и оснований ве­щества, не содержащие водорода. На­пример, бромид железа(Ш) является кислотой Льюиса, поскольку атом железа выступает акцептором (у него есть вакантные орбитали), а бро­мид-ион — основанием Льюиса (у не­го имеются электронные пары). Кис­лота и основание Льюиса реагируют друг с другом:

FeBr₃+Br^-= FeBr₄^-.

Понятия кислоты и основания, сфор­мулированные Аррениусом, получили развитие в трудах других учёных. В 1923 г. датский физикохимик Иоханнес Николаус Брёнстед (1879—1947) и английский химик Томас Лоури (1874—1936) выдвинули протолитическую теорию, согласно которой ки­слотой является частица, отдающая протон (донор Н⁺). Основание в таком случае — частица, принимающая про­тон (акцептор Н⁺). Реакция между ки­слотой и основанием заключается в переносе протона от кислоты к осно­ванию. Эти представления позволили расширить понятия кислоты и осно­вания, распространив их также и на отдельные ионы. Например, аммиак в водном растворе является основанием, а вода — кислотой:

NH₃+H₂O«NH₄⁺+OH^-. основание   кислота   кислота   основание

В результате взаимодействия кис­лоты с основанием образуются новая кислота и новое основание. Как пра­вило, такие реакции являются обра­тимыми, а положение равновесия смещено в сторону образования наи­более слабой кислоты и наиболее слабого основания (в приведённом примере — влево).

Некоторые ионы настолько прочно удерживают гидратную воду, что кристаллизуются из раствора в виде кристаллогидратов. Таким веществом, напри­мер, является медный купорос — пятиводный суль­фат меди CuSO₄•5Н₂О. Интересно, что непосредст­венно с атомом меди связаны лишь четыре молекулы воды, а пятая находится в пустотах кристаллической решётки. При нагревании синие кристаллы медного купороса отщепляют воду, превращаясь в серый по­рошок — безводный сульфат меди. А если он попадёт в воду, произойдёт обратный процесс — гидратация, сопровождающаяся выделением тепла. Этот простой опыт показывает, что окраска медного купороса вызвана именно гидратированными ионами мели.

Безводный сульфат меди CuSO₄ бесцветный (слева), но при соприкосновении с водой он мгновенно превращается в медный купорос CuSO₄•5Н₂О (справа).

Новый этап в развитии представлений о кислотах и основаниях связан с со­зданием теории электролитической диссоциации, разработанной в 1887 г. С. Аррениусом. Согласно этой теории, кислоты, основания и соли в водных растворах диссоциируют (от лат. dissociatio — «разлагаю»), т. е. распадают­ся на ионы, благодаря чему раствор становится электропроводным. Та­кие вещества были названы электро­литами (от греч. «литос» — «растворённый»). Однако не все электролиты в водных растворах существуют ис­ключительно в виде ионов. Так, на­пример, в растворах уксусной кисло­ты количество недиссоциированных молекул во много раз превышает чис­ло молекул, которые распались на ионы.

С позиции теории Аррениуса кис­лотой называют электролит, диссоци­ирующий в водном растворе с обра­зованием катионов лишь одного типа — ионов водорода. Аналогично, основание — это электролит, образу­ющий при диссоциации лишь один тип анионов — гидроксид-ионы. (Более подробно о теории Аррениуса см. статью «Его Величество Раствор».)

Марка, выпушенная в Швеции в честь открытия явления электролитической диссоциации.

Сейчас грамотному химику не придёт в голову пробовать на вкус вещества, с которыми он работает, хотя в про­шлом вкус являлся обязательной характеристикой при описании каждо­го соединения. Первоначально под кислотой понимали вещество, рас­твор которого имеет кислый вкус.

Главные минеральные кислоты — соляная, серная и азотная — были по­лучены ещё алхимиками. Постепенно накапливались факты, свидетельству­ющие об общих свойствах кислот, например об их способности разру­шать металлы. А. Л. Лавуазье попытался объяснить свойства кислот наличием в них кислорода. Однако кислородная теория кислот сдала свои позиции после того, как был доказан состав со­ляной кислоты: она кислорода не со­держит. В итоге кислородная теория сменилась водородной, которую раз­работали Г. Дэви и Ю. Либих. Соглас­но ей, кислотами являются вещества, содержащие атомы водорода, способ­ные замещаться на металл.

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.