В твёрдом веществе каждая молекула удерживается межмолекулярными силами в определённом положении относительно своих соседей. Твёр­дые тела обладают очень малой сжи­маемостью, поскольку доля свобод­ного объёма в них обычно ещё меньше, чем в жидкостях. Так что плотность данного вещества в твёр­дом состоянии, как правило, больше, чем в жидком. Одним из исключений является вода, плотность которой при нормальном давлении выше плотности льда.

Большинство твёрдых веществ на­ходится в кристаллической форме: их частицы — молекулы, атомы или ионы — расположены в строгом по­рядке, образуя регулярную простран­ственную структуру — кристалличе­скую решётку. Поэтому при переходе жидкости в твёрдое состояние моле­кулы ведут себя подобно солдатам, получившим команду к построению.

Вместе с тем частицы в кристалли­ческой решётке не неподвижны, они постоянно совершают колебатель­ные движения. Если частицы, распо­ложенные на поверхности твёрдого вещества, приобретают энергию, до­статочную для преодоления силы притяжения остальных частиц в кри­сталле, то они «улетают», образуя пар. Все твёрдые вещества имеют опреде­лённое давление пара, хотя оно обыч­но очень мало, особенно для ионных кристаллов. Так, для NaCl давление па­ра, равное всего 0,001  мм рт.  ст.

Жидкости занимают промежуточное положение между газами и твёрдыми веществами. Силы взаимного притя­жения молекул в жидкостях достаточ­но велики, чтобы удерживать молеку­лы вместе, так что, в отличие от газов, жидкости имеют постоянный объём. В то же время эти силы недо­статочны, чтобы держать молекулы в жёсткой упорядоченной структуре, и потому у жидкостей нет постоян­ной формы.

Если в газах доля свободного объ­ёма составляет более 99%, то в жид­костях — обычно лишь около 3%. То есть плотности жидкостей значительно выше и приближаются к плот­ностям твёрдых тел. Поскольку моле­кулы жидкого вещества уже находят­ся в довольно тесном контакте, сжимаемость жидкостей на много порядков ниже, чем газов.

Во внутреннем объёме жидкости молекулы имеют максимально воз­можное число «соседей», а на поверх­ности образуют меньше связей и по­тому обладают избытком энергии. Этим обусловлено одно из важней­ших свойств жидкости — поверхно­стное натяжение: жидкость всегда стремится уменьшить свою поверх­ность. Вот почему свободно падаю­щая жидкость принимает форму кап­ли, а в невесомости — форму шара, поверхность которого при данном объёме минимальна.

Газ превращается в жидкость, когда энергия взаимного притяжения моле­кул превышает их кинетическую энергию (энергию движения). Так как силы межмолекулярного притя­жения становятся значимыми только при малых расстояниях между моле­кулами, сжижению, или конденсации (от лат. condensatio — «сгущение», «уплотнение»), способствует повышение давления. Кроме того, к сжиже­нию ведёт понижение температуры, поскольку кинетическая энергия мо­лекул при этом уменьшается.

Итак, если температуру не сни­жать, то для конденсации газа необ­ходимо значительное повышение давления. Чем выше температура, тем большее давление надо приложить. В конце концов можно достичь такой температуры, при которой газ невоз­можно перевести в жидкое состояние ни под каким давлением. Самая высо­кая температура, при которой газ ещё удаётся превратить в жидкость повышением давления, называется его критической температурой. Соответственно, давление, необхо­димое для сжижения газа при крити­ческой температуре, называется кри­тическим давлением. Критические температура и давление вещества за­висят от сил межмолекулярного при­тяжения, поэтому они индивидуаль­ны для каждого вещества и являются его характеристическими постоян­ными.

При температурах выше критиче­ской вещество находится в особом со­стоянии. Оно полностью занимает объём сосуда, что свойственно газам. Однако плотность его может быть значительно выше, чем у газов. По­этому для данной фазы обычно ис­пользуют название сверхкритический флюид (от лат. fluidus — «текучий»).

Газы не имеют собственной формы и объёма и, как правило, смешиваются друг с другом в любых соотношениях (если, конечно, между ними не идёт химическая реакция). Эти свойства га­зов обусловлены тем, что молекулы в них находятся далеко друг от друга. Доля свободного объёма, т. е. про­странства, не занятого самими моле­кулами, в газах при нормальных усло­виях (атмосферном давлении и температуре 0 °С) составляет более 99%. В этом объёме молекулы газов хаотически движутся с большой ско­ростью, постоянно сталкиваясь друг с другом. Собственно, само слово «газ» происходит от греческого «хаос»; этот термин ввёл в XVII в. нидерландский естествоиспытатель Ян Баптист ван Гельмонт (1579—1644).

При небольших давлениях меж­молекулярными взаимодействиями в газах можно пренебречь, т. с. разные газы ведут себя практически одина­ково (если говорить о физических, а не химических свойствах). Такое со­стояние газа называется идеальным и описывается уравнением, связываю­щим его давление р, объём V, число молей n и температуру Т: pV = nRT, где R — универсальная газовая по­стоянная (R = 8,31 Дж/(моль•К)=0,082 (л•атм)/(моль • К)).

  

 

  

Изменение энергии орбиталей  в зависимости от порядкового номера элемента.

Почему же удивительно стройная атомистическая гипотеза древних долго не получала признания? Учение Демокрита и других атомистов натолкнулось на ожесточённое сопротивление Аристотеля. Он показал, что неизбежное для учения об атомах понятие пустоты несёт в себе логическое противо­речие: ведь пустота — это «ничто», а как может быть то, чего не сущест­вует? Следовательно, пустоты в мире нет, это — абстракция, лишённая смыс­ла. «Natura abhorret vacuum» — «природа не терпит пустоты» {лат.). Данный постулат в течение многих столетий был основой так называемой аристо­телевой физики. Из-за огромного авторитета Аристотеля атомная гипоте­за строения материи два тысячелетия оставалась на задворках науки...

Вероятно, древнегреческие мыслители первыми высказали предположение о том, что материальный мир един, а потому познаваем. Фалес (около 625 — около 547 до н. э.), наблюдая за различными пре­вращениями веществ, пришёл к выводу, что все они являются разновидностями од­ного «первичного элемента» — начала всех веществ. Таким элементом Фалес счи­тал воду. Анаксимен (VI в. до н. э.) назы­вал первичным элементом воздух, Герак­лит (VI—V вв. до н. э.) — огонь. Аристотель (384-^322 до н. э.) развивал учение о че­тырёх первоначалах — огне, воздухе, воде и земле. Элементы он считал не материаль­ными субстанциями, подобными обычной воде или земле, а лишь носителями опре­делённых качеств, которыми наделены все тела. Эти качества — теплота, холод, сухость и влажность.

 

Иначе подошли к учению о строении материи Левкипп (V в. до н. э.) и его уче­ник Демокрит. Их занимал вопрос о её де­лимости на всё более мелкие частицы — конечен ли этот процесс или бесконечен? Если деление можно продолжать как угод­но долго, значит, материя непрерывна, и её структура принципиально не меняется при любом «увеличении». Если же деление нельзя продолжать бесконечно, рано или поздно мы дойдём до мельчайшей частич­ки, которую Демокрит назвал атомом, что в переводе и означает «неделимый». Тут предполагалась дискретность (от лат. discretus — «прерывистый») материи: между мельчайшими её частичками — пустота.

Многочисленные эксперименты, про­ведённые физиками в начале XX в.. показали, что атомы состоят из ядер, вокруг которых движутся электро­ны — в этом отношении атомы напо­минают Солнечную систему. Недаром модель атома, предложенную в 1911 г. английским физиком Эрнестом Резерфордом (1871 — 1937), назвали планетарной. Действительно, в Сол­нечной системе почти вся масса (99,87 %) сосредоточена в централь­ном светиле, а на планеты приходят­ся лишь сотые доли процента. Оказы­вается, в атомах тоже практически вся масса сосредоточена в ядре (в част­ности, в атоме водорода — 99,95 %).

Но если сравнивать не массы, а размеры, то окажется, что атом на­много более «пустой», чем Солнечная система. Её диаметр примерно в 4 тыс. раз больше диаметра Солнца. Разме­ры же атомов (порядка 10^-10 м) при­близительно в 100 тыс. раз превыша­ют размеры ядра (порядка 10^-15 м для лёгких ядер)! Если увеличить ядро до 1 мм (булавочная головка), то сам атом вырастет до 100 000 мм = 100 м (размер футбольного поля). Ещё рази­тельнее сопоставление объёмов ядра и атома — получается разница в 15 порядков. Это означает, например, что практически вся масса огромно­го свинцового куба с ребром 100 м (она равна 11 млн. тонн) сосредоточе­на в ядрах атома свинца, суммарный объём которых меньше спичечной го­ловки! Трудно даже представить себе, насколько высока плотность ядерно­го вещества.

Современные понятия элемента, ато­ма и простого вещества, молекулы как совокупности связанных между собой атомов сформировались сравнитель­но недавно. Но атомистическая тео­рия строения материи — учение о том, что все вещества состоят из мельчайших частиц, — прошла дол­гий и трудный путь.

Догадки древних, основанные лишь на размышлениях, в принципе, не так уж далеки от нынешних пред­ставлений: существуют определённые типы атомов (элементы), которые могут по-разному соединяться друг с другом, давая огромное разнообразие веществ с несхожими свойствами. Та­кое учение было величайшим дости­жением человеческого разума. Очень образно об этом сказал американский физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман: «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказа­лись бы уничтоженными и к гряду­щим поколениям живых существ пе­решла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наи­меньшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я счи­таю, что это — атомная гипотеза (можно называть её не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в беспре­рывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкива­ются, если одно из них плотнее при­жать к другому. В одной этой фразе... содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь при­ложить к ней немного воображения и чуть соображения».

 

Товарищи учёные, доценты с кандидатами!

В. С. Высоцкий

Когда представляют научного работни­ка, обычно указывают его учёную сте­пень (если, конечно, она есть). Сейчас в Российской Федерации этих степеней две — кандидат и доктор наук. Впервые же учёные степени появились в России в начале XIX в. Они пришли к нам из Германии, где кандидатами называли лиц, сдавших первый государственный экзамен; были, например, кандидаты богословия, медицины, права и т. д.

Исторически это название восходит к Древнему Риму. У римлян соискатель какой-либо должности назывался candidatus, дословно «одетый в белое». Кан­дидат надевал тогу ослепительно белого цвета (toga Candida) и обходил граждан, которых просил подать за него голос во время выборов. Порой и сейчас канди­даты в кандидаты заранее обходят чле­нов учёного совета, вручают им авто­реферат диссертации и в явной или неявной форме просят подать за них го­лос во время тайного голосования на за­седании совета. Правда, белых одежд они при этом не надевают.

С 1901 по 1999 г. Нобелевской премии по химии был удостоен 131 учёный из 20 стран мира. Почти треть из них, 47 человек, — профессора из универси­тетов и других научных учреждений США. На втором месте учёные Герма­нии — 27 человек, на третьем химики Великобритании — 23 человека. Далее идут 7 представителей французской науки, 5 швейцарцев, 4 шведа, по 3 ис­следователя из Голландии и Канады. На долю ещё 12 стран приходится по од­ному лауреату премии по химии. Сре­ди них и русский учёный Николай Ни­колаевич Семёнов, удостоенный этой награды в 1956 г. «за разработку тео­рии цепных химических реакций».

Трое из перечисленных лауреатов получили Нобелевскую премию дваж­ды. Первой удостоилась столь высоко­го отличия Мария Склодовская-Кюри. Вместе с мужем, французским физи­ком Пьером Кюри, в 1903 г. она стала обладательницей Нобелевской премии по физике «за исследования явлений радиации, открытых профессором Анри Беккерелем». Вторая премия, те­перь уже по химии, была присуждена Склодовской-Кюри в 1911 г. «за заслу­ги в исследованиях открытых ею эле­ментов радия и полония, выделении ра­дия и изучении природы и соединений этого удивительного элемента».

В 1893 г. швейцарский химик Альфред Вернер сформулировал ос­новы теории строения комплексных соединений — координационной теории.

Итак, к середине 90-х гг. здание классической химии в целом было возведено. Успехи химии в XIX в. свя­заны с тем, что она опиралась на атомно-молекулярное учение. Однако к исходу столетия оно утратило воз­можности дальнейшего развития. Ведь ничего не было известно о том, как устроен атом. Полагали, что все атомы любого химического элемента оди­наковы. Разновидностей атомов столь­ко же, сколько существует химических элементов. Атом — материальное те­ло, имеющее определённый вес. Вот, собственно, и весь «банк данных» классической атомистики. Как спра­ведливо заметил в 1892 г. Менделеев, «атомы химических элементов оста­ются неизвестными в своей сущности и представляют только гипотезу».

Конечно, подобное обстоятельст­во не могло приостановить дальней­шего развития химических исследо­ваний. Однако всё чаще и чаще новые открытия, наблюдения, результаты экспериментов не получали необхо­димых теоретических объяснений.

Он дважды занимал высокие госу­дарственные посты: возглавлял Ми­нистерство народного образования и изящных искусств, был министром иностранных дел Французской рес­публики.

В Париже его именем названы улица и площадь. Не за заслуги на государственном поприще: Пьер Эжен Марселен Бертло снискал сла­ву величайшего учёного XIX в. И не только как химик: ему принад­лежат исследования по физике и биологии. Сотни его статей посвя­щены гуманитарным наукам: фило­софии, археологии, истории, педа­гогике... Всего и не перечислишь.