Текст книги "Вид с высоты"
Автор книги: Айзек Азимов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 17 страниц)
6. Как химики и физики нашли общий язык
Какова форма мышления людей, живущих в определенную эпоху, таковы и научные представления, присущие этой эпохе.
Например, еще в IV веке до нашей эры два греческих философа, Левкипп из Милета и Демокрит из Абдеры, разработали атомную теорию. Все предметы, говорили они, состоят из атомов. В те времена считалось, что различных видов атомов столько, сколько существует во Вселенной веществ, или «элементов», коренным образом отличающихся друг от друга. (Греки полагали, что таковых всего четыре: огонь, воздух, вода и земля.)
Многие известные нам вещества получены в результате комбинирования элементов в различных пропорциях. В процессе разложения веществ на компоненты и образования новых сочетаний в новых пропорциях одно вещество может превратиться в другое.
Все это прекрасно, но возник вопрос, по какому признаку элементы отличались друг от друга. Как установить разницу между атомами различных элементов?
Поскольку атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть или обнаружить каким-либо способом, греческие атомисты могли выбирать для атомов любой отличительный признак, какой им только заблагорассудится. Можно было предположить, что различные атомы имеют разный цвет, несходные отражательные свойства, всевозможные ярлычки на классическом греческом языке или что атомы различаются и по твердости, и по запаху, и по температуре.
Все эти предположения подходили для создания связанной теории построения Вселенной, которую можно было преподнести с подобающим достоинством (чего-чего, а достоинства у древних греков было хоть отбавляй!).
И вот тут-то и выходит на арену форма мышления. Греки специализировались на геометрии. Для них почти вся математика (хотя и не совсем вся) была геометрией, которая по возможности проникала и в другие области знания. Раз уж встал вопрос об отличительных чертах атомов, то ответ, конечно, зиждется на геометрии.
Атомы (решили греческие атомисты) отличаются друг от друга по форме. Атомы огня, очевидно, сильно иззубрены, и поэтому огонь причиняет боль. Атомы воды, наверно, гладкие и круглые, и поэтому вода так легко течет. Атомы земли, по-видимому, имеют форму кубиков, и поэтому земля такая крепкая и устойчивая. И так далее.
Все это звучало весьма правдоподобно и разумно, но так как никто никогда атомов не видел, то теория эта оставалась всего лишь схоластическим упражнением; она казалась не более правомерной, чем умствования греческих философов, не принадлежавших к школе атомистов. Но их рассуждения были более убедительны, и атомисты остались в меньшинстве (в значительном меньшинстве) на добрых две тысячи лет.
* * *
Атомистическое учение было пересмотрено в первом десятилетии XIX века английским химиком Джоном Дальтоном. Он также считал, что все состоит из атомов, которые комбинируются и переходят из одного сочетания в другое в различных пропорциях, образуя все известные нам вещества.
В эпоху Дальтона понимание природы элементов приблизилось к современному, и он уже мог говорить об атомах углерода, водорода или кислорода, а не об атомах огня и воды. Далее, в течение XVII и XVIII столетий в области химии было сделано множество открытий, для объяснения которых атомистическая теория оказалась крайне плодотворной. В результате предположение о существовании атомов (по-прежнему невидимых) оказалось гипотезой гораздо более полезной, чем во времена древних греков.
Но теперь Дальтон столкнулся с той же проблемой, что и греки. Как можно различать невидимые атомы?
Что ж, наука в канун XIX века уже перестала быть геометрической и стала просто метрической. Теперь она основывалась на измерении трех основных свойств: массы (обычно неправильно называемой весом), расстояния и времени. Этих трех измерений было достаточно, чтобы управляться с механистической Вселенной Ньютона.
Поэтому Дальтон, сообразуясь с формой мышления своих современников, игнорировал структуру и форму атомов. Все атомы для него были сходными маленькими шариками, не имеющими внутренней структуры. Он механически перенес понятие о массе, расстоянии и времени в свою теорию об атомах. Но из всех понятий он оперировал только понятием о массе. По Дальтону, все атомы одного элемента имеют одинаковую массу, которая, однако, отличается от массы атомов любого другого элемента.
Дальтон пошел в своих исследованиях дальше и (по-видимому, это самая большая его заслуга) попытался определить, каковы же эти различные массы.
Тогда речь вовсе не шла об определении массы атома в граммах. Сделать это оказалось возможным лишь много лет спустя. Совсем иное дело – определять массы относительно друг друга.
Например, атомы водорода и кислорода соединяются и образуют молекулу воды. («Молекула» – название, применимое к любому достаточно стойкому сочетанию атомов.) Можно установить путем химического анализа, что при образовании воды каждый грамм водорода соединяется с 8 граммами кислорода. Аналогично можно доказать, что при образовании метана 1 грамм водорода всегда соединяется точно с 3 граммами углерода. И, конечно, когда 3 грамма углерода соединяются точно с 8 граммами кислорода, то образуется окись углерода.
Таким образом мы определяем эквивалентные веса, то есть относительный вес различных элементов, остающийся неизменным при образовании соединений. (Соединение – это вещество, молекулы которого состоят из нескольких видов атомов.) Если произвольно установить, что эквивалентный вес водорода равен 1, то эквивалентный вес углерода будет равен 3, а кислорода – 8.
А какое это имеет отношение к атомам? Дальтон начал с простого предположения (это не мешало бы делать всем), а затем решил, что один атом водорода, соединяясь с одним атомом кислорода, образует воду. Если бы это было так, то атомы кислорода были бы, по-видимому, в 8 раз тяжелее атомов водорода; лучшего объяснения, почему 1 грамм водорода соединяется с 8 граммами кислорода, не найдешь. Как видите, число атомов обоих элементов одинаковое, но атомы кислорода тяжелее атомов водорода в 8 раз.
Следовательно, если произвольно установить, что атомный вес водорода равен 1, то атомный вес кислорода будет равен 8. По той же причине атомный вес углерода будет равен 3, если молекула метана состоит из одного атома углерода, соединяющегося с одним атомом водорода.
И сразу же неизбежно возникает вопрос: насколько правомерно предположение Дальтона? Непременно ли один атом соединяется только с одним атомом? Нет, не обязательно; 3 грамма углерода, соединяясь с 8 граммами кислорода, образуют окись углерода, а 3 грамма углерода, соединяясь с 16 граммами кислорода, образуют двуокись углерода.
Тогда можно предположить, что молекула окиси углерода состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода, и, обозначив углерод буквой С, а кислород буквой О, написать формулу молекулы окиси углерода – СО. Но если углерод соединяется с двойным количеством кислорода и образует молекулу вещества, обладающего другими свойствами, то на основе учения об атоме можно предположить, что каждый атом углерода соединяется с двумя атомами кислорода и образует двуокись углерода. Следовательно, формулу двуокиси углерода можно написать как СO2.
С другой стороны, если вы считаете, что молекула двуокиси углерода – это СО, то молекула окиси углерода будет С2О. Первое предположение, о котором говорилось выше, оказывается верным, однако в обоих случаях мы имеем дело с молекулой, в которой атом одного элемента соединяется с двумя атомами другого.
Если признать, что молекула может содержать несколько атомов определенного вида, то придется пересмотреть нашу структуру молекулы воды. Должна ли она состоять из одного атома водорода и одного атома кислорода согласно формуле НО? А что, если формула будет другой? Например, НO2, или НO4, или даже Н17O47?
К счастью, имеется способ разрешить наши сомнения. В 1800 году два английских химика, Уильям Никольсон и Энтони Карлайл, доказали, что, пропустив через воду электрический ток, можно получить газообразные водород и кислород. Тотчас же было установлено, что водорода по объему получается вдвое больше, чем кислорода. Таким образом, хотя масса кислорода в воде была в 8 раз больше массы водорода, по объему водорода было вдвое больше, чем кислорода.
Имело это какое-либо значение? Трудно сказать. Атомы газообразного водорода могли быть расположены друг от друга вдвое дальше, чем атомы газообразного кислорода, и поэтому разница в объеме, возможно, не имела никакого отношения к числу полученных атомов.
Однако в 1811 году итальянский химик Амедео Авогадро высказал предположение, что поведение газов при образовании химических соединений нужно объяснять исходя из того, что равные объемы различных газов содержат равное число частиц. (Этими частицами могли быть или атомы, или молекулы.)
Следовательно, если объем водорода, полученного при электролизе воды, будет вдвое больше объема кислорода, то и частиц в объеме водорода будет вдвое больше. Предположение, что эти частицы – атомы (или молекулы, содержащие одинаковое число атомов), оказалось верным. Из него следует, что в молекуле воды атомов водорода вдвое больше, чем атомов кислорода.
Тогда для воды не пригодна формула НО – должна быть хотя бы формула Н2O. Если 8 граммов кислорода соединяются с 1 граммом водорода, то это значит, что единственный атом кислорода в 8 раз тяжелее двух атомов водорода. Если мы все же примем атомный вес водорода равным 1, то атомный вес кислорода будет тогда равен 16.
Аналогичным образом в конце концов была установлена формула метана, СH4, так что один атом углерода должен быть в три раза тяжелее, чем все четыре атома водорода, вместе взятые. (Вспомните, что эквивалентный вес углерода равен 3.) Следовательно, если атомный вес водорода равен 1, то атомный вес углерода равен 12.
«Правило Авогадро» (так назвали предположение итальянского ученого) помогло решить и еще одну проблему. Один литр водорода, соединяющийся с одним литром хлора, образует хлористый водород. Было бы справедливо предположить, что молекула хлористого водорода состоит из одного атома водорода и одного атома хлора. И тогда формула хлористого водорода (если обозначить хлор символом Cl) выглядела бы так: HCl.
Литр водорода и литр хлора, согласно правилу Авогадро, содержат одинаковое число частиц. Если предположить, что частицы состоят из отдельных атомов, то число молекул образовавшегося хлористого водорода должно быть равно только половине общего числа атомов водорода и хлора, взятых для реакции (так же как число супружеских пар равно половине общего числа мужчин и женщин, если предположить, что все состоят в браке).
Итак, казалось бы, полученный газообразный хлористый водород должен составить по объему только половину общего объема исходных водорода и хлора. Один литр водорода плюс один литр хлора (всего два литра) должны образовать лишь один литр хлористого водорода.
Однако этого не получается. Один литр водорода и один литр хлора, соединяясь, образуют два литра хлористого водорода. Общий объем газа не меняется, и поэтому не может измениться и общее число частиц. Проще всего разрешить эту дилемму, предположив, что газообразные хлор и водород состоят не из единичных атомов, а представляют собой скопление молекул, каждая из которых состоит из двух атомов.
Но молекула водорода (Н2), соединяясь с одной молекулой хлора (Сl2), образует две молекулы хлористого водорода (НСl, НСl). Не изменяется ни общее число частиц, ни общий объем. Аналогично можно показать, что газообразный кислород также состоит из молекул по два атома (O2).
С помощью таких доказательств и других обобщений, которые я здесь опускаю, были определены атомные веса и молекулярная структура целого ряда веществ. Очень большой вклад в это внес шведский химик Йонс Яков Берцелиус, который к 1828 году определил атомные веса ряда веществ поразительно точно, даже если подходить к его работе с современными требованиями.
Однако тропы науки столь же тернисты, как и пути настоящей любви. Химик может быть так же слеп, как и безумно влюбленный; подтверждением служит то, что в течение всей первой половины XIX столетия понятия «атом» и «молекула» рассматривались как равнозначные. Мало было химиков, которые не путали бы эти понятия, и лишь немногие отличали атомный вес хлора, равный 35,5, от молекулярного веса того же хлора, равного 71 (поскольку молекула хлора содержит 2 атома). К тому же химики путали атомный вес с эквивалентным, и им было трудно понять, что, хотя эквивалентные веса углерода и кислорода равны 3 и 8 соответственно, атомные веса будут равны 12 и 16. Как бы для того, чтобы еще больше усложнить дело, молекулярный вес кислорода оказался равным 32!
Это внесло сущий хаос во все химические расчеты, на которых основывались выводы о структуре молекул. В неорганической химии, имевшей дело с простыми молекулами, положение было еще довольно сносное, но в органической, где молекулы состоят из десятков атомов, путаница была невероятная. Только для уксусной кислоты, одного из простейших органических соединений, молекула которой состоит всего из восьми атомов, было предложено 19 различных формул.
В 1860 году немецкий химик Фридрих Август Кекуле, решив навести в этом деле порядок, организовал первый Международный химический конгресс, который собрался в Карлсруэ (Германия).
Душой конгресса оказался итальянский химик Станислао Канниццаро. В официальных выступлениях и неофициальных встречах он настойчиво указывал, как важно упорядочить дело с атомными весами, подчеркивал необходимость различать атомы и молекулы и эквивалентные и атомные веса. Вновь и вновь он говорил о значении гипотезы своего соотечественника Авогадро, гипотезы, которую большинство химиков игнорировало целых полстолетия.
И он добился своего: в следующем же десятилетии положение в химии выправилось и был взят верный курс.
Результат превзошел все ожидания. После того как Канниццаро сумел доходчиво показать, что такое атомный вес, некоторые химики стали располагать элементы в порядке его увеличения, чтобы посмотреть, нет ли в этом какой-либо закономерности. В 1860 году было известно около шестидесяти элементов; разнообразие их форм, видов, образцов приводило химиков в смятение. Никто не мог предсказать, сколько еще элементов будет найдено и какими свойствами они могут обладать.
Первые попытки расположить элементы по атомному весу были, по-видимому, интересны, но в общем все рассматривали их не более как своеобразную химическую классификацию. И тут выступил русский химик Дмитрий Иванович Менделеев, который в 1869 году расположил элементы в таблицу. Его система значительно превосходила все прежние. Для того чтобы в таблице не нарушалась последовательность атомных весов, он оставлял в ней пустые места, которые, как он утверждал, означают, что существуют еще не открытые элементы. В частности, он предсказал свойства трех элементов. В последующие 10 лет эти элементы были открыты, и их свойства в точности совпали со свойствами, предсказанными Д. И. Менделеевым.
Невозможно описать, какая это была сенсация. Атомный вес элементов стал «гвоздем дня», и многие химики начали работать над все более и более точным определением атомных весов. Бельгийский химик Жан Сэрве Стас составил таблицу атомных весов элементов, которая была намного совершеннее таблицы, предложенной Берцелиусом в 60-х годах XIX века, но наибольших успехов в этой области удалось добиться лишь в первое десятилетие XX века, ровно через 100 лет после первых попыток Дальтона. Американский химик Теодор Уильям Ричардс анализировал различные химические соединения, принимая совершенно фантастические меры предосторожности по устранению загрязнений и других причин, которые могли бы внести ошибку в его расчеты, и получил настолько точные данные об атомных весах элементов, что в 1914 году был удостоен Нобелевской премии за успехи в области химии.
Однако получилось так, что с этого времени определение атомных весов элементов стало уделом физиков, а не химиков.
Все началось с открытия элементарных частиц в 1890 году. Выяснилось, что атом – это отнюдь не шаблонная сферическая частица. Оказалось, что он состоит из еще более мелких частиц, иные из которых электрически заряжены.
Было установлено, что атомы разных элементов в основном отличаются друг от друга не по весу, а по количеству положительных электрических зарядов, приходящихся на ядро атома. (И снова сказалась форма мышления людей данной эпохи, так как на исходе XIX столетия механистическая Вселенная Ньютона уступала место Вселенной силовых полей, которая соответствовала теориям английского химика Майкла Фарадея и шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла.) Понятие об электрическом заряде хорошо вписывалось в предлагаемую теорию силовых полей.
Оказалось, что большинство элементов состоит из ряда атомов, имеющих не совсем одинаковый атомный вес. Этот ряд атомов был назван изотопами (мы поговорим о них в главе 7).
То, что мы когда-то называли атомным весом, на самом деле является всего лишь средним из весов различных изотопов, слагающих химический элемент.
Физики стали определять относительные массы отдельных изотопов нехимическими методами, степень точности которых далеко превосходила все, что давали обычные способы, применявшиеся химиками и даже нобелевским лауреатом Ричардсом. Чтобы получить точный атомный вес, нужно было всего лишь взять средневзвешенные массы изотопов, из которых слагаются элементы, учитывая содержание каждого изотопа в элементе, найденном в природных условиях.
То обстоятельство, что атомный вес, таким образом, вошел скорее в физическую, чем в химическую, систему мер, не могло бы смутить даже самого самолюбивого химика, если бы только физики не начали пользоваться в своих расчетах величинами атомного веса не совсем так, как химики. К сожалению, все осложнилось тем, что правы оказались физики, а не химики.
Как это случилось, я сейчас объясню.
* * *
С самого начала измерение атомного веса требовало установления стандарта. Самым логичным, по-видимому, было бы взять в качестве стандарта атомный вес водорода. В то время предполагалось (а теперь это со всей достоверностью доказано), что атом водорода самый легкий, и поэтому вполне естественно было принять его вес за единицу.
Вся беда заключалась в том, что при определении атомных весов приходится танцевать от… эквивалентных весов (во всяком случае, на первых порах). Для определения эквивалентных весов надо работать с двумя элементами, которые легко соединяются. А тут водород непосредственно соединяется всего лишь с несколькими элементами, тогда как кислород – со многими. Поэтому практически в качестве стандарта оказалось удобнее принять кислород, а не водород. Это обстоятельство потребовало внесения некоторых поправок.
В конце-концов, частное от деления атомных весов элементов никогда не равно целому числу. Если принять атомный вес водорода точно за единицу, то атомный вес кислорода не будет равен точно 16; скорее – 15,9. Но раз кислород является элементом, который чаще всего используется при определении эквивалентных весов, то было бы неудобно пользоваться таким числом, как 15,9. Легче принять атомный вес кислорода точно за 16, и тогда атомный вес водорода станет чуть больше единицы (точно 1,008).
Можно назвать это стандартом «О-16». Химики были очень довольны и ничего не имели против до 20-х годов нашего столетия. Но затем опять начались осложнения.
В 1929 году было открыто, что кислород представляет собой смесь трех различных изотопов. Из каждых 100 000 атомов кислорода большинство – 99 759 – имеют атомный вес около 16. Однако 204 атома имеют атомный вес около 18, а остальные 37 – около 17. (Изотопы можно изображать символами О16, О17, О18.)
Приняв атомный вес кислорода за 16, химики считали, что средний вес трех изотопов равен 16. Самый распространенный изотоп кислорода имеет вес чуть-чуть меньше 16 (точно 15,9956), и массы сравнительно небольшого числа атомов более тяжелых изотопов кислорода как бы подтягивали эту цифру до отметки 16.
Физиков, изучавших строение ядра, в большей степени интересовали отдельные изотопы, а не произвольное сочетание изотопов в одном элементе. И логика была на их стороне, потому что масса отдельного изотопа, насколько известно, абсолютно постоянна, в то время как средняя масса атомов элемента слегка колеблется при очень малом изменении смеси в различных условиях.
Теперь мы имеем две шкалы. Первая – «химический атомный вес», на основе стандарта «O-16», вторая – «физический атомный вес», на основе стандарта «O16-16».
По шкале химических атомных весов атомный вес кислорода равен 16,000; по шкале физических атомных весов более тяжелые изотопы кислорода увеличивают средний вес до 16,0044. Естественно, атомные веса всех других элементов должны соответственно измениться, – у каждого элемента атомный вес по физической шкале будет на 0,027 процента выше, чем по химической шкале. Таким образом, химический атомный вес водорода равен 1,0080, а физический – 1,0083.
Разница небольшая, но все же неточность есть. Химикам и физикам не следовало доводить дело до таких разногласий. Хотя логика была не на стороне химиков, они не соглашались отказаться от своих прежних показателей, боясь путаницы при внесении поправок в уйму расчетов, которые основывались на старых химических атомных весах и были запечатлены в химической литературе.
И тут-то физикам пришло в голову, что, пользуясь стандартом «О16-16», они слепо следуют за предвзятым мнением химиков, давно уже потерявшим какую-либо ценность. Единственной причиной, почему кислород использовался в качестве стандарта, было то, что с его помощью легко определялись эквивалентные веса.
Но физикам не было дела до эквивалентных весов, поскольку они ими не пользовались. Физики определяли массы заряженных атомов, пропуская их через магнитное поле известной силы и измеряя эффект, который получался при прохождении этих атомов.
Для этих целей выбор атомов кислорода в качестве стандарта был не совсем удачен. Было бы удобнее пользоваться атомами углерода. Масса самого распространенного изотопа углерода, С12, была определена более точно, чем масса любого другого изотопа. Тем более что С12 имел массу, равную 12,003803 по физической шкале, а по химической шкале – почти точно 12.
Почему бы тогда не принять шкалу «С12-12»? Она столь же логична, как и шкала «O16-16». Более того, шкала «С12-12» была бы почти такой же, как и химическая шкала «О-16».
В 1961 году Международный союз теоретической и прикладной физики выпустил своего рода указ, узаконивший новую шкалу. Масса С12 была принята точно за 12,000000 (при этом было допущено понижение на 0,033 %). Естественно, что значения масс всех других изотопов уменьшились соответственно на такой же процент, и шкала «С12-12» оказалась немного ниже шкалы «О-16».
Таким образом, химические атомные веса водорода и кислорода, равные 1,0080 и 16,0000 соответственно, по новой физической шкале стали равны 1,00797 и 15,9994 соответственно.
Теперь разница между химической и старой физической шкалами составляла только 0,003 процента.
Химики перестали сопротивляться; разница была так мала, что не влияла ни на какие прежние расчеты в химической литературе. Поэтому Международный союз теоретической и прикладной химии тоже принял шкалу «С12-12». С 1961 года физики и химики снова говорят на одном языке атомного веса.
Обратите внимание на то, как это было сделано. Физики взяли на себя труд найти компромиссное решение, и это было победой химиков. С другой стороны, химики признали логичным, что в качестве стандарта всем надо взять один изотоп, и это было победой физиков.
И так как стандарт, который ныне принят, является пока самым точным, то выиграли от этого все.
Вот так и надо решать все дела в мире.
