Текст книги "Масса атомов. Дальтон. Атомная теория"

Автор книги: Enrique Alvarez

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 8 страниц)

Такая реакция остудила пыл Джона на год. Он снова начал читать свои научно-популярные лекции и в 1792 году впервые поехал в Лондон на ежегодное собрание Общества Друзей. Последствия этого короткого пребывания в британской столице не заставили себя ждать: Дальтон получил предложение преподавать математику и натурфилософию в Манчестере в новой академии, которую квакеры готовились открыть в этом промышленном городе вместе с другими общинами религиозных отступников, такими как социнианцы и унитарианцы.

СТРАСТЬ К МЕТЕОРОЛОГИИ И БОТАНИКЕ

Хотя первый наставник Дальтона в Иглсфилде Элиу Робинсон привил ему страсть к метеорологии (да и могло ли быть иначе в графстве с таким изменчивым климатом, как Камберленд?), именно слепой Гауф подвигнул Дальтона вести наблюдения. Это занятие вошло у юноши в привычку и превратилось почти в наваждение. Первые его записи датированы 24 марта 1787 года, когда Дальтону был 21 год, а последние сделаны накануне его смерти в Манчестере, 26 июля 1844 года. Между этими двумя датами – то есть на протяжении почти 60 лет – ученый сделал более 200 тысяч записей о температуре, влажности, давлении, он фиксировал наблюдения о дожде и ветре. Дальтон публиковал эти записи вместе со своим анализом – первый небольшой том вышел в Манчестере под названием Meteorological observation and essays («Метеорологические наблюдения и этюды») в 1793 году.

РЕЛИГИОЗНЫЕ ОТСТУПНИКИ

Инакомыслие объединяет многих верующих ученых – достаточно вспомнить о противостоянии Галилея и католической церкви или Кеплера и лютеранской церкви. Ученые часто становились жертвами предрассудков и предубеждений. Джон Дальтон принадлежал к общине квакеров, которые вместе с последователями социнианского, унитарианского и христадельфианского учений – это лишь самые известные течения того времени – были лишены доступа к университетам. Главное отличие их взглядов от официальной доктрины состояло в том, что они отрицали учение о Троице. Бог был един с их точки зрения, и Иисус из Назарета не существовал до своего рождения. Хотя все отступники признавали Христа божеством, они не считали его Божьим сыном и не верили в Святого Духа. Их верования были основаны на личном прочтении библейских текстов. Защищая свои убеждения, а также испытывая необходимость дать своим членам хорошее образование, некоторые общины объединялись и основывали собственные школы и академии. Так поступили квакеры, социниане и унитаринцы в Манчестере, где преподавал Дальтон.

Другое огромное увлечение Дальтона до того, как он погрузился в химию, было также передано ему квакером Джоном Гауфом. Это была ботаника. Дальтон собирал растения, высушивал их, клал под пресс и скрупулезно классифицировал по универсальной системе биноминальной номенклатуры, предложенной знаменитым шведским ботаником Карлом Линнеем. К 1790 году Дальтон закончил биноминальную классификацию большинства растений в районе Кендала и описал их в 11 томах. Эти труды были проданы местному музею Кендала с весьма прозаической целью – ради получения дополнительного дохода, поскольку ученый в те годы нуждался в деньгах. Однако этот трудный период закончился в 1793 году с переездом в Манчестер.

С тех пор и в течение 50 лет до самой смерти в Манчестере Джон Дальтон был одержим одной-единственной мыслью – посвятить себя научным исследованиям. Он забыл обо всем остальном, поскольку у него 4ни на что другое не было времени". Ученый сотрудничал со многими журналами и писал самые разные статьи, в том числе о человеческих отношениях. Например, он рассуждал о необходимости носить кольцо после свадьбы, о выгодах и недостатках развода и повторного брака, о пользе любовных консультаций... В то же время его собственные романтические отношения, по крайней мере те, о которых нам известно, ограничились коротким периодом помолвки с одной вдовой, продлившимся чуть больше недели. В 1794 году Джон Дальтон написал по этому поводу:

«Во время этого короткого заточения я лишился аппетита, начал заикаться и выказывал явные признаки умственного порабощения. Но через неделю я вновь обрел свободу. (...) Моя голова слишком занята треугольниками, химическими реакциями и электрическими опытами, чтобы я думал о свадьбе».

ВЕЛИКИЕ АНГЛИЙСКИЕ ХИМИКИ

В следующей главе мы более подробно рассмотрим роль, которую сыграл Джон Дальтон в развитии химии своего времени. Но, оставаясь верными хронологическому изложению, выскажем несколько полезных наблюдений. Джон Дальтон, как и другие английские химики того времени, интересовался изучением газов и горючих веществ, что было прямым следствием произошедшей в Великобритании промышленной революции.

КАРЛ ЛИННЕЙ

Шведский ученый Карл Линней (1707– 1778) считается отцом современной таксономии или, проще говоря, научной классификации живых существ.

Его главный труд – Sistema Naturae ("Система природы·, 1735) – для многих стал отправной точкой зоологической классификации: живые существа в нем разделены по классам, группам, видам и родам. В конечном счете это классификация божественных созданий, как думал сам ученый. Джон Дальтон в свою очередь, увлекшись биологией, использовал систему Линнея для классификации растений в своем родном городке Иглсфилде. В этой системе, называемой биноминальной номенклатурой, первое латинское название обозначает род, а второе – вид. Род может быть общим, а вид является конкретным определением: эта пара напоминает сочетание имени и фамилии. Например, Panthera leo обозначает льва, Panthera tigris – тигра. А известный нам Homo sapiens означает «человек разумный».

Стоит упомянуть несколько имен, например – в хронологическом порядке – Джозефа Блэка (1728-1799), шотландского медика и химика, который установил разницу между теплотой и температурой, а также ввел в обиход принятые и сегодня понятия теплоемкости и скрытой теплоты при изменении состояния. Уточним, что изучение скрытой теплоты при изменении состояния и теплоемкости сыграло решительную роль в истории появления паровой машины, в частности для работ шотландца Джеймса Уатта (1736-1819). Но Блэк более известен как первооткрыватель углекислого газа (СO₂), который он назвал фиксированным воздухом. Ученый закрыл мышь и свечу в емкости, заполненной углекислым газом. Свеча погасла, мышь погибла. Так Блэк доказал, что углекислый газ непригоден для дыхания.

Помимо Джозефа Блэка необходимо упомянуть Джозефа Пристли (1733-1804), больше священника, нежели ученого, который сегодня вместе с Карлом Шееле и великим Лавуазье считается открывателем кислорода. На самом деле Пристли первым выделил этот газ и отметил его значение для жизни. Он называл кислород дефлогистированным воздухом в духе теории флогистона, которая вскоре будет опровергнута Лавуазье. Флогистон – это гипотетическая субстанция, ответственная за процесс горения. Это понятие уходит корнями в алхимию, а его название происходит от греческого слова phlogistos ("горючий, воспламеняемый") – то, что высвобождается из вещества при горении.

Разумеется, нельзя забыть и о благородном Генри Кавендише (1731-1810), человеке разносторонних интересов, получившем известность благодаря опыту с крутильными весами, с помощью которых он определил среднюю плотность Земли (5, 45 г/см³) и опытным путем доказал закон тяготения Ньютона, получив постоянную всемирного тяготения (G=6, 74 · 10 -11 H · м²/кг²). Он выделил водород, или горючий газ. Благодаря работам, открытиям и ошибкам Кавендиша, Антуан Лоран де Лавуазье смог научно объяснить процесс горения.

МАНЧЕСТЕР И LIT & PHIL

Во время своих уроков в Кендале Джон Дальтон уже использовал работы по химии Джозефа Пристли, о котором мы только что упомянули. Любопытно, что Пристли тоже был религиозным отступником, а также основателем унитаризма в Англии. Пристли грозила смерть, и он вынужден был в 1794 году эмигрировать в США, но до этого считался одним из блестящих профессоров академии Манчестера. Туда же был приглашен преподавать и Джон Дальтон, которому поручили занятия по натурфилософии и математике, его опекал слепой квакер

Джон Гауф. В распоряжении Дальтона оказались замечательная библиотека и необходимый инструментарий. Педагогическая деятельность захватила его полностью, по крайней мере в первые годы жизни в Манчестере. Очень быстро к преподаваемым наукам добавилась химия, самый интересный для Дальтона предмет.

АНТУАН ЛОРАН ДЕ ЛАВУАЗЬЕ

Лавуазье (1743-1794) родился в Париже и считается пионером французской научной революции. Он происходил из состоятельной семьи, которая купила дворянский титул и собирала налоги в пользу государства. Все свое время Лавуазье посвящал научным исследованиям, в работе ему помогала жена Мари-Анн Польз. Он много занимался и государственной деятельностью, в частности был директором Управления порохов и селитр, участвовал в разработке системы мер и весов, был назначен комиссаром Национального казначейства. На этой должности он приобрел множество врагов, и самым непримиримым из них был Жан-Поль Марат (1743-1793), член Национальной Ассамблеи, чьи научные труды удостоились презрительных отзывов Лавуазье. В1791 году Марат обвинил своего недруга в том, что тот берет чрезмерное вознаграждение. Лавуазье был арестован в 1793 году и отправлен на гильотину. Приговор суда звучал так: «Республика не нуждается ни в ученых, ни в химиках». Лавуазье было 50 лет. Ему мы обязаны новой химической номенклатурой, которая лежит в основе современной, а также знаменитым законом сохранения массы. В «Элементарном трактате по химии» (1789) Лавуазье дал определение химического элемента как простого тела, которое невозможно разложить никаким известным химическим способом.

Академия Манчестера испытывала затруднения, которые привели к тому, что она была перенесена сначала в Йорк, потом снова в Манчестер и в итоге в Лондон. Все эти перемещения мешали упорной работе Джона Дальтона. В марте 1800 года он объявил о своем намерении прекратить преподавание, однако ученый не собирался покидать Манчестер, в котором его жизнь была очень удобно устроена. В сентябре того же года Дальтон открыл собственную школу, которая пользовалась таким успехом, что он вполне мог вести достойную жизнь и не отвлекаться от научных исследований. Джон Дальтон никогда не прекращал частные уроки, но решающим для его научной деятельности стало вступление 13 октября 1794 года в Литературно-философское общество Манчестера (Lit & Phil), о котором мы уже не раз упоминали. Дальтона рекомендовали Томас Генри (1734-1816), который в 1776 году перевел на английский язык исключительный труд Лавуазье «Небольшие физические и химические исследования», вышедший во Франции двумя годами ранее, Томас Персиваль (1740-1804), первопроходец в медицинской деонтологии и здравоохранении, автор кодекса медицинской этики, высоко оцененного в Англии, и, конечно, Роберт Оуэн (1771-1858) из Уэльса: он руководил текстильной фабрикой в Манчестере и стоял у истоков кооперативных организаций утопического социализма, за что удостоился славы предшественника рабочих и профсоюзных движений Англии. Это исключительное интеллектуальное окружение окончательно утвердило Дальтона в намерениях обосноваться в промышленном Манчестере.

Спустя месяц после вступления в Lit & Phil Дальтон представил в обществе свою первую большую научную работу, основанную на его собственном опыте, – о неспособности различать некоторые цвета (этот физический недостаток известен нам как дальтонизм).

Это первое представленное в Lit & Phil исследование Дальтона получило гораздо больший отклик, нежели его предыдущие труды – метеорологические изыскания или работы о давлении газов. После утверждения в качестве полноправного члена престижнейшего академического сообщества Дальтон не только заслужил высокую репутацию и получил удобное для работы место, но также у него появились слушатели и широкие возможности распространять идеи. Дальтон смог, наконец, упорядочить свои исследования, не оставляя преподавания. В 1796 году он писал брату:

«Я посчитал, что шесть уроков химии и шесть уроков по другим предметам позволят мне заработать немного денег в моей школе».

ДАЛЬТОН И ДАЛЬТОНИЗМ

Дальтонизм – это генетический наследственный недостаток, который не позволяет правильно различать цвета. Чаще встречается у мужчин, поскольку связан с Х-хромосомой; наблюдается у 1,5% мужчин и 0,5% женщин. Дальтон изучил этот недостаток и связал его со стекловидным телом глаза. Ma самом деле дефект связан с аномалией цветочувствительных рецепторов – колбочек. Они бывают трех видов и работают как электронные устройства: один тип чувствителен к красному цвету, другой – к зеленому, третий – к синему. Взаимодействуя с мозгом, человеческий глаз способен различить около 8000 цветовых сочетаний. Тип дальтонизма зависит от того, какой тип колбочек поражен. Самый серьезный случай – ахроматический, когда человек не различает ни одного цвета. При монохромазии человек различает один из трех цветов, при дихромазии – два цвета из трех, и это самый распространенный тип дальтонизма. Если нарушены красные рецепторы, дальтонизм называется протанопией, если зеленые – дейтеронамалией, если синие – тританопией. Случается, что у дальтоника снижена активность всех трех пигментов, и это достаточно частый случай. Дальтон страдал дейтеронамалией, то есть самым легким типом дальтонизма.

Завещание глаз для науки

Все биографии Дальтона содержат множество историй о его дальтонизме. Самая заурядная из них связана с тем, как он перепутал химические реактивы разных цветов, а самая смешная – возможно, выдуманная – рассказывает об оплошности ученого в тот день, когда он предстал перед Гийомом IV в ярко-красном костюме. Но совершенно точно, что Дальтон для изучения этого дефекта зрения завещал науке собственные глаза.

Тетрадка с цветными нитями, которые Дальтон использовал, чтобы проверить, различает ли он цвета. Подарок Фредерика Уильяма Гершеля (1792-1871).

ХИМИЯ НА ЗАРЕ XIX ВЕКА

Настало время рассказать о том, в каком состоянии пребывала химия в первое десятилетие XIX века. Это позволит представить ту обстановку, в которой Дальтон начал свою научную карьеру и исследования в области химии. Большинство химиков, и Дальтон не был исключением, опирались на работы Роберта Бойля (1627-1691) – ирландского ученого, работавшего в Оксфорде. Бойль считается первым современным химиком, поскольку он первым отошел от алхимических убеждений. В школе Кендала Дальтон получил доступ к его многочисленным трудам и с жадностью их изучал. Однако труды Бойля были написаны так сухо, что Дальтон обращался и к работам по химии голландца Германа Бургаве (1668-1738), который был скорее врачом, нежели химиком, и считался одним из лучших преподавателей своего времени. Бургаве заведовал кафедрой в Лейдене и по материалам своих занятий написал труд под названием Elementa chemiae («Химические элементы», 1724), в котором изложил все практические познания в этой области. Он был убежденным последователем Ньютона и впервые применил законы Ньютона в области химии (впоследствии это сделает и Дальтон).

При постоянной температуре растворимость газа в единице объема жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над раствором.

Уильям Генри, закон Генри (1803)

С первых лет пребывания Дальтона в Манчестере его большим другом был коллега Уильям Генри, сын Томаса Генри и ученик Томаса Персиваля, которые рекомендовали Дальтона в Lit & Phil. Генри повезло больше, чем Дальтону, поскольку у него была возможность изучать медицину в университете Эдинбурга, но из-за плохого здоровья он прервал врачебную практику и целиком посвятил себя химическим исследованиям. Полученные Генри результаты хорошо известны и сегодня, особенно закон, носящий его имя (закон Генри), который изучал и Дальтон. К нему мы еще вернемся.

Уильям Генри сыграл значительную роль в начале научной карьеры Дальтона. Помимо их общих открытий в области растворимости газов, именно Генри вдохновил Дальтона на изучение массы первых частиц. Но при этом сказалось влияние не только Генри. В 1796 году Дальтон прослушал около 30 лекций по химии доктора Томаса Гарнетта (1776-1802), что, по всей видимости, и определило его выбор. Он решил посвятить себя исследованиям в области химии еще и потому, что на примере Гарнетта убедился: можно существовать безбедно, давая уроки и читая лекции.

С 1794 по 1802 год Дальтон не щадил себя: он преподавал, читал лекции, занимался исследованиями в Lit & Phil. Ученый интересовался не только способностью различать цвета, но и целым рядом других вопросов, в частности связанных с атмосферными явлениями (его первой страстью), а также с промышленной жизнью Манчестера (этому были посвящены труды о тепловом расширении газов, о механической конденсации воздуха, природе газовых смесей и, конечно, силе водяного пара). Так, всего за один месяц, в октябре 1801 года, он представил четыре работы о состоянии газов. В конце 1802 года Дальтон опубликовал первый научный труд по химии, в котором рассуждал о возможных соединениях кислорода и азота. Эти размышления легли в основу закона кратных отношений.

УИЛЬЯМ ГЕНРИ

Генри родился в Манчестере в 1774 году, он был сыном Томаса Генри и учеником Томаса Персиваля – оба хирурги и члены Королевского общества. В 1795 году он начал изучать медицину в университете Эдинбурга, а в 1807-м завершил обучение. По состоянию здоровья Генри оставил врачебную практику и посвятил себя исследованиям в области химии. Получил известность благодаря опытам с количеством газов, поглощаемых водой при различных температурах и давлении (1803). Его книга по химии "Элементы экспериментальной химии· была переиздана 11 раз за 30 лет. В 1836 году ученый застрелился в своей личной часовне в Пендлбери.

Закон о растворимости газов, или закон Генри

Знаменитый закон Генри гласит, что при постоянной температуре объем газа, растворенного в единице объема жидкости, прямо пропорционален давлению этого газа над раствором, если жидкость и газ не действуют друг на друга химически. Мы можем сформулировать этот закон, вслед за современными школьными учебниками, следующим образом:

S=k · P,

где S – растворимость, или концентрация газа в растворе, к – коэффициент Генри, зависящий от температуры и природы газа и раствора, а Р– парциальное давление газа над раствором. Знакомый всем пример действия этого закона – газированные напитки. Во всех этих жидкостях растворена двуокись углерода СO₂, и давление этого газа больше атмосферного. Когда мы открываем бутылку, давление уравнивается, и часть газа начинает выделяться из напитка, в результате чего образуются пузыри. Если бутылку оставить открытой, вкус напитка изменится, поскольку весь газ выйдет. Точно так же этот закон действует на ныряльщиков во время погружения. Они вдыхают сжатый воздух, который растворяется в крови. При всплытии понижается растворимость газов в крови, что влечет за собой риск образования маленьких пузырьков, которые мешают нормальной циркуляции крови и могут привести к смерти. Именно поэтому необходимо подниматься после погружения медленно.

Кислород может соединяться с определенным количеством азота или уже с удвоенным таким же, но не может быть какого-либо промежуточного значения количества вещества.

Джон Дальтон, закон кратных отношений (1802)

Этот вывод из доклада Дальтона «О соотношении различных газов или жидкостей, содержащихся в атмосфере, а также о механическом или химическом растворении газов в жидкостях» основывается главным образом на его вере в теорию Ньютона. Дальтон считал, что увеличение объема (расширение) газа при уменьшении давления связано с тем, что составляющие его идентичные или, по крайней мере, однородные частицы отталкиваются друг от друга с силой, обратно пропорциональной расстоянию, их разделяющему. Для Дальтона это был еще один пример действия закона всемирного тяготения, сформулированного Исааком Ньютоном в 1687 году. Ученый постоянно пытался применить теорию Ньютона к воздуху. Доказав, как и Лавуазье несколькими годами раньше, что воздух является не соединением газов, а их смесью, он опытным путем подтвердил закон, который мы сегодня знаем как закон парциального давления газов. Дальтон сделал вывод, что частицы водяного пара не отталкивают частицы других газов, содержащихся в воздухе, по той простой причине, что они различны.

И это объясняет тот факт, что они свободно циркулируют в атмосфере. Несмотря на ошибку, которая заключалась в объяснении с использованием теории Ньютона, это доказательство принесло Дальтону известность за пределами Англии. Его доклад, названный *О диффузии газов другими газами*, вызвал огромную полемику в научном сообществе. Почему отталкивающую силу можно наблюдать только в некоторых случаях?

Ответ на этот вопрос уводит Дальтона от теории Ньютона, он начинает задумываться о том, что существуют конечные неделимые частицы, из которых состоят вещества, образующие воздух. Так Дальтон приступил к разработке понятия атомной структуры.

В то же время близкий друг Дальтона Уильям Генри уже представил свои результаты, касающиеся растворимости газов в жидкостях. Дальтон еще раз подтвердил выводы Генри. Это означало, что если растворимость газов зависит от давления (другими словами, от силы), значит она должна иметь механическую причину. Это было очевидно и Генри, и Дальтону, который снова обратился к исследованиям и чуть позднее, в 1802 году, представил труд "О поглощении газов водой и другими жидкостями" (правда, работа была опубликована лишь три года спустя). В двух словах, растворимость газов – это не просто химическая реакция, но некое количество механических действий между частицами, которые зависят от размеров этих частиц (то есть от атомов, от атомной массы).

ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ ДАЛЬТОНА

Закон кратных отношений, или закон Дальтона, сформулированный в 1802 году, – очень важный закон среди так называемых стехиометрических. Он гласит, что «если два вещества образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного вещества, приходящиеся на одну и ту же массу другого вещества, относятся как целые числа, обычно небольшие». Другими словами, если атом вещества А соединяется с одним и с двумя атомами вещества 8, соотношение массы вещества А и 8 будет 1:2. Классический пример – оксиды меди, в которых А – это кислород, а 8 – медь:

– CuO: 79, 89% (Cu), что равно 3, 973 грамма меди на 1 грамм кислорода;

– Cu₂O:88, 82% (Cu), что равно 7, 945 грамма меди на 1 грамм кислорода.

Мы видим, что соотношение 3, 973/7, 945 приблизительно составляет 1:2. Рассмотрим другой пример с оксидами азота.

Соединение	Масса азота	Масса кислорода
N2O	1, 00 г	0, 571 г
NO	1, 00 г	1, 14 г
NO2	1, 00 г	2, 28 г
NO4	1, 00 г	4, 57 г

Соотношение соединений	Соотношение массы	Пропорция	Самое маленькое
ΝO4 : ΝO2	4, 57:2, 28	2:1	2
Ν04 : NO	4, 57:1, 14	4:1	4
NO4 : N2O	4, 57:0, 571	8:1	8
NO2 : NO	2, 28:1, 14	2:1	2
NO2 : N2O	2, 28:0, 571	4:1	4
NO : N2O	1, 14:0, 571	2:1	2
NO4 : NO2 : NO : N2O	4, 57:2, 28 : 1, 14:0, 571	8:4:2:1	2

Закон парциальных давлений Дальтона

Этот закон 1803 года невозможно было бы сформулировать проще: «Давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений всех газов, составляющих смесь».

Этот закон обычно служит для расчета давления газа при взаимодействии с водой. Общее давление будет равно сумме давления газа и давления водяного пара при определенной температуре. Так, если давление равно 766, 7 мм ртутного столба, а температура – 27°С (что означает давление водяного пара, равное 26, 7 мм ртутного столба согласно известным таблицам), давление газа будет равно (766, 7-26, 7) = 740 мм ртутного столба.

В очередной раз Дальтон опирался на работы Ньютона.

С 1802 по 1805 год одно за другим следовали выступления, публикации, различные опыты и проверка уже полученных результатов. Прежде чем перейти к понятию атома в следующей главе, отметим, что в трудах 1802 года Дальтон использовал понятие "конечная частица", а не "атом". Он широко применял диаграммы, чтобы наглядно показать состав атмосферы, изображая разными символами известные ее элементы: кислород, азот, углекислый газ и водяной пар. В работах 1803 года Дальтон немного изменил свою теорию и объяснил отталкивание конечных частиц через атмосферное тепло. Лавуазье уже высказывал подобную мысль. Помня об этом, Дальтон стал изучать отталкивающую силу одних и тех же частиц. К понятию этой "особой" отталкивающей силы он добавил впоследствии понятие "особого веса". В день рождения ученого, 6 сентября 1803 года, в его лабораторной тетради появились заметки, имеющие историческую важность: он смог впервые составить таблицу атомной массы молекул и известных веществ – эти понятия в то время накладывались друг на друга. Атомная теория начала вырисовываться. Оставалось только окончательно сформулировать ее.