Третий. Еще алхимикам было известно: для того, чтобы превратить в киноварь всю ртуть и всю серу без остатка, нужно ваять их в определенном отношении, а именно: отвесить 86,2 части ртути и 133 части серы. Иначе либо сера, либо ртуть останутся в избытке. Но когда химики от твердых тел и жидкостей перешли к газам, в подобных числах возникла новая особенность. Газы легче было отмерять не в весовых единицах, а в объемных — ведь их собирали в бутыли. И тут-то при переходе от унций к литрам выявились удивительнейшие вещи. Например, если считать по весу, то аммиак состоит из 17,06 части водорода и 82,94 азота. Ничего особенного. А если считать по объему — то из трех объемов водорода и одного объема кислорода. Все числа получались целыми! Или другой пример. Разложили воду, собрали в одной бутыли кислород, в другой водород. И пришлось для кислорода брать бутыль ровно вдвое меньшего размера, чем для водорода.
Откуда взялись эти целые числа?
Ответы, которые нашел Джон Дальтон, оказались ошеломляюще простыми.
Почему далее не разлагаются элементы? Да потому, что они состоят из атомов одного сорта. Атомы же неделимы никакими способами.
Почему постоянен состав сложных веществ? Да потому, что сложное вещество состоит из сложных атомов — молекул, а каждая молекула — это соединение определенного числа атомов одного сорта с определенным числом атомов другого сорта или нескольких других сортов.
Почему появились целые числа? Да потому, что атомы неделимы и они не могут входить в состав молекул четвертушками или половинками, и значит, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. А молекула аммиака — из трех атомов водорода и одного атома азота.
Теперь можно было понять и закон сохранения материи при химических превращениях: куда могла материя деваться, если все превращения оказывались лишь переходом одних и тех же атомов от одного вещества к другому?
Но Дальтон не хотел ограничиваться объяснением уже открытых фактов. Только та теория хороша, которая позволяет предсказывать новые. И Дальтон сделал предсказания. Первое относилось к свойствам самих атомов. Раз непременное свойство любого вещества — его масса, вес, значит, это непременное свойство есть у каждого атома. И атомы разного сорта должны иметь разный вес.
Второе предсказание относилось к разным веществам, образованным одними и теми же элементами. Например, углерод с кислородом могут образовать два совершенно разных таза — угарный и углекислый. Азот с кислородом — четыре разных вещества. Было ясно и так, что одни и те же элементы входят в эти вещества в разных пропорциях. Дальтон объявил другое, а именно: что в таких соединениях весовые количества одного элемента, приходящиеся на одно и то же количество другого элемента, будут кратными, то есть будут относиться между собою как целые числа. Потому что в молекуле одного такого соединения может быть только два атома, скажем, углерода вместо одного, или три, или четыре, но уж никак не полтора атома — ведь атом не делится на половинки!
Дальтон сам проверил угарный и углекислый газы. В угарном газе на три весовые части углерода приходится четыре весовые части кислорода, а в углекислом — на те же три части углерода уже восемь частей кислорода. 8:4 = 2. Целое число!
Проверил Дальтон и соединения азота с кислородом. Там тоже получились целые числа.
Впрочем, у газов и раньше, когда имели дело с объемами, получались целые числа. А вот у твердых и жидких тел никаких простых соотношений никто никогда не наблюдал.
Дальтон взял два медных окисла — черный и красный. В черном оказалось по весу 79,9 % меди и 20,1 % кислорода, в красном — 88,8 и 11,2. Теперь надо было высчитать, сколько приходится меди на единицу веса кислорода в том и другом окисле. Дальтон разделил 79,9 на 20,1. Получилось 3,96. Потом разделил 88,8 на 11,2. Получилось 7,92.
Теперь оставалось разделить 7,92 на 3,96. И, конечно, получилось целое число: два. На один атом меди в молекуле черного окисла приходилось два атома меди в молекуле красного. Закон кратных отношений действовал безотказно…
С этого времени химики всего мира могли с карандашом или пером в руках подсчитывать, сколько исходных веществ надо взять, чтобы они нацело, без остатка, превратились в нужное новое вещество.
АТОМНЫЙ ВЕС
Первую таблицу атомных весов двадцати элементов составил сам Дальтон и поместил в книге "Новая система химической философии". Первый том ее вышел в 1808 году. Она именовалась так: "Таблица относительных весов мельчайших частичек газообразных и других тел". Относительных — потому что взвесить атом Дальтон не мог, а мог только попытаться выяснить, на сколько тот или иной атом тяжелей атома водорода.
Кроме относительных весов, в таблице были даны символы для химических элементов. Раньше каждому веществу давали свой символ. И потому своя знаки были не только у золота, ртути или серы, но и у поваренной соли, селитры, уксусной кислоты — вообще у любого, известного химикам вещества. Получалась китайская грамота.
Дальтон же все упростил: элемент обозначался своим символом, а соединение — символами элементов, в него входящих.
Правда, ни предложенные Дальтоном символы, ни обозначения, в его таблице относительные веса долго не продержались. Символы-значки были заменены первыми буквами латинских названий элементов. А относительные веса — другими, более точными числами.
Тем не менее в главном Дальтон оказался прав — у каждого элемента был только ему одному присущий атомный вес — число, показывающее, во сколько раз атом такого-то элемента тяжелее, чем атом водорода, или, впоследствии, чем одна шестнадцатая часть атома кислорода.
Точное определение этих чисел стало в принципе возможным после того, как появился закон Авогадро.
Амедео Авогадро, профессор Туринского университета в Италии, задумался над химическими реакциями, в которых из одних газообразных веществ получаются другие газообразные вещества. Например, над тем, как разлагается аммиак. Если полностью разложить один кубический дюйм аммиака, то из него получится ровно столько же азота и ровно три кубических дюйма водорода. Или, например, над тем, как получается углекислый газ. Если соединить кубический дюйм угарного газа с кубическим дюймом кислорода, то получится не два кубических дюйма углекислоты, а только один.
Что бы это могло значить? Почему более сложный газ всегда занимает ровно такой же объем, как один из исходных, и притом тот, которого было меньше?
Авогадро рассуждал примерно так.
Молекула сложного вещества образовалась из атомов простых веществ или молекул менее сложных веществ. Например, молекула аммиака состоит из атомов азота и водорода. Значит, в ней не может не быть хотя бы одной частицы азота. Значит, число полученных молекул аммиака не может быть больше числа атомов азота.
Но и сложные частицы аммиака, и простые частицы азота занимают один и тот же объем. Почему? Проще всего это можно было объяснить следующим: при одной и той же температуре и давлении в равных объемах находится одинаковое число частиц любого газа. Хоть легчайшего водорода, хоть тяжелой углекислоты.
Из этого обнаруженного Авогадро закона, которому подчиняется жизнь газов, оказалось возможным определить относительный атомный вес любого элемента. Надо только выделить его в виде газа или пара, собрать в сосуд, взвесить и сравнить его вес с весом другого такого же сосуда с водородом. Ведь от того, будете вы делить вес одного атома кислорода на вес одного атома водорода или же вес миллиарда атомов кислорода на вес миллиарда атомов водорода — результат измениться не может.
Так была определены атомные веса многих элементов, и все они оказались разными.
Легче водорода не нашлось ни одного элемента.
А наиболее тяжелым оказался висмут.
На самом деле еще тяжелей был уран, но правильно определить атомный вес урана долго не удавалось…
Когда исследователя находили какой-нибудь, новый элемент, то его атомный вес обязательно оказывался не таким, как у ранее известных.
Все же другие свойства атомов не были так индивидуальны. Цвет, вкус, запах, металлический блеск, растворимость, горючесть, способность образовывать кислоты, или, наоборот, щелочи — не были особым признаком. Этими свойствами обладали — пусть в развой мере — многие элементы, атомы многих сортов.
СКОЛЬКО ИХ?
В таблице Лавуазье, составленной в 1789 году, было двадцать шесть элементов. После того как Лавуазье объяснил, что такое простое тело и что такое — сложное, перечень известных химикам элементов стал расти с невиданной быстротой.
В том же 1789 году появились уран и цирконий, в 1791 — титан, в 1794 — иттрий, в 1797 — хром. Первый же год нового, XIX века ознаменовался открытием ниобия, второй — тантала, третий — церия и палладия, четвертый — родия, осмия, иридия. Затем после двухлетнего перерыва наступил черед калия, натрия, бария, стронция, магния, кальция и бора — все они были открыты великим охотником за элементами англичанином Хемфри Дэви. Второе десятилетие XIX века дало человечеству хлор, йод, литий, кадмий, селен. Третье — кремний, бром, алюминий, торий. Четвертое и пятое — маленькая передышка: всего три новых элемента — ванадий, лантан и рутений. А потом снова лавина: 1860 — цезий, 1861 — рубидий, 1862 — таллий, 1863-индий, 1868 — гелий…
