И снова таинственный атом

Полная картина влияния состава веществ на их свойства прояснится, писал М.Ломоносов, «не раньше, чем будет определено число химических элементов и будет точно изучена химическая природа их». Пока же, как мы видим у Лавуазье, в ряду химических элементов значатся свет и тепло. Было немало и других флюидов, среди них, в частности, пользовались полным признанием носители магнитных и электрических явлений.

Словом, алхимические воззрения не сдавали без боя своих позиций. Правда, о том, что составляло главную страсть алхимиков в прошлом — о золоте, в научной среде теперь говорить было не принято, это считалось дурным тоном, поскольку такое занятие полностью ассоциировалось с шарлатанством. И вот именно в такой обстановке известный учёный, член Лондонского Королевского общества Джемс Прис печатает вдруг отчёт об экспериментах, в которых ему якобы удались превращения металлов. Ему тотчас предложили выступить на заседании общества. Он отговаривался, ссылался на то, что весь запас философского камня уже израсходован — ничего не помогло, пришлось выступать. Конечно, ничего вразумительного показать членам общества Прис не смог.

Отвергнутый всем научным миром, заклеймённый его презрением, Прис отравился.

В 1800 г. учёные с изумлением, а обыватели с недоверием узнали о таком пророчестве профессора Гитанера: «В XIX веке превращение одних металлов в другие будет осуществлено. Каждый химик будет уметь изготовлять золото. Кухонная посуда будет изготовлена из золота и серебра. Это будет в значительной степени иметь своим результатом то, что мы будем ограждены от многих заболеваний и что наша жизнь будет продлена…»

Вторая половина XVIII — первая половина XIX в. ознаменовались открытием ряда элементов, о существовании которых ранее ничего не знали: кобальт, никель, платина, марганец, молибден, вольфрам, бериллий, титан, хром, калий, натрий, кальций, магний, барий, стронций, кадмий, торий, цезий… Шквал открытий! Бурно развивалось химическое производство, нарастало вполне понятное желание учёных всё многообразие свойств веществ и химических процессов объяснить с позиций единой теории.

Как ни странно, впечатляющие достижения практической химии не только не гасили надежду на достижение пророчества Гитанера, а скорее, подогревали её.

Герметические философы (так называли себя сторонники идеи превращения в золото неблагородных металлов) чурались старого алхимического хлама вроде магии и астрологии и в своих доказательствах опирались на данные современной науки. Они пытались убедить всех, что великие алхимики прошлого действительно умели получать золото из неблагородных металлов, только их секреты, к сожалению, утрачены. Такую, к примеру, точку зрения в 1832 г. высказал в своей «Истории алхимии» профессор Шмидер. В 1844 г. в Париже появился «Химический трактат», автор которого утверждал, что «есть надежда достигнуть осуществления великого дела». В 1854 г. нантский химик Тифферо представил Парижской академии «мемуар» с описанием опытов по превращению серебра в золото. Проверку этих опытов устроили в лаборатории монетного двора в присутствии авторитетного химика Леволя. К неудаче Тифферо парижские учёные отнеслись не в пример английским коллегам снисходительно: возможно, у него действительно «что-то получалось», ведь он имел дело с американским серебром, в котором были примеси золота и платины. Ни золото, ни платина в азотной кислоте не растворяются и выпадают в осадок, а заблуждающийся Тифферо посчитал, что они образуются из серебра.

Среди крупных учёных находились такие, которые достижения экспериментальной науки и усовершенствование техники эксперимента воспринимали как многообещающий подход к осуществлению идеи трансмутации «с другой стороны». Когда электричество широко вошло в физические и химические лаборатории в качестве инструмента исследования, не кто иной, как сам великий Фарадей, мнение которого никому и в голову не пришло бы опровергать, сказал буквально следующее: «Разлагать металлы, преобразовывать их и осуществить некогда казавшуюся абсурдной идею трансмутации — такова задача, которая стоит теперь перед химией».

Спустя десятилетия Э.Резерфорд, впервые осуществивший вторжение в атом, назвал свою книгу о ядерных превращениях «Современной алхимией». Если сопоставить этот факт с высказыванием Фарадея, можно при желании протянуть между ними ниточку. Только ниточка эта непременно порвётся, потому что идее трансмутации металлов суждено было сначала умереть, а потом снова воскреснуть.

Мы уже знакомы с атомистическими воззрениями Бойля, Ньютона, Ломоносова. В этом же ряду находится и голландский химик Герман Бургаве, предполагавший, что причиной химических реакций является притяжение и отталкивание мельчайших частиц вещества. Английский учёный Б.Хиггинс в работах 1775–1796 гг. высказал мнение, что молекулы вещества состоят из одного атома, сами же атомы твёрдые и круглые, как шарики. Силы притяжения между атомами обратно пропорциональны расстоянию между ними. Атомы окружены теплородной оболочкой: когда газы соединяются между собой, их атомы преодолевают сопротивление этой оболочки.

Племянник Б.Хиггинса У.Хиггинс, преподаватель Дублинского университета, написал книгу «Сравнительный анализ флогистонной и антифлогистонной теории» (1789). Работа эта знаменательна тем, что в ней сделана попытка установления постоянства состава химических соединений и высказано предположение о простых кратных отношениях.

Были другие работы, которые в историческом плане можно рассматривать как свидетельства логически неумолимого развития химии в направлении к атомно-молекулярной теории строения вещества.

Рождение химической атомистики связано с именем английского физика и химика Джона Дальтона (1766–1844).

«Занимаясь долгое время метеорологическими наблюдениями, — писал в 1810 г. Дальтон, — и размышляя о природе и строении атмосферы, я нередко удивлялся тому, как может сложная атмосфера или смесь двух или более упругих флюидов представлять массу явно однородную».

Пусть нас не смущает здесь слово «флюид» — его нередко встретишь в трудах учёных и гораздо позже: никакого алхимического смысла оно уже не имело.

Если верно, что науку движет удивление, любопытство, то пример с Дальтоном — лучшее тому доказательство. «Удивляясь и размышляя», он в 1787 г. пришёл к твёрдому убеждению, что испарение воды — это отрыв от неё частичек под воздействием теплоты. В 1801 г. сформулировал ставший классическим закон парциальных давлений: давление смеси газов, химически не взаимодействующих друг с другом, равно сумме их парциальных (свойственных каждому газу в отдельности) давлений. Через год вывел закон равномерного расширения газов с увеличением температуры (так уж случилось, что этот закон в то же самое время открыл французский учёный Ж.Гей-Люссак и под его именем вошёл в учебники по химии).

И наконец, формулирует исходные положения, которые в дальнейшем легли в основу стройной, хотя и противоречивой, атомистической теории. Вот эти положения:

Причиной «отталкивательной силы» (отталкивания газовых частиц друг от друга) является теплота (теплород). Частицы газов (упругих флюидов) состоят из маленького центрального атома, окружённого оболочкой теплорода, наиболее плотной непосредственно у атома. Частицы различных газов (упругих флюидов) имеют различный размер (поэтому смесь газов можно представить себе как смесь крупной и мелкой дроби: мелкие дробинки занимают промежутки, образуемые крупными).

В 1803 г. Дальтон приступил к химическим исследованиям, поставив перед собой цель определить экспериментально величину частиц. Такой цели ещё никто никогда не ставил.

Чтобы найти размер частицы, нужно, очевидно, какой-то объём газа разделить на число составляющих его частиц. Ну, а как узнать, сколько в этом объёме частиц? Надо знать вес частицы — тогда всё просто: вес газа, занимающего данный объём, разделим на вес частицы… Так появляется на свет важнейшая физическая и химическая характеристика элемента — атомный вес (ныне — атомная масса).