Морозова Елена Германовна , кандидат химических наук Введение в естествознание (учебное пособие) Рецензент: кандидат геолого-минералогических наук, священник Константин Буфеев Учебное пособие представляет собой курс естествознания, который может быть использован в системе высшего гуманитарного и среднего общего образования.
Например, одна весовая часть водорода соединяется с 8 весовыми частями кислорода, образуя воду. Если молекула воды состоит из одного атома водорода и одного атома кислорода, то атом кислорода в 8 раз тяжелее атома водорода. Обратно, если мы знаем, например, что атом железа в 3,5 раза тяжелее, чем атом кислорода, то из соотношения весов m (Fe ): m (О)
= 2,333 следует, что на два атома железа в данном соединении приходится три атома кислорода, т. е., формула соединения —Fe 2O 3. Рассуждая таким образом, Дальтон составил первую в истории таблицу атомных весов элементов. К сожалению, она оказалась во многих отношениях неверной, поскольку при определении атомных весов Дальтон часто исходил из неправильных молекулярных формул.
Он считал, что атомы элементов почти всегда (за редким исключением) соединяются попарно. Формула воды по Дальтону — НО. Кроме того, Дальтон был уверен, что молекулы всех простых веществ содержат по одному атому. Правильные формулы воды и многих других веществ были определены при исследовании химических реакций в газовой фазе. Французский химик Жозеф-Луи Гей-Люссак (1778-1850)
обнаружил, что объемы реагирующих газов относятся друг к другу и к объемам газообразных продуктов реакции как небольшие целые числа. Один объем водорода реагирует с одним объемом хлора и получается два объема хлороводорода. Это эмпирическое правило было опубликовано в 1808 году и получило название «закон объемных отношений». Подлинный смысл закона объемных отношений выяснился после великого открытия итальянского химика Амедео Авогадро (1776-1856)
, который предположил, что в равных объемах любых газов содержится одинаковое число молекул при постоянных температуре и давлении. Это означает, что все газы ведут себя в некотором смысле одинаково и что объем газа при заданных условиях не зависит от химической природы газа, а определяется только числом частиц. Измеряя объем, мы можем определить число частиц (атомов и молекул) в газовой фазе.
Великая заслуга Авогадро состоит в том, что он смог установить простую связь между наблюдаемой макроскопической величиной (объемом) и микроскопическими свойствами газообразных веществ (числом частиц). Анализируя объемные соотношения Гей-Люссака и используя свою гипотезу, которую впоследствии назвали законом Авогадро, он установил, что молекулы газообразных простых веществ (кислорода, азота, водорода, хлора) двухатомны.
Действительно, при реакции водорода с хлором объем не изменяется, следовательно, число частиц также не меняется. Если предположить, что водород и хлор одноатомны, то за счет реакции присоединения объем должен уменьшиться в два раза. Но раз объем не изменяется, значит молекулы водорода и хлора содержат по два атома, и реакция идет по уравнению: Н2+ CJ 2 = 2HCI .
Аналогично можно установить молекулярные формулы воды, аммиака, углекислого газа и других веществ. К сожалению, современники не признали результаты Авогадро. Ведущие химики того времени Дальтон и Берце-лиус возражали против того, что молекулы простых веществ могут быть двухатомны, поскольку полагали, что молекулы образуются только из разных атомов (положительно и отрицательно заряженных).
Под давлением таких авторитетов гипотеза Авогадро была отвергнута и постепенно забыта. Лишь почти через 50 лет, в 1858 году итальянский химик Станислав Канницаро (1826-1910) случайно обнаружил работу Авогадро и увидел, что она позволяет четко разграничить понятия «атом» и «молекула» для газообразных веществ. Именно Канницаро предложил определения атома и молекулы и внес полную ясность в понятия «атомный вес» и «молекулярный вес». В 1860 году в г.
Карлсруэ в Германии состоялся Первый международный химический конгресс, на котором после долгих дискуссий основные положения атомно-молекулярной теории получили всеобщее признание. Интересно то, что при открытии атомов теория была впереди эксперимента (через 2000 лет теория метафизиков была доказана). В случае молекул эксперимент опередил теорию: идея существования молекул была выдвинута для объяснения экспериментальной закономерности кратных отношений.
В этом смысле история атомно-молекулярной теории является характерным примером, который отражает разные механизмы научных открытий. После доказательства существования атомов и молекул важнейшим открытием атомно-молекулярной теории стал закон сохранения массы, который в 1748 г. был сформулирован в виде философской концепции великим русским ученым Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711-1765)
, а затем подтвержден экспериментально им самим в 1756 г. В 1789 г. независимо от русского учёного закон был сформулирован французским химиком А. Л. Лавуазье: масса всех веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции. Опыты по сжиганию веществ наводили на мысль о том, что масса веществ в процессе реакции не сохраняется.
При нагревании на воздухе ртуть превращалась в красную окалину, масса которой была больше массы металла. Масса золы, образующейся при сгорании дерева, напротив, всегда меньше массы исходного вещества. Немецкий врач и химик Эрнс Шталь (1660-1734) пытался объяснить эти явления тем, что горючие вещества содержат некую субстанцию — флогистон (от греческого флогистос—горючий)
, которая в процессе горения улетучивается или передается от одного вещества к другому. Это означало, что горение вещества есть реакция разложения на флогистон и негорючий остаток. Но тогда получалось, что есть положительный флогистон (содержится в дереве), который приводит к уменьшению массы при горении, и отрицательный (в металлах), который дает увеличение массы.