Наиболее важная из всех химических теорий — это атомистическая теория. В 1805 г. английский химик и физик Джон Дальтон (1766— 1844, Манчестер, Великобритания) сформулировал гипотезу, согласно которой все вещества состоят из мелких частиц разного вида, соответствующих разным элементам. Он назвал эти частицы атомами (от греческого слова atomos — неделимый). Эта гипотеза давала простое объяснение ранее наблюдавшимся, но неудовлетворительно истолкованным соотношениям между весовыми количествами веществ, участвующих в химических реакциях. Дальнейшие работы в области химии и физики подтвердили атомистическую гипотезу Дальтона, и она стала атомистической теорией. Существование атомов ныне признано фактом.
Стремительный прогресс химической науки в текущем столетии наглядно прослеживается по расширению представлений об атомах. В популярных учебниках по химии, издаваемых в начале века, атомы определяли как «...воображаемые частицы, из которых состоят тела». Статья «Атом», опубликованная в 1910 г. в 11-м издании «Британской энциклопедии», заканчивалась словами: «...Атомистическая теория представляла огромную ценность для химиков, однако в истории науки известны случаи, когда гипотеза, оказавшаяся полезной для получения и систематизации знаний, отбрасывалась и заменялась другой гипотезой, лучше согласующейся с новейшими открытиями. Некоторые известные химики полагали, что и атомистическую теорию постигнет та же участь... Но дальнейшее открытие радиоактивности подтвердило существование атома, хотя и показало, что атом не столь уж вечен и неизменен, как представляли себе Дальтон и его предшественники...» Теперь же, по прошествии всего лишь двух третей века, ученые располагают точным знанием структуры и свойств атомов и молекул. Атомы и молекулы нельзя уже больше считать «воображаемыми».
Аргументы Дальтона в поддержку атомистической теории
Представление об атомах очень древнее. Уже греческий философ Демокрит (около 460—370 гг. до н. э.), а он позаимствовал некоторые идеи у еще более ранних философов, утверждал, что Вселенная состоит из пустоты (вакуума) и атомов. Атомы вечны и неделимы, абсолютно малы, настолько малы, что их размеры уже не могут стать меньше. Он считал, что атомы разных веществ, например воды и железа, в основном одинаковы и различаются лишь чисто внешне; атомы воды, будучи гладкими и круглыми, могут скользить друг относительно друга, тогда как атомы железа, будучи шероховатыми и зазубренными, цепляются один за другой и образуют твердое тело.
Атомистическая теория Демокрита была чисто умозрительной и слишком общей для того, чтобы быть полезной. Между тем атомистическая теория Дальтона уже представляла собой гипотезу, объясняющую многие факты достаточно просто и разумно.
В 1785 г. французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743—1794) наглядно показал, что при химической реакции не происходит (в пределах точности измерений) изменения массы реагирующих и образующихся веществ — масса продуктов реакции равна массе реагентов, вступающих в реакцию.
В 1799 г. французским химиком Жозефом Луи Прустом (1754— 1826) был сформулирован другой общий закон — закон постоянства состава. Этот закон утверждает, что различные образцы одного и того же вещества содержат элементарные составляющие (элементы) в одинаковых соотношениях. Так, путем анализа установлено, что в любом образце воды два элемента — водород и кислород — присутствуют в весовом соотношении 1 : 8. Один грамм водорода и 8 г кислорода, соединяясь, образуют 9 г воды.
Дальтон выдвинул гипотезу, согласно которой элементы состоят из атомов, причем все атомы одного и того же элемента идентичны; соединения же образуются в результате сочетания определенного числа атомов одного элемента с определенным числом атомов другого элемента (или, в общем случае, в результате сочетания атомов двух или нескольких элементов при определенном числе атомов каждого из них). Таким образом он смог дать простое объяснение закона сохранения массы и закона постоянства состава.
Молекула представляет собой группу взаимосвязанных атомов. Если молекула воды образуется путем сочетания двух атомов водорода и одного атома кислорода, то масса молекулы в соответствии с законом сохранения массы должна быть равна сумме масс двух атомов водорода и одного атома кислорода. Постоянство состава того или иного соединения объясняется, таким образом, определенным соотношением между атомами разных элементов в молекулах данного соединения.
Дальтон сформулировал также еще один закон, закон простых кратных отношений*. Этот закон утверждает, что если два элемента, соединяясь, образуют несколько соединений, то весовые количества одного элемента, соединяющиеся с одним и тем же весовым количеством другого, относятся между собой как небольшие целые числа. Экспериментально установлено, что вода состоит из водорода и кислорода в весовом соотношении 1 :8, а перекись водорода состоит из водорода и кислорода в весовом соотношении 1:16. Весовые количества кислорода, соединяющиеся с одним и тем же количеством водорода, равным 1 г, в воде и перекиси водорода будут равны соответственно 8 г и 16 г; эти количества кислорода относятся между собой как небольшие целые числа 1 к 2. Это соотношение можно объяснить, исходя из того, что при образовании перекиси водорода (пероксида водорода) с одним атомом водорода соединяется вдвое больше атомов кислорода, чем при образовании воды. Наглядной иллюстрацией этого положения служит рис. 2.1, на котором показаны символы, использованные Дальтоном для обозначения атомов некоторых элементов и молекул соединений.
Дальтон не мог установить точных формул соединений, и поэтому он произвольно выбрал возможно более простые формулы; так, он предполагал, что молекула воды состоит из одного атома водорода и одного атома кислорода, как показано на рис. 2.1, хотя в действительности она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Рис. 2.1. Символы атомов и формулы молекул, использованные Джоном Дальтоном примерно в 1803 г. Некоторые формулы Дальтона были ошибочны.
* Открытие закона простых кратных отношений явилось первым крупным успехом атомистической теории Дальтона. Этот закон был установлен не на основании опытных данных, а выведен исходя из положений атомистической теории и уже затем проверен экспериментально.