2.2. Атомістична теорія

Найважливіша з усіх хімічних теорій — це атомістична теорія. У 1805 р. англійський хімік і фізик Джон Дальтон (1766— 1844, Манчестер, Великобританія) сформулював гіпотезу, згідно з якою всі речовини складаються з дрібних частинок різного виду, що відповідають різним елементам. Він назвав ці частинки атомами (від грецького слова atomos — неподільний). Ця гіпотеза давала просте пояснення раніше спостережуваним, але незадовільно витлумаченим співвідношенням між масовими кількостями речовин, що беруть участь у хімічних реакціях. Подальші роботи в галузі хімії та фізики підтвердили атомістичну гіпотезу Дальтона, і вона стала атомістичною теорією. Існування атомів нині визнано фактом.

Стрімкий прогрес хімічної науки в нинішньому столітті наочно простежується за розширенням уявлень про атоми. У популярних підручниках з хімії, що видавалися на початку століття, атоми визначали як «...уявні частинки, з яких складаються тіла». Стаття «Атом», опублікована в 1910 р. в 11-му виданні «Британської енциклопедії», закінчувалася словами: «...Атомістична теорія становила величезну цінність для хіміків, проте в історії науки відомі випадки, коли гіпотезу, що виявилася корисною для здобування й систематизації знань, відкидали і замінювали іншою гіпотезою, яка краще узгоджується з новітніми відкриттями. Деякі відомі хіміки вважали, що й атомістичну теорію спіткає така сама доля... Але подальше відкриття радіоактивності підтвердило існування атома, хоча й показало, що атом не такий уже вічний і незмінний, як уявляли собі Дальтон та його попередники...» Тепер же, по закінченні лише двох третин століття, учені мають точне знання структури і властивостей атомів та молекул. Атоми й молекули не можна вже більше вважати «уявними».

Уявлення про атоми дуже давнє. Вже грецький філософ Демокріт (близько 460—370 рр. до н. е.), а він запозичив деякі ідеї в ще давніших філософів, стверджував, що Всесвіт складається з порожнечі (вакууму) й атомів. Атоми вічні й неподільні, абсолютно малі, настільки малі, що їхні розміри вже не можуть стати меншими. Він вважав, що атоми різних речовин, наприклад води й заліза, в основному однакові й різняться лише суто зовні; атоми води, будучи гладенькими й круглими, можуть ковзати один відносно одного, тоді як атоми заліза, будучи шорсткими й зазубленими, чіпляються один за одного й утворюють тверде тіло.

Атомістична теорія Демокріта була суто умоглядною і надто загальною, щоб бути корисною. Тим часом атомістична теорія Дальтона вже становила гіпотезу, яка пояснює багато фактів досить просто й розумно.

У 1785 р. французький хімік Антуан Лоран Лавуазьє (1743—1794) наочно показав, що при хімічній реакції не відбувається (в межах точності вимірювань) зміни маси речовин, що реагують і утворюються, — маса продуктів реакції дорівнює масі реагентів, які вступають у реакцію.

У 1799 р. французький хімік Жозеф Луї Пруст (1754— 1826) сформулював інший загальний закон — закон сталості складу. Цей закон стверджує, що різні зразки однієї й тієї самої речовини містять елементарні складники (елементи) в однакових співвідношеннях. Так, шляхом аналізу встановлено, що в будь-якому зразку води два елементи — Гідроген і Оксиген — присутні в масовому співвідношенні 1 : 8. Один грам водню і 8 г кисню, сполучаючись, утворюють 9 г води.

Дальтон висунув гіпотезу, згідно з якою елементи складаються з атомів, причому всі атоми одного й того самого елемента ідентичні; сполуки ж утворюються внаслідок сполучення певного числа атомів одного елемента з певним числом атомів іншого елемента (або, в загальному випадку, внаслідок сполучення атомів двох чи кількох елементів при певному числі атомів кожного з них). Таким чином він зміг дати просте пояснення закону збереження маси і закону сталості складу.

Молекула являє собою групу взаємопов'язаних атомів. Якщо молекула води утворюється шляхом сполучення двох атомів Гідрогену й одного атома Оксигену, то маса молекули відповідно до закону збереження маси має дорівнювати сумі мас двох атомів Гідрогену й одного атома Оксигену. Сталість складу тієї чи іншої сполуки пояснюється, таким чином, певним співвідношенням між атомами різних елементів у молекулах цієї сполуки.

Дальтон сформулював також ще один закон, закон простих кратних відношень*. Цей закон стверджує, що якщо два елементи, сполучаючись, утворюють кілька сполук, то масові кількості одного елемента, які сполучаються з однією й тією самою масовою кількістю іншого, відносяться між собою як невеликі цілі числа. Експериментально встановлено, що вода складається з Гідрогену й Оксигену в масовому співвідношенні 1 : 8, а гідроген пероксид складається з Гідрогену й Оксигену в масовому співвідношенні 1:16. Масові кількості Оксигену, які сполучаються з однією й тією самою кількістю Гідрогену, що дорівнює 1 г, у воді й гідроген пероксиді будуть дорівнювати відповідно 8 г і 16 г; ці кількості Оксигену відносяться між собою як невеликі цілі числа 1 до 2. Це співвідношення можна пояснити, виходячи з того, що при утворенні гідроген пероксиду (пероксиду водню) з одним атомом Гідрогену сполучається вдвічі більше атомів Оксигену, ніж при утворенні води. Наочною ілюстрацією цього положення слугує рис. 2.1, на якому показано символи, використані Дальтоном для позначення атомів деяких елементів і молекул сполук.

Дальтон не міг установити точних формул сполук, і тому він довільно вибрав якомога простіші формули; так, він припускав, що молекула води складається з одного атома Гідрогену й одного атома Оксигену, як показано на рис. 2.1, хоча насправді вона складається з двох атомів Гідрогену й одного атома Оксигену.

Рис. 2.1. Символи атомів і формули молекул, використані Джоном Дальтоном приблизно в 1803 р. Деякі формули Дальтона були помилковими.

* Відкриття закону простих кратних відношень стало першим великим успіхом атомістичної теорії Дальтона. Цей закон було встановлено не на підставі дослідних даних, а виведено виходячи з положень атомістичної теорії і вже потім перевірено експериментально.