4.9. Відкриття правильних значень атомних мас. Ізоморфізм

У перші роки існування атомної теорії надійних відомостей про істинні відносні маси різних елементів не було. Дальтон приймав атомні маси такими, щоб виходили прості формули сполук. Аж до 1858 р. багато хіміків формулу води записували у вигляді HO. Саме цього року Станіслао Канніццаро дуже ефективно застосував принцип, відкритий задовго до того Авогадро (1811 р.), і переконав більшість хіміків у тому, що атомні маси, одержані на підставі цього принципу, можна вважати правильними. Докладніше цей принцип розглянуто в підрозд. 4.10. 

Рис. 4.4. Ізоморфні кристали родохрозиту й кальциту (гексагональна система).

Деякі інші методи визначення правильних атомних мас також було розроблено в першій половині XIX ст. Один із них ґрунтується на використанні явища ізоморфізму.

У 1819 р. німецький хімік Ейльгард Мітчерліх (1794—1863) відкрив явище ізоморфізму — існування різних речовин, що утворюють кристали майже однакової форми, — і запропонував правило ізоморфізму, згідно з яким речовини, що утворюють ізоморфні кристали, мають близькі хімічні формули.

Як приклад ізоморфізму можна розглянути кристали мінералів родохрозиту MnCO₃ і кальциту CaCO₃. Як видно з рис. 4.4, кристали цих двох речовин дуже схожі. Обидва кристали належать до гексагональної кристалічної системи (див. підрозд. 2.5) і мають чітко виражену ромбоедричну спайність. Більший із двох ромбоедричних кутів кристала родохрозиту становить 102°50', а кальциту—101°55'. Дані, що підтверджують ізоморфність цих кристалів, встановлено понад сто років тому. Після відкриття дифракції рентгенівських променів вдалося переконатися, що ці кристали справді мають однакову структуру.

Роботи англійського хіміка Генрі Е. Роско з визначення правильної атомної маси Ванадію можуть правити за ілюстрацію використання правила ізоморфізму. Ще в 1831 р. Берцеліус приписав Ванадію атомну масу 68,5. Роско в 1867 р. звернув увагу на те, що формула мінералу ванадиніту, який утворює гексагональні кристали, не схожа на відповідні формули інших гексагональних мінералів, хоча його ізоморфність із цими мінералами була цілком очевидною:

За аналогією з іншими наведеними тут мінералами ванадиніт повинен мати формулу Pb₅(VO₄)₃Cl. Повторно вивчивши сполуки Ванадію, Роско встановив, що саме ця остання формула є точною і що Берцеліус прийняв ванадій(II) оксид VO за просту речовину. Нині атомну масу Ванадію прийнято рівною 50,942.

Спостерігаються й деякі винятки з правила ізоморфізму. Одним із прикладів може бути гідроксиапатит, який за формою кристалів ізоморфний апатиту, хоча у формулі гідроксиапатиту є додатковий атом. Таке відхилення від правила пояснюється тим, що атом Гідрогену значно менший за решту атомів, і в кристалі гідроксиапатиту атоми Гідрогену розташовуються в проміжках між більшими атомами, які утворюють кристалічну ґратку апатиту.