ОТ АТОМОВ К МОЛЕКУЛАМ
Означает ли многообразие веществ, существующих в природе, что и число различных видов атомов также бесконечно велико?
«В мире существует бесконечное число атомов... Атомы обладают бесконечным числом форм. Число форм бесконечно, потому что в природе нет оснований, чтобы оно было ограничено определённым значением, чтобы оно было таким, а не иным». Так, по свидетельству философа Симплиция (VI в.), отвечал на этот вопрос Левкипп, а вслед за ним его друг и ученик Демокрит.
Однако уже Аристотель заметил, что для объяснения наблюдаемых явлений не обязательно допускать существование бесконечного числа различных атомов, ибо и на основе их «ограниченного числа можно было доказать всё то же самое».
Здесь Аристотель оказался прав. В настоящее время известно, что число различных атомов действительно ограниченно, - их лишь немногим более 100. Большинство же веществ построено из молекул - разнообразных сочетаний этих атомов. Например, молекула углекислого газа состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода (СО2), молекула воды - из двух атомов водорода и одного атома кислорода (Н2О) и т. д. Но это мы знаем сейчас. В конце XVIII в., когда английский физик, химик и метеоролог Джон Дальтон приступал к исследованию свойств мельчайших частиц вещества, об атомах и молекулах знали почти столько же, сколько за 2 тыс. лет до этого. Тем не менее, учёный не побоялся бросить вызов природе, взявшись «взвесить» то, что увидеть было невозможно.
Немногим ранее французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743 - 1794) открыл закон сохранения массы в химических реакциях и впервые разделил все вещества на химические элементы и химические соединения. Дальтон пошёл дальше. Он возродил атомистику и в основу своей теории положил следующие постулаты:
· Все химические элементы состоят из мельчайших частиц, называемых атомами.
· Атомы данного химического элемента имеют одинаковые массу и химические свойства.
· Атомы разных элементов имеют различные массу и химические свойства.
· Атомы могут соединяться в простых целочисленных отношениях, образуя соединения.
Возможно ли определить массу того или иного конкретного атома? Никому раньше в голову не приходило, что такое реально. Да и сами атомы – существуют ли они? У Дальтона на этот счёт сомнений не возникало. Он был настолько убеждён в существовании атомов, что иногда ему казалось: он их видит воочию.
«Взвесить» атомы Дальтон не мог. Тогда он решил определить их относительную массу, т. е. принять, например, массу атома водорода за единицу и посмотреть, чему будут равны массы всех остальных атомов в сравнении с массой атома водорода.
К тому времени уже был известен состав многих химических соединений. Например, удалось установить, что вода состоит из водорода и кислорода. Химический анализ показывал, что при образовании воды 1 г водорода соединяется с 8 г кислорода. Первым, кто попытался объяснить этот факт, был Дальтон. Не имея возможности руководствоваться какими-либо иными соображениями, он решил исходить из «принципа простоты».
Если известно только одно соединение двух данных элементов А и В, то оно должно состоять из двухатомных молекул (которые сам Дальтон называл «сложными атомами») типа AB. Следующими по простоте являются комбинации АВ2 и А2В; поэтому, если известны два или три соединения данных элементов, их молекулы должны описываться тремя формулами.
Основываясь на этом принципе, Дальтон предположил, что молекула воды двухатомна и имеет (в современных обозначениях) формулу НО. Отсюда следовало, что в 1 г водорода и 8 г кислорода содержится одинаковое число частиц. Но если это, верно, значит, каждый атом кислорода в восемь раз тяжелее атома водорода. Так Дальтон впервые получил значение относительной атомной массы кислорода.
Изучение иных химических соединений позволило Дальтону составить целую таблицу относительных атомных масс всевозможных химических элементов. В 1803 г. он обнародовал результаты этих исследований. Учёный сознавал, что является первопроходцем в новой, неизведанной пока области, и потому в своём сообщении подчеркнул: «Рассмотрение роли относительной тяжести мельчайших частичек тел, насколько я знаю, является совершенно новым предметом исследования. Я начал недавно эти работы и достиг некоторых успехов». Значение его исследований трудно переоценить. Ничего подобного в науке ещё не было. Впервые человек своим разумом проник в микромир и на языке чисел описал то, что невозможно было увидеть.
Однако «принцип простоты», которым руководствовался Дальтон, сильно подвёл его. Позволив в одних случаях получить правильные результаты, во многих других он привёл к неверным выводам. Ошибочной оказалась и формула молекулы воды, предложенная Дальтоном, а вместе с ней и относительная атомная масса кислорода.
Эти ошибки были обнаружены и исправлены итальянским учёным Амедео Авогадро. В 1811 г. вышла его статья под названием «Очерк метода определения относительных масс элементарных молекул тел и пропорций, согласно которым они входят в соединения», В ней указывалось, что все проблемы, связанные с установлением относительных масс частиц вещества, могут быть легко решены, если предположить, что при одинаковых условиях в равных объёмах любых газов содержится одинаковое число молекул. Теперь это утверждение называют законом Авогадро. Из него следует, что отношение масс молекул газов совпадает с отношением их плотностей при одинаковых давлениях и температурах
Так Авогадро обнаружил удивительно простое решение задачи о нахождении относительной молекулярной массы. Для этого, оказывается. необходимо знать лишь плотности р соответствующих газов. В качестве примера он рассчитал относительную молекулярную массу кислорода. Подставив в свою формулу плотности кислорода и водорода, учёный пришёл к выводу, что масса молекулы кислорода примерно в 15 раз превышает массу молекулы водорода (несколько позднее было получено более точное значение - 16).
Понятие относительной молекулярной массы сохранилось до нашего времени. Только теперь (начиная с 1960 г.) при её расчёте за основу берут не массу атома водорода, а 1/12 массы атома углерода (её называют атомной единицей массы; а.е.м.= 1,6605655(86) 10 -27 кг).
Следующим шагом в развитии молекулярных представлений было определение состава молекул различных соединений, в частности воды. Для этого Авогадро воспользовался экспериментальным фактом, установленным несколькими годами ранее французским химиком и физиком Жозёфом Луи Гей-Люссаком (1778-1850). В 1808 г. он обнаружил, что для образования водяного пара объемом 2V нужно, чтобы в реакции участвовали водород такого же объёма и кислород объёма V. Схематически это можно изобразить следующим образом:
2V(водород) + V(кислород) ®2V(вода).
До открытия закона Авогадро этот факт мало о чём говорил. Ведь частицы газообразного водорода могли быть расположены вдвое дальше друг от друга, чем атомы газообразного кислорода, и потому обнаруженная разница в объёмах могла не иметь никакого отношения к числу молекул. Однако после того, как закон был установлен, ситуация резко изменилась. Равные объёмы газов (при одинаковых условиях) содержат одинаковые количества молекул. Пусть в объёме V находится N молекул, тогда в объёме 2 V будет содержаться 2 N молекул и приведённое выше уравнение примет вид:
2N (водород) + N (кислород) ®2 N (вода)
или (после сокращения на N)
2 молекулы водорода + 1 молекула кислорода ® 2 молекулы воды.
Проанализировав полученное соотношение, Авогадро пришёл к выводу, что молекулы водорода и кислорода двухатомны. Если бы это было не так и молекулы водорода и кислорода были одноатомными, то имело бы место следующее уравнение:
2Н+O – Н2О,
Но здесь образуется лишь одна молекула воды, в то время как на самом деле их должно быть две. Если молекулы водорода и кислорода содержат по два атома, то мы сразу приходим к правильному уравнению:
2Н2+O®2Н2О.
Так Авогадро впервые установил, из скольких атомов состоят молекулы водорода, кислорода и воды. Впоследствии им, а затем и другими учёными была определена структура всех остальных известных молекул. Оказалось, что число атомов в молекулах может достигать нескольких десятков, а в отдельных случаях даже сотен и тысяч (у некоторых витаминов и белков).
Несмотря на всю важность полученных Авогадро результатов, у многих учёных XIX в. осталось чувство неудовлетворённости. Большинство из них продолжали сомневаться: а существуют ли на самом деле атомы? Ведь их по-прежнему никто не видел. Французский химик Жан Батист Дюма (1800-1884) писал: «Если бы это зависело от меня, я бы искоренил в науке слово атом, потому что я убеждён, что оно выходит за пределы проверяемого опытом, а химия никогда не должна выходить за границы проверяемого экспериментом».
Между тем в 1827 г. английский ботаник Роберт Браун (1773-1858) сделал открытие, которому было суждено сыграть очень важную роль в победе атомно-молекулярного учения. Наблюдая в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде, он обнаружил странное явление: частицы взвеси непрерывно двигались, описывая самые причудливые траектории. Впоследствии беспорядочное движение взвешенных в жидкости мелких частичек другого вещества стали называть брауновским движением.
Понимание истинной причины этого движения пришло не сразу. Потребовалось почти полвека, прежде чем бельгийский учёный Иньяс Карбонелль предположил, что брауновское движение частицы вызвано ударами молекул окружающей жидкости.
В ходе изучения брауновского движения было установлено, что это движение универсально (поскольку наблюдалось решительно у всех веществ, взвешенных в распылённом состоянии в жидкости), непрерывно (в закрытой со всех сторон колбе его можно наблюдать неделями, месяцами, годами) и хаотично (беспорядочно). Причём движения даже тех брауновских частиц, которые располагались довольно близко друг к другу, были совершенно независимыми, так что не могло быть и речи о том, что их причиной служат какие-либо потоки в самой жидкости. Всё это свидетельствовало о том, что молекулы жидкости находятся в состоянии непрерывного и беспорядочного движения.
Первая количественная теория брауновского движения появилась лишь в 1905 г. Её автором был Альберт Эйнштейн. Составив уравнение, описывающее брауновское движение, и решив его, учёный получил следующее соотношение: <х 2> = b(T/NA)t, (2) где <х> - среднее значение квадрата смещения брауновской частицы вдоль оси Х за время t, Т - абсолютная температура жидкости, b - коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров брауновских частиц и вязкости жидкости, а NA - универсальная физическая константа, называемая постоянной Авогадро. Она показывает, во сколько раз атомная единица массы (а. е. м.) меньше одного грамма (г). Узнав, чему она равна, можно сразу же пересчитать все относительные массы атомов и молекул в граммах и килограммах.
Для определения постоянной Авогадро методом Эйнштейна достаточно измерить значения <x 2>, b, T, и t, и подставить их в формулу (2). «Не перестаёшь удивляться этому результату, - писал известный американский физик-теоретик Абрахам Пайс (родился в 1918 г.), - полученному как бы из ничего: приготовьте взвесь сферических частиц, размер которых довольно велик по сравнению с диаметром простых молекул, возьмите секундомер да микроскоп и, пожалуйста, определяйте постоянную Авогадро!»
Теория Эйнштейна нашла полное подтверждение в экспериментальных исследованиях французского физика Жана Батиста Перрена (1870 - 1942). Он начал проводить их в 1908 г. и продолжал затем в течение нескольких лет. Через равные промежутки времени (Dt = 30 с) Перрен отмечал последовательные положения брауновской частицы, видимые в поле зрения микроскопа, и соединял затем эти положения прямолинейными отрезками,
Измерения, проведённые Перреном, показали, что постоянная Авогадро выражается числом 6´10 23. Измерения этой постоянной другими методами привели к такому же результату. (Современное значение - . 6,022045(31)´10 23)
Определение постоянной Авогадро позволило рассчитать массу m0 отдельных атомов и молекул, а путём деления массы всего тела m на m0 - и число частиц в этом теле.
Ссылаясь на эксперименты по брауновскому движению, и Вильгельм Фридрих Оствальд был вынужден признать, что они «позволяют даже осторожному учёному говорить об экспериментальном подтверждении атомного строения вещества». Перрен за свои работы по брауновскому движению получил Нобелевскую премию. Подводя итоги в 1912 г., он заявил: «Атомная теория восторжествовала. Некогда многочисленные, её противники повержены и один за другим отрекаются от своих взглядов, в течение столь долгого времени считавшихся обоснованными и полезными».
Для определения размеров молекул был проведён ряд опытов. В одном из них, осуществлённом в начале XX в. английским физиком Джоном Уильямом Стреттом, лордом Рэлеем (1842-1919),на поверхность воды поместили каплю масла. Масло стало растекаться, образуя плёнку. По мере растекания масла плёнка становилась всё тоньше и тоньше. Через некоторое время растекание прекратилось. Рэлей предположил, что это произошло, когда все молекулы масла образовали мономолекулярный слой, т. е. плёнку толщиной в одну молекулу. Разделив объём капли на площадь образовавшегося пятна, физик нашёл диаметр одной молекулы масла. Он оказался равным примерно 1,6´10-9 м.
Атомы и молекулы нельзя увидеть невооружённым глазом, так как разрешающая способность глаза не лучше 0,1 мм, что существенно больше размеров этих частиц. Оптические микроскопы позволяют достигнуть увеличения до 1500 крат, в результате чего становится возможным различать структуры с расстоянием между элементами до 2´10-7 м. Но даже такое расстояние намного больше атомных размеров.
Однако в середине XX в, удалось создать так называемые электронные микроскопы, в которых вместо световых лучей используются ускоренные пучки электронов. Они позволяют наблюдать и фотографировать изображения объектов при увеличении до 106 раз
Разрешающая способность таких микроскопов достигает десятых долей нанометра (от греч. «нанос» - «карлик» и «метрео» - «измеряю»; 1 нм = 10-9 м), благодаря чему стало возможно фотографировать изображения атомарных структур. Человеку удалось увидеть то, что 2,5 тыс. лет казалось принципиально недоступным познанию.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Наука не стоит на месте. Появляются сканирующие микроскопы, в которых датчиком наблюдательного устройства является остро заточенная игла, перемещающаяся над изучаемой поверхностью и реагирующая на изменение силы притяжения к её атомам или молекулам. Их разрешающая способность может составлять уже сотые доли нанометра. Наблюдение структур с масштабами порядка нанометра и менее делает возможным конструирование сверхминиатюрных электронных устройств. Роль проводов в подобных структурах выполняют химические связи, а элементами таких «молекулярных компьютеров» становятся соединённые этими связями фрагменты молекул. Нанометрия становится основой будущей технологии - нанотехнологии XXI столетия.
