ВОЗНИКНОВЕНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ АТОМИСТИКИ
ДЖОН ДАЛЬТОН И ЕГО АТОМНОЕ УЧЕНИЕ
Во второй половине XVIII в. естествоиспытатели считали атомное строение материи само собой разумеющимся. Однако его рассматривали лишь в качестве натурфилософской теории и не применяли при объяснении химических явлений. Господствовавшее в то время представление об особой роли в составе тел невесомых флюидов (свет, теплота и др.) не содействовало внедрению атомистики в химию. Заслуга в использовании атомного учения для объяснения закономерностей состава веществ принадлежит английскому ученому Джону Дальтону (1766— 1844). Он был сыном ткача и систематического образования не
получил. С четырнадцатилетнего возраста Дж. Дальтон работал в качестве помощника учителя и в дальнейшем в течение всей жизни занимался преподаванием. В юности он интересовался метеорологией, занимался журналистикой. В 1794 г. Дж. Дальтон вступил в Манчестерское литературное и философское общество, и вся его дальнейшая научная деятельность была связана с этим обществом. Первые исследования Дж. Дальтона посвящены изучению состояния атмосферы. В 1793 г. появилась его книга о метеорологических наблюдениях и опытах. В этой работе Дж. Дальтон выступил против господствовавшей в то время
теории растворения водяных паров в атмосфере. Он показал, что водяные пары являются составной частью смеси газов атмосферы и их содержание зависит от температуры. Продолжая свои исследования смесей газов, Дж. Дальтон в самом начале XIX в. воспользовался при объяснении их свойств корпускулярной теорией. Он высказал мысль, что частицы газов отталкиваются друг от друга с одинаковой силой независимо от их природы, и на этой основе высказал, а затем и доказал экспериментально закон парциальных давлений. В частности, он сделал обобщающий вывод: «Все газы объединяют свои усилия, чтобы противодействовать давлению атмосферы или иному давлению, которое может на них действовать» ’.
Физическую теорию газовой смеси критиковал К. Бертолле и другие ученые, которые поддерживали теорию химического растворения газов атмосферы. Это помогло Дж. Дальтону подтвердить свои идеи. Вместе с У. Генри Дж. Дальтон сформулировал закон растворимости газов в жидкостях: «Если некоторое количество воды, свободной от воздуха, взбалтывается со смесью двух или более газов, то вода . поглотит такое же количество каждого газа, как если бы он присутствовал отдельно при той же плотности»2.
Разработка Дж. Дальтоном теории газовых смесей оказалась логической ступенью в развитии химической атомистики. Он не совершил никакого прыжка в переходе от физической к химической атомистике. Корпускулярные представления привели его к выводу о величине частиц различных газов, или, как он выражался, атомов (1803). После этого он и перешел к изучению различий в величине частиц газов по массе.
Еще при объяснении взаимной диффузии газов Дж. Дальтон разработал модель газовой частицы, или атома. С целью наглядности (для целей преподавания) он изображал атомы газов в виде кубов различной величины и окраски. В центре куба — ядро атома, от которого расходятся лучи, изображающие тепловую атмосферу атома. Плотность ее уменьшается с расстоянием от ядра. На основе такой грубой модели были сделаны важные умозаключения. Так, Дж. Дальтон установил, что число частиц в определенном объеме газа пропорционально массе газа в этом объеме. Отсюда следует, что плотность газа, отнесенная к плотности наиболее легкого газа (водорода) при постоянных условиях, представляет собой относительную массу атомов.
В дальнейшем Дж. Дальтон принял в качестве модели атома сферу, также окруженную тепловой атмосферой (теплородом). Он искал доказательство гипотезы о различии размеров и массы атомов различных газов. В процессе этих поисков он обратил внимание на реакцию образования оксида азота (II) из азота и кислорода. При объяснении этой реакции он рассуждал так:
если равные объемы обоих газов дают соединение, то из двух исходных объемов должны получиться два объема оксида азота (II). При этом число частиц нового газа должно быть вдвое меньше числа частиц исходных газов, но масса газа остается той же самой. При этом Дж. Дальтон с самого начала отверг идею о том, что в равных объемах газов содержится равное число частиц (видимо, основывался на результате несовершенного опыта).
При решении этого вопроса (о числе частиц газа в определенном объеме) Дж. Дальтон пользовался различными доступными ему примерами, в частности, он заинтересовался отношениями чисел атомов азота и кислорода в трех известных тогда оксидах азота. Этот пример оказался полезным при установлении относительных масс атомов. В сентябре 1803 г. Дж. Дальтон записал в рабочей тетради рассчитанные им (на основе анализов, выполненных различными авторами) первые атомные массы. Он не пользовался понятием «молекула», а применял вместо него понятие «сложный атом». Таблица первых относительных масс атомов (атомных весов) такова:
Водород
Кислород
Азот
Углерод (уголь) Вода
Одновременно Дж. Дальтон стал пользоваться обозначениями атомов в виде кружков с различными фигурами внутри. В том же 1803 г. он приступил к>более подробному изучению отношений между азотом и кислородом в оксидах азота и пришел к важному открытию, обнаружив, что эти соединения образуются в простых отношениях, а именно для оксида азота (I) — 2:1, оксида азота (II) — 1: 1 и азотной кислоты — 1 :2. В 1804 г. Дж. Дальтон исследовал подобные же отношения углерода и водорода в маслородном газе (этилене) — 1 : 1 и в марш-газе (метане) — 1:2. Эти опыты подтвердили вывод о существовании простых отношений между атомами элементов в соеединениях и привели Дж. Дальтона к формулировке закона кратных отношений в бинарных соединениях.
НОВАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКОЙ ФИЛОСОФИИ
Дж. Дальтон не придавал особого значения своему открытию закона кратных отношений и введению атомных масс. Сведения об этом появились впервые в печати лишь в 1807 г. в курсе «Система химии» Томаса Томсона (1773—1852) — видного английского химика. Т. Томсон был учеником Дж. Блэка в Эдинбурге и здесь же в дальнейшем читал курс химии. Т. Томсон-издавал журнал «Анналы философии» и написал двухтомную «Историю химии». После короткого разговора с Дж. Дальтоном и с его согласия Т. Томсон сообщил в своем курсе «Система химии» о главнейших идеях Дж. Дальтона, отметив, что гипотеза Дж. Дальтона легко объясняет состав простейших соединений. Это содействовало распространению атомной теории.
В 1808 г. вышла в свет и книга Дж. Дальтона «Новая система химической философии» *. Было бы естественно ожидать, что это сочинение целиком посвящено атомной теории и ее применению в химии. В действительности же в книге рассматривалось учение о теплоте в связи с исследованиями свойств атмосферы, смеси газов, жидкостей и твердых тел. Лишь в последней главе были изложены основные положения химической атомистики. В одной из своих лекций (1810) Дж. Дальтон объяснил, почему он из различных возможных названий первичных частиц избрал-название «атом»: «Я избрал слово атом для обозначения этих первичных частиц, предпочитая его словам частица, молекула или другим уменьшительным названиям потому, что это слово кажется мне значительно более выразительным; оно включает р себя представление о неделимости, чего нет в других обозначениях. Можно, однако, сказать, что я распространяю это слово слишком далеко, когда говорю о сложных атомах, например, я называю частицу угольной кислоты сложным атомом ...»2.
Этим и объясняется, что Дж. Дальтон приводит в,своих конституционных формулах атомные массы и структуры ряда простых и сложных тел. Он привел и классификацию сложных атомов по степени их сложности:
щениям на основе «принципа максимальной простоты». В правилах образования химических соединений Дж. Дальтон указывает: «Если возможно получить только одно соединение из двух веществ, можно предположить, что оно будет двойным при отсутствии других данных, свидетельствующих о противном»1.
На основании этого правила Дж. Дальтон принимал, что вода — это двойное соединение кислорода и водорода (пероксид водорода тогда не был известен). К таким же соединениям он относил и аммиак, который состоит, по его мнению, из одного атома водорода и одного атома азота. Теперь понятно, почему атомные массы для кислорода и азота были определены неправильно.
Во второй части книги «Новая система химической философии» Дж. Дальтон дает определение понятия «элемент». Он отмечал, что огнеупорные щелочи и земли были недавно разложены. Поэтому все земли он объединяет в один класс как оксиды металлов. Обосновывая закон кратных отношений, Дж.‘Дальтон приводит здесь же отношения азота и кислорода в пяти оксидах азота.
Спустя семнадцать лет после выхода второй части первого» тома «Новая система химической философии» Дж. Дальтон выпустил первую часть второго тома. За это время атомная теория получила не только широкое признание, но и развитие. Между тем характер изложения (выпуск посвящен металлам) остался на уровне 1805—1807 гг. Следует отметить, что некоторые критики видели в этой теории повторение давно высказанных идей (И. Рихтером, Бр. Хиггинсом и др.). Один немецкий ученый дал такую характеристику открытия Дж. Дальтона: «Заслуги Дальтона состоят только в том, что он одел доброго Рихтера (которого он знал...) в разорванную, сшитую из атомов мантию, и теперь бедный Рихтер в этом рубище, подобно Уллису, возвратился в свое отечество и никем не был узнан»2. Несомненно также, что на Дж. Дальтона как ученого-самоучку некоторые авторитеты химии того времени, в том числе и Г. Дэви, смотрели свысока, пытаясь преуменьшить его заслуги и приписать их другим.
Но были и действительные поводы для скептического отношения ученых к некоторым дальтоновским построениям, особенно к его правилам о формулах соединений. Нельзя также не признать, что борьба Дж. Дальтона за свои идеи в самом начале столетия была недостаточно активной. К тому же он был излишне самоуверен и считал высказанные им идеи непогрешимыми. Историк химии Г. Копп дал следующую характеристику Дж. Дальтона: «Подобно тому как Дальтону рано пришлось самому прокладывать себе дорогу в жизни, так и в науке им были
вскоре отысканы самостоятельные пути. Но как у всех самоучек, в нем было меньше развито желание знать, что сделали другие, чем твердая уверенность в правильности найденного им самим»1.
При всем этом можно утверждать, что именно Дж. Дальтону принадлежит величайшая заслуга основателя атомной теории и одно из центральных мест в истории химии. Основные идеи Дж. Дальтона стали исходным пунктом для всего дальнейшего развития науки.
Замечательная оценка роли Дж. Дальтона в развитии химии была дана Ф. Энгельсом: «Новая эпоха в химии начинается с атомистики (следовательно, не Лавуазье, а Дальтон — отец современной химии)»1 2.
