Борис Казаков - Превращение элементов

• Название: Превращение элементов
• Автор: Борис Казаков
• Издательство: "Знание"
• Жанр: Химия
• Год: 1977

Идея, которой поклонялись алхимики, пренебрегая насмешками и гонениями, пробилась сквозь века: физикам XX века удалось осуществить превращение одних элементов в другие.

Об истории развития знаний о строении вещества от античности до наших дней увлекательно рассказывается в этой научно-популярной книге.

---

Среди крупных учёных находились такие, которые достижения экспериментальной науки и усовершенствование техники эксперимента воспринимали как многообещающий подход к осуществлению идеи трансмутации «с другой стороны». Когда электричество широко вошло в физические и химические лаборатории в качестве инструмента исследования, не кто иной, как сам великий Фарадей, мнение которого никому и в голову не пришло бы опровергать, сказал буквально следующее: «Разлагать металлы, преобразовывать их и осуществить некогда казавшуюся абсурдной идею трансмутации — такова задача, которая стоит теперь перед химией».

Спустя десятилетия Э.Резерфорд, впервые осуществивший вторжение в атом, назвал свою книгу о ядерных превращениях «Современной алхимией». Если сопоставить этот факт с высказыванием Фарадея, можно при желании протянуть между ними ниточку. Только ниточка эта непременно порвётся, потому что идее трансмутации металлов суждено было сначала умереть, а потом снова воскреснуть.

Мы уже знакомы с атомистическими воззрениями Бойля, Ньютона, Ломоносова. В этом же ряду находится и голландский химик Герман Бургаве, предполагавший, что причиной химических реакций является притяжение и отталкивание мельчайших частиц вещества. Английский учёный Б.Хиггинс в работах 1775–1796 гг. высказал мнение, что молекулы вещества состоят из одного атома, сами же атомы твёрдые и круглые, как шарики. Силы притяжения между атомами обратно пропорциональны расстоянию между ними. Атомы окружены теплородной оболочкой: когда газы соединяются между собой, их атомы преодолевают сопротивление этой оболочки.

Племянник Б.Хиггинса У.Хиггинс, преподаватель Дублинского университета, написал книгу «Сравнительный анализ флогистонной и антифлогистонной теории» (1789). Работа эта знаменательна тем, что в ней сделана попытка установления постоянства состава химических соединений и высказано предположение о простых кратных отношениях.

Были другие работы, которые в историческом плане можно рассматривать как свидетельства логически неумолимого развития химии в направлении к атомно-молекулярной теории строения вещества.

Рождение химической атомистики связано с именем английского физика и химика Джона Дальтона (1766–1844).

«Занимаясь долгое время метеорологическими наблюдениями, — писал в 1810 г. Дальтон, — и размышляя о природе и строении атмосферы, я нередко удивлялся тому, как может сложная атмосфера или смесь двух или более упругих флюидов представлять массу явно однородную».

Пусть нас не смущает здесь слово «флюид» — его нередко встретишь в трудах учёных и гораздо позже: никакого алхимического смысла оно уже не имело.

Если верно, что науку движет удивление, любопытство, то пример с Дальтоном — лучшее тому доказательство. «Удивляясь и размышляя», он в 1787 г. пришёл к твёрдому убеждению, что испарение воды — это отрыв от неё частичек под воздействием теплоты. В 1801 г. сформулировал ставший классическим закон парциальных давлений: давление смеси газов, химически не взаимодействующих друг с другом, равно сумме их парциальных (свойственных каждому газу в отдельности) давлений. Через год вывел закон равномерного расширения газов с увеличением температуры (так уж случилось, что этот закон в то же самое время открыл французский учёный Ж.Гей-Люссак и под его именем вошёл в учебники по химии).

И наконец, формулирует исходные положения, которые в дальнейшем легли в основу стройной, хотя и противоречивой, атомистической теории. Вот эти положения:

Причиной «отталкивательной силы» (отталкивания газовых частиц друг от друга) является теплота (теплород). Частицы газов (упругих флюидов) состоят из маленького центрального атома, окружённого оболочкой теплорода, наиболее плотной непосредственно у атома. Частицы различных газов (упругих флюидов) имеют различный размер (поэтому смесь газов можно представить себе как смесь крупной и мелкой дроби: мелкие дробинки занимают промежутки, образуемые крупными).

В 1803 г. Дальтон приступил к химическим исследованиям, поставив перед собой цель определить экспериментально величину частиц. Такой цели ещё никто никогда не ставил.

Чтобы найти размер частицы, нужно, очевидно, какой-то объём газа разделить на число составляющих его частиц. Ну, а как узнать, сколько в этом объёме частиц? Надо знать вес частицы — тогда всё просто: вес газа, занимающего данный объём, разделим на вес частицы… Так появляется на свет важнейшая физическая и химическая характеристика элемента — атомный вес (ныне — атомная масса).

Годом раньше Дальтон предположил, что элементы могут соединяться между собой по правилу кратных отношений. Опираясь на это предположение, позже вошедшее в его атомистическую теорию на правах закона, а также на результаты весового и объёмного анализа различных химических соединений, полученные химиками, начиная с Лавуазье, Дальтон рассчитал относительные атомные веса 14 веществ. За единицу расчета он принял вес атома водорода как самого лёгкого газа.

В 1805 г. в «Записках Манчестерского литературно-философского общества» появляется статья Дальтона с первой в мире таблицей атомных весов.

Ф.Энгельс это событие оценил так: «В химии, особенно благодаря дальтоновскому открытию атомных весов, мы находим порядок, относительную устойчивость однажды достигнутых результатов и систематический, почти планомерный натиск на ещё не завоёванные области, сравнимый с правильной осадой какой-нибудь крепости».

Атомистика Дальтона была принята не сразу и не всеми. Даже спустя более чем 60 лет после опубликования первых работ Дальтона президент лондонского Химического общества Уильямсон отмечал, «что, с одной стороны, все химики применяют атомную теорию, а с другой — значительное число их смотрит на неё с недоверием, а некоторые — с откровенной неприязнью».

Причина такого отношения к атомистике не только в том, что Дальтон и его последователи делали множество допущений, часто в буквальном смысле подгоняли практические результаты под свои теоретические положения (особенно этим грешил сам Дальтон), но и в том также, что атомистика не оставляла места для первоматерии, переливающейся из одного вещества в другое, как вода из сосуда в сосуд.

Предшествовавшие теории Дальтона атомистические воззрения без особого напряжения уживались с представлением о непрерывной материи и, стало быть, с идеей трансмутации элементов; теперь же идее наносился сокрушительный удар. Раз материя прерывна, если каждый элемент состоит из неделимых далее элементарных кирпичиков (точнее, шариков, окружённых атмосферой из теплорода), то ни о каком превращении их друг в друга не может быть и речи. (Кстати, Дальтон вымел, можно сказать, остатки алхимического мусора, отказавшись от употребления традиционных знаков для изображения веществ).

Однако «почти планомерный натиск на ещё не завоёванные области» сдержать было уже невозможно.

В 1808 г. Ж.Гей-Люссак экспериментальным путём вывел закон, согласно которому при взаимодействии газов объёмы исходных веществ и продукты реакции относятся как простые целые числа. У Дальтона в таком отношении взаимодействуют атомы. Если принять точку зрения Гей-Люссака, то надо отказаться от дальтоновской размерной неодинаковости атомов различных веществ. Если согласиться с Дальтоном, придётся отвергнуть открытый Гей-Люссаком закон.

Дальтон сам признавал, что «его (Гей-Люссака) представление об объёмах аналогично… представлению об атомах», но отказаться от своего неверного постулата не захотел, прекрасно сознавая, что представление об объёмах выведено экспериментально, а представление об атомах вообще и их неодинаковости в частности — всего лишь допущение.

В 1811 г. итальянский физик и химик Амедео Авогадро (1776–1856) предложил формулировку, которая «примиряла» Дальтона с Гей-Люссаком. По Авогадро, в равных объёмах различных газов, находящихся при одинаковых условиях (температуре, давлении), содержится одинаковое число молекул. Из этого вытекало, что относительный вес молекул газообразных веществ можно получить делением плотностей этих веществ. И ещё один очень важный вывод: количество атомов в соединении — число не произвольное, как у Дальтона (Дальтон, исходя из своего ошибочного рассуждения о размерной неодинаковости атомов, считал, например, что вода состоит из одного атома водорода и одного атома кислорода), а обусловливается объёмными отношениями образующих это соединение элементов (та же вода, например, должна состоять из двух атомов водорода и одного атома кислорода, потому что для образования воды, точнее, водяного пара, как установил Гей-Люссак, необходимы один объём кислорода и два объёма водорода).

Правда, когда Авогадро применил принцип расчёта атомных и молекулярных весов газообразных веществ к металлам, тут он испытал определённую трудность и допустил поэтому много ошибок. Но именно он предположил, что в «твёрдых и жидких телах» постоянство соотношений при соединении атомов в молекулы может не соблюдаться, что и подтвердилось в дальнейшем — уже в XX в.