Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Конечно же далеко не все встречающиеся в природе вещества являются химическими элементами. Большинство субстанций состоят из двух и более элементов, причем не просто смешанных, а связанных так, что конечное вещество обладает собственными, как правило, уникальными свойствами, не имеющими ничего общего со свойствами образующих его элементов. Такие вещества, между элементами которых существует химическая связь, называются химическими соединениями.

В конце XVIII века химики стали изучать не только качества продуктов реакции. Уже было недостаточно просто записать, что «выделился газ» или «появился осадок такого-то цвета». Химики стали взвешивать количество используемых и выделившихся в процессе реакции веществ.

Самый известный химик этой «новой волны» — французский ученый Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794). Это его называют «отцом современной химии». К 1789 году у Лавуазье накопилось достаточно опытных данных, чтобы заключить, что в закрытой системе (т. е. когда в процессе химической реакции не поступают вещества извне, а продукты реакции не покидают систему) общая масса исходных веществ равна общей массе получаемых. Этот закон получил название «закон сохранения вещества», или «закон сохранения массы».

Дальше нужно было замерить каждый элемент в составе химического соединения. Важный шаг вперед в этом направлении сделал французский химик Жозеф Луи Пруст (1754–1826). Он работал, к примеру, с неким соединением (теперь мы называем его дигидроксокарбонатом меди, состоящим из трех элементов: меди, углерода и кислорода). Сначала Пруст взял образец чистого дигидроксокарбоната меди, разложил его на эти три элемента и взвесил каждый из них. Он обнаружил, что все три элемента в составе вещества всегда находятся в одной и той же пропорции: 5 частей меди (по весу), 4 части кислорода и 1 часть углерода. То есть во всех образцах элементы складывались только в этой пропорции, и никак иначе.

Пруст обнаружил, что и в других соединениях элементы также находятся в определенных пропорциях, и в 1797 году он объявил о своем открытии, получившем название «закон Пруста», или «закон постоянства состава».

Именно благодаря закону постоянства состава ученые путем умозаключений исключительно химического толка вывели концепцию атомизма. Предположим, что медь состоит из крошечных атомов меди, кислород — из атомов кислорода, углерод — из атомов углерода, а дигидроксокарбонат меди образуется путем соединения одного атома меди, одного атома кислорода и одного атома углерода (на практике это немного не так, но ведь мы просто пытаемся следовать логике атомистов). Несколько связанных между собой атомов называются молекулой («малая масса» по-латыни). То есть представьте, что дигидроксокарбонат меди состоит из множества молекул, в каждой из которых по одному атому меди, кислорода и углерода.

Теперь если предположить, что атом меди в пять раз тяжелее атома углерода, а атом кислорода в четыре раза тяжелее атома углерода, то получается, что так как дигидроксокарбонат меди содержит 5 частей (по массе) меди, 4 части кислорода и 1 часть углерода, то, чтобы получить 5,1 части меди и 3,9 части кислорода к одной части углерода, нужно будет делить атом.

Но такого никогда не происходит. Химические элементы соединяются только в строгой пропорции. Таким образом, закон Пруста доказывает не только то, что атомы существуют, но и то, что, как и говорил Демокрит

Английский химик Джон Дальтон (1766–1844) был одним из первых, кто не только принял, но и развил теорию атомизма. Опираясь на закон Пруста и подобные обобщения, он создал современную атомистическую теорию (слово «современная» используется, чтобы не путать ее с оригинальной теорией Демокрита).

Конечно же Дальтон ушел в своих изысканиях намного дальше, чем Демокрит. Он не ограничился лишь заявлением о том, что атомы существуют. Из закона Пруста Дальтон вывел следующее:

каждый химический элемент состоит из нескольких атомов, масса которых постоянна и одинакова;

разные элементы состоят из разных по массе атомов;

химические соединения состоят из молекул, образованных несколькими атомами[115].

Закон постоянства состава позволяет сделать выводы об относительной массе атомов разных веществ, то есть об атомном весе[116].