Краткая история науки - Уильям Байнум

Дэви также заметил, что после использования оксида азота для дыхания вы не чувствуете боли, и предположил, что тот может оказаться полезным в медицине. Потребовалось сорок лет, чтобы врачи согласились с этим утверждением, и веселящий газ кое-где до сих пор применяется для анестезии.

Но только большой город Лондон, столица империи, мог удовлетворить амбиции Дэви. Он получил свой шанс, став лектором по химии в Королевском институте, организации, созданной, чтобы продвигать науку в средний класс.

И здесь ученый показал себя отличным шоуменом, его публичные лекции по химии привлекали толпы, ведь люди часто ходят на лекции не только для того, чтобы узнать нечто новое, но и для развлечения. Дэви стал профессором института и продолжил заниматься исследованиями, в том числе он сообразил (другие химики тоже до этого доходили), как можно применить в своей науке Вольтов столб, прототип современной батарейки.

Он растворял вещества в жидкостях, изготавливая таким образом растворы, и затем использовал столб, чтобы пропускать через растворы электрический ток, и смотрел, что происходит. Дэви обнаружил, что во многих растворах элементы и соединения притягиваются либо к отрицательному, либо к положительному полюсу устройства. Именно таким образом он идентифицировал несколько новых элементов: натрий и калий, например, которые оба собирались у отрицательного полюса. Натрий является частью хлорида натрия, вещества, которое придает водам океана соленость, и именно его мы добавляем в еду как поваренную соль.

Ну а с того момента, как новый элемент открыт, с ним можно проводить эксперименты, и узнать его сравнительную атомную массу, и этим Дэви тоже занимался.

Вольтов столб с его положительным и отрицательным полюсами также изменил взгляд химиков на атомы и соединения. Положительно заряженные вещества устремлялись к отрицательному полюсу, а отрицательно заряженные – к положительному, и это помогло объяснить, почему элементы имеют естественную склонность вступать в соединение друг с другом.

Шведский химик Йенс-Якоб Берцелиус (1779–1848) сделал этот принцип основой для своей знаменитой теории химических комбинаций. До того, как стать ученым. Берцелиус пережил тяжелое детство, его родители умерли, и воспитанием мальчика занимались различные родственники. Но несмотря на это, он стал одним из самых знаменитых химиков всей Европы.

Он открыл для себя все удовольствие химических исследований, когда обучался на врача, и получил возможность работать в качестве химика в столице Швеции Стокгольме, где сам жил. Впоследствии Берцелиус много путешествовал, особенно часто в Париж и Лондон, центры науки того времени.

Подобно Дэви Берцелиус использовал Вольтов столб, чтобы изучать растворы. Таким образом он открыл несколько новых элементов, и опубликовал их перечень (с уточненными значениями атомной массы). Он определил эти массы посредством тщательного анализа разных соединений, скомбинированных, чтобы произвести новые вещества, или разлагая соединения на составляющие и аккуратно взвешивая то, что получилось.

Его химическая таблица, появившаяся в 1818-м, показывала атомную массу сорока пяти элементов, и водород имел массу в единицу.

Также Берцелиус определил состав более чем двух тысяч соединений, и он же популяризовал идею Дальтона, связанную с идентификацией элементов по первой (или первым двум) букве названия: С для углерода (carbon), Ca для кальция и так далее. Записанные таким образом химические реакции стало очень легко читать.

Когда в соединении содержалось более одного атома некоего элемента. Берцелиус приписывал к букве цифру, обозначающую число атомов. Он ставил цифру чуть выше буквы, хотя современные ученые поступают наоборот: O2 означает, что у нас два атома кислорода. В остальном шведский ученый записывал формулы в точности так же, как пишем мы их сегодня.

Берцелиус куда лучше работал с неорганическими соединениями, чем с органическими, «Органическими» называют такие соединения, которые содержат углерод и ассоциируются с живыми существами: сахара и протеины находятся в их числе. Органические соединения часто сложнее, чем неорганические, и они имеют склонность вступать в реакции несколько не так, как это делают соли, кислоты и минералы, с которыми большей частью имел дело шведский ученый.

Берцелиус полагал, что реакции, идущие внутри наших тел (или внутри иных живых существ, таких как коровы или деревья), не могут быть объяснены тем же образом, как происходящие в лаборатории. Органическая химия во время его жизни развивалась в Германии и Франции, и хотя швед всегда дистанцировал себя от коллег, ей занимавшихся, он внес немалый вклад в их работу.

Во-первых, он предложил слово «протеин», чтобы поименовать один из наиболее значимых видов органических соединений. Во-вторых, он догадался, что многие химические реакции не идут, если не присутствует некая третья субстанция, и он назвал ее «катализатором». Катализатор помогает реакции – часто ускоряя ее, – но сам в процессе реакции не изменяется, в отличие от других веществ, которые соединяются или разлагаются. Катализаторы обнаруживают всюду в живой природе, и попытки объяснить, как именно они работают, становились целью многих химиков со времен Берцелиуса.

По всей Европе концепция «атома» помогала химикам лучше понимать то, что они изучали.

Но оставались и сложные моменты.

В 1811 году итальянский физик Амедео Авогадро (1776–1856) сделал смелое заявление. Оно оказалось столь смелым, что химики отвергали его почти сорок лет. Итальянец сказал, что в заданном объеме пространства число частиц любого газа при фиксированной температуре всегда одинаково. «Гипотеза Авогадро», как назвали это утверждение, имела очень важные последствия. Из нее выводилось, что молекулярные массы можно рассчитывать напрямую, используя предложенную Авогадро формулу. Идея итальянца помогла модифицировать атомарную схему Дальтона, поскольку объясняла любопытное поведение одного из наиболее часто изучаемых газов, водяного пара.

Химики долго не могли понять, отчего процент водорода и кислорода в определенном объеме пара выглядел неправильным, если предположить, что молекула воды состоит из одного атома каждого элемента. В конечном же счете получилось так, что в водяном паре два атома водорода приходятся на один атом кислорода.

Ну а позже открыли, что многие газы, включая те же водород и кислород, существуют в природе не в виде одиночных атомов, а в виде молекул, состоящих из двух или более «слипшихся» атомов: H2 и О2, как бы мы это записали.

Идеи Авогадро казались бессмысленными, если вы верили в атомарную теорию Дальтона, и в мнение Берцелиуса по поводу того, что атомы элементов имеют положительные или отрицательные характеристики. Как могут «слипаться» два отрицательно заряженных атома кислорода? Именно поэтому гипотезу итальянца долго не принимали.

Много позже она тем не менее позволила решить многие химические головоломки, и сейчас на ней основано наше понимание атома с точки зрения химии. В науке часто происходит подобное: все кусочки загадки сходятся вместе только спустя долгое время, и тогда старые гипотезы обретают новое значение.