2.1 Ранние идеи атомной теории (Early Ideas in Atomic Theory)

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• сформулировать постулаты атомной теории Дальтона;
• использовать постулаты атомной теории Дальтона для объяснения законов постоянства состава и кратных отношений.

---

Самые ранние из дошедших до нас рассуждений о внутреннем строении вещества принадлежат древнегреческим философам — учёным своего времени. В V веке до нашей эры Левкипп и Демокрит утверждали, что всякое вещество состоит из малых, конечных по размеру частиц, которые они называли atomos — словом, образованным от греческого «неделимый». Они представляли атомы как движущиеся частицы, различающиеся по форме и размеру и способные соединяться друг с другом. Позднее Аристотель и его последователи пришли к выводу, что вещество состоит из различных сочетаний четырёх «стихий» — огня, земли, воздуха и воды — и может делиться до бесконечности. Любопытно, что эти философы рассматривали атомы и «стихии» как чисто умозрительные понятия и, по-видимому, ни разу не попытались проверить свои идеи экспериментально.

Аристотелевы взгляды на состав вещества господствовали более двух тысяч лет, пока английский школьный учитель Джон Дальтон (John Dalton) не помог совершить переворот в химии, выдвинув гипотезу о том, что поведение вещества можно объяснить с помощью атомной теории (atomic theory). Многие из гипотез Дальтона о микроскопическом устройстве вещества, впервые опубликованных в 1807 году, остаются справедливыми и в современной атомной теории. Ниже приведены постулаты атомной теории Дальтона (Dalton's atomic theory).

1. Вещество состоит из чрезвычайно мелких частиц, называемых атомами. Атом — наименьшая частица элемента, способная участвовать в химическом превращении.
2. Элемент состоит из атомов лишь одного типа; их масса характерна для данного элемента и одинакова для всех атомов этого элемента (Рис. 2.2). Макроскопический образец элемента содержит невероятно большое число атомов, и все они обладают одинаковыми химическими свойствами.

Рис. 2.2. Медная монета достоинством один цент, отчеканенная до 1982 года (слева), содержит примерно \(3 \times 10^{22}\) атомов меди (несколько десятков из них показаны справа в виде коричневых сфер); каждый из этих атомов обладает одними и теми же химическими свойствами. (источник: модификация работы «slgckgc»/Flickr)

1. Атомы одного элемента отличаются по свойствам от атомов всех остальных элементов.
2. Соединение состоит из атомов двух или более элементов, объединённых в небольшом целочисленном отношении. В данном соединении числа атомов каждого из его элементов всегда находятся в одном и том же отношении (Рис. 2.3).

Рис. 2.3. Оксид меди(II) — порошкообразное чёрное соединение — образуется при соединении атомов двух типов: меди (коричневые сферы) и кислорода (красные сферы) — в отношении 1:1. (источник: модификация работы «Chemicalinterest»/Wikimedia Commons)

1. Атомы не возникают и не исчезают в ходе химического превращения, а лишь перегруппировываются, образуя вещества, отличные от тех, что присутствовали до превращения (Рис. 2.4).

Рис. 2.4. Когда элементы медь (блестящее красно-коричневое твёрдое тело, показано здесь коричневыми сферами) и кислород (прозрачный бесцветный газ, показан красными сферами) вступают в реакцию, их атомы перегруппировываются с образованием соединения, содержащего медь и кислород (порошкообразное чёрное твёрдое тело). (источник изображения меди: модификация работы http://images-of-elements.com/copper.php)

Атомная теория Дальтона даёт микроскопическое объяснение многим макроскопическим свойствам вещества, с которыми вы уже знакомы. Например, если такой элемент, как медь, состоит из атомов только одного вида, то его невозможно разложить на более простые вещества, то есть на вещества, состоящие из меньшего числа типов атомов. А если атомы не возникают и не исчезают в ходе химического превращения, то полная масса вещества при переходе одного его вида в другой будет оставаться постоянной (закон сохранения вещества).

Пример 2.1. Проверка атомной теории Дальтона

На приведённом ниже рисунке зелёные сферы изображают атомы одного элемента, синие — атомы другого. Если сферы соприкасаются, они образуют единицу соединения. Нарушает ли изображённое химическое превращение какие-либо положения атомной теории Дальтона? Если да, то какое именно?

Решение. Исходные вещества состоят из двух зелёных сфер и двух синих. Продукты — лишь из одной зелёной сферы и одной синей. Это нарушает постулат Дальтона о том, что атомы не возникают и не исчезают в ходе химического превращения, а лишь перераспределяются. (В данном случае атомы, по-видимому, были уничтожены.)

Проверь себя. На следующем рисунке зелёные сферы изображают атомы одного элемента, синие — атомы другого. Если сферы соприкасаются, они образуют единицу соединения. Нарушает ли изображённое химическое превращение какие-либо положения атомной теории Дальтона? Если да, то какое именно?

Ответ: Исходные вещества состоят из четырёх зелёных и двух синих сфер. Продукты — также из четырёх зелёных и двух синих сфер. Это не нарушает ни одного из постулатов Дальтона: атомы не возникают и не исчезают, а перераспределяются в небольших целочисленных отношениях.

Дальтон знал об экспериментах французского химика Жозефа Пруста (Joseph Proust), который показал, что все образцы чистого соединения содержат одни и те же элементы в одних и тех же массовых соотношениях. Это утверждение известно как закон постоянства состава (law of definite proportions), или закон постоянства состава в формулировке через постоянство соотношений (law of constant composition). Предположение о том, что числа атомов элементов в данном соединении всегда находятся в одном и том же отношении, согласуется с этими наблюдениями. Например, при анализе различных образцов изооктана (одного из компонентов бензина и одного из эталонов в системе октанового числа) обнаруживается, что в каждом из них массовое отношение углерода к водороду равно \(5{,}33:1\), как показано в Таблице 2.1.

Таблица 2.1. Постоянство состава изооктана

Образец	Углерод	Водород	Массовое отношение
A	\(14{,}82\ \text{г}\)	\(2{,}78\ \text{г}\)	\(\dfrac{14{,}82\ \text{г C}}{2{,}78\ \text{г H}} = \dfrac{5{,}33\ \text{г C}}{1{,}00\ \text{г H}}\)
B	\(22{,}33\ \text{г}\)	\(4{,}19\ \text{г}\)	\(\dfrac{22{,}33\ \text{г C}}{4{,}19\ \text{г H}} = \dfrac{5{,}33\ \text{г C}}{1{,}00\ \text{г H}}\)
C	\(19{,}40\ \text{г}\)	\(3{,}64\ \text{г}\)	\(\dfrac{19{,}40\ \text{г C}}{3{,}64\ \text{г H}} = \dfrac{5{,}33\ \text{г C}}{1{,}00\ \text{г H}}\)

Стоит отметить, что, хотя все образцы данного соединения имеют одинаковое массовое отношение, обратное в общем случае неверно. То есть образцы с одинаковым массовым отношением не обязательно являются одним и тем же веществом. Например, кроме изооктана существует множество других соединений, в которых массовое отношение углерода к водороду также равно \(5{,}33:1{,}00\).

Дальтон использовал данные Пруста, а также результаты собственных экспериментов, чтобы сформулировать ещё один интересный закон. Закон кратных отношений (law of multiple proportions) гласит: если два элемента образуют более одного соединения, то фиксированная масса одного элемента соединяется с массами другого, относящимися между собой как небольшие целые числа. Например, медь и хлор могут образовывать зелёное кристаллическое твёрдое вещество с массовым отношением \(0{,}558\ \text{г}\) хлора на \(1\ \text{г}\) меди, а также коричневое кристаллическое твёрдое вещество с массовым отношением \(1{,}116\ \text{г}\) хлора на \(1\ \text{г}\) меди. Сами по себе эти отношения могут показаться не особенно интересными или информативными; однако если взять отношение этих отношений, получим полезный и, возможно, неожиданный результат — небольшое целочисленное отношение:

\[ \dfrac{\dfrac{1{,}116\ \text{г Cl}}{1\ \text{г Cu}}}{\dfrac{0{,}558\ \text{г Cl}}{1\ \text{г Cu}}} = \dfrac{2}{1} \]

Это отношение «2 к 1» означает, что в коричневом соединении на единицу массы меди приходится в два раза больше хлора, чем в зелёном.

Это можно объяснить в рамках атомной теории, если предположить, что отношение «медь — хлор» в коричневом соединении составляет 1 атом меди на 2 атома хлора, а в зелёном — 1 атом меди на 1 атом хлора. Тогда отношение чисел атомов хлора (а значит, и отношение их масс) равно 2 к 1 (Рис. 2.5).

Рис. 2.5. По сравнению с соединением меди и хлора (a), где медь представлена коричневыми сферами, а хлор — зелёными, соединение меди и хлора (b) содержит в два раза больше атомов хлора на каждый атом меди. (источник a: модификация работы «Benjah-bmm27»/Wikimedia Commons; источник b: модификация работы «Walkerma»/Wikimedia Commons)

Пример 2.2. Законы постоянства состава и кратных отношений

Образец соединения A (прозрачный бесцветный газ) при анализе содержит \(4{,}27\ \text{г}\) углерода и \(5{,}69\ \text{г}\) кислорода. Образец соединения B (также прозрачный бесцветный газ) при анализе содержит \(5{,}19\ \text{г}\) углерода и \(13{,}84\ \text{г}\) кислорода. Иллюстрируют ли эти данные закон постоянства состава, закон кратных отношений или ни тот, ни другой? Что эти данные говорят о веществах A и B?

Решение. В соединении A массовое отношение кислорода к углероду равно:

\[ \dfrac{5{,}69\ \text{г O}}{4{,}27\ \text{г C}} = \dfrac{1{,}33\ \text{г O}}{1\ \text{г C}} \]

В соединении B массовое отношение кислорода к углероду равно:

\[ \dfrac{13{,}84\ \text{г O}}{5{,}19\ \text{г C}} = \dfrac{2{,}67\ \text{г O}}{1\ \text{г C}} \]

Отношение этих отношений:

\[ \dfrac{\dfrac{1{,}33\ \text{г O}}{1\ \text{г C}}}{\dfrac{2{,}67\ \text{г O}}{1\ \text{г C}}} = \dfrac{1}{2} \]

Это подтверждает закон кратных отношений. Значит, A и B — разные соединения, причём в A приходится вдвое меньше кислорода на ту же массу углерода (или вдвое больше углерода на ту же массу кислорода), чем в B. Возможной парой соединений, удовлетворяющей этому соотношению, были бы \(\ce{A = CO}\) и \(\ce{B = CO2}\).

Проверь себя. Образец соединения X (прозрачная бесцветная горючая жидкость с заметным запахом) при анализе содержит \(14{,}13\ \text{г}\) углерода и \(2{,}96\ \text{г}\) водорода. Образец соединения Y (прозрачная бесцветная горючая жидкость с заметным запахом, слегка отличающимся от запаха X) при анализе содержит \(19{,}91\ \text{г}\) углерода и \(3{,}34\ \text{г}\) водорода. Иллюстрируют ли эти данные закон постоянства состава, закон кратных отношений или ни тот, ни другой? Что эти данные говорят о веществах X и Y?

Ответ: В соединении X массовое отношение углерода к водороду равно \(\dfrac{14{,}13\ \text{г C}}{2{,}96\ \text{г H}}\). В соединении Y массовое отношение углерода к водороду равно \(\dfrac{19{,}91\ \text{г C}}{3{,}34\ \text{г H}}\). Отношение этих отношений равно \(\dfrac{4}{5}\). Это небольшое целочисленное отношение подтверждает закон кратных отношений. Значит, X и Y — разные соединения.