ВОЛШЕБНОЕ ЧИСЛО ХИМИКОВ

ВНАЧАЛЕ БЫЛА СТЕХИОМЕТРИЯ...

Выдающийся немецкий философ Им­мануил Кант как-то заметил, что в не­которых ветвях естественных наук истинной науки столько, сколько в них математики. Эти слова произвели глубокое впечатление на немецкого химика Иеремию Вениамина Рихтера (1762—1807): даже свою докторскую диссертацию он назвал «Использова­ние математики в химии». А ещё Рих­тер сформулировал правило, которым химики пользуются уже более двух столетий. Основываясь на результатах собственных экспериментов, а также работ предшественников, он вывел закон, согласно которому вещества взаимодействуют в строго определён­ных соотношениях, причём массы и исходных веществ, и продуктов реак­ции можно рассчитать заранее. Впер­вые в истории химии Рихтер записал количественные уравнения реакций, позволяющие, как выразился бы современный химик, рассчитать тео­ретический выход продукта.

Все эти идеи, известные сейчас да­же школьнику, Рихтер изложил в 1793 г. в своём главном труде «Началь­ные основания стехиометрии». Введённое им понятие стехиометрии (от греч. «стойхеон» — «основание», «элемент» и «метрео» — «измеряю»), т. е. массовых или объёмных соотно­шений реагирующих веществ, стало одним из ключевых в химии.

КОНТ ПРОТИВ КАНТА

О соотношении химии и математики, по­мимо Канта, высказался также француз­ский учёный Огюст Конт, основатель фи­лософии позитивизма и автор формальной классификации наук. И причём высказал­ся прямо противоположным образом. «Любую попытку приме­нить математические методы при изучении химических вопро­сов, — писал Конт в 1830 г., — следует рассматривать как абсолютно неразумную и противоречащую духу химии... Если ко­гда-нибудь математический анализ займёт в химии видное мес­то — что, к счастью, почти невозможно, — то это приведёт к бы­строму и полному вырождению этой науки».

Для нас высказывание Конта звучит более чем странно, но два столетия назад многие химики нетвёрдо знали даже... четыре пра­вила арифметики. Доказательством может служить труд Рихтера «Начальные основания стехиометрии», в котором он объясняет своим коллегам: «Если одно число прибавляется к другому, то ме­жду ними следует поместить знак „+" (который называется плю­сом), если же мы хотим произвести вычитание, то между ними ста­вится знак „-" (который называется минусом). Например, 19 + 424 Означает, что мы прибавляем 19 к 424, что даёт 443; а запись 424 - 19 означает, что мы отнимаем 19 от 424, что даёт 405»,

ГИПОТЕЗА АВОГАДРО: ПОЛВЕКА НЕПРИЗНАНИЯ

Французский учёный Жозеф Луи Гей-Люссак (1778—1850) прославился и как физик, и как химик. Его имя но­сят газовые законы, которые сыграли большую роль в разработке атомно-молекулярного учения. В 1802 г. Гей-Люссак установил, что объём газа при постоянном давлении увеличива­ется пропорционально температуре.

КТО ПЕРВЫЙ?

Свойства газов в конце XVIII — начале XIX в. исследовали мно­гие учёные. Так, зависимость между обьёмом газа и температу­рой (при постоянном давлении) ещё до Гей-Люссака изучал фран­цузский физик Жак Александр Сезар Шарль (1746—1823). Однако он вовремя не опубликовал полученные данные, Гей-Люссак же чётко сформулировал закон, который у нас называют за­коном Гей-Люссака, а, например, в Англии и США — законом Шарля. С зависимостью давления газа от абсолютной темпера­туры (при постоянном объёме) всё наоборот: в нашей стране он известен как закон Шарля, а в Англии и США — как закон Гей-Люссака. Иногда эти законы называют соответственно первым и вторым законами Гей-Люссака.

Любопытно, что оба учёных прославились также своими по­лётами на воздушных шарах. В декабре 1783 г. Шарль вместе с коллегой Франсуа Робером в присутствии 400 тыс. зрителей пред­принял первый полёт на воздушном шаре, заполненном водоро­дом. Гей-Люссак, тоже на пару с физиком Жаном Батистом Био, поставил в 1804 г. рекорд высоты, поднявшись на 7000 м.

Несколько позже он сформулировал ещё один закон: давление газа в замк­нутом объёме также пропорциональ­но температуре.

В 1808 г. Гей-Люссак (совместно с немецким естествоиспытателем Алек­сандром Гумбольдтом) сформулиро­вал важнейший для развития химии закон объёмных отношений. Соглас­но ему, реагирующие газы соединяют­ся таким образом, что соотношение между их объёмами, а также объёмом газообразного продукта реакции вы­ражается простыми целыми числами (при условии, что температура и дав­ление остаются постоянными). На­пример, 2 объёма водорода соединя­ются с 1 объёмом кислорода, давая 2 объёма водяного пара; 1 объём хло­ра реагирует с 1 объёмом водорода, что даёт 2 объёма нового газа — хлороводорода; 3 объёма водорода и 1 объём азота образуют 2 объёма ам­миака, и т. д. Сейчас мы записали бы стехиометрические уравнения реак­ций просто и лаконично: 2Н₂+О₂=2Н₂О; Сl₂+Н₂=2НСl; ЗН₂+N₂=2NH₃. Но в те времена ещё не было чёткого разграничения понятий атома и моле­кулы, не существовало и современных обозначений химических элементов, формул их соединений.

Гей-Люссак ничего не говорил о том, в виде каких частиц участвуют в реакциях газы. Тогда считали, что все газы состоят из атомов; подобного мнения долго придерживался и один из виднейших учёных XIX в., факти­чески глава европейской химии Йёнс Якоб Берцелиус. А поскольку разме­ры атомов у тех или иных элементов неодинаковы, то полагали, что в рав­ных объёмах различных газов может «поместиться» разное число атомов. Такой взгляд противоречил экспе­риментальным наблюдениям.

Проблему удалось решить италь­янскому химику Амедео Авогадро (1776—1856). Кстати, его полное имя звучит так: Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро ди Кваренья э ди Черрето. Тщательно проанализировав результаты экспериментов Гей-Люссака и других учёных, он высказал ге­ниальную по простоте и глубине идею. «Необходимо принять, — писал

Авогадро в 1811 г., — что имеются также очень простые отношения ме­жду объёмами газообразных веществ и числом простых и сложных моле­кул, образующих эти вещества. Пер­вая гипотеза, которая возникает в связи с этим и которая представляет­ся единственно приемлемой, состоит в предположении, что число состав­ных молекул любого газа всегда одно и то же в одном и том же объёме...». «Простыми молекулами» учёный на­зывал атомы, из которых, по его мне­нию, построены «сложные», или «со­ставные», молекулы газообразных веществ.

Тремя годами позже Авогадро из­ложил свою теорию ещё более чётко и сформулировал её в виде закона, который носит его имя: