ТАК ЛИ «ПРОСТЫ» ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА?
По определению, простое вещество — это форма существования химического элемента в свободном состоянии. Но это определение нередко вызывает споры даже среди профессиональных химиков. Возьмём, к примеру, элемент № 1 — водород. Каковы формы его существования? Самые известные — газообразный, жидкий и твёрдый водород (для этих форм есть своё название — агрегатные состояния вещества). Но, оказывается, и в газообразном водороде при комнатной температуре присутствуют две разновидности водорода — ортоводород и параводород (они отличаются магнитной ориентацией ядер Н), которые можно разделить. Эти два «сорта» водорода имеют разные свойства (например, теплоёмкость). Такие газы, как Н2, D2, T2, HD, HT, DT тоже следует считать простыми веществами, поскольку
каждый из них содержит атомы только одного элемента — водорода.
Множество форм существования и у кислорода: две разновидности газообразного (они различаются электронным строением молекул О2 и обладают разными химическими свойствами), жидкий кислород и по меньшей мере четыре (!) разновидности твёрдого кислорода (вообще, несколько кристаллических модификаций для одного элемента — скорее правило, нежели исключение). А ещё существуют атомарный кислород и озон... Неудивительно, что простых веществ во много раз больше, чем элементов.
В русском языке как элементы, так и образуемые ими простые вещества обычно называют одинаково. Химиков это не очень смущает, поскольку из контекста почти всегда ясно, о чём идёт речь. Например, выражения «медная монета», «выплавка меди из руд», «высокая электропроводность меди», подразумевают металлическую медь —
простое вещество. Если же говорят о малом распространении меди в природе, имеют в виду медь как элемент, атомы которого могут входить в различные минералы (это и самородная медь, и сложные кристаллические соединения), а также растворы. Утверждая, что медь занимает в периодической таблице место между никелем и цинком, химик ведёт речь вовсе не о кусочках металла в клетках таблицы, а об элементе Си как совокупности атомов с зарядом ядра Z=29.
Относительно чистые простые вещества в быту встречаются редко. Это алюминий и медь в проводах; вольфрам и молибден в электрических лампочках; водород и гелий в воздушных шариках; серебро, платина, палладий в высокопробных ювелирных изделиях и памятных монетах; ртуть в термометре; олово на консервной банке; хром и никель на металлических изделиях; сера для борьбы с вредителями растений; цинк в электрических батарейках...
железе и об элементе сере в сернистом железе; но никогда химик не скажет, что это соединение содержит простые вещества: железо и серу. Если бы он это сказал, то мы бы поняли его так, что данный материал представляет собой не соединение, а смесь; мы стали бы ожидать, что одни части этого материала магнитны, подобно железу, а другие части имеют жёлтый цвет и растворяются в сероуглероде — чего в действительности нет».
АТОМНЫЕ МАССЫ: ОТ ДАЛЬТОНА АО...
Важнейшей вехой в становлении химической науки назвал Й. Я. Берцелиус работы английского учёного Джона Дальтона. Именно он наполнил смутные атомистические воззрения древних конкретным химическим содержанием.
Дальтон ввёл понятие о «соотношении весов мельчайших частиц газообразных и других тел». Фактически это и есть относительная атомная масса. За её единицу учёный принял массу атома водорода, а для определения масс других атомов использовал найденный ранее процентный состав различных соединений водорода. Так, Лавуазье установил, что в воде содержится 15% водорода и 85% кислорода. Отсюда Дальтон вычислил относительную атомную массу кислорода: 85:15=5,67. По данным английского химика Уильяма Остина (1754—1793) о составе аммиака (80 % азота и 20 % водорода) он рассчитал относительную атомную массу азота: 80 : 20 = 4. В 1803 г. Дальтон составил первую в истории таблицу относительных атомных масс некоторых элементов.
Интересно сопоставить атомные массы, полученные Дальтоном, с опубликованными за прошедшие два столетия в различных учебниках и справочниках (см. таблицу).
Прежде всего обращают на себя внимание непривычные значения атомных масс у Дальтона. Это объясняется двумя причинами. Первая — неточность эксперимента в конце XVIII — начале XIX в. Позднее, когда Ж. Л. Гей-Люссак и А. Гумбольдт более точно определили состав воды (87,4% кислорода и 12,6 % водорода), Дальтон изменил значение атомной массы кислорода, приняв её равной 7. В дальнейшем цифры ещё много раз корректировались (как известно, в воде 11,1% водорода). Точно так же уточнялись со временем атомные массы и многих других элементов, особенно после работ Берцелиуса.
Вторая причина более серьёзная. Дальтон считал, что в воде содержится равное количество атомов водорода и кислорода, а в аммиаке — равное количество атомов водорода и азота. Когда вывели правильные формулы для воды Н2О и аммиака NH3, атомная масса кислорода была удвоена, а азота — утроена.
Верные формулы многих соединений, особенно органических, удалось установить благодаря реформе атомно-молекулярных представлений, осу-