Дальтон. Атомная теория - Enrique Joven Alvarez Страница 24

После того как стала понятна разница между атомом, молекулой и грамм-молекулой (или молем, единицей количества вещества), будущее химии прояснилось. Благодаря американцу Теодору Ричардсу (1868-1928) способ расчета массы известных элементов почти достиг совершенства, поскольку ему удалось определить атомную массу более 25 элементов с точностью до четырех знаков после запятой — за это Ричардс получил Нобелевскую премию по химии в 1914 году.

Однако без ответа оставался еще один вопрос: где находятся атомы? И он порождал следующие. Какой они формы? Действительно ли они неделимы, как это предположил в 1808 году Джон Дальтон? Сможем ли мы когда-либо их увидеть? Как они объединяются в молекулы? Хотя большинство ученых получили исключительные результаты, используя атомную теорию и ее определения атома и молекулы, никто на протяжении всего XIX века не смог представить убедительное доказательство существования этих частиц. Однако теория работала. В области химии практически все можно было объяснить с помощью атомов — при условии, что атом является конечной частицей. Но как обнаружить конечные частицы физически?

СОПРОТИВЛЕНИЕ АТОМНОЙ ТЕОРИИ

Самое сильное сопротивление теории существования атомов возникло в Германии и в сфере ее влияния — Австрии и балтийских странах. Возможно, связано это с тем, что в этих странах исследования в области физики и химии шли рука об руку с гуманитарными науками, в частности с философией. Атомизм был логичной гипотезой, возникшей в Древней Греции, потом это учение перешло в экспериментальную стадию — в Манчестере вместе с Джоном Дальтоном. И тем не менее, хотя атомы были "полезным понятием", для ученых их не существовало.

Самым серьезным критиком атомной теории был, наверное, австриец Эрнст Мах. В первой главе мы уже упоминали об этом ученом, так как он был наставником гениального физика-теоретика Людвига Больцмана, который в своих работах — особенно в области статистической механики — опирался на представления о реальности существования атомов. Австриец Больцман и шотландец Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) независимо друг от друга создали молекулярно-кинетическую теорию газов. Она предполагала справедливость теории существования атомов, предложенной Дальтоном, и, помимо прочего, утверждала, что атомы и состоящие из них молекулы находятся в постоянном движении. Также теория гласила, что размер частиц не имеет значения по отношению к расстояниям, разделяющим их (в веществе есть огромные пустоты), и, наконец, поскольку молекулы находятся в постоянном движении, они сталкиваются по законам упругого удара.

Главным вкладом Больцмана в атомно-молекулярную теорию было введение понятия движения: оно важнее для газов — самого простого состояния вещества, — нежели для твердых и жидких тел, поскольку сила сцепления усложняет теорию. Людвиг Больцман и Максвелл обобщили уже упомянутые работы Бойля, Шарля, Авогадро и Гей-Люссака, добавив к отношению давления и объема температуру. В законе идеального газа PV=nRT или PV=NkT первая связывает давление и объем идеального газа в количестве молей n с температурой Т и универсальной газовой постоянной R, которая будет результатом отношения числа Авогадро и постоянной Больцмана.

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗОВ

Молекулярно-кинетическая теория объясняет поведение газов и их макроскопические свойства через микроскопическое поведение молекул, используя статистический подход. Естественно, она предполагает существование очень большого числа молекул или атомов в газе, что заставляет принять атомно-молекулярную гипотезу и, значит, теорию Дальтона. Макроскопические экспериментальные результаты рассматриваются с точки зрения предложенного статистического подхода и представляют собой первое убедительное доказательство постулатов атомной теории. Модель опирается на статистику Джеймса Клерка Максвелла и Людвига Больцмана. Она описывает распределение частиц в силовом поле в условиях теплового равновесия, то есть когда температура является достаточно высокой (а плотность достаточно низкой), квантовые эффекты при этом пренебрежительно малы. На рисунке изображено распределение скоростей 10^е частиц кислорода при разных температурах газа (-100 °С, 20 °С, 100 °С), где п — число частиц. Необходимо учесть, что количество молекул огромно, как и количество операций их разделения, и следует учитывать точную массу; молекулы перемещаются по законам Ньютона на случайной, но в среднем постоянной скорости; при упругом столкновении направления движения молекул изменяются, а их кинетическая энергия сохраняется. Так, для одного идеального газа и N молекул каждая молекула, имеющая массу т, перемещается со средней постоянной скоростью V в определенном объеме V. Когда молекула сталкивается со стенкой сосуда и меняет направление, можно рассчитать силу, действующую на стенку сосуда, или давление, и получить следующий результат:

P = Nmx2/3V

Эта формула определяет отношение давления (измеряемого) и средней кинетической энергии на одну молекулу. Кроме того, она соответствует закону идеального газа (PV=nRT), согласно которому средняя молекулярная энергия пропорциональна температуре, а постоянная Больцмана связана с универсальной газовой постоянной и числом Авогадро.

Распределение скоростей 104 частиц кислорода при разных температурах газа (-100ºС, 20ºС, 100ºС).

Можно выразить его другим способом, через число частиц и постоянную Больцмана k. Эта постоянная, как и число Авогадро, была рассчитана Жаном Перреном во время его опытов с броуновским движением, и она равна kB = 1, 3806504 x 10^-23 Дж/К.

Атомов не существует.

Фридрих Вильгельм Оствальд

Трагический уход Больцмана, покончившего с собой в 1906 году, можно объяснить его неудачным выбором авторитетов. Уважаемый латышский химик и философ Фридрих Вильгельм Оствальд последовал примеру немца Маха. Лауреат Нобелевской премии по химии 1909 года за работы в области катализа так никогда и не признал существования атомов.

БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ: ДОКАЗАТЕЛЬСТВО СУЩЕСТВОВАНИЯ АТОМОВ

Удивительно, но одно из самых важных наблюдений XIX века, дающее первое неопровержимое доказательство существования молекул, было сделано не химиком и не физиком, а ботаником. В 1827 году шотландец Роберт Броун заметил, что маленькие частицы пыльцы на поверхности воды двигаются в случайном порядке. Вначале Броун подумал, что пыльца живет собственной жизнью. Потом он повторил опыты с другими неорганическими веществами, например с пылью, и получил те же удивительные результаты. Это движение, названное в его честь броуновским, было описано похожим образом в связи с турбулентностью воздуха в 60 году до н.э. философом Лукрецием в поэме "О природе вещей*. В этом произведении автор раскрывает сущность знаний об атомах его предшественников Демокрита и Эпикура:

"Так, исходя от начал, движение мало-помалу Наших касается чувств, и становится видимым также Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете,