Михаил Бармин - Общая и Неорганическая химия с примерами решения задач
Существенное различие между таблицами Берцелиуса и Дальтона состоит в том, что величины, полученные Берцелиусом, в большинстве не были целыми числами.
своих расчетах Дальтон исходил из того, что атомный вес водорода равен 1, и поэтому атомные веса всех элементов
в таблице Дальтона представляют собой целые числа. Изучив составленную Дальтоном таблицу атомных весов, английский химик Уильям Праут (1785-1850) пришел в 1815-1816 гг. к мне-нию, что все элементы в конечном счете состоят из водорода и что атомные веса различных элементов различаются по той причине, что они состоят из равного числа атомов водорода. Эта точка зрения известна как гипотеза Праута.
Однако, таблица Берцелиуса, казалось, разрушила это привлекательное предположение (привлекательное потому, что, по-добно античным ученым, Праут сводил все возраставшее число элементов к одному основному веществу и, таким образом, как будто бы придавал Вселенной упорядоченность и симметрию). Однако, если принять атомный вес водорода («основы»), рав-ным 1, то атомный вес кислорода составит приблизительно 15,9 веса водорода, но едва ли можно согласиться с тем, что кисло-род состоит из 15 плюс еще 9/10 атома водорода.
следующем столетии таблицы атомных весов постоянно уточнялись, и все более очевидными становились выводы Бер-целиуса, считавшего, что атомные веса различных элементов не являются целыми числами, кратными атомному весу водорода.
шестидесятых годах XIXв. Бельгийский химик Жан Сер-вио Стас (1813-1891) определил атомные веса точнее, чем Берцелиус. В начале ХХ в. американский химик Теодор Уильям Ричардс (1868-1928), приняв все меры предосторожности (во многом надуманные), определил величины атомных весов с такой точностью, которая только возможна при использовании чисто химических методов. Исследования Стаса и Ричардса ответили на те вопросы, которые в работах Берцелиуса оставались нерешенными.
В то время, когда Ричардс проводил свои поразительно точные определения атомных весов, вновь встал вопрос о том, что следует понимать под атомных весом. И на этом этапе развития химии гипотезе Праута, как мы увидим далее, суждено было возродиться.
Поскольку, как выяснилось, атомные веса различных элементов взаимосвязаны не столь простым образом, как это ранее предполагалось, необходимо было выявить стандарт, исходя из которого можно было бы определить атомные веса элементов. Естественным казалось принять за единицу атомного веса атомные вес водорода, как это сделали Берцелиус и
Дальтон. Но при этом атомный вес кислорода выражался неудобным нецелым числом 15,9, а ведь именно кислород обычно использовался для определения соотношений элементов в различных соединениях.
Атомный вес кислорода округлили и приняли равным 16.000 (вместо 15,9). Таким образом, в качестве стандарта был принят атомный вес кислорода, равный 16, атомный вес водорода при этом оказался равным 1.008. Атомный вес кислорода служил стандартом вплоть до середины XX в.
После того, как атомистическая теория была принята, стало возможным изображать вещества в виде молекул, содержащих постоянное число атомов различных элементов. Вполне естественным было попытаться изобразить такие молекулы в виде набора маленьких кружков, представляющих собой атомы: при этом атомы каждого вида можно было изобразить кружками определенного типа.
Простым кружком Дальтон изображал атом кислорода; кружком с точкой посредине – атом водорода; кружком с вертикальной линией – атом азота; закрашенным черным кружком – атом углерода и т.д. Серу он изображал в виде кружка с буквой S, фосфор – в виде кружка с буквой P и т.д.
Берцелиус решил, что кружки излишни, достаточно лишь начальных букв. Он предложил, чтобы каждому элементу соответствовал свой особый знак, который был бы одновременно и символом элемента, и символом одиночного атома этого элемента, и в качестве такого знака предложил использовать начальную букву латинского названия элемента. В тех случаях, когда называния двух или более элементов начинались с одних и тех же начальных букв, добавлялась вторая буква названия. Так появились химические символы.
С помощью химических символов легко показать количество атомов в молекуле. Химические формулы можно объединять в химические уравнения. Чтобы уравнять правую и левую части, перед формулами исходных веществ и продуктов реакции ставят коэффициенты.
За полтора века прошедшие с того времени, когда Бойль ввел понятие «элемент», было открыто поразительно много веществ, отвечающих этому определению. Очень часто эти элементы входили в состав оксидов. В принципе под воздействием какого-либо элемента, обладающего более сильным сродством
к кислороду, атом (или атомы) кислорода может покинуть первый элемент и присоединиться ко второму. Этот метод оказал-ся эффективным. Причем часто роль второго, отнимающего кислород элемента и выполнял углерод.
Известь по своим свойствам похожа на оксид. Однако ни один из известных тогда элементов, вступая в реакцию с кислородом, не образует известь. Следовательно, известь является оксидом неизвестного элемента. Пытаясь выделить этот неизвестный элемент, известь нагревали на коксе, но при этом ничего не происходило. Ни одно другое химическое вещество также не могло «заставить» известь отдать кислород.
Английский химик Гемфри Дэви (1778-1829) решил, что если вещество нельзя разложить химическим путем, то, возможно, это удастся осуществить под воздействием электрического тока: ведь таким способом удалость разложить даже молекулу воды. Дэви только разложил воду и получил водород и кислород. Необходимо было прежде удалить воду. Однако через твердые вещества ему даже не удалось пропустить ток. Наконец, Дэви догадался расплавить соединения и пропустить ток через расплав.
6 октября 1807 г. Дэви пропустил ток через расплавленный поташ (карбонат калия) и получил маленькие шарики металла, который он назвал потассием (от английского – potaslt). Этот металл, впоследствии названный калием, оказался очень активным. Неделю спустя Дэви выделил из соды (карбоната натрия) содий (от английского – soda), впоследствии названный натрием. По своей активности, как выяснилось, натрий лишь незначительно уступает калию.
В 1808 г., пользуясь модифицированным вариантом метода Берцелиуса, Дэви выделил магний из магнезии, стронций из оксида стронция, барий из оксида бария и кальций из извести («кальций» – от латинских называний извести – calx. calcis).
Дэви также показал, что зеленоватый газ, который открыв
ший его Шееле считал оксидом, в действительности является χλωρος – желто-зеленый). Позднее Гей-Люссак сократил это
название до хлора. Дэви доказал, что соляная кислота, будучи сильной кислотой, не содержит атома кислорода в своей молекуле, и, таким образом, опроверг предположение Лавуазье, который рассматривал кислород как необходимый компонент всех кислот.
Работы Дэви по электролизу продолжил его помощник и ученик Майкл Фарадей (1791-1867), который впоследствии стал знаменитым ученым. Фарадей называл расщепление молекул под действием электрического тока электролизом. Фарадей назвал соединение или раствор, способный проводить электрический ток, электролитом; металлические стержни или пластины, помещенные в расплавленный металл или раствор, – электродами; электрод, несущий положительный заряд – ано-дом; электрод несущий отрицательный заряд – катодом.
Реально существующие частицы, благодаря которым элект-рический ток проходит через раствор или расплав, Фарадей на-зывал ионами (от греческого ιογ – идущий). Ионы, перемеща-ющиеся по направлению а аноду, он назвал анионами, ионы, перемещающиеся по направлению к катоду – катионами.
1832 г. Фарадей сформулировал следующие два закона электролиза: 1. Вес вещества, выделившегося на электроде во время электролиза, пропорционален количеству электричества, пропущенного через раствор. 2. Вес металла, выделенного данным количеством электричества, пропорционален эквивалентному весу этого металла.
Законы Фарадея, по мнению некоторых химиков, указывали на то, что электричество, как и материю, можно разложить на постоянные минимальные единицы, или, другими словами, на «атомы электричества».
Человек разделил вещества на две группы: горючие и негорючие.
Накопленные в XVIII столетии знания показали химиками, что судить о природе веществ, исходя только из их горючести или негорючести, нельзя. Вещества неживой природы могли выдерживать жесткую обработку, а вещества живой или некогда живой материи такой обработки не выдерживали. Вода кипела и снова конденсировалась в воду; железо или соль расправлялись, но остывая, возвращались в исходное состояние. В то же время, оливковое масло или сахар при нагревании (даже в условиях исключающих возможность горения) превращались в дым и гарь.
