Йен Стюарт - Наука Плоского мира
В 1661 году Роберт Бойль в своем сочинении «Химик-скептик» вывел два важных постулата. Первый заключался в различии между химическими соединениями и смесями. Смесь – это… просто-напросто перемешанные вместе различные штуковины, в то время как химическое соединение – это одна и та же штуковина, чем бы она ни была. Ее можно разделить на составляющие, нагрев, обработав кислотой или подыскав другой подходящий способ. При этом как ни старайся, но обнаружить в химическом соединении части, отличающиеся одна от другой, не получится. В отличие от смеси, пусть даже в последнем случае вам понадобится острое зрение и очень ловкие пальчики. Второй постулат касается соединений и элементов. Химический элемент, по идее, состоит из одного-единственного простого материала, и его вообще нельзя разделить на составляющие.
Например, сера – это элемент. Поваренная соль, как мы теперь знаем, – химическое соединение (а не просто смесь) двух элементов: мягкого легковоспламеняющегося металла натрия и ядовитого газа хлора. Вода – это соединение двух газов: водорода и кислорода. Тогда как воздух – это смесь многих газов, таких, как кислород и азот, являющихся элементами, и углекислого газа, состоящего из углерода и кислорода. Что же до земли, то ее состав и вовсе очень сложен и меняется от местности к местности. Огонь же – вообще не субстанция, но процесс с участием раскаленных газов.
Чтобы разобраться во всем этом, потребовалось время. В 1789 году Антуан Лавуазье составил первую таблицу, включающую 33 элемента. Отбор был произведен настолько разумно, что результаты работы Лавуазье актуальны и в наше время, хотя он и допустил ряд вполне простительных ошибок, например, посчитал свет и тепло – элементами. Тем не менее сам его подход был системным и тщательным. Сейчас нам известно 113 различных элементов. Некоторые из них созданы искусственно, причем кое-какие просуществовали на Земле всего лишь доли секунды. Но большинство элементов можно добывать в шахтах, находить в море или выделять из воздуха. Может быть, в будущем удастся создать еще какие-нибудь элементы, однако сейчас их в таблице практически не осталось.
И на то, чтобы понять все это, также потребовалось немало времени. Медленно, но верно алхимическое искусство уступало свои прерогативы науке химии. Шаг за шагом таблица заполнялась общепризнанными элементами, хотя изредка приходилось кое-что оттуда и убирать. Это когда люди открывали, что тот или иной элемент на самом деле является соединением. Так, например, произошло с известью, которую Лавуазье посчитал элементом, тогда как она состоит из кальция и водорода. Единственное, что не претерпело никаких изменений, это понимание элемента как некой совокупности уникальных свойств. Тут древние греки оказались правы. Скажем, плотность: находится ли элемент в твердом, жидком или газообразном состоянии при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении. Если он твердый, то какова его точка плавления. Для каждого элемента эти параметры вполне определенны и неизменны. Кстати, в Плоском мире все то же самое, разве что элементы там немного другие: черепахиум, образующий черепах – носителей миров, слонород (idem, только для слонов) или нарративиум, являющийся главнейшим элементом Плоского мира, а кроме того, способным помочь нам понять наш собственный. Ведь благодаря нарративиуму возникают связные истории. Человеческий разум никогда не прочь получить хорошенькую дозу нарративиума.
В нашей Вселенной мы учимся понимать, почему каждый элемент уникален и что именно отличает его от соединений. И снова пальма первенства принадлежит грекам, в частности Демокриту, предположившему, что материя состоит из мельчайших невидимых частиц, которые он назвал атомами, то есть «неделимыми». Неясно, верил ли хоть кто-нибудь в Древней Греции, в том числе сам Демокрит, в эту теорию или она была им создана в качестве разминки для ума. Но Бойль воскресил античную идею, предположив, что каждому элементу соответствует свой собственный тип атома, а их сочетания формируют соединения. Таким образом, кислород состоит из одних только атомов кислорода и из ничего больше, водород – лишь из атомов водорода, а вот вода состоит не из атомов воды, но из атомов водорода и кислорода.
В 1807 году было сделано открытие, имевшее первостепенное значение для развития как химии, так и физики. Англичанин Джон Дальтон нашел способ построить в определенный порядок различные атомы, образующие химические элементы, и использовать кое-что из этого порядка для соединений. Еще его предшественники заметили, что когда химические элементы формируют соединения, это всегда происходит в четких пропорциях. Так, некоторое количество кислорода и известное количество водорода дают определенное количество воды, при этом соотношение кислорода и водорода будет всегда одинаковым. Более того, эти пропорции идеально сочетаются между собой, если сравнивать разные химические соединения с участием водорода или кислорода.
Дальтон сообразил, что все это приобретает смысл в одном-единственном случае: если все атомы имеют фиксированную массу, причем атом кислорода должен быть тяжелее атома водорода в 16 раз. Конечно, атомы слишком малы, чтобы можно было их просто взвесить, однако косвенные доказательства этой теории были убедительными и исчерпывающими. Таким образом возникло учение об атомных весах, давшее химикам возможность построить список химических элементов, расположив их в порядке возрастания массы.
Список этот начинался так (в скобках приведены современные значения атомных весов): водород (1,00794), гелий (4,00260), литий (6,941), бериллий (9,01218), бор (10,82), углерод (12,011), азот (14,0067), кислород (15,9994), фтор (18,998403), неон (20,179), натрий (22,98977). Поражает тот факт, что атомные веса почти всегда близки по своим значениям целым числам. Первым огорчительным исключением стал хлор, чья атомная масса составляет 35,453. Выглядело это довольно загадочно, что послужило отличным поводом для поиска других моделей и соотнесения их с атомными весами. Но проще сказать, чем сделать: список элементов первоначально был беспорядочным, они были расставлены почти наобум. Ртуть, единственный в списке химический элемент, остающийся жидким при комнатной температуре, – является металлом. Позже был обнаружен еще один жидкий элемент – бром. Там было несколько твердых металлов (железо, медь, серебро, золото, цинк, олово), причем сильно отличающихся друг от друга; сера и углерод – тоже твердые, металлами не являются; а многие из элементов были газами. Короче говоря, таблица Дальтона оказалась настолько сумбурной, что ученых, осмелившихся высказать дерзкое предположение, что за этим сумбуром скрывается определенный порядок, поднимали на смех. Среди таких отметились Иоганн Дебирейнер, Александр‑Эмиль Бегуйе и Джон Ньюлендс.
Заслуга составления правильной в своей основе схемы принадлежит Дмитрию Менделееву, который в 1869 году завершил первую из длинной цепи «периодических таблиц». Она содержала 63 известных к тому времени химических элемента, расставленных в порядке их атомных весов, причем были оставлены пробелы, которые, по его мнению, должны были занять неизвестные на тот момент элементы. Таблица была «периодической» в том смысле, что свойства элементов начинали повторяться через определенное количество шагов, обычно – восемь.
Согласно идее Менделеева, химические элементы образуют родственные группы, члены которых разделены вышеупомянутыми периодами, при этом в каждой такой группе присутствует систематическое сходство физических и химических свойств. И действительно, они варьируются до того систематически, что если просмотреть все группы, станут заметны пусть и не абсолютные, но очевидные численные закономерности. А если предположить, что кое-какие элементы еще не открыты и не вписаны на свои места, то система становится совершенно отчетливой. В качестве бонуса прилагается возможность предсказывать свойства неизвестных пока элементов на основе этого «фамильного сходства». Если предсказание сбудется, после обнаружения недостающего элемента – бинго! Время от времени в таблицу Менделеева вносят небольшие уточнения, однако главный принцип составления остается неизменным. Именно ее мы сейчас и называем Периодической таблицей химических элементов.
Теперь-то мы знаем, что в основе периодической структуры таблицы Менделеева лежит прочное основание: атомы вовсе не являются неделимыми, как думали Демокрит с Бойлем. Другое дело, что разделить их химическим способом, то есть устроив некую реакцию в пробирке, – нельзя. Тем не менее вы можете расщепить атомы с помощью аппаратуры скорее физической, нежели химической. Ядерная реакция требует гораздо более высоких затрат энергии в пересчете на один атом, чем нужно для химической реакции. Именно поэтому средневековым алхимикам так и не удалось превратить свинец в золото. Сегодня это сделать можно, однако подобная технология окажется слишком дорогой, а количество полученного золота – микроскопическим. В общем, все выйдет как у алхимиков Плоского мира, с великим трудом научившихся превращать золото в меньшее количество золота.
