Рассказ о строении вещества

А теперь пришла пора ответить на вопрос, поставленный в конце второй главы.

Как можно объяснить закон постоянства состава химических соединений?

Объяснить эту закономерность, и объяснить очень легко, можно только одним путём — если согласиться с тем, что все тела построены из молекул, а молекулы из атомов, имеющих совершенно определённые свойства и вес.

В самом деле. Каким путём должны образовываться в этом случае химические соединения? Возьмём простейший случай, как, например, образуется обыкновенная поваренная соль, которая, как известно, представляет собой химическое соединение двух элементов — натрия и хлора? Если и натрий и хлор состоят из атомов, то молекула поваренной соли образуется соединением атома хлора с атомом натрия. А если это так, то понятно, что где бы и как бы ни образовалась соль, она всегда будет иметь один и тот же весовой состав, так как все атомы хлора, с одной стороны, и все атомы натрия, с другой, всегда имеют один и тот же постоянный вес.

Возможен случай, когда с одним атомом какого-либо химического элемента будет соединяться не один атом другого элемента, а, скажем, два, три, четыре и более атомов. Весовой состав химического соединения в этом случае будет уже другим, чем тогда, когда один атом одного элемента соединяется с одним же атомом другого элемента, но зато и само химическое соединение здесь будет уже совсем другое — с другими свойствами. Свойства химического соединения этих двух элементов будут зависеть не только от вида вступающих в соединение атомов, но и от того, в каких соотношениях соединяются друг с другом эти атомы.

Чтобы показать, насколько меняются свойства отдельных атомов при их химическом соединении, достаточно привести пример с той же поваренной солью.

Она состоит, как уже было сказано, из элементов натрия и хлора. В каждой молекуле поваренной соли содержится один атом хлора и один атом натрия. Свойства поваренной соли — её солёный вкус и прочее — определяются свойствами её молекул.

Ну, а что представляют собой атомы химических элементов натрия и хлора, то-есть, иными словами, сами элементы натрий и хлор? Каковы их свойства?

Оказывается, оба эти элемента не имеют ничего общего с поваренной солью! Металл натрий — это несъедобное вещество, которое нельзя держать на воздухе, он очень быстро соединяется с кислородом воздуха. А газ хлор — это ядовитый желтовато-зелёный газ; в первую мировую войну он был применён немцами как отравляющее вещество. И вот такие два элемента, химически соединяясь, дают вещество не только безвредное, но даже необходимое для нашего организма!

Столь же сильно изменяются свойства соединения, если в его молекуле меняется число тех или иных атомов. Очень часто один лишний атом какого-либо элемента в молекуле соединения резко изменяет свойства этого вещества. Вот, скажем, вода. Молекула этого общераспространённого, необходимого для всех живых существ соединения состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Попробуйте, например, изменить число атомов кислорода в молекуле воды! Химики умеют это делать, но не вздумайте выпить такой «воды». Если к молекуле воды добавить ещё один атом кислорода, то получится совсем новое соединение, с совершенно другими свойствами, так называемая перекись водорода. Для питья она не годится.

Учение об атомах, атомная теория, просто и убедительно объясняет не только закон постоянства состава химических соединений, но и то, почему именно с изменением весового состава соединения изменяются его свойства.

Очень просто объясняет эта теория и ломоносовский закон сохранения массы. Действительно, если сложное вещество образуется путём присоединения атомов одного элемента к атомам другого, то масса, вес этого соединения, всегда должна быть равна сумме весов всех тех атомов, которые вступили в это соединение. Это ясно. А об этом и говорит как раз открытый Ломоносовым закон постоянства массы.

Неизменность же химических элементов, невозможность их разложения вытекают из того, что сами атомы неизменны по своим свойствам и неразложимы химическими методами.

Так «атомистический» взгляд на мир легко объяснил вновь открытые законы природы.

Ещё больший успех принесло атомной теории изучение свойств различных газов. Проводя опыты с газами, учёные обычно, поскольку это очень просто сделать, сравнивали объёмы различных газов.

В XVII веке были известны лишь немногие газообразные вещества, но к концу XVIII века были уже открыты многие газы, было установлено, что воздух является смесью различных газов. И вот с этими газами начинается работа. Химики и физики хотят знать свойства вновь открытых газообразных тел природы. Этого требует развивающаяся техника того времени.

И все вновь открываемые законы поведения газов очень легко объясняются, если только считать, что все тела состоят из быстро движущихся атомов и молекул. Именно так должны вести себя газы, если считать, что они состоят из отдельных беспорядочно движущихся частиц.

Атомная теория завоевывает себе всё большее число сторонников, но всё же общее количество их невелико. Учёные в большинстве своём, наблюдая поведение веществ в различных условиях, не догадываются о том, что в поисках истины необходимо руководствоваться атомной теорией, принимать её не как догадку, а как действительность, планировать свою работу, сообразуясь с этой действительностью.

И только отдельные, наиболее выдающиеся люди науки смело руководствуются в своей работе атомной теорией. И великая теория блестяще оправдывает себя. Она как бы является чудодейственным ключом к открытию всё новых и новых тайн, закономерностей природы.

Первым учёным, пошедшим по новому пути, был, как мы уже говорили, Михаил Васильевич Ломоносов.

IV. В ПОИСКАХ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ

1. Теория приходит на помощь

Почему при сжатии воздуха увеличивается его давление? Чем объяснить, что с уменьшением давления воздух расширяется? Говоря короче, в чём секрет упругости этого газообразного тела?

На эти вопросы современники Ломоносова давали такой ответ: в воздухе находится особая «материя упругости», она и расталкивает частички воздуха в разные стороны.

Такой маловразумительный, хотя и «учёный», ответ не удовлетворял великого учёного.

В самом деле, ну, а что же в таком случае представляет собой эта таинственная упругая материя? Об этом никто ничего не знал. Ломоносов начинает искать другое, правильное объяснение «упругой силы» воздуха. И на этот раз его могучим союзником является атомная теория.

«Мы считаем излишним, — пишет М. В. Ломоносов, — призывать на помощь для отыскания причины упругости воздуха ту своеобразную блуждающую жидкость, которую очень многие — по обычаю века, изобилующего тонкими материями — применяют обыкновенно для объяснения природных явлений. Мы довольствуемся тонкостью и подвижностью самого воздуха и ищем причину упругости в самой материи его».

Ломоносов считает, что упругая сила воздуха происходит от «непосредственного взаимодействия» его атомов.

Вот как рассуждает учёный. Воздух, как и все тела природы, состоит из огромного числа невидимых частичек-молекул. Молекулы эти находятся в постоянном движении. Двигаясь в самых различных направлениях, молекулы воздуха постоянно сталкиваются друг с другом, отскакивают друг от друга, но тут же вновь и вновь налетают друг на друга. Результатом этого является то, что движение молекул газа получается совершенно беспорядочным. Молекулы как бы стремятся разлететься в разные стороны.

«…отдельные атомы воздуха, — пишет М. В. Ломоносов, — взаимно приблизившись, сталкиваются с ближайшими… вторые атомы друг от друга отпрыгнули, ударились в более близкие к ним и снова отскочили; таким образом непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными толчками они стремятся рассеяться во все стороны».

И вот, если мы помещаем какое-то количество воздуха в закрытый сосуд, то его стремящиеся разлететься молекулы будут беспрерывно с силой ударяться о стенки сосуда. Эти удары, настолько частые, что мы не можем различить их в отдельности, и создают давление.