Реферат: Мир в котором мы живем (путешествие в глубь материи)
Означает ли многообразие веществ, существующих в природе, что и число различных видов атомов также бесконечно велико?
«В мире существует бесконечное число атомов... Атомы обладают бесконечным числом форм. Число форм бесконечно, потому что в природе нет оснований, чтобы оно было ограничено определённым значением, чтобы оно было таким, а не иным». Так, по свидетельству философа Симплиция (VI в.), отвечал на этот вопрос Левкипп, а вслед за ним его друг и ученик Демокрит.
Однако уже Аристотель заметил, что для объяснения наблюдаемых явлений не обязательно допускать существование бесконечного числа различных атомов, ибо и на основе их «ограниченного числа можно было доказать всё то же самое».
Здесь Аристотель оказался прав. В настоящее время известно, что число различных атомов действительно ограниченно, - их лишь немногим более 100. Большинство же веществ построено из молекул - разнообразных сочетаний этих атомов. Например, молекула углекислого газа состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода (СО2 ), молекула воды - из двух атомов водорода и одного атома кислорода (Н2 О) и т. д. Но это мы знаем сейчас. В конце XVIII в., когда английский физик, химик и метеоролог Джон Дальтон приступал к исследованию свойств мельчайших частиц вещества, об атомах и молекулах знали почти столько же, сколько за 2 тыс. лет до этого. Тем не менее, учёный не побоялся бросить вызов природе, взявшись «взвесить» то, что увидеть было невозможно.
Немногим ранее французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743 - 1794) открыл закон сохранения массы в химических реакциях и впервые разделил все вещества на химические элементы и химические соединения. Дальтон пошёл дальше. Он возродил атомистику и в основу своей теории положил следующие постулаты:
· Все химические элементы состоят из мельчайших частиц, называемых атомами.
· Атомы данного химического элемента имеют одинаковые массу и химические свойства.
· Атомы разных элементов имеют различные массу и химические свойства.
· Атомы могут соединяться в простых целочисленных отношениях, образуя соединения.
Возможно ли определить массу того или иного конкретного атома? Никому раньше в голову не приходило, что такое реально. Да и сами атомы – существуют ли они? У Дальтона на этот счёт сомнений не возникало. Он был настолько убеждён в существовании атомов, что иногда ему казалось: он их видит воочию.
«Взвесить» атомы Дальтон не мог. Тогда он решил определить их относительную массу, т. е. принять, например, массу атома водорода за единицу и посмотреть, чему будут равны массы всех остальных атомов в сравнении с массой атома водорода.
К тому времени уже был известен состав многих химических соединений. Например, удалось установить, что вода состоит из водорода и кислорода. Химический анализ показывал, что при образовании воды 1 г водорода соединяется с 8 г кислорода. Первым, кто попытался объяснить этот факт, был Дальтон. Не имея возможности руководствоваться какими-либо иными соображениями, он решил исходить из «принципа простоты».
Если известно только одно соединение двух данных элементов А и В, то оно должно состоять из двухатомных молекул (которые сам Дальтон называл «сложными атомами») типа AB. Следующими по простоте являются комбинации АВ2 и А2 В; поэтому, если известны два или три соединения данных элементов, их молекулы должны описываться тремя формулами.
Основываясь на этом принципе, Дальтон предположил, что молекула воды двухатомна и имеет (в современных обозначениях) формулу НО. Отсюда следовало, что в 1 г водорода и 8 г кислорода содержится одинаковое число частиц. Но если это, верно, значит, каждый атом кислорода в восемь раз тяжелее атома водорода. Так Дальтон впервые получил значение относительной атомной массы кислорода.
Изучение иных химических соединений позволило Дальтону составить целую таблицу относительных атомных масс всевозможных химических элементов. В 1803 г. он обнародовал результаты этих исследований. Учёный сознавал, что является первопроходцем в новой, неизведанной пока области, и потому в своём сообщении подчеркнул: «Рассмотрение роли относительной тяжести мельчайших частичек тел, насколько я знаю, является совершенно новым предметом исследования. Я начал недавно эти работы и достиг некоторых успехов». Значение его исследований трудно переоценить. Ничего подобного в науке ещё не было. Впервые человек своим разумом проник в микромир и на языке чисел описал то, что невозможно было увидеть.
Однако «принцип простоты», которым руководствовался Дальтон, сильно подвёл его. Позволив в одних случаях получить правильные результаты, во многих других он привёл к неверным выводам. Ошибочной оказалась и формула молекулы воды, предложенная Дальтоном, а вместе с ней и относительная атомная масса кислорода.
Эти ошибки были обнаружены и исправлены итальянским учёным Амедео Авогадро. В 1811 г. вышла его статья под названием «Очерк метода определения относительных масс элементарных молекул тел и пропорций, согласно которым они входят в соединения», В ней указывалось, что все проблемы, связанные с установлением относительных масс частиц вещества, могут быть легко решены, если предположить, что при одинаковых условиях в равных объёмах любых газов содержится одинаковое число молекул. Теперь это утверждение называют законом Авогадро . Из него следует, что отношение масс молекул газов совпадает с отношением их плотностей при одинаковых давлениях и температурах
Так Авогадро обнаружил удивительно простое решение задачи о нахождении относительной молекулярной массы. Для этого, оказывается. необходимо знать лишь плотности р соответствующих газов. В качестве примера он рассчитал относительную молекулярную массу кислорода. Подставив в свою формулу плотности кислорода и водорода, учёный пришёл к выводу, что масса молекулы кислорода примерно в 15 раз превышает массу молекулы водорода (несколько позднее было получено более точное значение - 16).
Понятие относительной молекулярной массы сохранилось до нашего времени. Только теперь (начиная с 1960 г.) при её расчёте за основу берут не массу атома водорода, а 1/12 массы атома углерода (её называют атомной единицей массы; а.е.м.= 1,6605655(86) 10 -27 кг).
Следующим шагом в развитии молекулярных представлений было определение состава молекул различных соединений, в частности воды. Для этого Авогадро воспользовался экспериментальным фактом, установленным несколькими годами ранее французским химиком и физиком Жозёфом Луи Гей-Люссаком (1778-1850). В 1808 г. он обнаружил, что для образования водяного пара объемом 2V нужно, чтобы в реакции участвовали водород такого же объёма и кислород объёма V. Схематически это можно изобразить следующим образом:
2 V (водород) + V(кислород) ® 2V(вода).
До открытия закона Авогадро этот факт мало о чём говорил. Ведь частицы газообразного водорода могли быть расположены вдвое дальше друг от друга, чем атомы газообразного кислорода, и потому обнаруженная разница в объёмах могла не иметь никакого отношения к числу молекул. Однако после того, как закон был установлен, ситуация резко изменилась. Равные объёмы газов (при одинаковых условиях) содержат одинаковые количества молекул. Пусть в объёме V находится N молекул, тогда в объёме 2 V будет содержаться 2 N молекул и приведённое выше уравнение примет вид:
2N (водород) + N (кислород) ® 2 N (вода)
или (после сокращения на N)
2 молекулы водорода + 1 молекула кислорода ® 2 молекулы воды.
Проанализировав полученное соотношение, Авогадро пришёл к выводу, что молекулы водорода и кислорода двухатомны. Если бы это было не так и молекулы водорода и кислорода были одноатомными, то имело бы место следующее уравнение:
2Н+ O – Н2 О,
Но здесь образуется лишь одна молекула воды, в то время как на самом деле их должно быть две. Если молекулы водорода и кислорода содержат по два атома, то мы сразу приходим к правильному уравнению:
2Н2 +O ® 2Н2 О.
Так Авогадро впервые установил, из скольких атомов состоят молекулы водорода, кислорода и воды. Впоследствии им, а затем и другими учёными была определена структура всех остальных известных молекул. Оказалось, что число атомов в молекулах может достигать нескольких десятков, а в отдельных случаях даже сотен и тысяч (у некоторых витаминов и белков).
Несмотря на всю важность полученных Авогадро результатов, у многих учёных XIX в. осталось чувство неудовлетворённости. Большинство из них продолжали сомневаться: а существуют ли на самом деле атомы? Ведь их по-прежнему никто не видел. Французский химик Жан Батист Дюма (1800-1884) писал: «Если бы это зависело от меня, я бы искоренил в науке слово атом , потому что я убеждён, что оно выходит за пределы проверяемого опытом, а химия никогда не должна выходить за границы проверяемого экспериментом».
Между тем в 1827 г. английский ботаник Роберт Браун (1773-1858) сделал открытие, которому было суждено сыграть очень важную роль в победе атомно-молекулярного учения. Наблюдая в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде, он обнаружил странное явление: частицы взвеси непрерывно двигались, описывая самые причудливые траектории. Впоследствии беспорядочное движение взвешенных в жидкости мелких частичек другого вещества стали называть брауновским движением .
Понимание истинной причины этого движения пришло не сразу. Потребовалось почти полвека, прежде чем бельгийский учёный Иньяс Карбонелль предположил, что брауновское движение частицы вызвано ударами молекул окружающей жидкости.
В ходе изучения брауновского движения было установлено, что это движение универсально (поскольку наблюдалось решительно у всех веществ, взвешенных в распылённом состоянии в жидкости), непрерывно (в закрытой со всех сторон колбе его можно наблюдать неделями, месяцами, годами) и хаотично (беспорядочно). Причём движения даже тех брауновских частиц, которые располагались довольно близко друг к другу, были совершенно независимыми, так что не могло быть и речи о том, что их причиной служат какие-либо потоки в самой жидкости. Всё это свидетельствовало о том, что молекулы жидкости находятся в состоянии непрерывного и беспорядочного движения.