Открытие химической атомистики Джоном Дальтоном

«Открытие химической атомистики было сделано Джоном Дальтоном, английским физиком и химиком, в Манчестере в течение двух недель, а именно - с 3 по 19 сентября 1803 г.

В течение многих лет Дальтон занимался изучением воздушной атмосферы и вёл регулярные метеорологические наблюдения, записывая их результаты в свой научный дневник. Главный вопрос, который его давно интересовал и разобраться в котором он долгое время стремился, был следующий: каким образом и почему газы диффундируют друг в друга, образуя при этом  совершенно однородную смесь? Сам Дальтон об этом говорил в 1810 г.: «Занимаясь долгое время метеорологическими наблюдениями и размышляя о природе и строении атмосферы, я нередко удивлялся тому, как может сложная атмосфера или смесь двух или более упругих флюидов (газов – Прим. Б.М. Кедрова) представлять массу явно однородную, которая во всех механических отношениях сходна с простой атмосферой». Ответ на этот вопрос дали по-своему французские химики во главе с Бертолле. Между газами, говорили они, существует химическое сродство, и потому все газы способны в любых отношениях растворять друг друга. Например, когда происходит испарение воды в атмосферу, то воздух просто растворяет водяной пар. Но в данном случае для этого растворения имеется предел: для каждой температуры воздух может впитать в себя только определенное количество водяного пара, и тогда наступает насыщение (насыщенный пар).

Дальтон показал несостоятельность этого взгляда: прежде всего оказалось, что количество «растворённого» пара не зависит от того, сколько взято воздуха: воздуха может быть в несколько раз больше в данном объёме или меньше, а количество насыщенного пара зависит только от температуры. Этого не могло бы быть, если бы действительно воздух растворял в себе пар. Более того, водяной пар достигает того же состояния насыщения в полной пустоте и даже ещё быстрее, нежели в присутствии воздуха. Что в таком случае служит для него растворителем? Очевидно, что дело вовсе не в сродстве между газами и не в их взаимном растворении. Тогда в чём?

Дальтон обращается к Ньютону и в его «Математических началах натуральной философии» находит следующее рассуждение, которое ему весьма импонирует: Ньютон считает, что газ (упругий флюид) состоит из маленьких частиц (атомов), которые взаимно отталкивают друг друга с силой, возрастающей с уменьшением расстояния между ними. Исходя из этого Ньютон с атомистических позиции объяснил закон Бойля об обратной пропорциональности между объемом и давлением газа. Но Ньютон ничего не знал о сложном составе атмосферы, а потому его объяснение не могло быть применено к случаю, который специально интересовал Дальтона. Тем не менее Дальтон сразу же уловил главную мысль: дело в отталкивании между частицами газа, а не в притягивании одного газа другим. Поэтому сначала в 1801 г. он выдвинул предположение, что существует столько отталкивательных сил, сколько имеется различных видов газов и паров. Такое предположение казалось совершенно неправдоподобным. Французские химики его отвергли с порога. Но среди английских химиков оно также не встретило поддержки. Особенно резко нападал на Дальтона Томас Томсон.

Дальтон прислушался к критике и стал искать способы избавиться от допущения множества различных отталкивательных сил. В 1803 г. ему пришло в голову, что он до сих пор исключал из своего рассмотрения тепло как отталкивательную силу. В то время тепло трактовалось многими как особая невесомая топкая «жидкость» (флюид). Следовательно, встала задача объяснить, каким образом один и тот же теплород может действовать избирательно, т. е. так, что в одном случае будут отталкиваться друг от друга только частицы, скажем, кислорода, а на частицы других газов они не будут оказывать никакого воздействия, а те в свою очередь тоже никак не влиять на частицы кислорода. Если бы удалось найти такое решение, то отпала бы необходимость придумывать столько различных отталкивательных сил, сколько имеется в природе различных упругих флюидов (газов и паров): одно и то же тепло (теплород) вызывал бы все процессы отталкивания в разных газах. Но как модельно представить такое действие теплорода - это оставалось загадкой.

Но вот у Дальтона появилась идея; а что, если принять, что размеры у разных частиц газов различны? В таком случае можно было бы представить, что крупные частицы одного газа будут отталкиваться друг от друга, не затрагивая мелких частиц другого газа и не испытывая с их стороны также никакого воздействия. В итоге механизм смешения (диффузии) газов можно было бы представить как просыпку мелкой дроби в промежутки между крупной дробью. Сейчас же встал вопрос: а что надо понимать под размерами газовых частиц? Ведь тепло Дальтон представлял как особую, отдельную от атомов жидкость. Где она могла быть сосредоточена? Очевидно, вокруг самих атомов, создавая вокруг них тепловую атмосферу подобно тому, как окружающий Землю воздух образует воздушную атмосферу нашей планеты. В таком случае, согласно Дальтону, размеры частиц, это - общий суммарный объём атома и окружающей его теплородной оболочки. Если бы теперь удалось доказать фактическими данными, что размеры частиц, понимаемых как сумма атома и тепловой атмосферы, неодинаковы у разных газов, то задача была бы решена, по мнению Дальтона. Очевидно, как можно предположить, в таком виде вопрос встал перед Дальтоном в самом начале сентября 1803 г.

Позднее он вспоминал: «При дальнейшем рассмотрении этого вопроса мне пришло в голову, что я ни разу не учитывал влияния различия в величине частиц упругих флюидов. Под величиной я подразумеваю твёрдую частицу в центре вместе с окружающей её атмосферой тепла. Если,  например, число частиц кислорода в данном объёме воздуха в точности не одинаково с числом частиц азота в том же объёме, то величина частиц кислорода должна отличаться от величины частиц азота. Если величина атомов различна, то при допущении, что отталкивательной силой является тепло, равновесие не может установиться между частицами неодинаковой величины, давящими друг на друга».

С этого момента Дальтон стал искать способ определить размер (величину) частиц упругих флюидов с тем, чтобы проверить и подтвердить правильность выдвинутой им гипотезы о причинах диффузии газов друг в друга с образованием однородной смеси. Несомненно, что до сих пор весь ход его рассуждений был чисто физическим и относился не к области химических взаимодействий, а к области физики газов. Но как только Дальтон стал искать пути определения размеров (величины) газовых частиц в смысле системы из атома и тепловой атмосферы вокруг него, так он сейчас же из области физики перешел в область химии, хотя сам, вероятно, сразу даже не заметил этого. Ещё меньше он мог по-первоначалу понять, что переход его из физики в химию вызывает такой переворот в химии, по сравнению с которым поиски размеров газовых частиц с целью объяснения механизма диффузии представляются ничтожными с научной точки зрения. Тем не менее, Дальтон ещё некоторое время считал, что главное - это вовсе не то, что он вносит своими идеями в химию, а пресловутые тепловые оболочки и их диаметры.

Процесс открытия химической атомистики начался непосредственно с того момента, когда Дальтон приступил к вычислению размеров (диаметров «частиц» газа, включая их теплородные оболочки). Ведь для того, чтобы такое вычисление осуществить, нужно ввести по крайней мере два новых представления: вo-первых, об атомном весе элемента и, во-вторых, о числе атомов в сложной частице химического соединения. Эти два новых представления и составили теоретический фундамент всей химической атомистики в начале XIX в. Но, повторяем, оба эти представления были введены исключительно в целях расчёта размеров газовых частиц (в дальтоновском смысле) для создания модели диффузии газов и модели газовой смеси. Как же это всё происходило? Для того чтобы определить диаметр частицы, Дальтон должен был разделить общий объём, занимаемый данным газом, на общее число частиц газа, присутствующих в этом объёме. Число частиц ему, конечно, не было известно, а потому требовалось найти какой-то окольный путь для его определения. Очевидно, что общее число частиц можно было бы найти, если знать вес отдельного атома (частицы) данного газа. Тогда, разделив общий вес газа, присутствующего в данном объёме, на вес отдельного атома (частицы), можно было бы узнать число частиц в данном объёме газа. Однако нельзя было и мечтать взвесить отдельный атом, особенно в условиях слабо развитой экспериментальной техники того времени. Значит, опять надо было продолжать искать окольные пути для достижения поставленной цели.

Таким окольным путем оказалась идея, родившаяся в тот момент в голове Дальтона, - исходить не из абсолютного веса атома, а из его относительного веса. Но для этого следовало принять за единицу вес атома одного какого-нибудь элемента. Дальтон за таковую принял вес атома водорода, как наименьший. В таком случае из весового отношения составных частей какого-либо химического соединения, например, воды, можно было бы непосредственно выводить величину атомного веса того или иного элемента, в данном случае, т. е. в случае воды, кислорода (при Н=1). […]

Таков был путь открытия химической атомистики. Как видим, он с самого начала был нераздельно связан у Дальтона с представлениями о мифических теплородных оболочках атомов и с наивной моделью диффузии газов, совершающейся, якобы, на манер просыпки дробинок малого диаметра в промежутки между шарами большого диаметра».

Кедров Б.М., Научное открытие и информация о нём, в Сб.: Научное открытие и его восприятие / Под ред. С.Р. Микулинского, М.Г. Ярошевского, М., «Наука», 1971 г., с. 26-31.