Краткая история науки

Манчестерский «Лит&Фил» был одним из множества одинаковых обществ, основанных в конце восемнадцатого века в городах по всей Европе и даже в Северной Америке. Бенджамин Франклин, о котором мы упоминали, вошел в число основателей Американского философского общества в Филадельфии. «Натурфилософией», конечно, тогда именовали то, что мы называем наукой. «Литература» в имени манчестерского общества напоминает нам, что наука тогда еще не была отделена от других форм интеллектуальной активности; и обсуждаться на собраниях могли самые разные вещи, от пьес Шекспира до новостей археологии и химии. Век специализации, когда химики большей частью общаются с другими химиками, а физики с физиками, еще не наступил, и видится нечто возвышенное в широте мысли тогдашних ученых.

Дальтон стал главной звездой Манчестерского литературно-философского общества, и его работы постепенно признавали в Европе и Северной Америке. Он провел множество значимых химических экспериментов, но его репутация и тогда и сейчас большей частью базируется на химическом понятии атома.

Ученые более раннего времени видели, что когда соединения вступают в реакцию, то они делают это предсказуемым образом. Когда водород «горит» в обычном воздухе, частью которого является кислород, то продуктом реакции всегда окажется вода, и если вы отмеряете все аккуратно, то увидите, что пропорция двух газов, комбинирующихся для образования жидкости, всегда будет одна и та же (только не пробуйте сделать это дома, поскольку водород легко загорается и даже может взорваться).

Тот же самый вид постоянства можно наблюдать и при прохождении других химических реакций с газами, жидкостями и твердыми веществами.

Почему?

Лавуазье, живший в девятнадцатом веке, объяснял это тем, что элементы являются базовыми единицами материи, и ни одни из них не может быть разложен на составляющие. Дальтон назвал мельчайшие частички материи «атомами» и настаивал, что атомы одного элемента все одинаковые, но в то же время отличаются от атомов других элементов. Он считал атомы невероятно маленькими кусочками сплошной материи, окруженными теплом. Тепло вокруг атома помогало объяснить то, как атомы и соединения, которые они создают, объединяясь с другими атомами, могут находиться в разных состояниях.

Например, атомы водорода и кислорода могут вместе выглядеть как твердый лед (в этом случае у них меньше всего тепла), или как вода, или как водяной пар (когда тепла больше всего).

Дальтон изготавливал модели из маленьких вырезок, пытаясь разобраться с тем, как состыкуются атомы. Он помечал эти куски картона символами, поскольку на полные названия не хватало места (а еще он экономил время), и записывал имена соединений, а также происходящие реакции (словно отправляя текстовое сообщение в мессенджере). Поначалу система выглядела слишком неудобной, чтобы пользоваться ей, но идея оказалась правильной, и постепенно химики решили употреблять инициалы как символы элементов (и само собой, атомов Дальтона).

Так водород стал обозначаться H (hydrogen), кислород – O (oxygen), углерод – C (carbon). Другие символы иногда требовалось добавлять, чтобы избежать путаницы: например, когда позже открыли гелий (helium), его нельзя было обозначить H, отсюда появилось He.

Красота Дальтоновской теории атомов заключалась в том, что она позволила химикам узнать такие вещи об этих кусочках материи, которые они не могли увидеть. Например, если все атомы одного элемента одинаковые, то они должны и весить одинаково, и отсюда возникает возможность измерить, насколько один из атомов тяжелее другого.

В соединении, состоящем из атомов разных видов, можно, используя относительную массу, рассчитать процент атомов каждого вида, то, какую долю они занимают (Дальтон на самом деле не имел возможности узнать, сколько весит атом, так что атомные массы были исключительно сравнительными).

Дальтон оказался первопроходцем, и на самом деле он не всегда шел в правильном направлении. Например, анализируя воду, в которой скомбинированы атомы водорода и кислорода, он предположил, что один атом одного элемента приходится на атом второго. Базируясь на самом тщательном взвешивании, он присвоил водороду атомную массу в единицу (водород был легчайшим из известных элементов), а кислороду – семерку, то есть масса одного относилась к другой как 1 к 7.

Он всегда округлял атомные массы до целых чисел, и сравнительные массы, с которыми работал ученый, намекали, что он прав. На самом деле соотношение массы в воде ближе к 1 на 8, и сейчас мы знаем, что два атома водорода содержатся в каждой молекуле воды и реальная пропорция атомных масс 1 к 16 – один атом водорода к шестнадцати кислорода. Текущая атомная масса кислорода 16, ну а водород сохранил магическую массу в единицу, полученную еще от Дальтона.

Водород, кстати, не только самый легкий из элементов, он еще и наиболее распространенный во Вселенной.