Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали

Уникальные особенности атома, зависящие от его элемента, определяют то, как он будет взаимодействовать с другими элементами. Наши знания об этих взаимодействиях дают нам основу понимания химических реакций, и именно через эти химические реакции вещество «создается» и «разрушается».

По состоянию на август 2018 года мы знаем о 126 элементах, тогда как Лавуазье в «Элементарном трактате по химии», изданном в 1789 году, определил тридцать три, среди которых были теплород и свет. Он включал и известные сегодня элементы: кислород, азот и водород. Были и другие элементы, с которыми мы знакомы сегодня, – золото, серебро, железо, медь, олово и ртуть.

Как объединяются элементы

В 1789 году Лавуазье показал, что общая масса (или вещество) сохраняется – она не изменяется от начала до конца химической реакции^[146]. Другими словами, если вы тщательно взвесите исходные материалы (реагенты) и получите значение, равное одному грамму, сумма конечных материалов (продуктов), после того как химическая реакция закончилась, тоже будет равняться одному грамму^[147]. Все очень просто. В ходе химической реакции никакая масса не прирастает, никакая масса не исчезает. Так что же именно происходит?

По-видимому, «вещи» просто «реорганизовывают» себя. В конце концов, если ничего не теряется и не появляется, но то, что вы получили на выходе, отличается от того, что было в начале, – значит, вещи каким-то образом переставляются, верно?

Давайте рассмотрим эту ситуацию на примере карт. Скажем, у нас есть совершенно новая колода карт, прямо из пакета (исходные материалы, или реагенты), и теперь мы перетасовываем колоду карт (химическая реакция) и получаем как бы новую колоду (конечный продукт). Очевидно, эта новая вещь – просто измененная колода карт. То есть никакие карты не были потеряны или добавлены в нее (если я только не хочу сжульничать в карточной игре); скорее, просто порядок карт поменялся.

Так, химическая реакция подобна колоде перетасовываемых карт. Джон Дальтон (1766–1844) пришел к заключению, что как меняют порядок предметы, так меняют порядок и атомы элементов, составляющие исходные материалы. Таким образом, закономерно возникает следующий вопрос: если мы хотим провести химическую реакцию, сколько исходных материалов необходимо, чтобы получить желаемые конечные материалы?

Другими словами, действительно ли важно реальное количество, или нужна какая-либо сумма перемешанных друг с другом исходных материалов, чтобы получить желаемый конечный материал? Возможно, химические реакции похожи на кулинарию, где вы просто добавляете «часть» этого или «немного» того. Клод Луи Бертолле (1748–1822), ученик Лавуазье, думал именно так.

Когда вы готовите яблочный пирог, вы можете использовать пять яблок, шесть яблок и так далее, но большинство из нас просто назовет его «яблочным пирогом», не описывая его как «яблочный пирог из пяти яблок» или «яблочный пирог из шести яблок». Бертолле именно так представлял, что элементы объединяются в ходе химической реакции при создании нового соединения.

Бертолле был уважаемым ученым, идеи которого имели вес в научном сообществе на рубеже XIX века. Он полагал, что элементам, составляющим сложное вещество, не нужно находиться в определенных соотношениях друг с другом, они могут браться в различных пропорциях, и в результате получится та же самая смесь продуктов – тот же самый «яблочный пирог». Кроме того, по данным Бертолле, соотношения количеств элементов в соединении определены количествами используемых исходных материалов. Поэтому, если исходные материалы подобраны так, что некоторые элементы используются в бо2льших количествах, чем другие элементы, у конечного продукта реакции в составе так же будет больше элементов. Как и в кулинарии, если в рецепт добавить больше сахара, блюдо будет слаще.

Эта концепция не устраивала Жозефа Луи Пруста (1754–1826), он не считал химию кулинарным искусством. Пруст провел детальные исследования в хорошо оборудованной лаборатории и обнаружил, что формирующие определенное вещество элементы не находятся друг с другом в переменных пропорциях, а эти соотношения фиксированы. Таким образом, различные соотношения тех же самых элементов дают в результате разные соединения, а не просто вариации одного и того же соединения, как считал Бертолле, – таким образом, действительно имеет значение, используете ли вы пять яблок или шесть. Пруст объясняет это так:

«…свойства соединений неизменны, пока неизменна пропорция составляющих их элементов. В этих двух аспектах они идентичны. Вследствие смены агрегатного состояния этих веществ может измениться их внешний вид, но не свойства».