Тема 1. 3. История атомистических учений.

Одним из основных понятий естественных наук является атом. Этот термин имеет давнее происхождение; он насчитывает уже около 2500 лет. Если не рассматривать историю Индии и Китая, где развитие научных представлений шло отдельным путем, то близкие современным атомистические представления были впервые сформулированы в Древней Греции в V–IV вв. до н. э. Теория о том, что тела состоят из определенного сорта вещества (мы называем это химическим составом) и обладают свойствами (например, температурой, давлением, цветом), а также о том, что существует вид вещества, не похожий на другие – «атомы огня», была развита Левкиппом (V в. до н. э.) и его учеником Демокритом (IV в. до н. э.).

К сожалению, от сочинений Левкиппа до нашего времени не дошло ничего, а атомистическое учение Демокрита известно только по цитатам и посвященным ему сочинениям. Восстановленное по фрагментам учение гласило следующее: Вещество состоит из атомов различных видов, неделимых, находящихся в постоянном движении. Атомы могут образовывать соединения, которые не вечны и через достаточно большое время распадаются. Атомы сталкиваются, но не как шарики, а изменяют траекторию своего движения, подходя достаточно близко друг к другу. Тепло и холод обусловлены движением атомов и их соединений. Цвет тела определяется его составом. Атомы огня качественно отличны от остальных, им приписывалась форма шара, в отличие от остальных атомов, которые, видимо, формой не наделялись.

Только в XVII–XIX вв. вновь развиваются идеи о дискретности вещества, современное представление об атомах возникает, когда алхимия превращается в химию. В 1647 году французский ученый Пьер Гассенди высказал гипотезу о том, что атомы объединяются в устойчивые группы, которые он назвал молекулами от латинского слова moles – масса. Он считал, что атомы имеют энергию, благодаря которой непрерывно движутся. Многие взгляды Гассенди опережали время. Так, он считал, что материя активна и находится в постоянном движении.

Значительный вклад в развитие учения о строении вещества внес Михаил Васильевич Ломоносов. Развивая атомистические представления, он высказал мнение о том, что тела состоят из «корпускул», а те, в свою очередь, из «элементов»; это соответствует современным представлениям о молекулах и атомах. Разнообразие тел зависит от того, какие «элементы» (атомы), в каком количестве и каким образом соединены в «корпускулы» (молекулы).

Ломоносов решительно отвергал существование теплорода, считая теплоту мерой движения молекул, и доказал, что увеличение массы веществ при окаливании связано с образованием оксидов.

Новый шаг в развитии атомистики был сделан Джоном Дальтоном. Он сформулировал три закона, составивших сущность его физической атомистики и теории газовых смесей:

1. закон парциальных давлений газов (1802), общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений отдельных газов, составляющих данную смесь, то есть

Робщ = Р1 + Р2 +.. + Рп

Из формулировки закона следует, что парциальное давление представляет собой частичное давление, создаваемое отдельным газом. И действительно, парциальное давление - это такое давление, которое бы создавал данный газ, если бы он один занимал весь объем.

2. закон зависимости расширения газов при постоянном давлении от температуры (1802). При увеличении температуры давление в замкнутом жёстком контейнере (например, баллоны акваланга) будет возрастать и, наоборот, при уменьшении температуры – падать.
Для приблизительных расчетов изменения давления используется следующая зависимость: Изменение температуры на 1 градус приводит к изменению давления на 0,6 BAR

3. закон зависимости растворимости газов от их парциальных давлений (1803). Растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна его парциальному давлению. Чем выше парциальное давление газа, тем лучше он будет растворяться в жидкости. Человеческий организм приблизительно на 70% состоит из жидкости, и при повышении внешнего давления газы, входящие в дыхательную смесь, начинают активнее растворяться в тканях.

Дальтон ввел фундаментальное понятие атомного веса и составил первую таблицу относительных атомных весов элементов водорода, азота, углерода, серы и фосфора, приняв за единицу атомный вес водорода. Он предположил, что каждое вещество этих элементов состоит из одинаковых атомов, сходных по размерам друг с другом. По Дальтону атом является неделимой частицей вещества, принимающей участие в химических реакциях.

Закон кратных отношений Дальтона (1804) гласит: «Если два элемента образуют между собой несколько молекулярных соединений, то масса одного элемента, приходящаяся на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа».

По современным представлениям, отношение масс элементов несколько отличается от целых чисел, но это отличие мало, и часто им можно пренебречь. Например, азот и кислород могут образовывать следующие соединения: N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₅. На 1 г азота в образующихся молекулах приходится 0,57, 1,14, 1,71, 2,28, 2,85 г кислорода. В этих соединениях на равные массы азота приходятся массы кислорода, которые относятся как 2: 1, 1: 1, 2: 3, 1: 2, 2: 5. Но это будет открыто позднее, сам Дальтон считал, что частица воды состоит из одного атома водорода и одного атома кислорода.

Амадео Авогадро в 1811 году открыл закон, согласно которому в одинаковых объемах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое количество молекул. Количественные соотношения были определены значительно позже, но число молекул, содержащихся в 1 моле вещества, назвали числом Авогадро. Число Авогадро равно N_А = 6,02∙10²³ моль^–1. Из закона Авогадро вытекают два следствия:

1) одинаковое количество молекул любых газов при одинаковых условиях занимают одинаковый объем;

2) относительная плотность одного газа по другому равна отношению их молярных масс.

Авогадро предположил, что молекулы большинства простых газов состоят из двух атомов, молекулы находятся примерно на одинаковых расстояниях друг от друга. Следовательно, в равных объемах газов содержится примерно одинаковое число молекул.

Станислав Канниццаро, основываясь на гипотезе Авогадро, четко разграничил понятия «атом», «молекула» и «эквивалент» и внес ясность в запутанный вопрос о различии атомных, молекулярных и эквивалентных весов.

Главное значение работ Канниццаро заключается в предложенной им системе основных химических понятий, означавшей реформу атомно-молекулярных представлений, установлении и обосновании правильных атомных весов многих элементов.

Международный конгресс химиков в 1860 г. принял резолюцию, закрепившую понятия «атом» и «молекула».

Доклад Канниццаро на этом конгрессе слушал Дмитрий Иванович Менделеев. Вот его воспоминания об этом: «Я живо помню впечатления от его речей … не прошло несколько лет, как идеи Канниццаро оказались единственными, могущими выдержать критику и дать понятия об атомах как наименьшем количестве элементов, входящих в частицы их соединений. Только такие истинные, а не какие-либо условные атомные веса могли подлежать обобщению».

Д. И. Менделеев сформулировал идею о периодической зависимости свойств химических элементов от их атомных весов. В 1869–1871 гг. он изложил основы учения о периодичности, открыл периодический закон и разработал периодическую систему химических элементов.

Йозеф Лошмидт в 1865 году определил размеры молекул и число молекул газа, содержащихся в 1 см³ при нормальных условиях. Лошмидт получил цифры, близкие к современным экспериментальным данным:

d = 10^–10 см, N = 10¹⁹ молекул.

Наблюдения и опыты, подтверждающие атомно-молекулярное строение вещества.

В 1827 году английский ботаник Роберт Броун впервые осуществил опыт по наблюдению движения молекул. Он наблюдал хаотическое движение взвешенных в воде крошечных сферических частиц – спор плауна. Видимые только под микроскопом взвешенные частицы движутся независимо друг от друга и описывают сложные зигзагообразные траектории. Броуновское движение мелких частиц подтвердило, что все молекулы, окружающие частицу, беспорядочно движутся с различными скоростями.

Жан Перрен в 1908 году выполнил серию экспериментов и окончательно доказал существование молекул. Он воспроизвел броуновское движение, исследуя движение шариков из смолы, заранее зная их примерный диаметр: 0,5 мкм, 0,46 мкм, 0,37 мкм, 0,21 мкм, 0,14 мкм. Разный диаметр шариков он получал на специальной установке – центрифуге.

В 1906 г. Альберт Эйнштейн разработал количественную теорию броуновского движения. Он показал, что при хаотическом движении броуновской частицы ее движение подчиняется закону,

где – средний квадрат смещения броуновской частицы, b – коэффициент, зависящий от формы и размеров частицы, T – температура, Δt – время, N_А – число Авогадро.

Эксперименты Перрена полностью подтвердили теорию броуновского движения Эйнштейна. Расчеты по формуле Эйнштейна совпали с экспериментальными данными.

Разработка теории броуновского движения и ее экспериментальное подтверждение окончательно закрепили победу представлений об атомах и молекулах.

Первое экспериментальное определение скорости молекул было сделано немецким физиком Отто Штерном в 1920 году.

В установке Штерна серебро испарялось в вакууме с поверхности платиновой проволоки, нагреваемой электрическим током. Испаряющиеся атомы серебра проходили через узкую щель. При вращении цилиндра из-за того, что скорости атомов серебра были различны, атомы оседали на внешний цилиндр не в виде узкой равномерной вертикальной полосы, а в виде полоски изменяющейся толщины. Штерн измерял толщину полоски в разных местах и оценивал соответствующие скорости атомов. Толщина слоя соответствовала закону распределения молекул (атомов) по скоростям. По смещению атомов и известной угловой скорости вращения цилиндров вычислялась скорость атомов серебра. Атомы, движущиеся быстро, смещаются на меньшее расстояние, чем атомы, движущиеся медленно. Эксперименты Штерна показали, что распределение атомов по скоростям соответствуют теории Максвелла, впервые теоретически рассчитавшего это распределение. Ранее скорости молекул считали одинаковыми.

Дата добавления: 2015-10-02