Удивительная химия - Илья Леенсон

Это — вещей семена и начала в учении нашем,

То, из чего получился весь мир, существующий ныне…

Первоначалам должно быть присуще бессмертное тело,

Чтобы все вещи могли при кончине на них разлагаться.

И не иссяк бы запас вещества…

Первоначала вещей, таким образом, просты и плотны.

Иначе ведь не могли бы они, сохраняясь веками,

От бесконечных времен и досель восстанавливать вещи.

А вот как Лукреций объясняет, каким образом из одних и тех же атомов могут получаться разные веши: он проводит аналогию между порядком сочетания атомов, соединяющихся друг с другом, и букв, образующих множество разных слов:

Часто имеет еще большое значенье, с какими

И в положеньи каком войдут в сочетание те же

Первоначала и как они двигаться будут взаимно.

Те же начала собой образуют ведь небо и землю,

Солнце, потоки, моря, деревья, плоды и животных…

Даже и в наших стихах постоянно, как можешь заметить,

Множество слов состоит из множества букв однородных,

Но и стихи, и слова, как ты непременно признаешь,

Разнятся между собой и по смыслу и также по звуку.

Видишь, как буквы сильны лишь одним измененьем порядка.

Что же до первоначал, то они еще больше имеют

Средств для того, чтоб из них возникали различные вещи.

Лукреций уверен, что многообразие тел можно объяснить не только различным способом соединения атомов между собой, но и тем, что сами атомы отличаются друг от друга. Действительно, интересно ли играть с конструктором, в котором все детали одинаковы? (На самом деле такие «конструкторы» существуют — это кубики, но ведь это игра для самых маленьких.)

Что же до первоначал, то они еще больше имеют

Средств для того, чтоб из них возникали различные вещи.

Нет ни одной из вещей, доступных для нашего взора.

Чтоб она из начал состояла вполне однородных;

Нет ничего, что различных семян не являлось бы смесью.

Поразительно, но Лукреций предполагал, по-видимому, делимость атомов! Во всяком случае, именно так можно понимать следующие строчки из его поэмы:

Предположи, например, что тела изначальные будут

Три или несколько больше частей заключать наименьших;

Если затем ты начнешь эти части у данного тела

Переставлять или снизу наверх, или слева направо,

То обнаружишь тогда, сочетания все их исчерпав,

Все изменения форм, что для этого тела возможны;

Если ж иные еще получить ты желаешь фигуры, —

Части другие тебе прибавить придется.

А вот еще один довод Лукреция в пользу существования мельчайших частиц материи, находящихся в постоянном движении:

Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает

В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,

Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,

Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света.

Знай же: идет от начал всеобщее это блужданье.

Первоначала вещей сначала движутся сами,

Следом за ними тела из мельчайшего их сочетанья.

Близкие, как бы сказать, по силам к началам первичным.

Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться

Сами к движенью, затем побуждая тела покрупнее.

Так, исходя от начал, движение мало-помалу

Наших касается чувств и становится видимым также

Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете,

Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит…

Первоначала вещей уносятся собственным весом

Или толчками других.

Современная наука не подтвердила этот вывод древнего философа: пылинки в луче солнца слишком велики, чтобы молекулы воздуха могли на них действовать, и «пляшут» они под влиянием потоков воздуха. Но, наблюдая значительно более мелкие пылинки под микроскопом, можно увидеть их «пляску», действительно вызванную ударами молекул. Так что в принципе Лукреций правильно описал явление, открытое английским ботаником Робертом Броуном (1773–1858) в 1827 году и теоретически объясненное только в XX веке, в том числе в работе знаменитого физика Альберта Эйнштейна (1879–1955).

Теоретические построения древнегреческих философов были первыми научными построениями. На их основе через много веков зародились современные науки, в числе которых была и химия. Без древней атомистической теории не только химия, но и все естественные науки не могли бы развиваться. Однако на протяжении еще многих столетий лишь малая часть философов и ученых разделяла гипотезу о существовании атомов. Ну а все, что касалось размеров атомов, их массы, формы и т. п., оставалось тайной за семью печатями, и не было даже надежды, что эту тайну удастся раскрыть.

Лукреций, написавший свою поэму на латинском языке, часто использовал слово principium, которое означает «основа, первоначало». Есть в латинском языке и другое близкое понятие: elementum. Оно означает «вещество, стихия», а во множественном числе (elementa) — «основания, основные начала». В древности было распространено изречение: «Как слова состоят из букв, так и тела — из элементов». Любопытно, что по одной из версий слово elementum происходит от названия следующих по алфавиту латинских согласных: l, т, п («el — «ет» — «еп») и окончания t («turn»).

Современное понятие «элемент» появилось в XVII веке. Английский ученый Роберт Бойль (1627–1691) определял элементы не умозрительно, как древние, а чисто практически. Рассуждал он примерно так: «Если вещества невозможно разложить на более простые, значит они являются элементами и состоят из атомов только одного сорта. (Сейчас такие вещества называют простыми.) Если же вещества разлагаются под действием кислот или при сильном нагреве, значит эти вещества состоят из разных элементов и являются сложными веществами».

В те времена считать какое-либо вещество элементом можно было только условно; ведь никто не сомневался в том, что со временем химики сумеют разложить на составные части некоторые из тех веществ, которые признавались простыми. Вот что писал по этому поводу французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) в своем учебнике «Элементарный курс химии», изданном в 1789 году: «Все вещества, которые мы еще не смогли никаким способом разложить, являются для нас элементами; но не потому, что мы могли бы утверждать, что эти тела, рассматриваемые нами как простые, не состоят из двух или большего числа начал, но… потому, что мы не имеем никаких средств их разделить, эти тела ведут себя, с нашей точки зрения, как простые, и мы не должны считать их сложными до тех пор, пока опыт или наблюдения не докажут нам этого».

Сам Бойль, например, полагал, что металлы не являются простыми веществами и потому возможны превращения одних металлов в другие. Такого же мнения придерживался и выдающийся английский физик Исаак Ньютон (1643–1727), потративший массу времени и здоровья на алхимические опыты.

Со временем химики достигли больших успехов в изучении различных превращений. Но у них еще не было достаточно надежных методов, которые бы позволяли различать простые и сложные вещества. Отсюда возникали ошибки даже у известных ученых. Сам Лавуазье в своем учебнике привел таблицу примерно из 30 простых тел. Среди них были действительно простые вещества (газы — кислород, азот, водород; металлы — серебро, золото, медь, олово, железо, ртуть, никель, марганец и др.; неметаллы — сера, фосфор, углерод, хлор). А были и сложные вещества, о чем тогда еще не было известно (например: известь, глинозем, кремнезем). Воду, например, долго считали элементом, пока Лавуазье не опроверг это мнение и не написал в 1783 году сочинение, которое он назвал «Статья, имеющая целью доказать, что вода не простое вещество, не элемент в собственном смысле слова, но что она может быть разложена и получена вновь». Оказалось, что вода образуется при горении многих веществ, например водорода. А с помощью раскаленного железа воду можно снова разложить на водород и кислород (Лавуазье пропускал для этого пары воды через раскаленный ружейный ствол).

Основу современной атомистики заложил английский ученый Джон Дальтон (1766–1844). Свою теорию он вывел исходя из сделанного им открытия. Оказалось, что многие элементы могут соединяться друг с другом в разных соотношениях, при этом образуются разные вещества. А самое главное — в этих веществах массы элементов кратны друг другу и соотносятся как небольшие числа. Например, углерод может соединяться с кислородом в массовых соотношениях 3:4 или 3:8 (при этом образуется либо угарный газ, либо углекислый); сера соединяется с кислородом в соотношении 1:1 или 2:3, азот с кислородом — в соотношении 7:4, 7:8, 7:12, 7:16 и 7:20 (правда, Дальтону были известны не все эти соединения). Платон, наверное, долго ломал бы голову, соображая, как эти странные соотношения можно подогнать к его теории строения мира. Дальтон же рассудил просто. Существуют атомы углерода, кислорода, серы, азота, примем атомы каждого элемента имеют свою массу. 13 разных веществах атомы соединяются друг с другом в строго определенных соотношениях. Например, если один атом азота «весит» 7 условных единиц, а один атом кислорода — 8 таких же единиц, то соотношение атомов в разных оксидах азота (так называются соединения азота с кислородом) будет: 2:1, 1:1, 2:3, 1:2 и 2:5.