Атомно-молекулярное учение

Ведущей идеей атомно-молекулярного учения, составляющего фундамент современной физики, химии и естествознания, является идея дискретности (прерывности строения) вещества.

Первые представления о том, что вещество состоит из отдельных неделимых частиц, появились в глубокой древности и поначалу разрабатывались в русле общих философских представлений о мире. Например, некоторые философские школы древней Индии (I тыс. до н. э.) признавали не только существование первичных неделимых частиц вещества (ану), но и их способность соединяться друг с другом, образуя новые частицы. Аналогичные учения существовали и в других странах древнего мира. Наибольшую известность и влияние на последующее развитие науки оказала древнегреческая атомистика, создателями которой были Левкипп (V в. до н.э.) и Демокрит (р. ок. 460 до н.э.- ум. ок. 370 до н.э.). "Причинами всех вещей, - писал древнегреческий философ и ученый Аристотель (384-322 до н. э.), излагая демокритовское учение, - являются определенные различия в атомах. А различий этих три: форма, порядок и положение". В работах самого Аристотеля встречается важное понятие о миксисе - однородном соединении, образованном из различных веществ. Позднее древнегреческий философ-материалист Эпикур (342-341 до н.э-271-270 до н.э.) ввел понятие о массе атомов и их способности к самопроизвольному отклонению во время движения.

Важно отметить, что, по мысли многих древнегреческих ученых, сложное тело - это не простая смесь атомов, а качественно новое целостное образование, наделенное новыми свойствами. Однако у греков еще не выработалось понятие об особых "многоатомных" частицах - молекулах, промежуточных между атомами и сложными телами, которые были бы мельчайшими носителями свойств тел.

В средние века наблюдалось резкое ослабление интереса к античному атомизму. Церковь обвиняла древнегреческие философские учения в утверждении того, что мир возник из случайных сочетаний атомов, а не по воле божьей, как того требовала христианская догма.

В XVI-XVII вв. в обстановке общекультурного и научного подъема начинается возрождение атомизма. В этот период передовые ученые разных стран: Г. Галилей (1564-1642) в Италии, П. Гассенди (1592-1655) во Франции, Р. Бойль (1627-1691) в Англии и другие - провозгласили принцип: не искать истину в священном писании, а "непосредственно" читать книгу природы.

П. Гассенди и Р. Бойлю принадлежит главная заслуга в дальнейшей разработке античной атомистики. Гассенди ввел понятие о молекуле, под которой он понимал качественно новое образование, составленное путем соединения нескольких атомов. Широкую программу создания корпускулярной философии природы предложил Р. Бойль. Мир корпускул, их движение и "сплетение", по мысли английского ученого, весьма сложны. Мир в целом и его мельчайшие части - это целесообразно устроенные механизмы. Корпускулы Бойля - это уже не первичные недробимые атомы античных философов, а сложное целое, способное менять свое строение путем движения.

"С тех пор, как я прочитал Бойля, - писал М. В. Ломоносов,- мною овладело страстное желание исследовать мельчайшие частицы". Великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711-1765) развил и обосновал учение о материальных атомах и корпускулах. Он приписывал атомам не только неделимость, но и активное начало - способность к движению и взаимодействию. "Нечувствительные частицы должны различаться массою, фигурою, движением, силою инерции или расположением". Корпускулы однородных тел, по Ломоносову, "состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом... Корпускулы разнородны, когда элементы их различны или соединены различным образом или в различном числе". Лишь потому, что изучение массовых отношений в начале XVIII в. только начиналось, Ломоносов не смог создать количественное атомно-молекулярное учение.

Это сделал английский ученый Дж. Дальтон (1766-1844). Он рассматривал атом как мельчайшую частицу химического элемента, отличающуюся от атомов других элементов прежде всего массой. Химическое соединение, по его учению, представляет собой совокупность "сложных" (или "составных") атомов, содержащих определенные, характерные лишь для данного сложного вещества количества атомов каждого элемента. Английский ученый составил первую таблицу атомных масс, но в силу того, что его представления о составе молекул зачастую основывались на произвольных допущениях, основанных на принципе "наибольшей простоты" (например, для воды он принял формулу ОН), эта таблица оказалась неточной.

В 1808 г. французский ученый Ж. Л. Гей-Люссак (1778-1850) сформулировал закон, согласно которому объемы реагирующих газов относятся друг к другу как небольшие целые числа. Однако Дальтон полагал, что в реакциях между газообразными простыми веществами участвуют атомы этих веществ, и считал, на этом основании, что, например, из одного объема азота и одного объема кислорода должен образовываться только один объем оксида азота (NO): N + О → NO, а не два, как экспериментально установил Гей-Люссак. Противоречие между взглядами Дальтона и наблюдениями Гей-Люссака было устранено в 1811 г. итальянским ученым А. Авогадро (1776-1856), который дополнил атомно-молекулярное учение двумя гипотезами, впоследствии полностью подтвердившимися:

1) в равных объемах различных газов при одинаковых температуре и давлении находится одинаковое число молекул;

2) молекулы простых газов содержат четное число атомов, как правило, равное двум.

Открытие Авогадро давало в руки химиков простой и правильный метод определения молекулярных масс: отношение молекулярных масс двух газов равно отношению их плотностей. Но, к сожалению, идеи итальянского ученого 40 с лишним лет оставались незамеченными, хотя многие ученые, как, например, французский физик А. Ампер (1775-1836), высказывали уже аналогичные мысли.

Кроме того, в первой половине XIX в. существовала большая путаница в определении понятий "атом", "молекула" и "эквивалент". Многие химики не верили в возможность определения истинных атомных масс и предпочитали пользоваться эквивалентами, которые можно было найти экспериментально. Поэтому одному и тому же соединению приписывались разные формулы, а это вело к установлению неправильных атомных и молекулярных масс.

Одним из первых, кто начал борьбу за реформу теоретической химии, был французский ученый Ш. Жерар (1816-1856). Развивая идеи, близкие идеям Авогадро, Жерар смог верно определить молекулярные массы многих (главным образом, органических) соединений и массы некоторых атомов (Н-1, О-16, С-12, N-14, S-32). В 1856 г. русский ученый Д. И. Менделеев (1834-1907), а затем, независимо от него, итальянский химик С. Канниццаро (1826-1910) предложили метод вычисления молекулярной массы соединений по удвоенной плотности их паров относительно водорода. К 1860 г. этот метод определился в химии, что имело решающее значение для утверждения атомно-молекулярной теории. В своем выступлении на Международном конгрессе химиков в Карлсруэ (1860) Канниццаро убедительно доказал правильность идей Авогадро и Жерара, необходимость их принятия для верного определения атомных и молекулярных масс и состава химических соединений. Благодаря усилиям Канниццаро Конгрессом были приняты следующие определения атома и молекулы: молекула - "количество тела, вступающее в реакции и определяющее химические свойства"; атом - "наименьшее количество элемента, входящее в частицы (молекулы) соединений". Было также принято предложение считать понятие об "эквиваленте" эмпирическим, не совпадающим с понятием "атом" и "молекула".

Установленные С. Канниццаро атомные массы элементов послужили Д. И. Менделееву основой при открытии периодического закона. Решения Конгресса благотворно повлияли на развитие органической химии, ибо установление формул соединений открыло путь для создания структурной химии.

Таким образом, к началу 1860-х гг. атомно-молекулярное учение сформировалось в виде следующих положений.

1. Вещества состоят из молекул. Молекулой называется наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Многие физические свойства вещества - температуры кипения и плавления, механичеcкая прочность, твердость и т. д. - обусловлены поведением большого числа молекул и действием межмолекулярных сил.

2. Молекулы состоят из атомов, которые соединяются друг с другом в определенных отношениях (см. Молекула; Химическая связь; Стехиометрия).

3. Атомы и молекулы находятся в постоянном самопроизвольном движении.

4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов (O₂, O₃, Р₄, N₂ и т.д.); молекулы сложных веществ - из разных атомов (Н₂O, НСl).

5. В ходе химических реакций происходит изменение состава молекул и перегруппировка атомов, в результате чего образуются молекулы новых химических соединений.

6. Свойства молекул зависят не только от их состава, но и от способа, которым атомы связаны друг с другом (см. Химического строения теория; Изомерия).

Современная наука развила классическую атомно-молекулярную теорию, а некоторые ее положения были пересмотрены.

Было установлено, что атом не является неделимым бесструктурным образованием. Об этом, впрочем, догадывались и многие ученые в прошлом веке.

Выяснилось, что далеко не во всех случаях частицы, образующие вещество, представляют собой молекулы. Многие химические соединения, особенно в твердом и жидком состоянии, имеют ионную структуру, например соли. Некоторые вещества, например инертные газы, состоят из отдельных атомов, слабо взаимодействующих между собой даже в жидком и твердом состояниях. Кроме того, вещество может состоять из частиц, образованных путем объединения (ассоциации) нескольких молекул. Так, химически чистая вода образована не только отдельными молекулами Н₂O, но и полимерными молекулами (Н₂O)_n, где n = 2 - 16; одновременно в ней присутствуют гидратированные ионы Н⁺ и ОН^-. Особую группу соединений составляют коллоидные растворы. И наконец, при нагревании до температур порядка тысяч и миллионов градусов вещество переходит в особое состояние-плазму, которая представляет собой смесь атомов, положительных ионов, электронов и атомных ядер.

Оказалось, что количественный состав молекул при одинаковом качественном составе может меняться иногда в широких пределах (например, оксид азота может иметь формулу N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₄, N₂O₅, NO₃), при этом если рассматривать не только нейтральные молекулы, но и молекулярные ионы, то границы возможных составов расширяются. Так, молекула NO₄ неизвестна, но недавно был открыт ион NO^3-₄; не существует молекулы СН₅, но известен катион СН⁺₅ и т.д.

Были открыты так называемые соединения переменного состава, в которых на единицу массы данного элемента приходится различная масса другого элемента, например, Fe_0,89-0,95О, TiO_0,7-1,3 и т.д.

Было уточнено положение о том, что молекулы состоят из атомов. Согласно современным квантово-механическим представлениям (см. Квантовая химия), у атомов в молекуле более или менее неизменным остается только остов, т.е. ядро и внутренние электронные оболочки, тогда как характер движения внешних (валентных) электронов коренным образом изменяется так, что образуется новая, молекулярная электронная оболочка, охватывающая всю молекулу (см. Химическая связь). В этом смысле никаких неизменных атомов в молекулах нет.

Принимая во внимание эти уточнения и дополнения, следует иметь в виду, что современная наука сохранила рациональное зерно классического атомно-молекулярного учения: идеи о дискретном строении вещества, о способности атомов давать посредством соединения друг с другом в определенном порядке качественно новые и более сложные образования и о непрерывном движении частиц, составляющих вещество.