Великие химики. Том 1

Дальтону нравилась новая работа. Кроме занятий в колледже, он давал и частные уроки, в основном по математике.

Через год после приезда в Манчестер Дальтона избрали членом Литературного и философского общества [261] . Он регулярно посещал все заседания, на которых члены Общества докладывали результаты своих исследований. А уже осенью 1794 года он выступил с докладом о цветной слепоте [262] . Еще ребенком он заметил, что его брат Джонатан не различает цвета. Иногда красный волчок, который они крутили в детстве, казался Джонатану зеленым, а когда однажды сестра надела новое зеленое платье, Джонатан решил, что оно красного цвета. Позднее, в Кендале, а потом и в Манчестере, Дальтон и за собой стал замечать этот дефект зрения, однако у него он проявлялся в несколько меньшей степени. Ученый занялся подробным изучением этого явления, проводил десятки опытов с разноцветными плитками, расставлял их в различной последовательности, записывал цвета. Потом проводил эксперименты на школьниках. Дальтон установил, что среди его учеников некоторые вообще не могут различать цвета, а некоторые часто их путают. Они видели зеленый цвет красным или наоборот, но были и такие, которые путали синий и желтый цвет. Этот особый дефект зрения мы называем сегодня дальтонизмом.

261

По инициативе Роберта Оуэна (1771–1858) — английского социалиста-утописта, одного из предшественников научного социализма — в 1794 г. Дальтон стал членом Манчестерского литературного и философского общества, в 1800 г. был избран его секретарем, в мае 1808 г. — вице-президентом, а с 1817 г. и до конца жизни был его президентом. Дальтон сделал в Обществе 119 докладов; все они были опубликованы.

262

Научный труд Дальтона «Необычайные факты относительно видимости цветов» (1794 г.).

В Манчестере действительно было широкое поле для научной деятельности: богатые библиотеки, всевозможные общества, издательства. Здесь же, в Манчестере, трудились замечательные ученые. С ними Дальтон обсуждал интересующие его проблемы, пользовался их советами, прислушивался к критическим замечаниям. Его научные интересы становились все шире, и вскоре он ясно увидел, что работа учителя в колледже отвлекает от самого для него святого — науки. Летели годы, а он растрачивал драгоценное время у классной доски с мелком и тряпкой в руке. Но ведь и средства к существованию были тоже необходимы. Быть может, ограничиться лишь частными уроками? Зажиточные семьи города предпочитали приглашать в дом частных учителей. В Манчестере имя Дальтона произносилось с благоговением, его уважали как ученого, и каждый богач счел бы за великую удачу, согласись Дальтон быть репетитором в его доме. Надо попробовать, но только за два шиллинга в час, не меньше. На эту сумму вдова сапожника Пиита кормится с двумя ребятишками целую неделю. А коль скоро вы желаете, чтобы Джон Дальтон обучал ваших детей, господа, извольте раскрыть кошельки!

В 1799 году Дальтон покинул Новый колледж и стал не только самым дорогим, но и самым почитаемым частным учителем в Манчестере. Время теперь принадлежало ему. Он преподавал в богатых семьях не более двух часов в день, а потом занимался наукой. Его внимание все больше привлекали газы, газовые смеси. Воздух ведь тоже является газовой смесью.

— Чтобы охарактеризовать газ, необходимо знать его давление. Это относится и к газовой смеси. Но каково давление отдельных газов в смеси и существует ли какая-нибудь связь между ними? — Дальтон излагал программу предстоящих исследований своему другу Стивенсу.

— Проблема интересна, — заметил Стивенс. — Но есть ли идея, как провести исследование?

— Проще всего было бы, если б удалось найти два газа, из которых один можно легко удалить из смеси, с тем чтобы измерить давление смеси и газа в отдельности. Разумеется, существуют и другие варианты. Но посмотрим, что покажет этот опыт.

Результаты получились интересными. Давление данного газа, заключенного в сосуд с постоянным объемом, оставалось неизменным. Потом Дальтон вводил второй газ. У полученной смеси было более высокое давление, но оно равнялось сумме давлений двух газов. Давление отдельного газа оставалось неизменным.

«Из моих опытов следует, что давление газовой смеси равно сумме давлений, которыми обладают газы, если онп отдельно введены в этот сосуд при тех же условиях. Если давление отдельного газа в смеси назвать парциальным, тогда эту закономерность можно сформулировать так: давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений газов, из которых она составлена. — Дальтон отложил перо в сторону и задумался. — Отсюда можно сделать важные выводы! Ясно, что состояние газа в сосуде не зависит от присутствия других газов. Это, конечно, легко объяснить их корпускулярным строением. Следовательно, корпускулы или атомы одного газа равномерно распределяются между атомами другого газа, но ведут себя так, как если бы другого газа в сосуде не было».

Он снова задумался: но что в сущности мы знаем об атомах? Существуют ли они в природе, или это всего лишь философская категория? Если атомы существуют, то тогда следовало бы объяснить все свойства веществ, все законы на основе атомной теории. Но разве можно теории Кирвана [263] и Хиггинса [264] назвать атомными? Чем они отличаются от теорий Бойля и Ньютона? Вот чего не хватает химии — подлинной теории строения вещества!

Увлеченный новой идеей, Дальтон занялся упорными исследованиями. Лаборатория, библиотека, теоретические заключения за рабочим столом… Необходимо прежде всего получить ясное представление об атомах. Каковы их характерные особенности? Отличаются ли атомы одного элемента от атомов другого? Нет ли какого-либо способа, несмотря на то, что они ничтожно малы и невидимы невооруженным глазом, установить их вес, форму, размеры…

263

Ричард Кирван (1733–1812) — известный английский химик, создатель одной из атомных теорий — много работал в области минералогии и геологии, написал четыре большие работы о флогистоне, существование которого долгое время отстаивал, одним из последних примкнул к теории Лавуазье. О Кирване см.: Partington J. R., ук. соч., т. 3, с. 660–671; Становление химии как науки, ук. соч., с. 88 и сл.

264

Об атомной теории У. Хиггинса см.: Меншуткин Б. Н. Химия и пути ее развития. М. — Л.: Изд-во АН СССР, 1937, с. 157–158; Джуа М., ук. соч., с. 145–146 и сл.; Кедров Б. М. Три аспекта атомистики: Учение Дальтона. — М.: Наука, 1969.

Несколько лет напряженного труда — и результаты не замедлили себя ждать. 21 октября 1803 года. Сегодня вечером они станут известны и членам Манчестерского литературного и философского общества. Стоя на кафедре, Джон Дальтон докладывал свою химическую атомную теорию [265] .

— В заключение мне хотелось бы подытожить основные положения моей теории. Все существующие ранее теории корпускул сходятся на том, что это маленькие одинаковые шарики. Я же считаю, что атомы (мельчайшие неделимые частички) одного элемента одинаковы между собой, но отличаются от атомов других элементов. Если в настоящий момент об их размерах нельзя сказать ничего определенного, то об основном их физическом свойстве говорить можно: атомы имеют вес. В подтверждение этого разрешите зачитать и вторую мою работу: «Первая таблица относительных весов конечных частиц тел». Атом нельзя выделить и взвесить. Если принять, что атомы соединяются между собой в самых простых соотношениях, и анализировать сложные вещества, а после этого сравнить весовые проценты элементов с весовым процентом самого легкого из них, можно получить интересные величины. Эти данные показывают во сколько раз атом одного элемента тяжелее атома самого легкого элемента. Обратите внимание на первую таблицу этих весов. Она перед вами. Самым легким элементом оказался водород. Это означает, что его атомный вес следовало бы условно принять за единицу…

265

6 сентября 1803 г. Дальтон в своем лабораторном журнале записал первую таблицу атомных весов. Впервые он упомянул об атомной теории в докладе «Об абсорбции газов водой и другими жидкостями», прочитанном 21 октября 1803 г. в Манчестерском литературном и философском обществе. Доклад опубликован в 1805 г.

Дальтон говорил увлеченно, и присутствующие слушали его с огромным интересом. Все они так или иначе принимали, что вещества состоят из атомов, но такую теорию, такие подробные представления, которые не только объясняли свойства веществ, но и давали представление об их строении, никто до сих пор не слышал. Дальтон чертил на доске кружочки, расставляя их рядом по два, по три или по четыре. Это были первые формулы самых простых соединений [266] .

Новая теория Дальтона привлекла внимание широкой научной общественности. Он получает приглашение прочитать курв лекций в Лондоне [267] . Через несколько недель он снова возвращается в Манчестер для продолжения начатой работы по определению атомных весов.

266

Подробно об атомной теории Дальтона см. Джуа М., ук. соч., с. 169; Соловьев Ю. И., ук. соч., с. 117–132; Partington J. R., ук. соч., т. 3, с. 782–786; Крицман В. А., ук. соч., Ч. I, с. 111–122; Биографии великих химиков, ук. соч., с. 88–93; Мусабеков Ю. С, Черняк А. Я., ук. соч., с. 80–85. Атомную теорию Дальтон развил во второй своей книге — «Новая система химической философии». С именем Дальтона связан ряд фундаментальных открытий в физике и химии, сделанных им на основе исследований газов: закон парциальных давлений (1801 г.), закон равномерного расширения газов при нагревании (1802 г.), закон кратных отношений (1803 г.), явление полимерии (на примере этилена и бутилена).

267

В декабре 1803 г. — январе 1804 г. Дальтон прочитал курс лекций об относительных атомных весах в Королевском институте в Лондоне.

Некоторые частные случаи создавали ему немалые трудности. Например, медь окисляется кислородом и образует два окисла — черный и красный. Азот тоже дает несколько различных окислов. Как объяснить это явление? Но он знал, что Пруст исследовал оба окисла меди. В результате анализов им было установлено, что черный окисел содержит 80% меди, а красный — 89%. Анализы проводили и другие исследователи; их данные существенно не отличались от данных Пруста. Этого было достаточно, чтобы приступить к вычислениям.

Иногда в литературных источниках Дальтон встречал результаты, полученные только одним ученым. Тогда он повторял анализы, чтобы убедиться в их достоверности, и лишь посла этого приступал к вычислению атомного веса. Многие из значений атомных весов, которые он получил, были неточными, так как для кислорода он установил атомный вес равным 7, а не 16. [268] По сути дела то, что вычислял Дальтон, сегодня называется эквивалентным весом, то есть весовой частью данного элемента, которая является носителем единицы валентности. Атом кислорода имеет валентность два, следовательно, единицу валентности несет весовое количество, равное половине его атомного веса. Дальтону не удалось получить точное значение эквивалентного веса кислорода. К ошибке привели несовершенные методы анализа, дававшие неточные результаты.

268

При определении атомного веса кислорода Дальтон исходил из состава воды, состоящей по его мнению, из одного атома водорода и одного атома кислорода. Согласно анализам, которые проводил Лавуазье, вода состоит из 85% кислорода и 15% водорода (при O = 16 и Н = 1 из 88,88% О и 11,12% Н). Дальтон высчитал сначала атомный вес кислорода — 5,5, но на основании анализов Гей-Люссака и Гумбольдта, по данным которых вода содержит 87,4% О и 12,6% Н, он считал его равным 7 (Джуа М., ук. соч., с. 171).

Дальтон сосредоточил свое внимание на количественных показателях. В черной окиси меди [269] 20 весовых частей кислорода соединяются с 80 весовыми частями меди. Атомный вес кислорода 7, тогда 7 весовых частей его будут соединяться с таким весовым количеством меди, которое представляет ее атомный вес. Дальтон решил пропорцию и получил число 28. В красной окиси меди [270] 11 весовых частей кислорода соединяются с 9 весовыми частями меди. Для 7 весовых частей он получил число 56. Дальтон с удивлением смотрел на числа — 28 и 56. [271]

269

В природе встречается в виде минерала тенорита или мелаконита CuO черного цвета. — Прим. ред.

270

В природе встречается в виде минерала куприта Cu₂O красного цвета. — Прим. ред.

271

Правильные значения 64 и 128 получаются при атомном весе кислорода 16.