Атомно-молекулярная структура вещества

Изучив содержание главы 2, студенты должны: знать

• • основные доказательства реальности атомов и молекул;
• • закон постоянства состава и закон эквивалентов;
• • понятия «атом», «химический элемент», «нуклид», «изотоп»;
• • понятие о структурных единицах вещества;
• • понятие «количество вещества» и единицу его измерения моль; уметь
• • характеризовать структуру вещества;
• • проводить расчеты по формулам вещества и уравнениям химических реакций; владеть
• • навыками практического применения законов химии.

Возникновение атомно-молекулярного учения

Приведенные во введении примеры отдельных шагов химии по ступеням, ведущим к созданию современной науки, показывают всю сложность проникновения в природу вещества и его превращений. От непосредственно наблюдаемых явлений еще крайне далеко до истинного понимания того, что мы наблюдаем. Наблюдения чаще всего вели к ложным выводам. Человек видел, как Солнце проходит по небесному своду, и сделал вывод, что оно вращается вокруг Земли. Однако сопоставление многих наблюдений помогает выявить зависимости между не связанными между собой, на первый взгляд, явлениями и постепенно глубже проникать в природу вещей. Когда же к наблюдениям присоединяется тщательно продуманный эксперимент, то явления реальной действительности поддаются не только качественному, но и количественному теоретическому описанию. Научная картина природы наблюдаемых явлений, строения вещества, жизнедеятельности живых существ становится все более реалистичной.

В химии распространение количественного метода исследования на основе закона сохранения массы создало предпосылки для быстрого становления атомно-молекулярного учения. Основы атомно-молекулярного учения впервые были изложены М. В. Ломоносовым. В 1741 г. в одной из своих первых работ «Элементы математической химии» он сформулировал важнейшие положения корпускулярной теории строения вещества. Все вещества состоят из мельчайших «нечувствительных» частичек, физически неделимых и обладающих способностью взаимного сцепления. Свойства веществ обусловлены свойствами этих частичек; различие в свойствах веществ зависит только от различия самих частичек или способа их взаимной связи. Удивительно, как буквально это подтвердилось в дальнейшем! Достаточно вспомнить состав и свойства графита и алмаза.

Ломоносов различал два вида частиц: более мелкие — «элементы», соответствующие атомам в современном понимании этого термина, и более крупные — «корпускулы», которые мы называем теперь молекулами. По его определению, «элемент это часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших и отличающихся от него тел… Корпускула есть собрание элементов, образующее одну малую массу».

Каждая корпускула имеет тот же состав, что и все вещество. Химически различные вещества имеют и различные по составу корпускулы. «Корпускулы однородны, если состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом» и «корпускулы разнородны, когда элементы их различны и соединены различным образом или в различном числе». Из приведенных определений очевидно, что причиной различия веществ Ломоносов считал не только различие в составе корпускул, но и различное расположение элементов в корпускуле.

Излагая свои взгляды на строение вещества из «нечувствительных» частиц, Ломоносов особенно подчеркивал, что каждая корпускула имеет некоторые ненулевые, хотя и очень малые размеры и обладает определенной массой. Подобно всем физическим телам, корпускулы могут двигаться по законам механики; без движения корпускулы не могли бы сталкиваться друг с другом, отталкиваться или как-либо иначе взаимодействовать и изменяться. Движением корпускул, в частности, объясняются такие явления, как нагревание и охлаждение тел. Так как все изменения веществ обусловливаются движением корпускул, то химические превращения должны изучаться не только методами химии, но и методами физики и математики.

Теоретические взгляды Ломоносова не могли быть быстро подтверждены экспериментальным путем из-за отсутствия на том этапе развития науки соответствующих методов исследования. Но появившиеся на протяжении последующих 50—60 лет количественные данные о составе сложных веществ давали подтверждения атомно-молекулярного учения.