Помоги проекту - поделись книгой:
«Кипение такого большого количества воды без огня чрезвычайно поразило всех присутствовавших», - отметил Румфорд при описании своего открытия.
Сейчас аналогичное явление уже не кажется нам странным или удивительным: зимой мы греем озябшие руки, потирая их одна о другую, зажигаем спичку трением головки о боковую стенку коробка, а из уроков истории давно знаем, что древний человек научился извлекать огонь именно путём трения деревянного колышка. Однако учёным XIX века утверждение, что теплоту можно произвести искусственно, ударом или трением, казалось немыслимым. Оно было недоступно их пониманию, поскольку тогда теплоту, равно как электричество и магнетизм, а ранее и свет, считали веществом, особым невесомым видом материи.
Лавуазье установил, что материю нельзя ни создать, ни уничтожить, что все её превращения ведут лишь к изменению формы. Вот почему в то время невозможно было понять и объяснить явления, в которых теплота, называвшаяся тогда теплородом, образовывалась как бы сама из себя, а не из какого -то другого вида материи. И это заблуждение длилось довольно долго.
Лишь в 1842 году удалось положить ему конец, причём благодаря английскому пивовару Джэймсу Прескотту Джоулю и немецкому врачу Юлиусу Роберту Майеру, которые не были профессиональными учёными и даже не знали друг друга.
За 60 лет до основания известного английского футбольного клуба «Манчестер Юнайтед», в английском городке Солфорд близ Манчестера, в семье владельца пивоваренного завода родился Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889). Имея от рождения слабое здоровье, Джеймс был освобождён от занятий в школе - его обучали дома. Но по достижении 16 лет он вместе с братом отправился в Манчестер, где начал изучать естественные науки под руководством талантливого учителя-самоучки Джона Дальтона.
В 19 лет Джоуль опубликовал работу о магнетизме, в которой описал изобретённые им электромагнитные машины. Уделяя максимум внимания превращению электрического тока в работу, он заметил, что всякий раз, когда электрический ток проходил по проводнику (например, по металлической проволоке), тот нагревался. И теплота, порождённая током, была прямо пропорциональна силе пропускаемого тока.
Постепенно Джоуль пришёл к общему принципу, гласящему, что между теплотой и работой должна существовать причинная зависимость. «Всякий раз, как исчезает работа, появляется теплота. Обратно: посредством надлежащих приспособлений можно теплоту превратить в работу, как, например, в котлах наших паровых машин».
Кстати, мой дорогой читатель, первый паровоз был создан французским военным инженером Николя-Жозефом Кюньо в 1769 году, когда никто ещё не знал, на базе каких физических и химических законов работает паровой двигатель. То есть сначала появился паровоз, а уж потом родилась теория основ работы парового двигателя. Парадокс?! Да. Тем не менее это реальный исторический факт.
Но вернёмся к нашему пивовару Джоулю, который путём обобщения отдельных явлений возвысился до познания наиболее общего закона природы. К сожалению, работы Джоуля не были оценены по достоинству сразу, и он прожил жизнь в тиши своего имения почти в полном забвении. Лишь в год его смерти единице измерения энергии было присвоено его имя -Джоуль.
А теперь я познакомлю тебя вкратце с немецким врачом Юлиусом Робертом фон Майером(1814-1878), родившимся в маленьком городке Гейльбронне. Обучение в гимназии, а затем в духовном учебном заведении казалось юному Майеру пыткой. Ему были ненавистны латинский и древнегреческий языки - он считал их мёртвыми. Изучению мёртвых языков Майер предпочёл изучение мёртвых тел - человеческих трупов, поэтому в 1832 году отправился в Тюбинген, где записался на медицинский факультет и проучился там восемь семестров.
Майер занимался наукой с большим увлечением, но с не меньшим энтузиазмом участвовал и в студенческой жизни: был даже избран председателем студенческого кружка. Но, как известно, студенческие организации считались в те времена опасными для государства и строго преследовались, поэтому Майер, будучи заподозрен в какой-то крамоле, угодил однажды в карцер. Глубокое чувство негодования из-за несправедливости обвинения побудило его отказаться от пищи (объявить голодовку), и вскоре власти вынуждены были освободить его.
Правда, после этой истории пришлось уйти из университета. Продолжив изучение медицины в Мюнхене и Вене, в 1838 году Майер получил диплом врача. Примерно в то же время ему представилась возможность увидеть свет - в должности судового доктора он отправился на торговом корабле на остров Ява, где и занялся врачебной практикой среди туземцев.
В то время универсальный метод лечения практически всех болезней заключался в пускании крови. Представь, что ты приходишь в поликлинику с больным горлом или, допустим, с ушибом, а врач с порога прописывает тебе кровопускание. Не помогло? Приходи ещё раз. Странно?! Да, согласен, странно. Но так было, а историю не перепишешь.
Однажды, делая кровопускание очередному пациенту, Майер отметил мысленно, что венозная кровь туземцев светлее венозной крови европейцев. Впоследствии данное наблюдение привело к открытию закона сохранения энергии, но сначала Майер просто задумался: чем можно объяснить столь явную разницу в цвете крови? Из физиологии ему было известно, что венозная кровь светлеет в лёгких по причине того, что при соприкосновении с воздухом насыщается кислородом. Лишаясь же кислорода, кровь, напротив, темнеет. Но что же происходит с кислородом в крови?
Ответ на этот вопрос уже был дан Антуаном Лавуазье. Кислород расходуется при горении органических веществ в организме подобно тому, как расходуется воздух при горении дров в печи. Применив эту теорию к аборигенам Явы, Майер рассудил так: кровь туземцев светлее, следовательно, содержит больше кислорода, чем кровь европейцев. В свою очередь, это происходит из-за того, что процесс горения в организме туземцев совершается медленнее и менее энергично, чем у жителей Европы. Из -за жаркого тропического климата организму не требуется производить теплоту в том количестве, которое приходится вырабатывать жителям холодных стран, чтобы поддерживать температуру тела на постоянном уровне.
Также Майер пришёл к выводу, что источником работы, которую производит организм, служит дыхание. Недаром ведь при подъёме в гору или поднятии тяжестей наше дыхание становится более учащённым и энергичным, нежели когда мы находимся в состоянии покоя. Кроме того, Майер пришёл к заключению, что помимо материи в природе существует ещё и другая постоянная величина - нечто невесомое, способное являться в разных видах (таких как теплота, свет, движение, электричество и т. д.).
Это неизменное нечто он назвал «силой», но термин оказался неудачным: тем же самым словом в физике уже обозначали другую величину. Сейчас понятие, введённое Майером, называется «энергией».
Учёным миром того времени идеи Майера были восприняты холодно. Его работу «Количественное и качественное определение сил» даже не удостоили публикации в издававшемся Либихом журнале «Анналы физики и фармацевтики». Тогда Майер, не утративший интереса к исследованиям, занялся пополнением научных знаний, чтобы привести свои взгляды в соответствие с требованиями науки. В итоге он выпустил новую статью «О силах мёртвой природы», которую уже опубликовали. Однако официальный научный мир продолжал его игнорировать.
Судьба открытий Джоуля и Майера была примерно одинакова. Простые опыты Джоуля не вызывали сомнений, но оспаривалось их глобальное, космическое значение. Работы же Майера, напротив, рассматривались с космической точки зрения, но им не доверяли как слишком «философским».
Почти одновременно с изданием своего труда Майер женился, но его новоиспечённая супруга не разделяла научных взглядов мужа. Из-за частых семейных скандалов и не слишком приятных столкновений с внешним миром нервная система Майера постепенно ослабела, и в 1849 году с ним случился припадок. Выпрыгнув из окна второго этажа, он повредил себе ноги. Родные и близкие, не поняв причину нервного срыва Майера, решили, что он страдает манией величия, и поместили его в психиатрическую лечебницу. Там Майера лечили наравне с настоящими помешанными, то есть теми же средствами: холодный душ, электрошок и т. д.
Разумеется, такое лечение привело лишь к ухудшению самочувствия, и врачи поспешили выписать Майера из лечебницы.
Возможно, «чёрная полоса» в судьбе Майера так бы и продолжалась, если бы его идеи не начали постепенно проникать в научный мир. Практически в то же самое время учёные всерьёз заинтересовались и опытами Джоуля. В 1847 году знаменитый немецкий физик Герман Гельмгольц сформулировал закон «сохранения энергии», придав ему математическое выражение, и на целом ряде примеров продемонстрировал применение данного закона в самых различных областях физики. Благодаря этому обстоятельству Майер получил признание уже при жизни, а правительство даже наградило его дворянским званием.
Гениальные рассуждения немецкого врача и блестящие опыты английского пивовара положили начало чрезвычайно важному принципу, позволившему объединить все отрасли физики с химией. И этим объединяющим понятием стало понятие «энергия».
Научный мир принял за основу, что все явления (физические и химические) представляют собой превращения энергии из одного вида в другой. Соответственно, были выделены следующие виды энергий:
• механическая энергия (энергия положения, энергия движения, энергия формы),
• тепловая энергия,
• лучистая энергия,
• электрическая энергия,
• магнитная энергия,
• химическая энергия,
• духовная энергия.
Глава 7
Мал, да удал. Атом
Итак, теперь нам с тобой известны три ступени развития химии. Для закрепления материала напомню о них коротко, пунктирно. На первой ступени наука довольствуется сбором фактов, а её представители занимаются наблюдениями и записью результатов. Проще говоря, первая ступень - это период наблюдения, он характерен для древних народов и алхимиков.
Введение понятия «флогистон» подняло химию на вторую ступень развития: наступил период систематики, когда учёные озаботились созданием системы химических тел на основе их происхождения. Усовершенствовать химическую систематику помогла теория горения Лавуазье.
Вместе с тем благодаря открытию общих законов природы - закона сохранения массы и закона сохранения энергии - в химии произошёл серьёзный переворот, и наука поднялась на третью ступень развития: из описательной превратилась в рациональную.
Следующий вопрос, назревший в области химии, был сформулирован так: из чего состоит окружающая нас материя? Нет -нет, речь в данном случае шла не о химическом составе материи, а о том, как выглядит и что собой представляет самая маленькая частица, из которой состоят все окружающие нас предметы? И существует ли такая частица вообще?
Для наглядности обратимся к примерам. Итак, если мы взглянем на спил дерева, то увидим кольца. Если положим под микроскоп камень, то увидим отдельные кусочки, спаянные стекловидной массой. Если приглядимся к разрезу металлического рельса, то различим отдельные кристаллики, из которых и состоит этот кажущийся нам однородным предмет. Если же посмотрим на каплю чистой воды, то даже при увеличении мы не сможем выделить в ней отдельные частицы.
И здесь нам опять придётся вернуться на первую ступень развития химии - чтобы проследить за развитием человеческой мысли в данном вопросе.
Предположение, что все тела состоят из отдельных мелких частичек, между которыми имеются промежутки, первым высказал древнегреческий философ Демокрит (460-370 гг. до н. э.). Эти малые частички он назвал «атомами». В переводе с древнегреческого языка слово «атом» означает «неделимый». А гипотеза, основывающаяся на существовании этих частиц и рассматривающая их свойства, называется «атомистической гипотезой».
Так можно ли разделить неделимый «атом»? Если отклониться от современного понимания сущности атома, то мысленно мы можем, конечно, его разделить. А вот на практике каждая такая попытка ограничивалась техническими возможностями, имевшимися в распоряжении учёных на конкретный момент времени. Впрочем, в XVIII веке такой задачи перед ними ещё и не стояло. Важнее было понять, какова же самая маленькая существующая частичка?
Решающим моментом в данном вопросе является предположение, что любое вещество построено из отдельных частиц. Но здесь возникает очередной вопрос (его, кстати, очень часто задают современные школьники): для чего нам это знание может пригодиться и какую конкретную пользу оно может принести?
Чтобы положить конец беспредметному словоблудию, давай рассмотрим конкретные примеры. Всем нам прекрасно известно, что большинство тел при нагревании расширяются, а при охлаждении, наоборот, сжимаются. Если допустить, что эти тела состоят из сплошного, монолитного вещества, вывод напросится один: объём этих тел должен оставаться неизменным. Но мы-то ведь знаем, что это не так! Мы ведь видим на практике совершенно обратное!
Хорошо, тогда давай предположим, что вся материя построена из атомов и что объём атомов не изменяем, но при этом между атомам и есть пустоты. Вот это уже проще представить и объяснить, правда? Ведь тогда пустоты, отделяющие атомы друг от друга, смогут менять свой объём в зависимости от давления или температуры. Согласен?
Другой пример. Все мы миллион раз видели, как сахар растворяется в воде. А ты задумывался, почему сахар исчезает? Что с ним происходит? И вот здесь нам на выручку приходит атомистическая гипотеза: с её помощью мы легко можем представить, как частички сахара размещаются между частицами воды, которые раздвигаются, чтобы освободить им место.
Подобным же образом атомистическая гипотеза помогает нам получить представление о химических соединениях. Например, что вода - это соединение атомов водорода с атомами кислорода.
Приведённые примеры показывают, что предположение о существовании атомов, которое не поддавалось опытному доказательству в XIX веке, тем не менее позволило учёным того времени вывести верные заключения об устройстве окружающего мира. Практически тогда же они пришли к выводу, что отдельные атомы могут соединяться друг с другом, образуя своеобразные скопления. Такие группы, состоящие из двух и более атомов, мы и по сей день называем молекулами.
Кстати, забавный факт: в школьных учебниках того времени физика определялась как наука о молекулах, а химия - как наука об атомах. При этом атомы и молекулы считались тогда не реально существующими, а всего лишь плодом воображения, порождением человеческой фантазии.
Поверив наконец в то, что вся материя, любое вещество состоит из атомов, учёные поставили перед собой очередной закономерный вопрос: а сколько же весит этот самый атом?
На самом деле массу (вес) атомов начали вычислять ещё в XVII веке, причём даже не подозревая об этом. Дело в том, что немецкий химик Иеремия Вениамин Рихтер (1762-1807) и Иосиф Людовик Пру (1755-1826) открыли в своё время три закона стехиометрии. Подробно разбирать эти законы мы не будем, так как иначе уйдём от лёгкого повествования к сложным математическим расчётам и там заблудимся. Просто коротко остановимся на выводах, прямо или косвенно вытекающих из законов и опытов двух этих учёных.
Впрочем, первый закон стехиометрии я всё же здесь приведу, поскольку он довольно прост.
Два тела соединяются друг с другом в определённом весовом соотношении.
Например, водород соединяется с хлором и образуется соляная кислота (HCl). Причём весовое соотношение водорода к хлору в соляной кислоте всегда выражается числовым соотношением 1:35,5. И это соотношение никогда не меняется. Если чего -то будет больше или меньше, то какое-то вещество (то, которого было больше) попросту не прореагирует полностью. А теперь ради интереса посмотри в таблице Менделеева на молярные массы водорода и хлора. Знакомые цифры?! А ведь химики XVII века даже ещё и не подозревали, что соляная кислота состоит из атомов водорода и хлора! Они просто брали одно вещество, добавляли к нему другое и получали третье. И при этом умудрялись определять оптимальное соотношение исходных веществ, необходимое для полного их реагирования (без остатка).
То есть примерные веса элементов в XIX веке уже были известны. И они прекрасно укладывались в атомистическую теорию, которая начинала рассматривать химизм реакций.
Также учёные доказали, что одни и те же элементы, соединяясь между собою, могут образовывать разные вещества. В частности, английский химик Джон Дальтон (1766-1844), уже знакомый нам учитель юного Джеймса Джоуля, доказал, что при образовании молекул в её состав может входить только целое число атомов. Например, какое-нибудь соединение не может состоять из 1,5 атомов. Вроде бы логично, но учёные тех времён только начали развивать атомистическую теорию, постепенно выдвигая на её основе новые законы.
Дальтон первым вызволил из забвения Демокритовы атомы и применил их для объяснения химических явлений и законов. Он быстро понял, что с помощью атомистической гипотезы можно наглядно и легко представить все основные законы химии.
Ответить на вопрос «Сколько весит атом?» учёные по-прежнему не могли, так как в виду микроскопичности размеров его невозможно было взвесить никакими известными им методами. Тогда они пошли другим путём. Те веса, что учёным удалось вычислить, были признаны относительными, то есть вычисленными по отношению к какому-то одному элементу. Например, как в соотношении водорода к хлору в соляной кислоте (1:35,5): атомный вес водорода был принят за единицу, а относительно него был посчитан вес хлора.
Поделиться книгой: