Помоги проекту - поделись книгой:
Лев Викторович Бобров
Глазами Монжа-Бертолле
На перекрестке старых дорог
2 + 1 = 2. Бывает ли так на самом деле?
Однажды немецкий математик Гаусс вступил в спор с итальянским химиком Авогадро: может ли химия считаться точной наукой?
— Нет, — уверенно настаивал первый.
— Да! — горячо возражал второй.
В подтверждение своих слов Авогадро, подойдя к прибору, сжег 2 литра водорода в 1 литре кислорода. У него получилось ровно 2 литра водяных паров.
— Вот видите! — воскликнул экспансивный итальянец, торжествующе глядя на изумленного немца. — Стоит только химику пожелать, и он сделает так, что 2 + 1 будет 2. Что на это скажет синьор математик?
История не донесла до нас ответ синьора Гаусса. Убедил ли виртуозного немецкого вычислителя эффектный эксперимент? Или же восторжествовал педантизм строго математического ума, для которого исключение никоим образом не опровергает самого правила?
Что ж, скептицизм Гаусса имел под собой твердую почву. Точные математические закономерности для химии в ту пору действительно были исключительной редкостью. Ну, а сегодня, спустя полтора столетия? Можем ли мы назвать химию точной наукой?
В своих воспоминаниях Поль Лафарг приводит мысль Маркса: наука лишь тогда достигает совершенства, когда ей удается пользоваться математикой.
Можно ли назвать химию достигшей совершенства?
Сэр Уильям Томсон, он же лорд Кельвин, не был математиком, хотя математическая строгость присуща почти всем 659 его работам, первую из которых он написал в возрасте десяти лет. Не был он и химиком, хотя найденные им закономерности легли потом в основу многих химических теорий. Но тем более ценно для нас своей беспристрастностью мнение этого человека — физика, равноудаленного от обеих смежных наук.
Что такое математика? Отвечая как-то на этот вопрос, Томсон, не задумываясь, выписал интеграл Эйлера-Пуассона и сказал:
— Математик — тот, для кого справедливость этого равенства столь же очевидна, как дважды два — четыре.
Подинтегральная функция изображается кривой, вздувающейся посредине, как удав, проглотивший слона. Столь невероятную зоологическую ситуацию можно найти лишь в книге Антуана де Сент-Экзюпери «Маленький принц». Правда, глядя на картинку, нарисованную мальчиком, взрослые видели всего-навсего шляпу. Интересно, что нашей кривой математики тоже присвоили имя головного убора — треуголки. Концы «треуголки», или, если хотите, голова и хвост удава, убегают далеко-далеко в равные стороны от нулевой вертикали — оси ординат. И хотя эта фигура не имеет конца и края, ее площадь равна конечной величине — корню квадратному из числа «пи». Ее-то и подсчитывает написанный Томсоном интеграл.
Эта кривая непросто «треуголка». Ее называют «треуголкой Гаусса». Ибо не кто иной, как великий немецкий математик, выявил закономерности, описываемые ею. Да, но при чем здесь томсоновский символ математики? Ведь мы говорим о точности в химии! Вот если бы закон Гаусса, начисто отрицавшего точность химии, описывал химические явления, тогда другое дело. Тогда, пожалуй, и Гауссу пришлось бы усомниться в своей категоричности. Так что же все-таки: имеет какое-нибудь отношение «гауссова треуголка» к химии или не имеет?
Ответ на этот вопрос читатель найдет, одолев предлагаемую книгу.
Математика неотделима от чисел. «Миром управляют числа» — так считал древнегреческий ученый Пифагор, который впервые назвал вселенную «космосом» — строем, складом. И предметом философского осмысления пифагорейцев был именно космос — нечто стройное, целостное, подчиненное законам гармонии и числа. Пифагорейцам принадлежат замечательные исследования и в области акустики. В опытах над натянутыми струнами были установлены законы музыкальных созвучий. Они выражались целочисленными арифметическими отношениями между колебаниями всей струны и ее долей (основной тон и обертоны).
Пифагорейскую «алгебру гармонии» оспаривал Зенон. Это о нем писал Пушкин:
Действительно, рассуждал античный философ, траектория движущегося тела, скажем стрелы, состоит из отдельных точек. В каждый момент стрела покоится в одной из точек. Стало быть, движение — сумма состояний покоя? Но это же парадокс!
Именно от апорий Зенона ведет свою родословную идея непрерывности, лежащая в основе анализа бесконечно малых, интегрального и дифференциального исчислений.
Бесконечна последовательность бесконечно умаляющихся членов ряда, а имеет конечный предел. Конечна траектория стрелы, а ее можно разбить на бесконечное количество сколь угодно малых интервалов. Более того: даже суммирование бесконечно длинной фигуры («треуголки Гаусса») может дать конечную площадь!
А в химии?
Доктрина целочисленных соотношений издавна провозглашена древним пробирным искусством. Она гармонирует с представлениями о дискретности (прерывности) материи — вспомните арифметику в опыте Авогадро! И неспроста: ведь слово «атом» в буквальном переводе значит «неделимый».
Частицы и прерывность… Совместимы ли с этими понятиями методы высшей математики, пронизанные идеей непрерывности при самых малых изменениях в состоянии системы?
История этого вопроса тоже затронута в книге.
Математика без чисел вообще — мыслимо ли такое? Вполне. Примером служит необычная геометрия — топология. А приходилось ли вам слышать о топологической химии?
Кибернетика. Когда произносишь это слово, меньше всего думаешь о химических реакциях. Между тем пламя свечи — самая обыкновенная кибернетическая система. И она строго описывается в терминах науки об управлении и связи. К ней приложимы и математические формулы. Как говорится, дважды два — стеариновая свечка…
Мы начали с опыта Авогадро, который продемонстрировал своеобразие химической «арифметики». Да, в химии не всегда результат сложения оказывается равным сумме слагаемых. И не только в реакциях. В химических соединениях тоже. В последнем случае говорят о неаддитивности свойств. Не будь химическим системам присуща подобная особенность, не было бы того, что мы называем человеческим разумом.
— Ну хорошо, — произнесет читатель, терпеливо добравшийся до этого места. — Конечно, все сказанное не лишено определенного интереса. Но химия служит человечеству с незапамятных времен, вовсе и не претендуя на какую-то там математизацию. Имеет ли применение математики в химии практическое значение?
Действительно, имеет или нет?
Глава 1
Наследие призрака?
Они были ничуть не похожи, эти двое. Один — его звали Гаспар — был жгучим брюнетом и носил парик с длинной косой. Другой, Клод-Луи, предпочитал ходить без парика, подставив ветру свои белокурые развевающиеся волосы. Еще больше различались их профессии: первый был математиком, второй — химиком. Но их имена всегда звучали рядом: ученые хорошо знали друг друга и раньше, а сейчас, когда оба они волею судьбы оказались участниками знаменитой египетской кампании Наполеона, их окончательно связала крепкая дружба.
Третий явился нежданно-негаданно. «Монж-Бертолле» — так окрестила его людская молва. Он был жгучим брюнетом и носил парик с длинной косой, твердили одни. О нет, напротив, он предпочитал ходить без парика, подставив ветру свои белокурые развевающиеся волосы, возражали другие. Солдатским пари конца не было видно. Но вдруг выяснилось, что речь шла о… призраке! Монж-Бертолле не существовал вовсе — точнее, не был единым лицом. Да, речь шла о двух разных людях: ведь имена их были неотделимы друг от друга, хотя сами они, по-видимому, попадались на глаза солдатам порознь. Так по чистому недоразумению были слиты воедино геометр Гаспар Монж и химик Клод-Луи Бертолле, ведавшие научной стороной военной экспедиции Наполеона в страну фараонов.
Трудно сказать, чего больше в этом эпизоде: курьезной занимательности или глубокого символического смысла. Тесная дружба химика-блондина и математика-брюнета была отнюдь не только проявлением пылкого французского темперамента. Она стала знамением целой эпохи, когда началось первое робкое сближение и плодотворное взаимообогащение наук, являющих на первый взгляд не меньший контраст, чем брюнет и блондин, черное и белое.
Принято считать, что чернота и белизна вкупе всегда дают серость. Далеко не всегда! Надо только уметь присмотреться. Перелистайте еще раз доброго старого Перельмана, этого волшебника, заронившего не в одну ребячью душу искру интереса к сухой и чопорной с виду, но удивительно щедрой к своим избранникам старушке математике. Там черным по белому значится (и в этом убедит вас незатейливый оптический эксперимент), что именно наложение черного цвета на белый создает иллюзию блеска!.
Хорошо известно, что Гаспар Монж был не только создателем начертательной геометрии — той самой «начерталки», которую, ой, как не любят студенты химических вузов. Ему принадлежат блестящие экспериментальные работы по химии. Он успешно занимался опытами по разложению воды, разрабатывал способы извлечения из африканских песков селитры для выделки пороха. Совместно с Бертолле он открыл «гремучее серебро» и опубликовал наставление рабочим-металлургам, как выплавлять сталь.
А Бертолле? Он тоже увековечил свое имя отнюдь не одной бертолетовой солью, к которой, кстати, не питают особых симпатий студенты-математики. Аптекарь, увлекшийся химией и посвятивший ей всю жизнь без остатка, он не получил специального математического образования. Но тем большего изумления достойна недюжинная математическая интуиция ученого-химика, глубоко постигшего сущность динамических равновесий механики, чтобы перенести эти физико-математические представления на химические системы.
«То было время, — писал Дюгем в своей биографии Монжа, — когда новая химия, выросшая из опытов Лавуазье, распространяла повсюду свои идеи и терминологию, а система молекулярных сил — притягательной и отталкивательной — имела своим законодателем Лапласа, применявшего в этой области точные математические приемы».
Энциклопедически образованный ученый, Бертолле был в курсе всего комплекса теоретических воззрений, господствовавших в науке того времени. И ум его захватила мысль, почерпнутая из геометрии и анализа бесконечно малых величин. Бертолле давно уже обсуждал ее со своими неразлучными друзьями — Монжем и Лапласом. Непрерывность преобразований! Но только ли в математике? Быть может…
Да, и в химии тоже!
Эта идея внезапно осенила ученого, когда он наблюдал кристаллизацию солей в натронных озерах Египта. Он видел, что состав содовых осадков непрерывно изменяется в зависимости от внешних условий. Чем выше поднималось к зениту немилосердно палящее африканское солнце, тем более жадно слизывал прибой соленую белесую кайму вдоль побережья. Когда над темными силуэтами древних пирамид недвижно нависали хрустальные блестки далеких созвездий, соли снова выбрасывались на берег. И химический состав их как в прибрежных водах, так и в донных отложениях становился уже иным! Еще заметнее был контраст между составом в летние и зимние месяцы.
Не без тайных сомнений внимала аудитория уже немолодому, имевшему заслуженный авторитет, но очень экспансивному и порывистому пришельцу из далекой Франции, когда тот на заседании Египетского института в Каире излагал свои соображения.
Шутка сказать: общепринятый взгляд на химическое взаимодействие неверен!
Еще во времена мрачного средневековья в лексиконе алхимии появился термин «химическое сродство». Под ним адепты полуколдовского искусства подразумевали причины, побуждающие вещества к химическому взаимодействию и прочно удерживающие разнородные элементы в соединении. В основе самого понятия «сродство» лежало предположение, что химический союз возможен лишь между родственными частицами, которые взаимно тяготеют друг к другу, подходя одна к другой, как ключ к замочной скважине. Лишь в конце XVIII века наивные представления алхимиков сменила стройная теория химического сродства. Ее создал шведский ученый Бергман. Преподаватель математики, ставший профессором химии и минералогии, он перенес в химию механистические идеи физики. Мельчайшие частицы вещества притягиваются неодинаково потому, считал Бергман, что их форма и расположение различны. И частица подбирает себе такого партнера, с которым она соединяется легче, прочнее, лучше. Бергман полагал, будто сродство между двумя реагирующими веществами всегда остается постоянным и не зависит от их количеств. А раз так, то реакция должна протекать только в одном определенном направлении. Вспять она не может пойти независимо от того, каковы внешние условия.
— Нет! — сказал Бертолле. — Это вовсе не процесс, неотвратимо направленный всегда в одну сторону, от начала к концу, от взаимодействия исходных веществ к выделению конечных продуктов. Это подвижное равновесие, которое устанавливается в результате двух параллельных реакции, идущих одновременно в противоположных направлениях! Но самым парадоксальным казалось другое заключение Бертолле. Исходя из непрерывности и обратимости химического процесса, ученый пришел к убеждению: состав образующихся соединений должен изменяться тоже непрерывно, а значит… быть переменным!
Шел 1799 год. В это самое время в далекой Испании, отрезанной от Африки враждебной английской эскадрой, заканчивал свое исследование другой замечательный химик — Жозеф-Луи Пруст. У него была великолепно оборудованная лаборатория в Мадриде. По распоряжению министра Прусту для изготовления посуды предоставили почти 65 килограммов платины. Такого количества благородного металла не видывали все испанские лаборатории, вместе взятые, даже столетие спустя. И не только испанские. Известный шведский химик Берцелиус имел один-единственный платиновый тигель. Да и то позаимствованный у коллеги — Гисингера. Сложнейшие аналитические процедуры с двумя тысячами веществ в этом драгоценном тигле принесли славу Берцелиусу. Легко себе представить, насколько богаче были возможности у Пруста. А его скрупулезности и тщательности мог позавидовать сам Берцелиус.
Здесь, в спокойной обстановке королевской лаборатории, испанский профессор провел тысячи экспериментов, прежде чем отважился на публичное выступление. В нем он со всей убежденностью формулировал закон постоянства состава.
Так на рубеже двух столетий появились два разных ответа на один и тот же вопрос. Вопрос огромного теоретического значения. Вначале авторы даже не подозревали о работах друг друга. Но столкновение двух диаметрально противоположных взглядов на природу химизма было неминуемо. Мало-помалу разгорается знаменитая полемика, «столь же замечательная как талантом, так учтивостью и хорошим вкусом. Как по форме, так и по содержанию это один из прекраснейших образцов научной дискуссии», — писал французский химик Дюма.
Восемь долгих лет длится публичный диспут, за которым напряженно следит весь ученый мир. Словом и делом отстаивает Бертолле свою правоту. Он проводит серию экспериментов, чтобы подтвердить результаты, полученные в беспокойной походной обстановке. Смотрите, говорит он, одни и те же металлы соединяются с разными количествами кислорода. К примеру, свинец. У его окисей пропорции между Pb и O образуют непрерывную последовательность.
Но Пруст бесстрастно и методично опровергает доводы своего оппонента. Он доказывает, что Бертолле оперирует плохо очищенными веществами. Что он упускает из виду проверить, не с грубой ли смесью имеет дело. Что его анализы не отличаются необходимой точностью.
Пруст демонстрирует высший класс ювелирного искусства в химии. Снова и снова придирчиво и беспристрастно экзаменует он сам себя, пока не убеждается в максимально возможной чистоте исследуемых соединений. И вот результат: да, соединения свинца действительно составляют ряд. Но этот ряд прерывен! Число членов в нем отнюдь не бесконечно, а равно четырем. И каждый из четырех окислов свинца всегда имеет один и тот же состав. Конечно, если в образце присутствуют не индивидуальные вещества, а их смеси, то может показаться, будто элементы и впрямь соединяются между собой в любых соотношениях.
«Соединение есть привилегированный продукт, которому природа дала постоянный состав, — резюмирует Пруст. — Природа, даже через посредство людей, никогда не производит соединения иначе, как с весами в руках, — по весу и по мере. От полюса до полюса соединения имеют тождественный состав. Их внешний вид может различаться в зависимости от способа их сложения, но их свойства никогда не бывают различными. Никакой разницы мы не видим между окисью железа южного полушария и северного; японская киноварь имеет тот же состав, что и у испанской киновари; хлористое серебро совершенно тождественно, независимо от того, происходит оно из Перу или из Сибири; во всем свете имеется только один хлористый натрий, одна селитра, одна сернокальциевая соль, одна сернобариевая соль. Анализ подтверждает эти факты на каждом шагу».
Почва уходит из-под ног Бертолле. Сколько фактов «против» и хоть бы один «за»! Тогда парижанин переводит экспериментальное состязание в терминологический спор. Что подразумевает мадридский ученый, когда он говорит о смесях и соединениях? В чем разница между ними?
Нельзя, конечно, утверждать, что такой поворот дела смущает Пруста. Просто его осмотрительной натуре куда больше импонирует сухой язык цифр лабораторного журнала, чем опасное витание в тумане поспешных теоретических обобщений. Поэтому испанский профессор ограничивается списком примеров. Вот-де смеси, а вот химически индивидуальные соединения. И действительно, границы намечены четко!
Но тут Бертолле вводит в бой резерв, таившийся до поры до времени в засаде. Растворы! Сумеет ли Пруст доказать, что у них постоянный состав?
Увы, и это не спасает французского ученого. В определении понятия «раствор» царил тогда сущий произвол. Смесь это или соединение? Четкого однозначного ответа химия не знает. Лишь много лет спустя появится менделеевская теория растворов.
К 1809 году для всех стала очевидной шаткость позиций, занимаемых Бертолле. Его выводам суждено крушение. Химики единодушно рукоплещут славной победе испанского ученого.
Идеи Бертолле, которые еще совсем недавно привлекали рой почитателей своей логической стройностью, глубокой внутренней связью с математическими теориями, дерзостью обобщений, теперь отвергнуты химиками. Выплеснуты за борт вместе со всеми драгоценными крупицами истины, которые могли бы дать всходы уже тогда, а не много лет спустя, как случилось в действительности. Надолго забыто учение Бертолле о подвижном равновесии, которое лишь через семьдесят лет обретет строгую математическую формулировку в виде закона действующих масс. Прочно забыто и то обстоятельство, что Бертолле, утверждая в химии непрерывность, вовсе не отрицал существования соединений с постоянным составом, а считал их просто-напросто частным проявлением своей более общей классификации. Но такова уж, видно, жестокая логика непримиримой идейной схватки: если победителей не судят, то побежденных судят вдвое строже, вменяя им в вину любое инакомыслие. Даже такое, которое при ближайшем рассмотрении могло бы стать ценным приобретением для самих победителей.
Казалось бы, только что наметившаяся помолвка химии и математики окончательно расторгнута. А химии уготовано идти своей дорогой, отгородившись китайской стеной от строгих критериев точных наук. Но нет, этого не происходит! Напротив, именно закону постоянства состава суждено начать эпоху математизации древнего пробирного искусства. Эпоху, пришествие которой предсказывал еще Михаил Васильевич Ломоносов в «Элементах математической химии».
Не успели еще зашуметь овации в честь Пруста, а закон постоянства состава уже пережил свой новый триумф. На этот раз открытие свершилось в далекой туманной Англии. «Далекой» потому, что страна Альбиона была практически отрезана Наполеоном от остальной Европы задолго до провозглашения в 1806 году континентальной блокады.
Рассеченная на куски военными конфликтами, Европа не переставала жить в едином ритме научных исследований.
Учитель математики Дальтон вовсе не был столь виртуозным экспериментатором, как Пруст. Человек, более близкий к абстрактным числовым соотношениям, он проводил химические анализы куда грубее, зачастую округляя полученные результаты. Пытаясь проникнуть во внутренние механизмы химических превращений, Дальтон стоял по духу гораздо ближе к Бертолле, для которого главным стремлением был теоретический поиск, подкрепленный математическими приемами. Именно это помогло Дальтону сделать следующий шаг — открыть закон кратных отношений.
Да, оказалось, что постоянство свойственно не только составу соединений. Постоянными являются и соотношения «паев», долей участия элементов в соединениях. Причем эти доли относятся друг к другу как простые целые числа. Скажем, «паи» кислорода в соединениях с азотом относятся друг к другу, как 1:2:3:4:5. Ибо азот может соединяться с кислородом в пропорциях 2:1, 2:2, 2:3, 2:4, 2:5. Так и просятся на бумагу формулы N2O (2:1), NO (1:1, или, что то же самое, 2:2), N2O3 (2:3), NO2 (1:2, то есть 2:4) и N2O5 (2:5).
Но в том-то и дело, что Дальтон не прибегал к подобным обозначениям! Нет, не потому, что он, учитель математики, был несведущ в вопросах химической символики или вопреки общепринятым правилам предпочитал оригинальничать, пользуясь своими кружочками и треугольничками. Просто такой язык еще не был создан. Он появился чуть ли не на десять лет позже в трудах Берцелиуса. И появился в значительной мере благодаря тому, что Дальтон установил закономерность, названную его именем.
Закономерность, которую чуть было не вывел Пруст. Диву даешься, как мадридский профессор не стал автором сразу двух великих открытий, столь тесно связанных своей внутренней логикой! Ведь он блуждал в двух шагах от находки Дальтона!
Но ирония истории неистощима.
И Бертолле и Пруст были вовлечены в водоворот политических событий. Только по-разному сложились судьбы оппонентов. Патриот и революционер, первый стал впоследствии ярым приверженцем Наполеона. Обласканный правительством, всемерно поощряемый за успешные работы на благо победоносной империи, Бертолле изведал всю горечь поражения в научной полемике. А Пруст? Увенчанный славой первооткрыватель знаменитого закона постоянства состава пал жертвой наполеоновской тирании. Не успел Пруст подписать к печати последнюю работу из серии своих блистательных исследований, как его постиг жестокий удар. Мадридская лаборатория со всей ее коллекцией платиновых приборов и химических соединений подверглась опустошительному разгрому французскими войсками, подавлявшими антинаполеоновское восстание испанского народа.
Самого профессора, к счастью, не оказалось в лаборатории. Его не было и в Испании. Он отдыхал во Франции. Потрясенный случившимся, Пруст удалился в захолустный городок. Влача полунищенское существование, нелюдимый и гордый, он с презрением отклонил предложение принять сто тысяч франков, которые выделил ему Наполеон, чтобы Пруст смог внедрить свою технологию сахароварения.
Быть может, именно эти жизненные невзгоды помешали Прусту обнаружить кратность атомных отношений?
Если проследить его публикации во время восьмилетнего спора с Бертолле, можно убедиться, что ученый задолго до мадридской катастрофы был на волосок от выводов, которые стали достоянием Дальтона. И мог их сделать уже тогда… Мог. А вот поди ж ты: не сделал.
Увы, наши недостатки зачастую не что иное, как продолжение наших же достоинств. По свидетельству члена-корреспондента АН СССР Капустинского, Прусту помешало как раз то, что обеспечило блистательную победу над Бертолле: «его осторожный и даже эмпирический подход, его привычка уж очень обстоятельно экспериментировать; особая тщательность его анализов, отвергающая мысль об округлении результатов».
Правда, у Дальтона было еще одно преимущество. В своих расчетах он выражал состав не в весовых процентах, как Пруст, а в атомных пропорциях.
В самом деле, даже очень проницательному глазу не так-то легко подметить какое-либо правило на примере метана CH4 и этилена C2H4, если состав обоих соединений выразить в процентах: у метана 74,87 процента C и 25,13 процента H, у этилена 85,63 процента C и 14,37 процента H. Зато дело существенно упрощается, если подсчитать количества C, приходящиеся в каждом углеводороде на один «пай» H. Они равны 2,979 для CH4 и 5,958 для C2H4. Эти числа относятся, как 1:2. Имейте в виду, повторяю, что в те времена еще не существовало формул типа CH4 или C2H4, на которых сегодня основана вся стехиометрия (количественные операции с формулами и уравнениями).
Казалось бы, особой разницы нет, как вычислять состав соединений. Тем более что проценты так лестно зарекомендовали себя в экономических операциях! Ан нет, традиционные мерки не всегда впору новым явлениям.
В дальнейшем мы не раз встретимся с примерами замечательных теоретических и практических успехов в химии, которые стали результатами усовершенствования — нет, не аналитических или синтетических методов, не измерительной аппаратуры — математического подхода.
Идея дискретности (прерывности) состава химических соединений с железной логикой вытекала из атомистических представлений. И законы Пруста и Дальтона на целое столетие предопределили победный марш химии.
Атомно-молекулярное учение. Теория валентности. Бутлеровская теория химического строения. Периодическая система элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Основы основ современной химии! А краеугольные камни этих величественных зданий были заложены Прустом и Дальтоном на обломках идеи Бертолле.
Из законов Пруста и Дальтона вытекали глубокие философские следствия. Если химические тела соединяются лишь в определенных пропорциях, значит число таких химических комбинаций не может быть бесконечно велико. Азот с кислородом способен дать неисчислимое множество смесей. Но соединений только пять: N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5. Смеси этих окислов могут опять-таки содержать самые разнообразные соотношения между количествами N2 и O2. Но если разделить смесь, то в любой из составных частей пропорции будут либо 2:1, либо 1:1, либо 2:3 и так далее. Получится всего пять индивидуальных веществ. От смеси ничего не останется. А раз так, то все многокрасочное царство бесчисленных минералов можно разложить на конечное число более простых тел. Неких неделимых первооснов материи. Так зародилось понятие о химическом индивиде.
В свое время Бертолле, затеяв разговор о содержании терминов «смесь» и «соединение», затронул один из самых важных вопросов, которые когда-либо волновали химиков.
Слово «индивид» заимствовано из латыни. Нечто единое, неделимое, целостное — вот его смысл. У каждой науки есть свой индивид, который служит главным предметом изучения. Скажем, в зоологии это кошка, собака, слон, человек — любое существо. Расчлени индивид — и объявится новый объект исследования, которым занимается уже иная наука. Например, органами живого тела интересуется анатомия. Клеткой — цитология. Внутриклеточными структурами — биохимия. И так далее.
А химия?
Еще Лавуазье подразделял химические тела на простые и сложные. Первые состоят из одного элемента. Вторые — из двух или более. Но лишь после торжества идей атомистики стало ясно, что речь идет о веществах, которые составлены из одного сорта атомов или молекул.
Конечно, молекулу можно расщепить на атомы. По тогда она прекратит свое существование как химический индивид. Правда, объявятся новые индивиды — атомы. Но разве не ясно, что это часть целого? Почему же одни химические индивиды (атомы), соединяясь, способны образовать новые химические индивиды (молекулы), а другие нет? А если попытаться объединить несколько сортов молекул, что будет? Химический индивид?
Нет, смесь! Если, конечно, молекулы химически не взаимодействуют друг с другом. Так отвечал Пруст своими опытами на каверзный вопрос Бертолле. Ведь у каждой составной части, входящей в смесь, свои, особые, неповторимые химические и физические свойства. И постоянный неизменный состав.
Например, горсть солевых отложений со дна африканского натронного озера — смесь химических индивидов. А сода и поваренная соль, входящие в эту смесь, — химические индивиды. Каждое из этих веществ представлено суммой одинаковых молекул. Атомы же, объединенные в их молекулах, разные. И пропорции у них неодинаковы.
Но почему так? Чем объяснить, что у природы две равные арифметики — одна для смесей, другая для соединений? Почему атомы в обычной смеси могут находиться в любых соотношениях, а вступают в химический союз лишь в заранее предписанных дискретных пропорциях? Какая разница между силами, слагающими атомы в молекулу, и силами, объединяющими молекулы в цельное тело — твердое, жидкое или газообразное?
Загадка химического индивида порождала десятки других загадок. И химики с нетерпением и энтузиазмом принялись за дело.
Поделиться книгой: