Скотт Бембенек - Механизм Вселенной - как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали

Представьте на мгновение, что вы химик конца XVIII века, который работает с реагентами, смешивает их, смотрит, как они взаимодействуют, как протекает химическая реакция, создает новые вещества. Как понимание того, что атом — мельчайшая составная частица материи, поможет вам объяснить протекание химической реакции, которую вы только что наблюдали?

Для многих химиков того времени атом не играл значительной роли в их каждодневных экспериментах. Несомненно, химики нарисовали бы «схемы, где присутствует атом». Однако для большинства химиков они были не более чем инструментом визуализации, полезным в организации размышлений о химической реакции, но не дающим подробного объяснения процесса. Чего химики действительно желали, так это объяснения огромного количества экспериментальных данных.

Как знание об атоме (если бы даже оно существовало) на самом деле могло предоставить такую информацию? Более того, если бы атом был действительно самой маленькой, неделимой частью материи, как бы вы поняли это? Сколько бы он весил? Есть ли различные типы атомов? Вот над чем размышляли некоторые химики.

Со всеми этими атомными теориями, блуждающими вокруг, атом вносил очень мало определенности и предлагал больше путаницы, чем ясности. Было крайне нужно найти путь к ответам на некоторые из этих вопросов. Первое ощущение ясности пришло с уточнением атомного понятия под названием « элемент ».

В 1661 году Роберт Бойль написал свою главную работу «Скептический химик». В ней он жестко критикует теории элементов Аристотеля и Парацельса. Что важнее, он предложил идею элемента как чего-то, что нельзя дальше разделить посредством каких бы то ни было экспериментов [145]:

«…определенные простые и примитивные или совершенно однородные тела; которые не состоят из каких-либо иных тел, или друг друга, являются компонентами, из которых состоят все эти так называемые идеально смешанные тела и на которые они в конечном счете распадаются».

Более ста лет спустя, в 1789 году, Антуан Лавуазье повторяет это в «Элементарном трактате о химии»:

«Если мы будем использовать термин “элементы”, чтобы выразить нашу идею о последней точке, которую (химический) анализ может достигнуть, мы должны признать элементами все вещества, до которых мы можем любыми средствами низвести тела в процессе распада».

Конечно, речь шла о средствах, доступных в то время. Таким образом, смогут ли будущие поколения ученых разработать новые методы дальнейшего разделения этих вещей, которые они назвали элементами, показало бы только время. Однако это не было первоочередной проблемой, и не должно было быть. Вот как Лавуазье продолжает:

«Не то чтобы мы наделены правом утверждать, что эти вещества, которые мы рассматриваем как простые, не могут состоять из двух или даже большего количества (элементов); но, раз эти (элементы) нельзя разделить, или раз мы до настоящего времени не обнаружили средства их разделить, для нас они выполняют роль простых веществ, и мы ни в коем случае не должны считать их составными, пока эксперименты и наблюдения не докажут, что это так».

Лавуазье знал, что в будущем то, что в его время называли элементами, может на самом деле оказаться более сложными веществами. Эти вещества, будучи разделенными при помощи новых методов, наконец показали бы, из чего же состоят вещества. Однако важно определение элемента , которое дают Бойль и Лавуазье.

Как уже упоминалось, тогда понятие атома было расплывчатым. Но, дав атомам физическую индивидуальность, концепция элемента начала расчищать путь. Элемент — это атом определенного типа, это действительно так просто.

Уникальные особенности атома, зависящие от его элемента, определяют то, как он будет взаимодействовать с другими элементами. Наши знания об этих взаимодействиях дают нам основу понимания химических реакций, и именно через эти химические реакции вещество «создается» и «разрушается».

По состоянию на август 2018 года мы знаем о 126 элементах, тогда как Лавуазье в «Элементарном трактате по химии», изданном в 1789 году, определил тридцать три, среди которых были теплород и свет. Он включал и известные сегодня элементы: кислород, азот и водород. Были и другие элементы, с которыми мы знакомы сегодня, — золото, серебро, железо, медь, олово и ртуть.

В 1789 году Лавуазье показал, что общая масса (или вещество) сохраняется — она не изменяется от начала до конца химической реакции [146]. Другими словами, если вы тщательно взвесите исходные материалы (реагенты) и получите значение, равное одному грамму, сумма конечных материалов (продуктов), после того как химическая реакция закончилась, тоже будет равняться одному грамму [147]. Все очень просто. В ходе химической реакции никакая масса не прирастает, никакая масса не исчезает. Так что же именно происходит?