Джон Фарндон - Вопрос на засыпку. Как заставить мозги шевелиться

В то же время я не жду от ученых, что они построят машину для телепортации, чтобы в мгновение ока перенести меня на другой конец Вселенной или хотя бы на Гавайи. У меня есть своя машина для телепортации – прямо здесь, в моей голове. Она называется воображением. Ее легко запустить, она всегда готова к использованию – и, более того, позволяет мне создать образ моего места назначения, а заодно и моего прибытия туда. Иногда, чтобы разбудить воображение, мне нужна книга, фильм или немного музыки (или вопрос преподавателя Оксбриджа).

Ответ прост – много. Молекулы настолько малы и их в стакане воды такое огромное количество, что невозможно их пересчитать явным образом. Поэтому я собираюсь дойти до ответа опосредованно. На самом деле расчет довольно прост – нам надо обратиться к основам химии и атомно-молекулярному учению.

Все началось с озарения одного человека, которого некоторые называют отцом химии, – Джона Дальтона. Уже в конце 1700-х годов ученые знали об атомах, но считали, что они все одного размера, и не задумывались о том, что атом каждого элемента уникален. Проводя эксперименты с газами, полученными из воздуха, Дальтон был удивлен, когда заметил, что чистый кислород не поглощает столько же водяного пара, сколько чистый азот. Он догадался, что это происходит потому, что атомы кислорода больше и тяжелее, чем атомы азота, и для воды остается меньше места. Если первое предположение было всего лишь блестящим, то следующее – просто гениальным.

Атомы, решил Дальтон, отличаются только соотношением весов. С этого момента веса оказались в центре внимания атомно-молекулярной химии – они-то и будут нашим способом подсчета молекул в стакане.

Дальтон заметил, что атомы – «неделимые частицы» каждого элемента – группируются, создавая очень простые соединения. Основываясь на этом предположении, он смог найти удельный вес атома каждого элемента, измеряя общий вес элементов, участвующих в соединении. Просто и эффективно. Вскоре ученый вывел то, что теперь известно как относительные атомные массы элементов.

Он использовал водород в качестве основы, так как это самый легкий газ, и присвоил ему атомный вес, равный 1. Поскольку кислорода в воде содержится в 7 раз больше, чем водорода, Дальтон присвоил кислороду атомный вес 7. Это тоже было достаточно просто – или исследователю так казалось (на самом деле атомный вес кислорода примерно равен 16).

К сожалению, в методе Дальтона был недостаток: ученый не понимал, что атомы одного элемента можно объединить. Он всегда считал, что молекула состоит только из одного атома каждого элемента. Конечно, он был неправ.

Здесь на сцене появляется современник Дальтона – вероятно, очень медленно, потому что его имя до абсурда длинно и величественно: Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро ди Куаренья э ди Черрето. Авогадро, как его обычно коротко называют, был итальянским ученым-аристократом. К тому времени Гей-Люссак уже доказал, что, когда два газа реагируют друг с другом с образованием третьего, они всегда сочетаются в простых целочисленных соотношениях. Авогадро понял: чтобы это было верно, равные объемы двух газов при одних и тех же температуре и давлении должны иметь равное число частиц. Если это так, то соотношение означает, что молекула может состоять из разного числа атомов – что важно при расчете соотношений, то есть молекулярных пропорций. За полвека, прошедших с этого открытия, ученые поняли, что идея Авогадро об использовании молекулярных размеров позволяет им правильно рассчитать атомные веса.

Авогадро пошел дальше и доказал, что в равных объемах газа (при заданных температуре и давлении) всегда содержится одинаковое число атомов или молекул. Другими словами, соотношение между объемом и количеством частиц всегда одно и то же, и с 1909 года эту величину стали называть постоянной, или числом Авогадро.

Таким образом, постоянная Авогадро говорит нам, сколько частиц содержится в определенном количестве вещества. Конечно, числа получаются огромные и громоздкие, потому была придумана специальная единица измерения – моль (этот термин образован от слова «молекула», а не от названия бабочек, которые съели висевшую в шкафу шубу вашей бабушки).

Хотя Авогадро сформулировал этот принцип в начале 1800-х, он не применялся до 1910 года, когда Роберт Милликен наконец определил число, соответствующее молю. Так же как и я сейчас, Милликен пришел к этому опосредованно. Он просто измерял суммарный электрический заряд отдельно взятой массы углерода-12, а затем разделил его на недавно ставший известным заряд одного электрона. Таким образом исследователь смог найти количество электронов в заданной массе вещества. Конечно, полученный результат поражает воображение. В каждых 12 граммах углерода-12 содержится 6,022 × 1023 атомов. Некоторые остроумные химики каждый год празднуют 23 октября день моля.