Углекислый газ (диоксид углерода) и азот 7 страница
Рассмотрим теперь водород и хлор. Эти два газа, соединяясь, образуют третий газ — хлорид водорода. При этом один объем водорода соединяется с одним объемом хлора, и вполне можно предположить, что молекула хлорида водорода состоит из одного атома водорода и одного атома хлора. Предположим теперь, что газообразный водород и газообразный хлор состоят из одиночных атомов, далеко отстоящих друг от друга, и что эти атомы соединяются попарно, образуя молекулы хлорида водорода, также далеко отстоящие друг от друга. Начнем со 100 атомов водорода и 100 атомов хлора. Эти 200 далеко отстоящих друг от друга частиц соединяются попарно и образуют 100 молекул хлорида водорода. В результате от 200 далеко отстоящих друг от друга частиц (атомов) остается только 100 также удаленных друг от друга частиц (молекул). Если пространство между ними везде одинаково, то тогда один объем водорода и один объем хлора в сумме (всего два объема) должны были бы составить только один объем хлорида водорода. Однако фактические данные говорят о том, что один объем водорода, соединяясь с одним объемом хлора, дает два объема хлорида водорода. Поскольку два объема газа, взятые для проведения опыта, остаются теми же двумя объемами после завершения опыта, то, следовательно, число частиц должно оставаться одним и тем же и до начала и после завершения опыта.
Предположим далее, что газообразный водород существует не в виде отдельных атомов, а в виде молекул водорода , каждая из которых состоит из двух атомов, а газообразный хлор состоит из молекул хлора , также двухатомных. В этом случае 100 атомов водорода — это 50 далеко отстоящих друг от друга частиц водород-водород, а 100 атомов хлора — это 50 далеко отстоящих друг от друга частиц хлор-хлор, т. е. всего 100 частиц. При образовании хлорида водорода происходит перегруппировка частиц: возникает атомная комбинация водород-хлор. При этом 100 атомов водорода и 100 атомов хлора дают 100 молекул хлорида водорода (каждая из молекул содержит по одному атому каждого вида). Следовательно, 50 молекул водорода и 50 молекул хлора образуют 100 молекул хлорида водорода. Этот вывод совпадает с результатами наблюдений, которые показывают, что один объем водорода и один объем хлора дают два объема хлорида водорода.
|
|
|
Все это вполне допустимо, если, как указывалось выше, частицы различных газов независимо от того, состоят ли они из одиночных атомов или из комбинаций атомов, равно удалены друг от друга и если расстояние между ними достаточно велико. В этом случае равное число частиц газа (при данной температуре) занимает равные объемы независимо от вида газа.
|
|
|
Первым, кто обратил внимание на необходимость предположения о том, что в газах равное число частиц занимает равные объемы, был итальянский химик Амедео Авогадро (1776—1856). Поэтому предположение, выдвинутое им в 1811 г., получило название гипотезы Авогадро .
Если твердо помнить эту гипотезу, то можно провести четкое различие между атомами и молекулами водорода (пары атомов), а также между атомами и молекулами других газов. Тем не менее еще в течение полувека после смерти Авогадро химики пренебрегали этой гипотезой и не проводили различия между атомами и молекулами важнейших газообразных элементов. Неопределенность наблюдалась и при определении атомных весов некоторых наиболее важных элементов.
К счастью, установить правильные атомные веса можно и другими способами. Например, в 1818 г. французский химик Пьер Лун Дюлонг (1785—1838) и французский физик Алексис Терез Пти (1791—1820) определили атомный вес одного из таких элементов [42]. Они обнаружили, что удельная теплоемкость элементов (количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы вещества, чтобы повысить его температуру на один градус) обратно пропорциональна атомному весу. Иными словами, если атомный вес элемента x вдвое больше атомного веса элемента у , то после поглощения одинаковыми весовыми количествами элементов одинакового количества тепла температура у повысится вдвое больше, чем температура x . Это и есть закон удельных теплоемкостей .
|
|
|
Таким образом, атомный вес элемента (правда, только приблизительный) можно определить, измерив его теплоемкость. Этот метод оказался пригодным только для твердых элементов, да и то не для всех, и тем не менее это был шаг вперед.
Немецкий химик Эйльгард Митчерлих (1794—1863) в 1819 г. нашел, что соединения, имеющие сходный химический состав, обычно выделяются в виде смешанных кристаллов, как будто молекулы одного вещества перемешиваются с аналогичными по форме молекулами другого вещества. Таким образом был постулирован закон изоморфизма («одинаковой формы»).
Из этого закона следует, что если два аналогичных по составу соединения кристаллизуются в виде смешанных кристаллов, то их химическую природу можно считать подобной (изоморфной). Это свойство изоморфных кристаллов позволяло экспериментаторам делать правильные заключения об атомных весах молекул одинакового элементного состава.
Веса и символы
Поворотный этап в истории развития химической атомистики связан с именем шведского химика Иёнса Якоба Берцелиуса [43]. Он вслед за Дальтоном внес особенно большой вклад в создание атомистической теории. Примерно о 1807 г. Берцелиус вплотную занялся определением точного элементного состава различных соединений. Проведя не одну сотню анализов, он представил столько доказательств, подтверждавших закон постоянства состава, что химики были вынуждены признать справедливость этого закона, а следовательно, и принять атомистическую теорию, которая непосредственно вытекала из закона постоянства состава.
|
|
|
Далее Берцелиус принялся за определение атомных весов более сложными и точными методами, которые были недоступны Дальтону. В этой своей работе Берцелиус использовал законы, открытые Дюлонгом и Пти, Митчерлихом и Гей-Люссаком (но, подобно большинству своих современников, не воспользовался гипотезой Авогадро).
В 1826 г. Берцелиус опубликовал первую таблицу атомных весов. Приведенные в ней величины в основном совпадают (за исключением атомных весов двух-трех элементов) с принятыми в настоящее время. Эта таблица, опубликованная в издававшихся самим И. Берцелиусом «Годичных обзорах», вошла в историю химии как таблица 1826 г.
Существенное различие между таблицами Берцелиуса и Дальтона состоит в том, что величины, полученные Берцелиусом, в большинстве не были целыми числами.
В своих расчетах Дальтон исходил из того, что атомный вес водорода равен 1, и поэтому атомные веса всех элементов в таблице Дальтона представляют собой целые числа. Изучив составленную Дальтоном таблицу атомных весов, английский химик Уильям Праут (1785—1850) пришел в 1815—1816 гг. к мнению, что все элементы в конечном счете состоят из водорода и что атомные веса различных элементов различаются по той причине, что они состоят из разного числа атомов водорода. Эта точка зрения известна как гипотеза Праута .
Однако таблица Берцелиуса, казалось, разрушила это привлекательное предположение (привлекательное потому, что, подобно античным ученым, Праут сводил все возраставшее число элементов к одному основному веществу и, таким образом, как будто бы придавал Вселенной упорядоченность и симметрию). Однако, если принять атомный вес водорода («основы»), равным 1, то атомный вес кислорода составит приблизительно 15.9 веса водорода, но едва ли можно согласиться с тем, что кислород состоит из 15 плюс еще 9/10 атома водорода.
В следующем столетии таблицы атомных весов постоянно уточнялись, и все более очевидными становились выводы Берцелиуса, считавшего, что атомные веса различных элементов не являются целыми числами, кратными атомному весу водорода.
В шестидесятых годах XIX в. бельгийский химик Жан Сервэ Стас (1813—1891) определил атомные веса точнее, чем Берцелиус. В начале XX в. американский химик Теодор Уильям Ричардс (1868—1928), приняв все меры предосторожности (во многом надуманные), определил величины атомных весов с такой точностью, которая только возможна при использовании чисто химических методов. Исследования Стаса и Ричардса ответили на те вопросы, которые в работах Берцелиуса оставались нерешенными.
Нельзя было не принять тот факт, что атомные веса выражаются нецелыми числами, и в свете этого гипотеза Праута, казалась бы, все более теряла смысл. Однако в то время, когда Ричарде проводил свои поразительно точные определения атомных весов, вновь встал вопрос о том, что следует понимать под атомным весом. И на этом этапе развития химии гипотезе Праута, как мы увидим далее, суждено было возродиться.
Рис. 9. Символы некоторых элементов и соединений, предложенные Дальтоном; 1 — водород; 3 — углерод; 4 — кислород; 15 — медь; 17 — серебро; 19 — золото; 21 — вода. Дальтон дал неверную формулу воды (НО вместо Н2О), но его формулы монооксида (25 ) и диоксида углерода (28 ) верны.
Поскольку, как выяснилось, атомные веса различных элементов взаимосвязаны не столь простым образом, как это ранее предполагалось, необходимо было выявить стандарт, исходя из которого можно было бы определять атомные веса элементов. Естественным казалось принять за единицу атомного веса атомный вес водорода, как это сделали Берцелиус и Дальтон. Но при этом атомный вес кислорода выражался неудобным нецелым числом 15.9, а ведь именно кислород обычно использовался для определения соотношений элементов в различных соединениях.
Чтобы атомный вес кислорода выражался удобным целым числом при минимальном нарушении стандарта, т. е. атомного веса водорода, атомный вес кислорода округлили и приняли равным 16.000 (вместо 15.9). Таким образом, в качестве стандарта был принят атомный вес кислорода, равный 16; атомный вес водорода при этом оказался равным 1.008. Атомный вес кислорода служил стандартом вплоть до середины XX в.
После того как атомистическая теория была принята, стало возможным изображать вещества в виде молекул, содержащих постоянное число атомов различных элементов. Вполне естественным было попытаться изобразить такие молекулы в виде набора маленьких кружков, представляющих собой атомы; при этом атомы каждого вида можно было изобразить кружками определенного типа.
Дальтон пытался ввести именно эту символику. Простым кружком он изображал атом кислорода; кружком с точкой посередине — атом водорода; кружком с вертикальной линией — атом азота; закрашенным черным кружком — атом углерода и т. д. Поскольку придумывать различные типы кружков становилось все труднее и труднее, Дальтон стал использовать начальные буквы названий элементов. Так, серу он изображал в виде кружка с буквой S, фосфор — в виде кружка с буквой P и т. д.
Берцелиус решил, что кружки излишни, достаточно лишь начальных букв. Он предложил, чтобы каждому элементу соответствовал свой особый знак, который был бы одновременно и символом элемента, и символом одиночного атома этого элемента, и в качестве такого знака предложил использовать начальную букву латинского названия элемента. (К счастью, для англоязычных народов латинское название почти всегда похоже на английское.) В тех случаях, когда названия двух или более элементов начинались с одних и тех же начальных букв, добавлялась вторая буква названия. Так появились химические символы элементов, которыми пользуются во всем мире и поныне.
Итак, химическим символом углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора и серы стали соответственно C, H, O, N, P и S, кальций и хлор (углерод первым завладел прописной буквой C) обозначались соответственно Ca и Cl.
С помощью химических символов легко показать количество атомов в молекуле. Так, молекулу водорода, состоящую из двух атомов водорода, записывают как H2, а молекулу воды, содержащую два атома водорода и один атом кислорода,— как H2O. (Знак без числового индекса, это легко увидеть, означает единичный атом.) Углекислый газ — это CO2, серная кислота — H2SO4, а хлорид водорода — HCl. Химические формулы этих простых соединений говорят сами за себя.
Химические формулы можно объединять в химические уравнения, описывающие реакции. С помощью такого уравнения можно, например, показать, что углерод соединяется с кислородом и образует углекислый газ:
C + O2 → CO2.
В таких уравнениях, чтобы не нарушить закона сохранения массы веществ, необходимо учитывать все участвующие в реакции атомы.
Предположим, мы хотим сказать, что водород соединяется с хлором и образует хлорид водорода. Если это записать просто как
H2 + Cl2 → HCl,
то нетрудно заметить, что среди исходных веществ у нас два атома водорода и два атома хлора, а среди продуктов реакции — только по одному. Чтобы уравнять правую и левую части, перед формулами исходных веществ и продуктов реакции ставят коэффициенты. В результате реакция образования хлорида водорода записывается как
H2 + Cl2 → 2HCl,
а реакция образования воды — как
2H2 + O2 → 2H2O.
Электролиз
Изучая влияние электрического тока на химические вещества, ученые смогли выделить ряд новых элементов. Вообще за полтора века, прошедшие с того времени, когда Бойль ввел понятие «элемент» (см. гл. 3), было открыто поразительно много веществ, отвечающих этому определению. Более того, было установлено, что некоторые простые и сложные вещества содержат неоткрытые элементы, которые химики не могли пока ни выделить, ни изучить.
Очень часто эти элементы входили в состав оксидов , т. е. соединений кислорода. Чтобы выделить элемент, соединенный с кислородом, последний необходимо было удалить. В принципе под воздействием какого-либо другого элемента, обладающего более сильным сродством к кислороду, атом (или атомы) кислорода может покинуть первый элемент и присоединиться ко второму. Этот метод оказался эффективным. Причем часто роль второго, отнимающего кислород, элемента выполнял углерод. Например, если железную руду, которая по сути является оксидом железа, нагревать на коксе (относительно чистая разновидность углерода), то углерод соединяется с кислородом; при этом образуются оксиды углерода и металлическое железо.
Рассмотрим теперь известь. По своим свойствам она тоже похожа на оксид. Однако ни один из известных тогда элементов, вступая в реакцию с кислородом, не образует известь. Следовательно, известь является оксидом неизвестного элемента. Пытаясь выделить этот неизвестный элемент, известь нагревали на коксе, но при этом ничего не происходило. Неизвестный элемент, по-видимому, так крепко удерживал кислород, что атомы углерода не могли оторвать от него атомы кислорода. Ни одно другое химическое вещество также не могло «заставить» известь отдать кислород.
Однако английский химик Гемфри Дэви (1778—1829) решил, что если вещество нельзя разложить химическим путем, то, возможно, это удастся осуществить под воздействием электрического тока: ведь таким способом удалось разложить даже молекулу воды.
Дэви сконструировал электрическую батарею, в которой насчитывалось более 250 металлических пластин; это была самая сильная из имевшихся в то время батарей. Пропуская ток, который давала эта батарея, через растворы соединений, предположительно содержащих неизвестные элементы, Дэви пытался таким образом выделить эти элементы, однако успеха не добился. Он только разложил воду и получил водород и кислород.
Очевидно, необходимо было прежде удалить воду. Однако через твердые вещества ему даже не удалось пропустить ток. Наконец, Дэви догадался расплавить соединения и пропустить ток через расплав.
Это оказалось действенным. 6 октября 1807 г. Дэви пропустил ток через расплавленный поташ (карбонат калия) и получил маленькие шарики металла, который он назвал потассием (от английского — potash). Этот металл, впоследствии названный калием, оказался очень активным. Он вытеснял кислород из воды, освобождая водород, причем реакция эта шла чрезвычайно бурно. Неделю спустя Дэви выделил из соды (карбоната натрия) содий (от английского — soda), впоследствии названный натрием. По своей активности, как выяснилось, натрий лишь незначительно уступает калию.
В 1808 г., пользуясь модифицированным вариантом метода Берцелиуса, Дэви выделил несколько металлов из их оксидов: магний из магнезии, стронций из оксида стронция, барий из оксида бария и кальций из извести («кальций» — от латинских названий извести — calx, calcis).
Дэви также показал, что зеленоватый газ, который открывший его Шееле (см. гл. 4) считал оксидом, в действительности является элементом. Дэви предложил назвать его хлорин (от греческого χλωρός — желто-зеленый). Позднее Гей-Люссак сократил это название до хлора . Дэви доказал, что соляная кислота, будучи сильной кислотой, не содержит атома кислорода в своей молекуле, и, таким образом, опроверг предположение Лавуазье, который рассматривал кислород как необходимый компонент всех кислот (см. гл. 4.)
Работы Дэви по электролизу продолжил его помощник и ученик Майкл Фарадей (1791—1867) [44], который впоследствии стал знаменитым ученым. Ряд электрохимических терминов, введенных Фарадеем, используется и по сей день (рис. 10). Так, например, он назвал расщепление молекул под действием электрического тока электролизом . По предложению специалиста по античной филологии Уильяма Уэвелла (1794—1866) Фарадей назвал соединение или раствор, способный проводить электрический ток, электролитом ; металлические стержни или пластины, помещенные в расплавленный металл или раствор,— электродами ; электрод, несущий положительный заряд,— анодом ; электрод, несущий отрицательный заряд,— катодом .
Рис. 10. Электролитический процесс Фарадей объяснял с помощью следующей схемы. Обозначения на рисунке соответствуют предложенной им терминологии.
Реально существующие частицы, благодаря которым электрический ток проходит через раствор или расплав, Фарадей назвал ионами (от греческого ίόν — идущий). Ионы, перемещающиеся по направлению к аноду, он назвал анионами , а ионы, перемещающиеся по направлению к катоду,— катионами .
В 1832 г. Фарадей установил, что электрохимические процессы характеризуются определенными количественными соотношениями, и сформулировал следующие два закона электролиза. Вес вещества, выделившегося на электроде во время электролиза, пропорционален количеству электричества, пропущенного через раствор. Вес металла, выделенного данным количеством электричества, пропорционален эквивалентному весу этого металла.
Таким образом, если при взаимодействии серебра и калия с заданным количеством кислорода серебра в 2.7 раза больше, чем калия, то при данном количестве электричества серебра выделится в 2.7 раза больше, чем калия.
Законы Фарадея, по мнению некоторых химиков, указывали на то, что электричество, как и материю, можно разложить на постоянные минимальные единицы, или, другими словами, на «атомы электричества».
Предположим, что при пропускании электричества через раствор атомы материи притягиваются к катоду или к аноду «атомами электричества», и предположим, что для управления одним «атомом материи» во многих случаях достаточно одного «атома электричества», но иногда требуются два или даже три «атома электричества». Представив себе это, легко объяснить законы электролиза Фарадея.
Однако справедливость этого предположения была подтверждена только в самом конце XIX в., и тогда же было введено понятие «атомы электричества». Сам Фарадей никогда не проявлял энтузиазма по поводу «атомов электричества», да и атомистического учения в целом. [45]
Дата добавления: 2018-10-25; просмотров: 216; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!