Естествознание
10 класс

§ 45. «Новая система химической философии» Д. Дальтона

В основании каждой теории в естествознании
всегда лежит нечто такое, что не может
быть подтверждено экспериментально.
И. Я. Берцелиус

Чем отличается атомная теория Д. Дальтона от предшествующих ей вариантов атомистики? Какое влияние на последующее развитие естествознания оказали работы Дальтона? Что нового внесла атомистика Дальтона в понимание генезиса свойств веществ?

Урок-лекция

УЧЕНИЕ О СОСТАВЕ ВЕЩЕСТВ. Исторически так сложилось, что учение об элементах и атомистические представления до начала XIX в. рассматривались как принципиально разные способы объяснения структуры и свойств тел. Свойства часто объясняли наличием в теле тех или иных элементарных начал, роль которых могли играть элементы Аристотеля (огонь, вода, воздух, земля), три первоначала Парацельса (ртуть, сера, соль) или какие-либо иные наборы элементарных сущностей. Сторонники же атомистических представлений связывали свойства с геометрическими и механическими характеристиками составляющих тело частиц (к примеру, с их величиной, формой, движением, с присущими им силами).

Мысль Лавуазье о существовании в природе конечного числа элементов, обладающих определенной совокупностью свойств и доступных определению методами химического анализа, способствовала последующему синтезу атомистики и учения об элементах.

Но для того чтобы эти два учения слились в одно, атомную теорию нужно было видоизменить. И главное, что предстояло сделать, — это найти такое свойство атома, которое бы, с одной стороны, оставалось неизменным в ходе химических реакций и агрегатных переходов, а с другой — поддавалось бы количественному экспериментальному определению. Ни форма, ни величина атомов на эту роль не подходили хотя бы потому, что их невозможно было определить экспериментально. В качестве подходящего свойства атома Д. Дальтон выбрал относительный атомный вес (в настоящее время используют термин относительная атомная масса, или просто «атомная масса»).

Джон Дальтон (1766—1844) — английский физик и химик. Работал в области метеорологии и физики газов, описал дефект зрения, известный как дальтонизм

ТЕОРИЯ ДАЛЬТОНА. Все началось с метеорологии, которой Дальтон занимался всю свою сознательную жизнь, сделав около 200 ООО записей о состоянии погоды. В процессе метеорологических наблюдений он заинтересовался свойствами газов и газовых смесей, причем, обсуждая те или иные вопросы физики газов, он использовал атомистические теории, весьма распространенные в Англии еще с XVII в. В итоге к 1801 г. у него сложились следующие представления о природе газообразного состояния:

  • атомы газов окружены теплородной оболочкой, обьем которой увеличивается с ростом температуры;
  • между частицами газов действуют силы отталкивания, обусловленные отталкиванием теплородных оболочек, и силы притяжения («химического сродства»);
  • частицы газа располагаются в пространстве настолько плотно, что теплородные оболочки касаются друг друга (рис. 55).

Рис. 55. Модель газа по Дальтону

Для ответа на целый ряд важных вопросов (почему происходит диффузия газов; почему атмосфера не расслаивается, т. е. почему тяжелые газы не скапливаются у поверхности Земли, и т. д.) необходимо было прежде всего научиться определять состав газовой смеси; для начала — хотя бы количество кислорода в ней: без этого невозможно было экспериментально изучать изменение состава атмосферы с высотой, растворимость газов в воде и другие проблемы. Наиболее быстрым способом определения кислорода в газовой смеси, по мнению Дальтона, могла служить так называемая проба Пристли, т. е. реакции, которые в современной записи имеют вид:

2NO + O2 → 2NO2 или в присутствии воды:
2NO + O2 + H2O → HNO2 + HNO3

В итоге Дальтон пришел к необходимости определить состав оксидов азота, а для этого надо было знать относительные атомные массы азота и кислорода. Таким образом, именно в процессе решения химической задачи о составе оксидов азота возникла задача определения относительных атомных масс. Однако, чтобы составить шкалу относительных атомных масс (Дальтон принимал массу атома водорода за единицу), нужно было знать атомные составы соединений — сколько атомов каждого элемента входит в молекулу («сложный атом», по терминологии Дальтона) данного соединения, а для того чтобы определить атомный состав соединения, надо знать его элементный состав (в процентах по массе) и... относительные атомные массы входящих в соединение атомов элементов. Круг замкнулся.

Чтобы как-то выйти из создавшегося положения, Дальтон придумал правило, которое он назвал «правилом простоты». Именно придумал, потому что никаких мало-мальски веских доводов в доказательство этого правила он привести не смог, только умозрительные, вроде того что «природа действует всегда простейшим путем», «не следует увеличивать сложности без необходимости» и т. п.

Химические символы Д. Дальтона. 1810

Согласно этому правилу, если два элемента образуют только одно соединение (как, например, водород и кислород дают только воду; пероксид водорода тогда еще не был открыт), то состав его будет простейшим: АВ, т. е. вода в таком случае должна иметь состав НО, аммиак NH и т. д. Как видим, Дальтон не «угадал» состава воды и аммиака, и потому численно его шкала относительных атомных масс оказалась неверной.

Но несовершенства теории Дальтона не умаляют сделанного им прорыва. Дальтон исходил в своих рассуждениях из того, что элемент — это атомы одного вида, с определенными атомными весами, а каждый атом — это атом определенного химического элемента. Иными словами, атомы различных химических элементов неодинаковы по своим свойствам и по их массам, тогда как все атомы одного и того же вещества совершенно одинаковы.

Кроме того, Дальтон показал, что предложенная им атомная теория может быть не только умозрительной, но и рабочей теорией: проблему генезиса свойств веществ можно и должно связывать с атомным составом тел.

Атомистические представления и представления об элементах, проделав долгую историческую эволюцию, объединились наконец в одно фундаментальное учение.

  • В своих расчетах относительных атомных масс азота и кислорода Дальтон исходил из известных в начале XIX в. данных о процентном (по массе) составе воды (85% кислорода и 15% водорода) и аммиака (80% азота и 20% водорода). Определите исходя из этих данных и принципа простоты Дальтона полученные им значения относительных масс азота и кислорода (атомную массу водорода Дальтон принимал за 1).
  • Поначалу Дальтон полагал, что один из оксидов азота, так называемая селитряная кислота, имел атомный состав, который в современных обозначениях может быть представлен формулой NO2Процентный (по массе) состав этого оксида, по данным того времени, был следующим: 29,5% азота и 70,5% кислорода. Сопоставляя гипотетический атомный и экспериментально определенный процентный составы этого оксида и используя свою шкалу относительных атомных масс (см. предыдущую задачу), Дальтон предложил новую формулу селитряной кислоты. Какую? Ответ обоснуйте расчетом.
  • Как с позиций атомной теории Дальтона можно интерпретировать закон постоянства состава?
  • Почему свое двухтомное сочинение, вышедшее в 1808-1810 гг., Дальтон назвал «Новая система химической философии»?
  • Какие положения атомной теории Дальтона вызывали, по вашему мнению, наибольшие возражения у его современников?

Рейтинг@Mail.ru