7. Атомно-молекулярное учение

В 1858 г. почти через 50 лет после открытия Авогадро итальянский химик С. Канницаро (1826–1910) обнаружил работы Авогадро и увидел, что они позволяют четко разграничить понятия "атом" и "молекула" для газообразных веществ. Именно Канницаро предложил определения атома и молекулы и внес полную ясность в понятия "атомный вес" и "молекулярный вес".

В 1860 г. в Карслуэ (Германия) состоялся Первый международный химический конгресс, на котором после долгих дискуссий были сформулированы основные положения атомно-молекулярного учения:

• вещества состоят из молекул – наименьших частиц вещества, обладающих его химическими свойствами;

• молекулы состоят из атомов, которые соединяются друг с другом в определенных отношениях;

• атом – наименьшая частица элемента в химических соединениях;

• разным элементам соответствуют разные атомы;

• атомы и молекулы находятся в постоянном самопроизвольном движении;

• при химических реакциях молекулы одних веществ превращаются в молекулы других веществ;

• атомы при химических реакциях не изменяются;

• молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов  (O₂, P₂, N₂ и т.д.), молекулы сложных веществ – из разных атомов  (H₂O, HСl и т.д.);

• свойства молекул зависят не только от их состава, но и от способа, которым атомы связаны друг с другом.

Современная наука развила классическую атомно-молекулярную теорию, а некоторые ее положения были пересмотрены. Было установлено, что атом не является неделимым бесструктурным образованием. Выяснилось, что не во всех случаях частицы, образующие вещество, являются молекулами. Многие химические соединения, особенно в жидком и твердом состоянии, имеют ионную структуру, например, соли. Некоторые вещества, например, инертные газы состоят из отдельных атомов, слабо взаимодействующих между собой.

И, наконец, при нагревании до температур порядка тысяч и миллионов градусов вещество переходит в особое состояние – плазму, которая представляет собой смесь атомов, положительных ионов, электронов и атомных ядер.

8. Закон сохранения массы и энергии

Фундаментальным законом естествознания является закон сохранения массы вещества, который был сформулирован в 1748 г. в виде философской концепции великим русским ученым М.В. Ломоносовым (1711–1765) и подтвержден экспериментально им самим в 1756 г., а также независимо от него - французским химиком А.Л. Лавуазье в 1789 г.

Закон сохранения массы вещества гласит: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции.

Опыты по сжиганию веществ, которые проводились до Ломоносова, наводили на мысль, что масса веществ в процессе реакции не сохраняется. При нагревании на воздухе ртуть превращалась в красную окалину, масса которой была больше массы металла. Масса золы, образующейся при сгорании дерева, напротив, всегда меньше массы исходного вещества. Немецкий врач и химик Эрнст Шталь (1660–1734) пытался объяснить эти явления тем, что горючие вещества содержат некоторую субстанцию – флогистон, которая в процессе горения улетучивается или передается от одного вещества к другому. Это означало, что горение вещества есть реакция разложения на флогистон и негорючий остаток. Но тогда получалось, что есть положительный флогистон (содержится в дереве), который приводит к уменьшению массы при горении, и отрицательный (в металлах), который дает увеличение массы.

Ломоносов провел простой опыт, который показал, что горение металла есть реакция присоединения, а увеличение массы металла происходит за счет присоединения части воздуха. Он прокаливал металлы в запаянном стеклянном сосуде и обнаружил, что масса сосуда не изменялась, хотя химическая реакция происходила.

К сожалению, открытие Ломоносова не было замечено зарубежными учеными, а закон сохранения массы вещества утвердился в химии только после опытов Лавуазье, который проводил реакции сжигания металлов и восстановления оксидов металлов углем, и ни разу не обнаружил увеличения или уменьшения массы продуктов реакции по сравнению с исходными веществами.

Закон сохранения массы вещества имел огромное значение для атомно-молекулярной теории. Он подтвердил, что атомы являются неделимыми и при химических реакциях не изменяются. Молекулы при реакции обмениваются атомами, но общее число атомов каждого вида не изменяется и поэтому общая масса веществ в процессе реакции сохраняется. Закон сохранения массы вещества является частным случаем общего закона природы - закона сохранения энергии, который утверждает, что энергия изолированной системы постоянна. Энергия – это мера движения и взаимодействия различных видов материи. При любых процессах в изолированной системе энергия не производится и не уничтожается, она может переходить из одного вида в другой. Например, энергия электромагнитного излучения, действующего на молекулу, может переходить в энергию вращательного движения молекулы или поступательного движения атомов; напротив, энергия химического взаимодействия может переходить в энергию излучения.

Закон сохранения энергии как философский принцип не выводится из более общих постулатов. С физической точки зрения закон сохранения энергии является следствием однородности времени, т.е. того факта, что законы природы со временем не меняются.

Закон сохранения массы вещества не выполняется в ядерных реакциях, что объясняется на основе принципа эквивалентности массы и энергии, сформулированного Эйнштейном и выражаемого самой знаменитой в мире формулой: Е = mc².

Это соотношение показывает, что масса может переходить в энергию и наоборот, что и происходит в ядерных реакциях. В химических реакциях изменение массы, вызванное выделением или поглощением энергии, очень мало и не поддается экспериментальной регистрации. Поэтому можно утверждать, что в химических реакциях закон сохранения массы выполняется с очень высокой степенью точности.