1.2.3 Закон небольших объемных отношений Гей-Люссака Молекулярная теория Авогадро

В первую очередь полезно вспомнить, что объемные соотношения водорода и кислорода, водорода и азота в реакциях синтеза (разложения) воды и аммиака были экспериментально установлены еще в XVIIIв. в работах Лавуазье и Бертолле. Однако в те годы главной задачей была идентификация веществ, элементов, поэтому даже сами авторы открытий не придали им значения, тем более что техника собирания газов и измерения их объемов была еще несовершенна. В 1805г. объемное соотношение газов (1:2) в реакции синтеза воды установил Гей-Люссак. В последующие несколько лет он получил аналогичные результаты при взаимодействии аммиака и хлороводорода (1:1), показал, что из 50мл азота и 100мл кислорода может быть получена "азотная кислота" (по кислородной теории Лавуазье состав азотной кислоты следовало понимать как NO₂)²⁶. Изучая реакцию синтеза аммиака, Гей-Люссак обнаружил, что простыми соотношениями связаны объемы не только газообразных реагентов, но и продуктов реакций (объемы азота, водорода и аммиака относятся как 1:3:2). В 1808г. им был сформулирован закон простых объемных отношений: объемы газообразных реагентов и продуктов, измеренные в одинаковых условиях, относятся как небольшие целые числа. Чуть поздней (1811-1812гг.), после обоснования элементарности хлора (см.¹¹ на стр. 12) Гей-Люссак установил объемные отношения веществ в реакции синтеза хлороводорода (1:1:2).

Не смотря на то, что установленная закономерность косвенно подтверждала атомистическую теорию, многие современники Гей-Люссака (в том числе и Дальтон, и Берцелиус) отнеслись к этим результатам весьма скептически. Одна из причин, видимо, состояла в том, что, если объединить идеи Дальтона и Гей-Люссака, то для реакции синтеза аммиака:

следует признать, что в одинаковых условиях простые атомы водорода и двойные атомы аммиака занимают, соответственно, втрое и вдвое больший объем, чем равное число атомов азота. Это качественно не противоречило разной роли "теплородных оболочек" атомов, но строгие количественные соотношения объяснить было сложно.

В 1811-1813гг. Антонио Авогадро, тщательно проанализировав результаты экспериментов Гей-Люссака, пришел к выводу, что закон объемных отношений может быть согласован с атомистической теорией, более того, позволяет понять, как же «устроены» молекулы газов. Основные положения своей гипотезы Авогадро сформулировал следующим образом:

• Как простые, так и сложные вещества состоят молекул ("интегральных молекул"), которые в свою очередь образованы из двух или большего числа атомов ("элементарных молекул").

• В равных объемах различных газов при одинаковых условиях, содержится одинаковое число молекул.

Из этих предположений следует, что "плотность различных газов служит мерой массы их молекул…", т.е. по плотностям газов можно (подобно тому как это делал Дальтон) сопоставлять молекулярные массы веществ, а, следовательно, в конце концов, и атомные массы элементов²⁷ (см. табл. №1.2). Развивая молекулярную теорию, Авогадро обосновал состав оксидов углерода и азота, определил истинный состав метана СН₄ и этилена С₂Н₄ (по Дальтону СН₂ и СН, соответственно), оксидов бора В₂О₃, кремния SiO₂, фосфора Р₂О₅ (по Берцелиусу ВО₂, SiO₃, РО₃, соответственно) и многих других веществ.

Однако при жизни молекулярная гипотеза Авогадро не получила широкого признания. Против его выводов выступали, как это ни прискорбно, основатели, творцы атомистической теории. Основные возражения Дальтона были продиктованы тем, что в первой половине XIХв. понятия атомы, молекулы, корпускулы и еще некоторые другие применялись как синонимы. С точки зрения Авогадро, молекулы веществ (в том числе и простых) в ходе реакций распадались на составные части, которые затем перегруппировывались, например:

2Н₂ + О₂ → Н₂О; N₂ + 3H₂ → 2NH₃.

По мнению Дальтона это было равносильно утверждению о возможности распада атомов, а он категорически настаивал на их неделимости. Возражения Берцелиуса главным образом были основаны на разработанной им биполярной структуре атомов и теории сродства, согласно которой атомы водорода имели избыточный положительный заряд, а атомы кислорода – избыточный отрицательный. Поэтому такие атомы способны прочно связываться друг с другом, но не могут образовывать двухатомных частиц типа Н₂ или О₂.