Краткая история почти всего на свете - Билл Брайсон

Он открыл так много элементов не потому, что его так уж часто посещало вдохновение, а благодаря разработанному им способу воздействия электричеством на жидкое вещество — известному как электролиз. Всего он открыл двенадцать элементов, пятую часть всех известных в то время. Дэви, возможно, сделал бы и больше, но, к несчастью, в молодости он пристрастился к закиси азота, причем до такой степени, что прикладывался к ней по 3–4 раза в день. В конце концов, как считают, в 1829 году газ его и погубил. К счастью, в других местах работали более трезвые люди. В 1808 году суровый квакер по имени Джон Дальтон первым упомянул о природе атома (шаг, о котором речь пойдет чуть дальше), а в 1811 году итальянец, носивший роскошное оперное имя Лоренцо Романо Амадео Карло Авогадро, граф Кваренья и Черрето, сделал открытие, которое в дальнейшем приобретет большое значение — а именно, что два равных объема газа любого вида при одинаковых давлении и температуре будут содержать одинаковое число молекул.

Два факта хочется отметить относительно подкупающего своей простотой закона Авогадро, как его стали называть. Во-первых, он послужил основой для более точного измерения размера и веса атомов. Пользуясь расчетами Авогадро, химики в конечном счете смогли, например, вычислить, что диаметр типичного атома составляет 0,000000008 см, что действительно чрезвычайно мало. А во-вторых, около 50 лет об этом законе почти никто не знал*.

---

* (Этот закон значительно позже привел к принятию так называемого числа Авогадро в качестве основной единицы измерения в химии. Оно соответствует числу молекул в 2,016 грамма водорода или равного объема любого другого газа и составляет 6,0221367·1023 — ужасно большое число. (Строго по современному определению, число Авогадро — это число атомов в 12 граммах изотопа углерода 12C. В 2002 г. международный комитет CODATA рекомендовал использовать новое уточненное значение числа Авогадро 6,0221415·1023. — Прим. ред).

Студенты-химики всегда любили развлекаться, демонстрируя, насколько велико это число. Так что я могу сообщить, что таким количеством зерен воздушной кукурузы можно было бы покрыть Соединенные Штаты слоем в 15 километров, таким количеством чашек можно было бы вычерпать Тихий океан, а такое же число банок прохладительных напитков, сложенных штабелями, покрыло бы Землю слоем высотой в 300 километров. Такого количества американских центов было бы достаточно, чтобы сделать каждого жителя Земли долларовым миллиардером. Поистине большое число).

Отчасти это случилось потому, что сам Авогадро не отличался общительностью — работал в одиночку, переписывался с учеными-коллегами очень мало, опубликовал мало работ и не бывал в собраниях, — но также причина и в том, что химиков, чтобы их посещать, просто не было, а химических журналов для публикации статей было мало. Это чрезвычайно странный факт. Промышленная революция разворачивалась в значительной мере благодаря прогрессу химии, но при этом на протяжении десятилетий химия едва существовала как сложившаяся наука.

Лондонское химическое общество было основано лишь в 1841 году, а его журнал стал регулярно выходить только в 1848 году. К тому времени большинству научных обществ в Англии — Геологическому, Географическому, Зоологическому, Садоводческому и Линнеевскому (для натуралистов и ботаников) насчитывалось по крайней мере по 20 лет, а в ряде случаев и больше. Конкурирующий Институт химии появился лишь в 1877 году, через год после основания Американского химического общества. Из-за того, что химия так медленно организовывалась, известие о важном открытии Авогадро 1811 года стало общеизвестным лишь после первого международного химического конгресса, состоявшегося в Карлсруэ в 1860 году.

Из-за того, что химики так долго работали обособленно друг от друга, медленно вырабатывались общепринятые обозначения. До второй половины столетия формула Н202 у одного химика могла означать воду, а у другого — перекись водорода. Формула С2Н4 могла означать как этилен, так и болотный газ — метан. Вряд ли можно было найти молекулу, которая бы везде обозначалась единообразно.

Химики также пользовались поразительным количеством символов и сокращений, часто придуманных ими самими. Швед Й. Я. Берцелиус внес в эти дела необходимую меру порядка, установив, что сокращенные названия элементов должны основываться на их греческих или латинских названиях, вот почему аббревиатура для железа — Fe (от латинского ferrum), а для серебра — Ag (от латинского argentum). Тот факт, что многие другие аббревиатуры соответствуют их английским названиям, отражает обилие латинизмов в английском языке, а не его возвеличивание. Для обозначения количества атомов в молекуле Берцелиус применял надстрочную индексацию, например Н20. Позднее без особых причин стали употребляться подстрочные цифровые индексы: Н20[92].

Несмотря на эпизодические попытки навести порядок во второй половине XIX века, в химии царила известная неразбериха, вот почему всем пришлось по душе появление на научном горизонте несколько странного и немного безумного на вид профессора Петербургского университета Дмитрия Ивановича Менделеева. Менделеев родился в 1834 году в Тобольске, в Западной Сибири, в образованной, достаточно обеспеченной и очень многочисленной семье — настолько многочисленной, что история потеряла точный счет ее членов: в одних источниках говорится, что было 14 детей, в других называется 17[93]. Во всяком случае, все сходятся на том, что Дмитрий был младшим. Но счастье не всегда светило Менделеевым. Когда Дмитрий был еще маленьким, отец, директор местной школы, ослеп, и матери пришлось искать работу. Эта, несомненно, выдающаяся женщина в конечном счете стала управлять преуспевающим стекольным заводом. Все шло хорошо до 1848 года, когда завод сгорел и семья впала в нужду. Преисполненная решимости дать младшенькому образование, неукротимая госпожа Менделеева с юным Дмитрием отправилась на попутных за три тысячи километров в Петербург и устроила сына в Педагогический институт. Измученная трудами, она вскоре умерла.

Менделеев добросовестно закончил учебу и со временем получил должность в университете. Там он проявил себя знающим, но не таким уж выдающимся химиком и больше был известен своими взлохмаченными волосами и бородой, которые подстригал раз в год, нежели своими успехами в лаборатории.

Однако в 1869 году, в возрасте 35 лет, он начал ради интереса пробовать привести элементы в систему. В то время элементы обычно группировали двумя путями — либо по атомному весу (опираясь на закон Авогадро), либо по общим свойствам (например, являются ли они металлами или газами). Прорыв, совершенный Менделеевым, заключался в том, что он увидел возможность объединить и то и другое в одной таблице.

Как часто бывает в науке, этот принцип был фактически предвосхищен тремя годами раньше в Англии химиком-любителем, которого звали Джон Ньюландс. Он высказал мысль, что когда элементы располагают по весу, у них вроде бы гармонично повторяются определенные свойства — на каждом восьмом отсчете шкалы. Несколько неблагоразумно, ибо для такой идеи время еще не пришло. Ньюландс назвал это явление законом октав и связал его с октавами фортепьянной клавиатуры. Возможно, в порядке, предложенном Ньюландсом, был определенный смысл, но сама идея связи с музыкой воспринималась как в корне нелепая, и ее стали широко высмеивать. Бывало, на собраниях некоторые участники, дурачась, интересовались, не сыграют ли его элементы какой-нибудь мотивчик. Обескураженный Ньюландс бросил настаивать на своей идее и скоро совсем исчез из виду.

Менделеев подошел несколько иначе, расположив элементы периодами по семь[94], но исходя из той же предпосылки. И вдруг идея оказалась блестящей и на удивление перспективной. Поскольку свойства повторялись периодически, открытие стало известно как Периодическая таблица.

Говорят, что Менделеева натолкнул на мысль карточный пасьянс, когда карты располагаются горизонтально по масти и вертикально по старшинству. Используя близкий подход, он расположил элементы по горизонтальным рядам, которые назвал периодами, и вертикальным столбцам, получившим название групп. Тем самым сразу выявлялись одни связи при чтении сверху вниз и другие — при чтении от одного края к другому. Вертикальные столбцы объединяли вещества со сходными свойствами. Так, медь располагается над серебром, а серебро над золотом по причине их химического родства как металлов, а гелий, неон и аргон находятся в одном столбце, где расположены газы. (На деле расположение элементов определяется свойством, называемым электронными валентностями, и если вы хотите в них разобраться, то вам придется поступить на вечерние курсы.) В горизонтальных рядах элементы своим чередом располагаются в возрастающем порядке по количеству протонов в ядрах, которое называется атомным номером[95].