Бойль также понимал, что тепло является показателем внутренних движений частиц вещества. Попробуйте вбить гвоздь в деревянный брусок. Пока гвоздь продвигается вперед, вы не заметите его нагрева. Но если продолжать бить по гвоздю после того, как он по шляпку ушел в дерево, то гвоздь начнет нагреваться. Удары по гвоздю уже не продвигают его дальше, а вызывают быстрые движения внутри гвоздя, которые проявляются как нагрев, или тепловая энергия (рис. 16.1).

Гораздо позже немецкий врач Юлиус Роберт фон Майер (1814–1878) объяснил тепло как форму энергии. Приход фон Майера в фи-зику был достаточно необычен. Будучи судовым врачом, во время путешествия к острову Ява он заметил, что венозная кровь моряков стала краснее, чем дома. Он знал о предложенной Лавуазье теории, что нагрев тела вызывается процессом горения, для которого кровь выделяет кислород. Возможно, кровь стала краснее потому, что в тропиках горение не такое сильное? Это заставило Майера задуматься о связи тепла с механической работой, производимой мускулами. Он пришел к выводу, что тепло и работа являются двумя формами энергии. Существуют разные виды энергии, и их сумма сохраняется в физических процессах и, в конце концов, во Вселенной в целом. Таким образом, он стал первым ученым, утверждавшим, что сохранение энергии имеет всеобъемлющий характер. Но идея Майера, опубликованная в частных брошюрах, осталась незамеченной. Позже он очень переживал, когда похожие идеи приписывались Джоулю.

Рис. 16.1. Роберт Бойль (1627–1691) рассматривал тепло как проявление движения частиц. В горячем газе скорости хаотически движущихся молекул в среднем больше, чем в холодном газе.

Впрочем, Джеймс Джоуль (1818–1889) пришел к таким же выводам независимо от Майера. Его искусные опыты с теплом, электричеством и механической работой были необходимы научной общественности для признания сохранения энергии. Этот богатый английский пивовар смог посвящать большую часть времени своему увлечению, сравнивая различные формы энергии.

В XVIII веке считалось, что горящее вещество теряет огненный элемент флогистон и что именно это служит причиной уменьшения свечи при горении. Заслуга в открытой истинной природы горения принадлежит Антуану Лорану Лавуазье, универсальному ученому, который был и математиком, и метеорологом, и геологом (рис. 16.2). В возрасте всего лишь 25 лет его избрали членом Академии наук в Париже. Примерно тогда же он получил удобную работу сборщика налогов. Химией он занялся позднее, когда работал в Королевском управлении пороха, где проводил различные опыты, в том числе — с горением фосфора и серы. Он обнаружил, что продукты сгорания весят больше исходного вещества и что эта разница как раз равна уменьшению веса воздуха. Лавуазье опознал активную составляющую воздуха и назвал ее кислородом. Флогистон теперь стал не нужен.

Рис. 16.2. Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) и его жена Мария Анна Пьеретта Польз (1758–1836). Она так тесно сотрудничала с мужем, что трудно отделить вклад одного из супругов от вклада в науку другого (картина Жака Луи Давида).

Свои результаты Лавуазье опубликовал в 1789 году в работе Traite Elémentaire de Chimie («Начальный курс химии»). В этом классическом труде он обобщил новую химическую теорию и разъяснил понятие элемента как простого вещества, которое невозможно расщепить никакими известными химическими методами. Там же была представлена теория того, как элементы формируют химические смеси, и утверждалось, что вещество не возникает и не исчезает (то есть масса сохраняется).

Лавуазье продолжал собирать налоги даже после начала Французской революции. В период Царства Террора он вместе с другими 27 сборщиками налогов был приговорен к смерти на гильотине и казнен 8 мая 1794 года в Париже. Не последнюю роль в этом сыграло и то, что несколькими годами ранее Лавуазье критиковал революционного лидера Жана-Поля Марата и его идеи о процессе горения.

После Лавуазье продолжались поиск и систематизация новых элементов. Наибольшую активность в этом проявили Жозеф Гей-Люссак (1778–1850) во Франции и Гемфри Дэви в Англии. Особое внимание они уделяли относительному количеству элементов, входящих в соединения. Стало понятно, что соединение всегда состоит из элементов в определенной пропорции. Например, чтобы получить 9 граммов воды (H₂O), нужно 8 граммов кислорода (O) и 1 грамм водорода (H); только в такой пропорции не останется лишнего водорода или кислорода.

Этим химическая реакция отличается, скажем, от приготовления кекса, где не так уж важно, если мы смешиваем ингредиенты в не совсем точной пропорции: кекс будет иметь немного другой вкус, но он в любом случае остается кексом. Открытие химического закона постоянных отношений принадлежит шведскому химику Йёнсу Якобу Берцелиусу (1779–1848). Он показал, что неорганические вещества состоят из различных элементов в постоянной весовой пропорции. На основе этих результатов в 1828 году он составил таблицу относительных атомных весов, включающую в себя все известные к тому времени элементы. Эта работа свидетельствовала в пользу гипотезы атомов: химические соединения содержат атомы в целочисленных количествах. Для описания своих экспериментов он разработал систему химических знаков, в которой каждый элемент обозначался буквой, например, О — для кислорода, H — для водорода и т. д. Эту систему мы используем и сегодня.

Закон постоянных отношений помог Джону Дальтону (17661844) разработать теорию атомов. Он проводил исследования в разных областях науки — от метеорологии до физики, но теория атомов пробудила в нем интерес к химии. В своей «Новой системе химической философии» (1808) Дальтон утверждал: «Подобные наблюдения[5] привели всех к молчаливому соглашению, что тела, обладающие заметной величиной, будь они жидкими или твердыми, состоят из громадного числа необыкновенно маленьких частиц, или атомов вещества, удерживаемых вместе силой притяжения…» И далее он писал: «Следовательно, мы должны заключить, что мельчайшие частицы любого однородного тела совершенно похожи друг на друга по весу, по форме и т. п. Иными словами, каждая частица воды похожа на все другие частицы воды; каждая частица водорода похожа на любую другую частицу водорода и т. д.». Однако он признавал, что атомы различных элементов разные и имеют разный вес.

Дальтон жил на доходы от работы учителем в Манчестере. В 1800 году он стал секретарем Манчестерского литературно-философского общества и продолжал давать уроки, как в школе, так и частным образом. Позже его избрали президентом Философского общества, и эту почетную он должность занимал вплоть до смерти.

Согласно Дальтону, атомы в химическом соединении объединяются друг с другом всегда одинаковым образом. Это порождает новые идентичные комбинации атомов, которые теперь называются молекулами. Отсюда следует закон постоянных отношений: эти пропорции заложены уже в молекулах. Мы знаем, что два атома Н, соединяясь с одним атомом О, образуют воду Н₂O. Но представления Дальтона о том, как из атомов сложены молекулы, часто были ошибочными.

Правильные химические формулы и атомные веса были найдены после того, как в 1808 году Гей-Люссак установил, что элементы объединяются не только в данном весовом соотношении, но также в данном отношении объемов в том случае, если элементы находятся в газообразном состоянии. Например, 2 литра водорода и 1 литр кислорода всегда дают 2 литра водяного пара (а не три!). Правило Гей-Люссака объяснил профессор физики Туринского университета Амедео Авогадро (1776–1856). В 1811 году он опубликовал статью о различиях между молекулой и атомом, указав, что Дальтон пере-путал понятия атомов и молекул. «Атомы» водорода и кислорода Дальтона на самом деле являются «молекулами», каждая из которых содержит по два атома — Н₂ и О₂. Таким образом, две молекулы водорода могут объединиться с одной молекулой кислорода, чтобы образовать две молекулы воды.