Техническое определение звучит так: «Химия – это наука об энергии и материи, а также о взаимодействии двух элементов друг с другом». В данном определении под словом материя подразумевается любое вещество, а под словом энергия – реакционная способность молекулы. (Молекула – это крошечная частица, из которой состоит материя. Подробности чуть позже.)
Химики хотят предсказывать то, какие химические реакции будут происходить при взаимодействии двух молекул, или, если говорить другими словами, при взаимодействии двух веществ или химических субстанций. Мы задаем себе разные вопросы и пытаемся ответить на них. Например, вступят ли химические вещества в реакцию при комнатной температуре? Случится ли взрыв? Если добавить тепло, образуются ли новые связи?
Но чтобы можно было ответить на все эти вопросы, нужно понимать основы химии. А это значит, нам предстоит немного перенестись назад во времени. Ну, точнее, не совсем «немного» – мы отправляемся в глубокую древность.
В пятом веке до нашей эры два философа, Демокрит и Левкипп, предположили, что все в нашем мире состоит из малейших невидимых частиц, называемых атомами. В своих трудах они описали то, как миллионы атомов объединились между собой и образовали все то, что мы видим вокруг. Тут можно провести простую аналогию с кучей LEGO, из которых можно создать огромное количество предметов, вплоть до крутого Тысячелетнего сокола.
Несмотря на то, что Демокрит и Левкипп были абсолютно правы – сегодня считается, что они были первыми, кто дал определение атома, – в те времена их идеи не были приняты. Дело в том, что их предположение противоречило идеям двух других философов, Аристотеля и Платона (которые были своего рода авторитетами).
Аристотель и Платон считали, что вся материя (то есть все вещи и существа) возникла из сочетания четырех стихий: земли, воздуха, воды и огня. Согласно этой теории, каждый элемент обладал определенными качествами: земля – холод и сухость, вода – холод и влажность, воздух – тепло и влажность, огонь – тепло и сухость. Следовательно, все в этом мире состоит из комбинации этих четырех элементов. Философы также считали, что земля может «превращаться» в воздух, затем в огонь, затем в воду и обратно в землю. Например, когда горит бревно, то оно меняет свои качества с холода и сухости (земля) на тепло и сухость (огонь). Когда огонь потухнет, то сгоревшее бревно снова будет «принадлежать» земле, потому что оно холодное и сухое.
Если кто-то потушил огонь водой, то сгоревшее бревно становится сочетанием двух элементов: воды и земли. В данном случае мокрая зола займет намного больше места, чем кучка сухой. Вследствие этого Аристотель и Платон считали, что вся материя может изменять свой объем (становиться больше или меньше) при изменении комбинации элементов.
Демокрит был ярым противником теории Аристотеля и Платона. Он говорил, что существует предел того, насколько маленьким может быть вещество или предмет. Представим, что вы разрезали буханку хлеба пополам. Затем вы снова и снова делите получившийся кусочек на две части. Согласно Демокриту, через какое-то время у вас будет такой кусок хлеба, который будет невозможно разрезать. Именно эту неделимую частицу философ и определил как атом. И он был прав!
Но давайте не забывать, что в то время теорию Демокрита не поддержали – тогда авторитетным философом был Аристотель. Так что, когда он отверг предположение об атомах, это предположение отвергли и все остальные. К несчастью для нас, из-за Аристотеля и его ошибочных суждений следующие две тысячи лет человечество думало об окружающем мире как о комбинации огня, воды, воздуха и земли. Только вдумайтесь: две тысячи лет!
И только в 1600-х годах нашелся кто-то, кто предоставил достаточно веские доказательства того, что теория Аристотеля была неверной. Роберт Бойль, чудной физик, который любил проводить различные эксперименты и разрушать общепринятые теории. Однажды он обратил внимание на теорию Аристотеля и впоследствии написал целую книгу, в которой ее опроверг.
Бойль считал, что мир состоит из элементов – маленьких неделимых частиц материи. Звучит знакомо, правда? Публикация книги – с говорящим названием «Химик-скептик» – запустила настоящую гонку в поисках этих маленьких, невидимых частиц под названием «элементы». В то время Бойль был уверен, что распространенные вещества, например, золото и медь, представляют собой сочетание элементов. Но после публикации книги ученые обнаружили, что эти вещества (и одиннадцать других) являются самостоятельными.
Первое использование меди датируется 9000 годом до нашей эры на Среднем Востоке, но только после публикации книги Бойля люди обратили внимание на этот элемент. Только после новой теории об элементах ученые начали считать, что медь – это самостоятельный элемент, а не комбинация элементов. То же самое произошло со свинцом, золотом, серебром… Вот так были открыты первые тринадцать элементов. После этого ученые занялись поиском новых. Таким образом, в 1669 году был открыт фосфор, а в 1735 году – кобальт и платина.
Сегодня мы понимаем, что данное Бойлем определение элемента оказалось верным: элемент – это вещество, которое не может расщепиться на простейшие или мельчайшие частицы во время химической реакции. Сейчас мы понимаем, что все элементы состоят из миллионов и миллиардов мельчайших частиц материи, называемых атомами (слово произошло от использованного Демокритом atomos). Но это открытие было сделано английским ученым Джоном Дальтоном лишь в 1803 году.
Прорыв Дальтона очень часто называют «атомной теорией». Он предположил, что все атомы одного элемента (например, углерода) идентичны друг другу, и все атомы другого элемента (допустим, водорода) также будут идентичны друг другу. Но Дальтон не смог понять, почему атомы углерода отличаются от атомов водорода.
Несмотря на то, что ученые того времени много чего не знали, они одновременно и принимали, и отвергали атомную теорию. (Спойлер: они не смогли опровергнуть теорию, потому что этот труд является (и являлся) правильным.) За следующее столетие химики провели множество экспериментов, пытаясь найти нестыковки в теории Дальтона. Однако все факты по-прежнему подтверждали его гипотезу об атомах и элементах.
Однажды трое ученых, Жозеф Луи Гей-Люссак, Амедео Авогадро и Йёнс Якоб Берцелиус, попытались определить атомную массу элементов – и это привело к полнейшему хаосу. Каждый из троицы использовал разные техники и придерживался разных стандартов, из-за чего опубликованные ими труды полностью противоречили друг другу. Все выглядело настолько запутанно, что научное сообщество было вынуждено положиться на итальянского химика Станислао Канниццаро, который установил универсальный стандарт атомной массы.
Я совершенно необъективна, но если бы я активно занималась наукой в середине 1800-х годов, то даже и секунды не потратила бы на эту идею. Мне нравится разбирать и собирать обратно вещи, поэтому я поставила бы перед собой такой вопрос: если материя состоит из атомов, то из чего состоят сами атомы? Я по-прежнему не уверена кое в чем: у ученых викторианской эпохи было недостаточно технологий для исследований данного вопроса или им просто было неинтересно? К счастью, в конце 1800-х годов сэр Джозеф Джон Томпсон решил изучить строение атомов путем экспериментов с катодными лучами.
Чтобы провести эти эксперименты, Томпсон герметично запечатал стеклянную трубку с двумя металлическими электродами внутри. Проще говоря, вся конструкция выглядела как закрытая банка пива с двумя тонкими длинными полосками металла внутри. В своих экспериментах Томпсон (по возможности) выкачивал весь воздух из трубки, а затем пускал по электродам ток. В этот момент он видел разряд, передающийся от одного электрода к другому, – он назвал его катодным лучом.
В ходе этих экспериментов Томпсон определил, что катодные лучи притягиваются положительными зарядами и отталкиваются отрицательными. Он из раза в раз менял вид металла и обнаружил, что катодный луч всегда одинаковый. Томпсон был весьма доволен результатами, так как понимал, что сделал потрясающее открытие. Если катодный луч был одинаков для всех элементов и атомов, то он должен представлять собой один из блоков для формирования атома вне зависимости от его элемента. Однако примерно в то же время его коллега, Джон Дальтон, убедил общественность, что каждый атом уникален, и Томпсон забеспокоился: общественность не примет его открытие. Он продолжил проводить эксперименты.
