100 великих научных открытий - [47]
Удивительно, что такие простые доводы не смогли убедить некоторых химиков в справедливости закона Авогадро, и его теория десятилетиями оставалась незамеченной. Лишь с развитием молекулярно-кинетической теории газов ученые определили, что энергия удара молекул о стенки сосуда зависит не от массы самих молекул, а только от температуры: несмотря на то что легкие молекулы движутся быстро, а тяжелые медленно, в условиях неизменной температуры кинетическая энергия у них одинакова. Следовательно, равное число молекул в данном объеме оказывает одинаковое давление, и наоборот — равное давление двух газов свидетельствует об одинаковом числе молекул.
Одними из первых, кто начал борьбу за реформу теоретической химии, были французские ученые Ш. Жерар (1816–1856) и О. Лоран (1807–1853): именно они разработали правильную систему атомных масс и химических формул.
В 1856 г. русский ученый Д. Менделеев, а затем итальянский химик С. Канниццаро (1826–1910) предложили метод вычисления молекулярной массы соединений по удвоенной плотности их паров относительно водорода, и к 1860 г. этот метод прочно вошел в химическую практику, что имело решающее значение для утверждения атомно-молекулярной теории:
1. Вещества состоят из молекул. Молекулой называется наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Многие физические свойства вещества — температуры кипения и плавления, прочность, твердость и т. д. — обусловлены поведением молекул и действием межмолекулярных сил.
2. Молекулы состоят из атомов, которые соединяются в определенных отношениях.
3. Атомы и молекулы находятся в постоянном самопроизвольном движении.
4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов (O, O, P, N и т. д.); молекулы сложных веществ — из разных атомов (HO, HCl).
5. В ходе химических реакций происходит изменение состава молекул и перегруппировка атомов, в результате чего образуются молекулы новых соединений.
6. Свойства молекул зависят не только от их состава, но и от способа, которым атомы связаны между собой.
Современная наука развила классическую атомно-молекулярную теорию и пересмотрела некоторые ее положения. Так, ученые установили, что атом не является неделимым бесструктурным образованием и что далеко не во всех случаях частицы, образующие вещество, представляют собой молекулы. Многие химические соединения (например, соли) в твердом и жидком состоянии состоят из ионов — частиц, в которых общее число положительных протонов не соответствует общему числу отрицательных электронов, что обеспечивает им определенный заряд. Такие вещества, как инертные газы, состоят из отдельных атомов, слабо взаимодействующих между собой даже в жидком и твердом состояниях. А химически чистая вода образована не только отдельными молекулами HO, но и полимерными молекулами (HO) × n; одновременно в ней присутствуют ионы H+ и OH‒. Наконец, при нагревании до тысяч и миллионов градусов вещество переходит в особое состояние — плазму, которая представляет собой смесь атомов, положительных ионов, электронов и атомных ядер.
Согласно квантово-механическим представлениям, у атомов в молекуле более или менее неизменным остается только остов, то есть ядро и внутренние электронные оболочки, тогда как характер движения внешних (валентных) электронов коренным образом меняется так, что образуется новая, молекулярная электронная оболочка, охватывающая всю молекулу. Поэтому неизменных атомов в молекулах нет.
Невзирая на все уточнения и дополнения, современная наука сохранила рациональное зерно классического атомно-молекулярного учения: идеи о дискретном строении вещества, о способности атомов соединяться между собой в новые, более сложные образования, а также о непрерывном движении частиц, составляющих вещество.
Фуллерен
Фуллерен — это молекула, которая представляет собой замкнутую сферу, состоящую из 60 атомов углерода. Теоретически фуллерены были предсказаны задолго до их экспериментального получения.
В 1966 г. Дэвид Джонс предположил, что внедрение пятиугольных дефектов в графитовый слой, состоящий из правильных шестиугольников, может превратить этот плоский слой в полую замкнутую структуру. В 1971 г. японский физик Э. Осава исследовал возможность существования такой структуры, однако результаты опубликовал лишь в журнале Kagaku («Химия»), который выходит исключительно на японском языке. Именно из-за языкового барьера его работа не была известна научному сообществу вплоть до экспериментального открытия С.
В СССР в 1971 г. впервые был проведен квантово-химический расчет стабильности и электронной структуры фуллерена. Директор Института элементоорганических соединений РАН, академик А. Несмеянов, предложил заведующему лабораторией квантовой химии Д. Бочвару исследовать полыеуглеродные замкнутые структуры, в которые могут быть помещены атомы металлов, и тем самым изолировать их от воздействия окружающей среды. Бочвар подключил к этой работе своих сотрудников Е. Гальперн и И. Станкевича и первым делом исследовал стабильность молекулы C, которая имеет форму додекаэдра и носит название «карбододекаэдр». Однако размер такой молекулы оказался настолько мал, что внедрить в нее атомы металла было просто невозможно. К тому же результаты расчетов показали, что такая структура должна быть нестабильной. Работа приостановилась, и Станкевич, будучи заядлым футболистом, предложил другую возможную замкнутую структуру из углерода С
