Химическая атомистика и физика газов

После того как Лавуазье (1775 г.) создал химическую теорию горения, рассматривая этот процесс как окисление,и установил вслед за Ломоносовым закон сохранения масс, наступила новая эпоха в развитии химии. Из химии стали изгоняться алхимические "элементы", и на смену им выступило представление о простых, не разложимых химическими средствами веществах - химических элементах. Лавуазье химическими средствами, Никольсон и Карлейль методом электролиза доказали, что вода является не элементом, а сложным веществом определенного химического состава. Французский химик Бертолле считал, что состав сложных веществ не является определенным, а может меняться непрерывно с изменением масс образующих его элементов. В противовес этому Пру высказал идею постоянства состава и, следовательно, скачкообразного изменения свойств сложных веществ. Эта идея получила подтверждение и развитие в работах английского химика и физика Дж. Дальтона (1766-1844). Дальтон укрепил понятие химического элемента и, следуя идее Ломоносова (но независимо от последнего), ввел атомную теорию в химию. Он считал атом мельчайшей частицей элемента, а мельчайшую частицу сложного вещества, образованную из атомов, молекулой. Дальтон установил закон постоянства состава и теоретически интерпретировал его с помощью представления о неизменных атомах. Далее Дальтон нашел закон кратных отношений, который привел его к представлению об атомном весе. Шведский химик Берцелиус (1779-1848) поддержал атомистику Дальтона, установил с наибольшей для того времени точностью атомные веса элементов, ввел рациональную химическую символику и считал силы "химического сродства" электрическими. Эта идея хорошо подтверждалась фактами электролиза. Но поскольку атомы однородных элементов должны по этой теории обладать одинаковыми электрическими свойствами, молекулы этих элементов не могут быть многоатомными.

Химическая атомистика развивалась в тесной связи с изучением свойств газов. Дальтон изучал упругие свойства смесей, не взаимодействующих химически газов, и нашел, что каждый газ производит такое же давление, как если бы он один занимал весь объем, а общее давление смеси газов равно сумме этих "парциальных" давлений ее компонент. Французский химик Гей-Люссак (1778-1850) открыл закон кратных объемов для химически взаимодействующих газов, который в соединении с законом кратных отношений наводил на мысль о том, что в равных объемах газов содержится равное количество молекул. Однако если придерживаться точек зрений Берцелиуса-Дальтона и считать молекулы элементов одноатомными, то становится непонятным, почему из двух равных объемов водорода и хлора получается не один, а два таких же объема хлористого водорода. Итальянский химик Амедео Авогадро (1776-1856) решительно высказался в пользу гипотезы, что в равных объемах газов при одинаковых условиях содержится равное количество молекул, добавив при этом, что молекулы элементов могут состоять из нескольких атомов. Если, например, допустить, что молекулы водорода и хлора двухатомны, тогда при соединении молекулы водорода с молекулой хлора получаются две молекулы хлористого водорода и, следовательно, двойной объем этого газа, как и требует опыт. Однако химики не приняли теории Авогадро. Поэтому развитие атомистики затормозилось, вместо понятия "атомный вес" пользовались чисто эмпирическим понятием "весовой пай", с которым тот или иной элемент вступает в данное соединение. Тем не менее образы атомистики вошли в химию, и химики искали объяснения так называемых "сил химического сродства" либо в механических моделях ("атомы с крючочками"), как у Дальтона, либо в электрических притяжениях, как у Берцелиуса.

Для целей новой химии, и прежде всего для определения "паев", очень важно было знание свойств газов, поскольку объемные соотношения веществ, вступающих в химические реакции в газообразном состоянии, давали весовые соотношения реагирующих веществ при условии одинаковости температур и давлений. Важно было найти точные законы зависимости объемов газов от этих параметров. Для неизменных температур такая зависимость была найдена Бойлем и Мариоттом уже в XVII в. Гей-Люссак (1802 г.) нашел закон изобарического расширения газов: все газы расширяются от теплоты в одинаковой степени, и определил коэффициент объемного расширения (он равен в среднем, по Гей-Люссаку, 0,375). Такой же коэффициент нашел и Дальтон, но он считал, что этот коэффициент зависит от температуры. Объединение законов Бойля - Мариотта и Гей-Люссака было сделано Клапейроном (1799-1864). Объединение законов Бойля-Мариотта, Гей-Люсссака и Авогадро (уравнение состояния идеальных газов) было сделано Д. И. Менделеевым.