Конечно же далеко не все встречающиеся в природе вещества являются химическими элементами. Большинство субстанций состоят из двух и более элементов, причем не просто смешанных, а связанных так, что конечное вещество обладает собственными, как правило, уникальными свойствами, не имеющими ничего общего со свойствами образующих его элементов. Такие вещества, между элементами которых существует химическая связь, называются химическими соединениями.

В конце XVIII века химики стали изучать не только качества продуктов реакции. Уже было недостаточно просто записать, что «выделился газ» или «появился осадок такого-то цвета». Химики стали взвешивать количество используемых и выделившихся в процессе реакции веществ.

Самый известный химик этой «новой волны» — французский ученый Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794). Это его называют «отцом современной химии». К 1789 году у Лавуазье накопилось достаточно опытных данных, чтобы заключить, что в закрытой системе (т. е. когда в процессе химической реакции не поступают вещества извне, а продукты реакции не покидают систему) общая масса исходных веществ равна общей массе получаемых. Этот закон получил название «закон сохранения вещества», или «закон сохранения массы».

Дальше нужно было замерить каждый элемент в составе химического соединения. Важный шаг вперед в этом направлении сделал французский химик Жозеф Луи Пруст (1754–1826). Он работал, к примеру, с неким соединением (теперь мы называем его дигидроксокарбонатом меди, состоящим из трех элементов: меди, углерода и кислорода). Сначала Пруст взял образец чистого дигидроксокарбоната меди, разложил его на эти три элемента и взвесил каждый из них. Он обнаружил, что все три элемента в составе вещества всегда находятся в одной и той же пропорции: 5 частей меди (по весу), 4 части кислорода и 1 часть углерода. То есть во всех образцах элементы складывались только в этой пропорции, и никак иначе.

Пруст обнаружил, что и в других соединениях элементы также находятся в определенных пропорциях, и в 1797 году он объявил о своем открытии, получившем название «закон Пруста», или «закон постоянства состава».

Именно благодаря закону постоянства состава ученые путем умозаключений исключительно химического толка вывели концепцию атомизма. Предположим, что медь состоит из крошечных атомов меди, кислород — из атомов кислорода, углерод — из атомов углерода, а дигидроксокарбонат меди образуется путем соединения одного атома меди, одного атома кислорода и одного атома углерода (на практике это немного не так, но ведь мы просто пытаемся следовать логике атомистов). Несколько связанных между собой атомов называются молекулой  («малая масса» по-латыни). То есть представьте, что дигидроксокарбонат меди состоит из множества молекул, в каждой из которых по одному атому меди, кислорода и углерода.

Теперь если предположить, что атом меди в пять раз тяжелее атома углерода, а атом кислорода в четыре раза тяжелее атома углерода, то получается, что так как дигидроксокарбонат меди содержит 5 частей (по массе) меди, 4 части кислорода и 1 часть углерода, то, чтобы получить 5,1 части меди и 3,9 части кислорода к одной части углерода, нужно будет делить атом.

Но такого никогда не происходит. Химические элементы соединяются только в строгой пропорции. Таким образом, закон Пруста доказывает не только то, что атомы существуют, но и то, что, как и говорил Демокрит

Английский химик Джон Дальтон (1766–1844) был одним из первых, кто не только принял, но и развил теорию атомизма. Опираясь на закон Пруста и подобные обобщения, он создал современную атомистическую теорию  (слово «современная» используется, чтобы не путать ее с оригинальной теорией Демокрита).

Конечно же Дальтон ушел в своих изысканиях намного дальше, чем Демокрит. Он не ограничился лишь заявлением о том, что атомы существуют. Из закона Пруста Дальтон вывел следующее:

каждый химический элемент состоит из нескольких атомов, масса которых постоянна и одинакова;

разные элементы состоят из разных по массе атомов;

химические соединения состоят из молекул, образованных несколькими атомами[115].

Закон постоянства состава позволяет сделать выводы об относительной массе атомов разных веществ, то есть об атомном весе[116].

Например, вода состоит из водорода и кислорода, и на одну часть водорода (по массе) приходится восемь частей кислорода. Дальтон полагал, что в формировании связи принимает участие минимально возможное количество атомов и что в молекуле воды содержится по одному атому водорода и кислорода. Значит, по мнению Дальтона, атом кислорода в восемь раз тяжелее атома водорода.

Судить таким образом о реальной массе кислорода или водорода нельзя, однако сдаваться тоже не следует. Дальтон принял за единицу веса массу атома водорода, так как имел основания полагать, что атом водорода самый легкий (и здесь он оказался прав), и принял массу атома водорода равной 1. Получается, что если вес водорода равен 1, то вес кислорода равен 8.

Здесь я должен сделать поправку. Как раз когда Дальтон работал над своей теорией, ученым удалось с помощью электрического тока разложить воду на водород и кислород. И оказалось, что на каждый литр полученного кислорода приходится два литра водорода, то есть соотношение по объему кислорода и водорода в воде 1:2. На основе этого вскоре было доказано, что в одной молекуле воды содержится один атом кислорода и два атома водорода (Дальтон, однако, так с этим и не согласился).

Молекулу можно представить в виде химической формулы,  где каждый атом каждого химического элемента имеет соответствующий химический символ. То есть, по Дальтону, формула воды будет выглядеть как НО. Если же в молекуле содержится более одного атома элемента, то их количество обозначается цифрой. Сейчас считается, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, и формула выглядит как Н2O.

Изменились выводы, но не результаты научных экспериментов. Вода по-прежнему состоит из одной части (по весу) водорода и 8 частей кислорода. Однако, учитывая новый взгляд на состав молекулы воды, один атом кислорода должен по весу быть в 8 раз тяжелее двух атомов водорода и соответственно в 16 раз тяжелее одного атома водорода. Таким образом, если принять вес атома водорода за 1, то атомный вес кислорода будет равен 16.

По этой же системе можно вычислить относительный вес остальных элементов. Скажем, для получения углекислоты необходимы 3 части углерода и 8 частей кислорода (по весу). Молекула углекислоты содержит один атом углерода и два атома кислорода (СO2). Это значит, что вес атома углерода — это 3/8 веса двух атомов кислорода. Атомный вес кислорода равняется 16, значит, у двух атомов кислорода атомный вес 323/8 от 32 будет 12, значит, относительный вес одного атома углерода — 12.

Одна молекула циана (C2N2) содержит 6 частей углерода и 7 частей азота. Атомный вес двух атомов углерода 24, значит, вес двух атомов азота будет 7/6 от 24, то есть 28. А атомный вес одного атома азота равняется 14.

Получается, что атомный вес атома любого элемента — целое число, в чем и был глубоко убежден Дальтон. Однако последующие исследования других химиков, например Берцелиуса, показали, что атомный вес некоторых элементов — дробное число. Например, атомный вес хлора равен приблизительно 35,5, а атомный вес магния — 24,3.

На самом деле если провести более точные измерения, то почти все целые числа атомных весов окажутся также дробными. Например, соотношение кислорода и водорода в воде не 8 к 1, а 7,94 к 1. Значит, если приравнять вес одного атома водорода к 1, то атомный вес кислорода будет 15,88.

Кислород легко соединяется с другими элементами. Из всех известных 19 химических элементов кислород реагировал практически со всеми. Именно это свойство — химическая активность  — кислорода позволило ученым узнать относительный вес атомов всех остальных элементов, а использование дробного числа вместо целого привело бы к абсолютно ненужным сложным математическим расчетам. Поэтому ученые решили приравнять атомный вес кислорода к 16,0000, то есть получалось, что атомный вес водорода — 1,008.

Это удовлетворило химиков вплоть до 1920 года. Именно тогда ученые узнали кое-что новое об атомах (см. гл. 8), и число 16,0000 перестало отвечать их требованиям. Однако это число настолько прочно осело в литературе и головах ученых, что его практически невозможно было оттуда выбить. Впрочем, в 1961 году была создана новая система, где изменения были настолько малы, что большинство их приняло. В 1961 году за атомный вес кислорода было принято число 15,9994.

Из 103 известных химических элементов 83 широко представлены на поверхности земли. Все эти элементы приведены в табл. 2, где они расположены по возрастанию атомного веса. Рядом даны атомные веса этих элементов по системе, принятой в 1961 году. А об оставшихся двадцати мы поговорим в одной из следующих глав.

Периодическая таблица

В середине XIX века существовали два определения элемента. Первое — элемент не может быть разбит на два или несколько более простых субстанций (определение Бойля) и второе — элемент состоит из атомов с определенным атомным весом (определение Дальтона). Впрочем, все элементы удовлетворяли и первому и второму определению. Тем не менее определенные сомнения все-таки были, слишком уж много было химических элементов (в 1860 году было известно уже более 60 элементов).

Эти элементы обладали самыми различными свойствами: здесь были и газы, и жидкости, больше всего было твердых веществ; были и неметаллы, и легкие металлы, и тяжелые металлы, и полуметаллы; некоторые из них обладали высокой степенью активности, остальные средней, а какие-то были инертны; некоторые имели цвет, а некоторые были бесцветны.

Все это очень разочаровывало ученых. Конечно же ученые должны принимать мир таким, какой он есть, однако еще древние греки посеяли в их головах идею того, что все в природе организовано довольно просто. И если что-то на первый взгляд кажется очень сложным, то ученые пытаются найти какой-то скрытый и относительно простой порядок.

Таблица 2.