В равных объёмах газа равное число молекул — и так взвесили атом

Взвесить можно то, что кладёшь на весы: яблоко, мешок муки, слиток золота. Атом на весы не положишь, его двести лет назад никто даже не видел. И всё же химики XIX века научились сравнивать массы атомов с точностью до долей процента. Ключом стала догадка, над которой коллеги полвека посмеивались, а потом построили на ней всю современную химию.

Химики умели отмерять газы, но не понимали, что именно отмеряют

В начале XIX века англичанин Джон Дальтон предложил считать, что вещество состоит из атомов, а у каждого элемента атомы своего веса. Идея была смелой, но работала со скрипом. Дальтон записывал воду как один атом водорода плюс один атом кислорода и получал атомные веса, которые не сходились с опытом.

Тем временем в Париже Жозеф Луи Гей-Люссак измерял газы объёмами. В 1808 году он заметил странную аккуратность природы: газы реагируют в простых отношениях. Два объёма водорода плюс один объём кислорода дают ровно два объёма водяного пара. Не три, как подсказывает арифметика, а два. Куда девается целый объём газа?

Итальянский юрист решил, что объём газа считает частицы

Амедео Авогадро родился в Турине в 1776 году, выучился на юриста, работал адвокатом, а потом ушёл в физику и математику. В 1811 году, преподавая в Верчелли, он опубликовал статью с простым утверждением: в равных объёмах любых газов при одинаковых температуре и давлении содержится одинаковое число частиц.

Представьте одинаковые коробки, в каждую влезает ровно сто шариков, только в одной шарики стальные, в другой деревянные. Считать шарики не нужно. Взвесьте обе коробки: во сколько раз одна тяжелее, во сколько раз тяжелее и каждый её шарик. Литр газа и есть такая коробка. Сравнивая вес литра кислорода и литра водорода, можно узнать, во сколько раз частица одного тяжелее частицы другого, ни разу её не увидев.

Но тогда загадка Гей-Люссака становится ещё острее. Если число частиц следует за объёмом, как из трёх объёмов получились два?

Кислород оказался парой атомов, и вода стала H₂O

Здесь Авогадро сделал шаг, который современникам казался нелепым. Он предположил, что частица газообразного кислорода состоит не из одного атома, а из двух, сцепленных вместе. То же с водородом. Такую составную частицу он и называл молекулой, разделив понятия, которые до него путали.

И всё сошлось. Каждая молекула кислорода делится пополам между двумя молекулами воды. Из двух молекул водорода и одной молекулы кислорода выходят две молекулы воды, а значит, два объёма пара. Вода получила формулу H₂O, а кислород стал тяжелее водорода в шестнадцать раз, а не в семь-восемь, как выходило у Дальтона.

Дальтон эту идею отверг. Влиятельный швед Йёнс Якоб Берцелиус считал, что одинаковые атомы должны отталкиваться и в пару не сложатся. Гипотезу Авогадро вежливо забыли, и химия на десятилетия погрузилась в хаос: одну и ту же уксусную кислоту записывали дюжиной разных формул.

Через полвека брошюра в Карлсруэ вернула идею к жизни

В сентябре 1860 года в немецком Карлсруэ собрался первый международный съезд химиков, около полутора сотен человек. Договориться об атомных весах так и не удалось. Но итальянец Станислао Канниццаро раздавал свою брошюру, где показал: если принять гипотезу Авогадро, всё встаёт на места. Немецкий химик Лотар Мейер позже вспоминал, что после чтения у него будто пелена спала с глаз.

Авогадро до этого не дожил, он умер в 1856 году. Среди слушателей в Карлсруэ был молодой Дмитрий Менделеев. Получив наконец надёжные атомные веса, в 1869 году он выстроил по ним периодическую таблицу. Оставался вопрос, который сам Авогадро решить не мог: сколько же частиц в той самой коробке?

Число, названное в честь Авогадро, он так и не узнал

Первую оценку в 1865 году дал австриец Иоганн Лошмидт. Убедительно число измерил француз Жан Перрен около 1908 года, наблюдая под микроскопом, как молекулы воды толкают крошечные взвешенные частицы. Он же предложил назвать его числом Авогадро и получил за эту работу Нобелевскую премию 1926 года. С 2019 года оно закреплено точно: 6,02214076·10²³ частиц в одном моле. При нуле градусов и нормальном давлении моль любого газа занимает около 22,4 литра.

Этой единицей мир пользуется ежедневно. Глюкозу в анализе крови измеряют в миллимолях на литр. Подушка безопасности раскрывается потому, что инженеры заранее рассчитали, сколько молей газа выделит заряд и какой объём он займёт. Через моли считают дозы лекарств, примеси в кремниевых чипах и состав атмосферы, а компьютерные модели, которые подбирают новые молекулы для лекарств, работают с теми самыми молекулами, в которые когда-то отказывались верить.

Читайте также: ИИ останется, а компании могут исчезнуть: урок Шумпетера для бума

Закон точен для идеального газа

Важная оговорка: правило Авогадро строго выполняется для идеального газа. При высоком давлении или сильном охлаждении молекулы мешают друг другу, и равенство объёмов становится приближённым. Химики учитывают поправки, но сама идея от этого не слабеет.

Каждый вдох — это примерно пол-литра воздуха, а значит, больше десяти тысяч миллиардов миллиардов молекул, пересчитанных задолго до того, как их удалось разглядеть. Авогадро показал, что невидимое можно взвесить, если правильно выбрать коробку. Больше историй о том, как одна мысль перестраивает картину мира, ищите в наших статьях.

Ещё в «Высоких технологиях»

Гравитация — не сила, а изгиб времени. И ваш GPS это доказываетИскусственный интеллект умеет учиться. Главный риск — что разучимся мыСибирский единорог жил рядом с нашими предками. Его выдали атомные часы

Все материалы раздела →