Атомно-молекулярное учение

       Закон сохранения массы исторически понимался  как одна из формулировок закона сохранения материи. Одним из первых его сформулировал древнегреческий философ Эмпедокл (V век до н. э.):

       Ничто не может произойти из ничего, и  никак не может то, что есть, уничтожиться.

       Позже аналогичный тезис высказывали Демокрит, Аристотель и Эпикур (в пересказе Лукреция Кара). Средневековые учёные также не высказывали никаких сомнений в истинности этого закона. В 1630 году Жан Рэ (Jean Rey, 1583—1645), доктор из Перигора, писал Мерсенну.

       Вес настолько тесно привязан к веществу элементов, что, превращаясь из одного в другой, они всегда сохраняют  тот же самый вес.

       С появлением понятия массы как меры количества вещества, пропорциональной весу, формулировка закона сохранения материи была уточнена: масса есть инвариант, то есть при всех процессах общая масса не уменьшается и не увеличивается. В середине XVIII века опыты Роберта Бойля поставили закон сохранения массы под сомнение — у него при химической реакции вес вещества увеличился. Однако М. В. Ломоносов и другие физики вскоре указали Р. Бойлю на его ошибку: увеличение веса происходило за счёт воздуха, а в запаянном сосуде вес сохранялся неизменным. Ломоносов писал Л. Эйлеру:

       Все встречающиеся в природе изменения  происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется к какому-либо телу, столько же теряется у другого, сколько часов я затрачиваю на сон, столько же отнимаю от бодрствования и т. д.

       В дальнейшем, вплоть до создания физики микромира, закон сохранения массы  считался истинным и очевидным. Лавуазье в «Начальном учебнике химии» (1789), приводит точную количественную формулировку закона сохранения массы вещества, однако не объявляет его каким-то новым и важным законом, а просто упоминает мимоходом как о хорошо известном и давно установленном факте. Для химических реакций Лавуазье сформулировал закон так: «Масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции».

       Современное состояние

       В XX веке выяснились два новых свойства массы.

       (M1) Масса физического объекта зависит от его внутренней энергии. При поглощении внешней энергии масса растёт, при потере — уменьшается. Отсюда следует, что в общефизическом смысле закон сохранения массы неверен. Особенно ощутимо изменение массы при ядерных реакциях. Но даже при химических реакциях, которые сопровождаются выделением (или поглощением) тепла, масса не сохраняется, хотя в этом случае дефект массы ничтожен. Масса сохраняется только в консервативных системах, то есть при отсутствии обмена энергией с внешней средой. Академик Л. Б. Окунь пишет:

       Чтобы подчеркнуть, что масса тела меняется всегда, когда меняется его внутренняя энергия, рассмотрим два обыденных  примера: 
1) при нагревании железного утюга на 200° его масса возрастает на величину ; 
2) при полном превращении некоторого количества льда в воду .

       (M2) Масса не является аддитивной величиной: масса системы не равна массе её составляющих. Примеры неаддитивности:

• Электрон и позитрон, каждый из которых обладает массой, могут аннигилировать в фотоны, не имеющие массы поодиночке, а обладающие ею только как система.
• Масса дейтрона, состоящего из одного протона и одного нейтрона, не равна сумме масс своих составляющих, поскольку следует учесть энергию взаимодействия частиц.
• При термоядерных реакциях, происходящих внутри Солнца, масса водорода не равна массе получившегося из него гелия.
• Особенно яркий пример: масса протона (≈938 МэВ) в несколько десятков раз больше массы составляющих его кварков (около 11 МэВ).

       Таким образом, при физических процессах, которые сопровождаются распадом или  синтезом физических структур, общая масса не сохраняется.

       Сказанное означает, что в современной физике закон сохранения массы является частным и ограниченным случаем  закона сохранения энергии и не всегда выполняется [6].

       2.4 Закон постоянства состава

       Закон постоянства состава (Ж.Л. Пруст, 1801—1808гг.) — любое определенное химически чистое соединение независимо от способа его получения состоит из одних и тех же химических элементов, причем отношения их масс постоянны, а относительные числа их атомов выражаются целыми числами. Это один из основных законов химии.

       Закон постоянства состава не выполняется  для бертоллидов (соединений переменного  состава). Однако условно для простоты состав многих бертоллидов записывают как постоянный. Например, состав оксида железа(II) записывают в виде FeO (вместо более точной формулы Fe_1-xO) [7].

       2.5 Закон кратных отношений. Закон объёмных отношений

       Закон кратных отношений — один из стехиометрических законов химии: если два вещества (простых или сложных) образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного вещества, приходящиеся на одну и ту же массу другого вещества, относятся как целые числа, обычно небольшие [1].

       2.6 Закон Жозефа Луи Гей-Люссака

       Открытие  Гей-Люссаком закона простых отношений  объемов реагирующих газов оказало  сильное влияние на развитие теоретической  химии. Этот закон вместе с только что открытым Дальтоном законом кратных отношений лег в основу теории химических соединений. Гей-Люссак принадлежит к тем химикам, которые в первой половине XIX века заложили основы классической химии.

       Жозеф Луи Гей-Люссак (1778—1850) родился в небольшом городке Сен-Леонар во французском графстве Лимузен. Получив в детстве строгое католическое образование, Гей-Люссак в возрасте пятнадцати лет переехал в Париж. Здесь он стал обучаться в пансионе Сансье, где вскоре раскрылись его незаурядные математические способности. С 1797 по 1800 год Гей-Люссак учился в Париже в Политехнической школе. Преподавал химию в школе известный химик Клод Луи Бертолле. Между Гей-Люссаком и Бертолле возникла дружба, оказавшая большое влияние на становление ученого. По окончании курса Гей-Люссак недолго работал на химических предприятиях. В 1802 году он уже «репетитор» (ассистент) в Политехнической школе [2].

       В том же году Гей-Люссак выступил на заседании Академии наук со своим  первым научным сообщением: «Об осаждении  оксидов металлов». Воистину 1802 год был счастливым для молодого ученого: независимо от Джона Дальтона, он открыл закон теплового расширения газов. Гей-Люссак нередко проводил исследования совместно с другими видными учеными, что способствовало многим выдающимся открытиям. Вместе с Жаном Батистом Био Гей-Люссак в 1804 году поднялся на воздушном шаре, чтобы определить температуру и содержание влаги в верхних слоях атмосферы. Совместно с Вельтером он открыл дитионовую кислоту. Тесная дружба связывала Гей-Люссака с Луи Жаком Тенаром, парижским профессором химии. Их совместная работа привела к значительному усовершенствованию метода элементного анализа органических веществ.

       Гей-Люссак был превосходным экспериментатором  и поэтому смог в скромно оборудованной  лаборатории открыть многие явления и законы, весьма важные для дальнейшего развития химии.

       Уже в 1805 году Гей-Люссак и Александр  фон Гумбольдт, изучая отношения  объемов реагирующих газов, установили, что один объем кислорода соединяется  с двумя объемами водорода. Эта  работа была тесно связана с дальнейшими исследованиями газовых реакций Гей-Люссаком.

       Поскольку измерять газы по объему гораздо проще, чем по массе, уже Лавуазье пытался  определить объемные отношения при  реакции между водородом и  кислородом. Объемными отношениями  между водородом и азотом при разложении аммиака занимался Бертолле. Таковы были сведения об объемных отношениях при некоторых газовых реакциях.

       Гей-Люссак продолжил изучение объемных отношений  при реакциях газов. Результаты этих работ он опубликовал в 1808 году в  статье «О соединении газообразных тел друг с другом». Он хотел «доказать, что газообразные тела соединяются друг с другом в очень простых отношениях и что уменьшение объема, наблюдаемое при реакциях, подчиняется определенному закону».

       Гей-Люссак открыл закон чисто опытным путем. Он не стремился при выводе этого закона изучить всевозможные газовые реакции, а ограничился их сравнительно небольшим числом. На основе этих данных ученый сформулировал закон и сделал из него выводы. Так, измерив объемы взаимодействующих газов, Гей-Люссаку удалось правильно установить состав аммиака и пяти оксидов азота.

       Ученый, сопоставив формулировку закона с результатами, полученными другим путем, нашел, что  его закон подтверждается. Он смог опереться и на материалы, полученные другими исследователями. Например, он использовал известные определения плотности газов и соответственно соединительные веса негазообразных веществ [4].

       Очень важно, что Гей-Люссаку удалось  показать, как на основании открытого  им закона можно рассчитать еще неизвестные плотности газообразных веществ: «Наблюдение, что разные виды горючих газов соединяются с кислородом в простых отношениях 1:1; 1:2, дает нам в руки средство определять плотность паров горючих веществ или по крайней мере найти ее приближенно. Если мысленно попытаться перевести все применяемые вещества в газообразное состояние, определенный объем каждого из них будет соединяться либо с равным, либо с двойным, либо с половинным объемом кислорода. Теперь, если мы знаем отношения, в которых кислород может соединяться с горючими веществами, находящимися в твердом или жидком состоянии, мы можем вычислять объем кислорода и объем паров горючего вещества, который соединяется с такими же, либо с двойным, либо с половинным объемом газообразного кислорода».

       Ясность и последовательность изложения Гей-Люссаком своих мыслей и результатов исследований может служить прекрасным примером для всех естествоиспытателей.

       Берцелиус с большим успехом применил закон  Гей-Люссака для определения состава  и количественных характеристик многих элементов и соединений. Работы французского ученого также существенно помогли укреплению открытого Прустом закона постоянства состава, который оказался применимым не только для твердых, но и для газообразных веществ.

       В своих исследованиях Гей-Люссаку необходимо было исходить из качественных наблюдений и принять во внимание количественные исследования в качестве условий и критерия для формулировки закона Так возникло в химии представление о связи между качеством и количеством. Это существенно способствовало преодолению метафизического понимания природы.

       Открыв  закон простых объемных отношений, Гей-Люссак оказал значительное влияние  на формирование атомно-молекулярного  учения.

       2.7 Закон Авогадро

       Закон Авогадро — одно из важных основных положений химии, гласящее, что «в равных объёмах различных газов, взятых при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и то же число молекул». Было сформулировано ещё в 1811 году Амедео Авогадро (1776—1856), профессором физики в Турине.