3. Сколько молекул в капле воды

Человеку, привыкшему иметь дело с большими вещами, трудно представить себе величину отдельного атома, отдельной молекулы.

Возьмём, например, каплю воды. Как вы думаете, сколько молекул воды содержится в этой капле?

Оказывается, около 1 600 000 000 000 000 000 000. Трудно даже назвать такое число. Это — тысяча шестьсот миллиардов раз по миллиарду частиц! Вот насколько малы эти материальные частички.

Представим себе на минуту, что мы отметили каким-то образом молекулы, содержащиеся в капле, так, что узнаём их в любом месте (а сейчас это умеют делать!), и выпустили эту каплю в самый большой водоём мира. Предположим, что через какой-то промежуток времени меченые молекулы разойдутся по всему водоёму. Как вы думаете, легко ли будет найти после этого наши меченые молекулы? Очень легко! Зачерпните в любом месте водоёма ведро воды, и вы найдёте в нем десятки меченых молекул капли воды!

Столь же малы и молекулы твёрдых тел. Возьмите крупинку поваренной соли и бросьте её в ведро с водой. Соль растворится, её молекулы разбегутся по всей воде, находящейся в ведре. На вкус вы не почувствуете этой соли. Но можно легко обнаружить эти невидимые частицы иным путём. Для этого достаточно внести в пламя маленькую капельку воды из нашего ведра. Пламя огня сразу сделается жёлтым. Это значит, что в капельке есть молекулы соли — пламя желтеет от металла натрия, входящего в состав поваренной соли.

Таким путём можно обнаружить в капле воды одну миллиардную долю грамма соли! Значит, вес одной молекулы соли должен быть уж никак не больше этой величины.

Ещё меньшее количество вещества можно обнаружить при помощи обоняния. Вот какие, например, опыты были проделаны однажды двумя учёными. Один из них распылял в пустой комнате небольшие количества различных пахучих веществ и затем тщательно перемешивал воздух. После этого сюда входил второй учёный и определял, чем пахнет в комнате. Если человек чувствовал запах, то, зная количество распылённого пахучего вещества в комнате и объём этой комнаты, было уже нетрудно определить, какое количество вещества мы сможем уловить обонянием.

Оказалось, что мы способны чувствовать запах некоторых особенно пахучих веществ даже в том случае, если в нос попадает всего одна пятисотмиллиардная доля грамма этого вещества! Значит, в одном грамме такого вещества содержится никак не меньше чем 500 миллиардов молекул.

Нельзя ли, однако, каким-либо способом измерить невидимые молекулы более или менее точно? Можно. И таких способов имеется не один, а несколько. Вот, например, как можно определить величину молекулы масла. Капните капельку масла на воду; масло образует на ней тонкую плёнку. Эту плёнку можно сделать настолько тонкой, что она станет невидимой. Но в том, что плёнка существует, нетрудно убедиться при помощи кусочка камфары. Брошенная в чистую воду камфара, растворяясь, энергично движется по поверхности. Но если на воде находится плёнка масла, хотя бы и невидимая на глаз, камфара не движется. Используя таким образом камфару для обнаружения плёнки масла, делают плёнку такой тонкой, что она начинает разрываться на части. Но ведь в момент, предшествующий разрыву, плёнка масла, надо думать, состоит, по крайней мере, из одного слоя молекул. Значит, если подсчитать, какую площадь занимает в этот момент маленькая капля с известным нам объёмом, то нетрудно уже и определить путём расчёта размер масляных молекул.

Такие расчёты показали, что диаметр молекулы масла лежит в пределах между десятимиллионной и двадцатимиллионной долями сантиметра.

Рассчитанные другими способами еще в прошлом веке размеры атомов и молекул различных веществ оказались примерно того же порядка — в пределах между одной десятимиллионной и одной стомиллионной долями сантиметра.

В настоящее время размеры многих атомов и молекул определены очень точно. Так, например, диаметр молекулы водорода равен 2,4 стомиллионной доли сантиметра; диаметр атома серебра составляет 2,9 стомиллионной доли сантиметра и т. д.

Надо заметить, что способы, при помощи которых учёные так изумительно точно определяют размеры невидимых «кирпичиков» мира, подчас бывают исключительно остроумны.

Учёные установили, что атомы различных химических элементов по величине не отличаются особенно сильно один от другого.

Иное дело молекулы. Между этими частичками существуют и очень «большие», например молекулы белков, и совсем «небольшие», близкие к размерам отдельных атомов, скажем, молекулы воды. Это вполне объяснимо. Ведь молекулы представляют собой группы атомов, причём в каждой такой группе может быть как два-три атома, так и десятки и даже сотни и тысячи атомов. К последним относятся молекулы многих сложных веществ органического происхождения — нередко они состоят из многих сотен и тысяч атомов. Неудивительно, что эти молекулы по своим размерам во много раз больше своих собратьев. Однако диаметры и таких молекул — порядка миллионных долей сантиметра.

Именно такие молекулы и увидели учёные в электронный микроскоп.

Таковы размеры молекул, определённые учёными. Но этого для них было мало. Они постарались также взвесить невидимые частички. И взвесить опять-таки совершенно точно, словно атомы и молекулы были обычным товаром в магазине. Правда, для этого, конечно, не потребовалось класть на весы каждый отдельный атом или отдельную молекулу.

Можно поступить иначе. Вот, скажем, вы хотите узнать вес одной горошины, но у вас под рукой имеются только грубые десятичные весы, на которых взвешивают товар лишь в десятки килограммов весом. Вес одной горошины такие весы и не почувствуют. Как быть в этом случае? Очень просто. Надо взять не одну горошину, а, скажем, тысячу, или десять тысяч таких горошин и взвесить все вместе. А зная общий вес тысячи горошин, совсем нетрудно высчитать и вес каждой отдельной горошины. Точно таким же путём можно определить и веса некоторых отдельных атомов и молекул, если знать, какое число их содержится в каком-либо определённом объёме.

Нашли учёные и другие способы определения веса невидимых частичек. Мы не будем здесь рассказывать обо всех этих способах. Приведём лишь в качестве примера веса отдельных атомов и молекул. Вот сколько весит один атом водорода:

1,66/1 000 000 000 000 000 000 000 000 грамма.

Это самый лёгкий атом в мире.

Атомы всех других элементов весят несколько больше. При этом атомы различных химических элементов имеют свой собственный, отличный от других вес!

Были взвешены и различные молекулы. Они имели самые различные веса. Крупные из них, например молекулы белка крови, весят примерно в 8 тысяч раз больше, чем молекула водорода.

Существуют и ещё более тяжёлые молекулы: это молекулы пластических масс, молекулы-гиганты. Некоторые из них в сотни тысяч раз тяжелее атома водорода.

Надо сказать, что атомные веса всех известных элементов определялись химиками уже очень давно — с самого начала прошлого столетия. Дело в том, что для каждого химика в его повседневной работе важно знать вес атомов элементов. Ведь, зная «сорт» и вес атомов в молекуле какого-то сложного вещества, можно вычислить состав этого вещества, то-есть узнать, что это за вещество, разработать способы его получения и использования и т. д.

Но здесь следует оговориться. Определяя веса атомов различных элементов, химики определяли не истинный вес того или иного атома, а его относительный, сравнительный вес, то-есть, другими словами, вес одного атома сравнивали с весом другого и определяли, во сколько раз один атом весит больше другого.

В этом случае учёные также прибегли к взвешиванию не отдельных атомов, а многих миллиардов их.

Уже давно наукой был установлен один замечательный факт: в одинаковых объёмах любых газов, если только эти газы имеют одно и то же давление и одинаковую температуру, содержится всегда одинаковое количество молекул.

Этим обстоятельством и воспользовались химики при определении относительных атомных весов. Вот как, например, были определены относительные атомные веса водорода и кислорода. При одинаковом давлении и температуре были взвешены две бутылки равного объёма, наполненные одна — чистым кислородом, другая — чистым водородом. При этом получилось, что все молекулы газа кислорода, заключённые в одной бутылке, весят почти в 16 раз больше, чем все молекулы водорода, содержащиеся в другой. Но ведь число молекул кислорода и водорода как в той, так и в другой бутылках одинаково. Что же означает разница в весе? Только то, что каждая молекула кислорода тяжелее молекулы водорода почти в 16 раз. А отсюда были определены и веса атомов этих газов — элементов. Было установлено, что каждая молекула кислорода состоит из двух атомов кислорода, а каждая молекула водорода в свою очередь также из двух атомов водорода. Выходит, что и каждый атом кислорода весит почти в 16 раз больше атома водорода.

Таким способом, а позднее и многими другими, были определены с большой точностью атомные веса всех известных нам элементов. При этом сначала вес атомов различных элементов сравнивали с весом самого лёгкого атома — атома водорода, вес которого был принят равным единице. Благодаря этому относительные атомные веса всех других элементов оказываются больше единицы: атомный вес углерода, например, равен 12, азота — 14, серы — 32, железа — около 56 и т. д.

Позднее веса атомов стали сравнивать с весом атома кислорода, принятым равным 16; при этом точный атомный вес водорода оказался равным 1,008.

Между прочим, во многих случаях определить атомные веса можно, пользуясь законом кратных отношений. Действительно, вспомните пример с окисью азота. В ней, как говорилось, на 46,7 весовой части азота всегда приходится 53,3 части кислорода. Выходит, каждый атом кислорода тяжелее атома азота в 1,14 раза. Но мы уже знаем, что атомный вес кислорода равняется 16. Отсюда нетрудно рассчитать, что атомный вес азота должен равняться 14.

Такова арифметика атомов.