Не успели еще зашуметь овации в честь Пруста, а закон постоянства состава уже пережил свой новый триумф. На этот раз открытие свершилось в далекой туманной Англии. «Далекой» потому, что страна Альбиона была практически отрезана Наполеоном от остальной Европы задолго до провозглашения в 1806 году континентальной блокады.
Рассеченная на куски военными конфликтами, Европа не переставала жить в едином ритме научных исследований.
Учитель математики Дальтон вовсе не был столь виртуозным экспериментатором, как Пруст. Человек, более близкий к абстрактным числовым соотношениям, он проводил химические анализы куда грубее, зачастую округляя полученные результаты. Пытаясь проникнуть во внутренние механизмы химических превращений, Дальтон стоял по духу гораздо ближе к Бертолле, для которого главным стремлением был теоретический поиск, подкрепленный математическими приемами. Именно это помогло Дальтону сделать следующий шаг — открыть закон кратных отношений.
Да, оказалось, что постоянство свойственно не только составу соединений. Постоянными являются и соотношения «паев», долей участия элементов в соединениях. Причем эти доли относятся друг к другу как простые целые числа. Скажем, «паи» кислорода в соединениях с азотом относятся друг к другу, как 1:2:3:4:5. Ибо азот может соединяться с кислородом в пропорциях 2:1, 2:2, 2:3, 2:4, 2:5. Так и просятся на бумагу формулы N2O (2:1), NO (1:1, или, что то же самое, 2:2), N2O3 (2:3), NO2 (1:2, то есть 2:4) и N2O5 (2:5).
Но в том-то и дело, что Дальтон не прибегал к подобным обозначениям! Нет, не потому, что он, учитель математики, был несведущ в вопросах химической символики или вопреки общепринятым правилам предпочитал оригинальничать, пользуясь своими кружочками и треугольничками. Просто такой язык еще не был создан. Он появился чуть ли не на десять лет позже в трудах Берцелиуса. И появился в значительной мере благодаря тому, что Дальтон установил закономерность, названную его именем.
Закономерность, которую чуть было не вывел Пруст. Диву даешься, как мадридский профессор не стал автором сразу двух великих открытий, столь тесно связанных своей внутренней логикой! Ведь он блуждал в двух шагах от находки Дальтона!
Но ирония истории неистощима.
И Бертолле и Пруст были вовлечены в водоворот политических событий. Только по-разному сложились судьбы оппонентов. Патриот и революционер, первый стал впоследствии ярым приверженцем Наполеона. Обласканный правительством, всемерно поощряемый за успешные работы на благо победоносной империи, Бертолле изведал всю горечь поражения в научной полемике. А Пруст? Увенчанный славой первооткрыватель знаменитого закона постоянства состава пал жертвой наполеоновской тирании. Не успел Пруст подписать к печати последнюю работу из серии своих блистательных исследований, как его постиг жестокий удар. Мадридская лаборатория со всей ее коллекцией платиновых приборов и химических соединений подверглась опустошительному разгрому французскими войсками, подавлявшими антинаполеоновское восстание испанского народа.
Воистину ирония истории неистощима!
Самого профессора, к счастью, не оказалось в лаборатории. Его не было и в Испании. Он отдыхал во Франции. Потрясенный случившимся, Пруст удалился в захолустный городок. Влача полунищенское существование, нелюдимый и гордый, он с презрением отклонил предложение принять сто тысяч франков, которые выделил ему Наполеон, чтобы Пруст смог внедрить свою технологию сахароварения.
Быть может, именно эти жизненные невзгоды помешали Прусту обнаружить кратность атомных отношений?
Если проследить его публикации во время восьмилетнего спора с Бертолле, можно убедиться, что ученый задолго до мадридской катастрофы был на волосок от выводов, которые стали достоянием Дальтона. И мог их сделать уже тогда… Мог. А вот поди ж ты: не сделал.
Увы, наши недостатки зачастую не что иное, как продолжение наших же достоинств. По свидетельству члена-корреспондента АН СССР Капустинского, Прусту помешало как раз то, что обеспечило блистательную победу над Бертолле: «его осторожный и даже эмпирический подход, его привычка уж очень обстоятельно экспериментировать; особая тщательность его анализов, отвергающая мысль об округлении результатов».
Правда, у Дальтона было еще одно преимущество. В своих расчетах он выражал состав не в весовых процентах, как Пруст, а в атомных пропорциях.
В самом деле, даже очень проницательному глазу не так-то легко подметить какое-либо правило на примере метана CH4 и этилена C2H4, если состав обоих соединений выразить в процентах: у метана 74,87 процента C и 25,13 процента H, у этилена 85,63 процента C и 14,37 процента H. Зато дело существенно упрощается, если подсчитать количества C, приходящиеся в каждом углеводороде на один «пай» H. Они равны 2,979 для CH4 и 5,958 для C2H4. Эти числа относятся, как 1:2. Имейте в виду, повторяю, что в те времена еще не существовало формул типа CH4 или C2H4, на которых сегодня основана вся стехиометрия (количественные операции с формулами и уравнениями).
Любопытная мораль: как много может дать химии дружба с карандашом, а не только с пробиркой!
Казалось бы, особой разницы нет, как вычислять состав соединений. Тем более что проценты так лестно зарекомендовали себя в экономических операциях! Ан нет, традиционные мерки не всегда впору новым явлениям.
В дальнейшем мы не раз встретимся с примерами замечательных теоретических и практических успехов в химии, которые стали результатами усовершенствования — нет, не аналитических или синтетических методов, не измерительной аппаратуры — математического подхода.
Идея дискретности (прерывности) состава химических соединений с железной логикой вытекала из атомистических представлений. И законы Пруста и Дальтона на целое столетие предопределили победный марш химии.
Атомно-молекулярное учение. Теория валентности. Бутлеровская теория химического строения. Периодическая система элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Основы основ современной химии! А краеугольные камни этих величественных зданий были заложены Прустом и Дальтоном на обломках идеи Бертолле.
Из законов Пруста и Дальтона вытекали глубокие философские следствия. Если химические тела соединяются лишь в определенных пропорциях, значит число таких химических комбинаций не может быть бесконечно велико. Азот с кислородом способен дать неисчислимое множество смесей. Но соединений только пять: N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5. Смеси этих окислов могут опять-таки содержать самые разнообразные соотношения между количествами N2 и O2. Но если разделить смесь, то в любой из составных частей пропорции будут либо 2:1, либо 1:1, либо 2:3 и так далее. Получится всего пять индивидуальных веществ. От смеси ничего не останется. А раз так, то все многокрасочное царство бесчисленных минералов можно разложить на конечное число более простых тел. Неких неделимых первооснов материи. Так зародилось понятие о химическом индивиде.
В свое время Бертолле, затеяв разговор о содержании терминов «смесь» и «соединение», затронул один из самых важных вопросов, которые когда-либо волновали химиков.
Слово «индивид» заимствовано из латыни. Нечто единое, неделимое, целостное — вот его смысл. У каждой науки есть свой индивид, который служит главным предметом изучения. Скажем, в зоологии это кошка, собака, слон, человек — любое существо. Расчлени индивид — и объявится новый объект исследования, которым занимается уже иная наука. Например, органами живого тела интересуется анатомия. Клеткой — цитология. Внутриклеточными структурами — биохимия. И так далее.
А химия?
Еще Лавуазье подразделял химические тела на простые и сложные. Первые состоят из одного элемента. Вторые — из двух или более. Но лишь после торжества идей атомистики стало ясно, что речь идет о веществах, которые составлены из одного сорта атомов или молекул.
Конечно, молекулу можно расщепить на атомы. По тогда она прекратит свое существование как химический индивид. Правда, объявятся новые индивиды — атомы. Но разве не ясно, что это часть целого? Почему же одни химические индивиды (атомы), соединяясь, способны образовать новые химические индивиды (молекулы), а другие нет? А если попытаться объединить несколько сортов молекул, что будет? Химический индивид?
Нет, смесь! Если, конечно, молекулы химически не взаимодействуют друг с другом. Так отвечал Пруст своими опытами на каверзный вопрос Бертолле. Ведь у каждой составной части, входящей в смесь, свои, особые, неповторимые химические и физические свойства. И постоянный неизменный состав.
Например, горсть солевых отложений со дна африканского натронного озера — смесь химических индивидов. А сода и поваренная соль, входящие в эту смесь, — химические индивиды. Каждое из этих веществ представлено суммой одинаковых молекул. Атомы же, объединенные в их молекулах, разные. И пропорции у них неодинаковы.
Но почему так? Чем объяснить, что у природы две равные арифметики — одна для смесей, другая для соединений? Почему атомы в обычной смеси могут находиться в любых соотношениях, а вступают в химический союз лишь в заранее предписанных дискретных пропорциях? Какая разница между силами, слагающими атомы в молекулу, и силами, объединяющими молекулы в цельное тело — твердое, жидкое или газообразное?
Загадка химического индивида порождала десятки других загадок. И химики с нетерпением и энтузиазмом принялись за дело.
«Разделяй и властвуй!» — под таким девизом химия стала наводить порядок в мире атомов и молекул.
Овладеть секретами химических превращений, вникнуть в природу химических индивидов было невозможно без приготовления чистых препаратов. Однако получить их оказалось делом нелегким. Погоня за чистотой властно потребовала усовершенствовать способы разделения смесей. И приемы контроля за степенью загрязненности.