Первые попытки определения атомных весов, основанные на анализах различных соединений элементов с водородом, принадлежат Дальтону.
Однако для вычисления атомного веса по данным анализа требовалось знать число атомов каждого элемента в молекуле анализируемого соединения.
Эти числа Дальтону не были известны, поэтому многие из вычисленных им атомных весов впоследствии оказались неверными.
Когда Авогадро в 1811 г. высказал свою гипотезу о равном числе молекул в равных объемах газов, он одновременно указал и метод определения атомного состава молекул простых газов.
Путем изучения объемных отношений при реакциях, в которых участвуют водород, кислород, азот и хлор, было установлено, что молекулы этих газов двухатомны.
Как определить молекулярный вес газа
Следовательно, определив молекулярный вес любого из этих газов и разделив его пополам, можно было сразу найти атомный вес данного элемента.
Например, определение молекулярного веса хлора показало, что он равен 71; отсюда следовало, что атомный вес хлора равняется 71:2 = 35,5.
Другой метод определения атомных весов, получивший более широкое применение, был предложен в 1858 г. Канниццаро.
Пользуясь этим методом, сначала находят по плотности пара молекулярный вес возможно большего числа газообразных или легколетучих соединений данного элемента.
Затем на основании результатов анализа тех же соединений вычисляют, сколько весовых (кислородных) единиц приходится на долю этого элемента в молекуле каждого из взятых соединений.
Наименьшее из полученных чисел и принимается за искомый атомный вес.
Поясним этот метод примером определения атомного веса углерода. В таблица 1 приведены молекулярные веса ряда соединений углерода и процентное содержание углерода в каждом из-них.
В последней графе таблицы указано вычисленное из процентного состава количество углерода в молекуле каждого из. соединений.
Наименьшее весовое количество углерода, содержащееся; в молекулах приведенных в таблица 1 соединений, равно 12.
Отсюда ясно, что атомный вес углерода не может быть больше 12 (например, не может быть 24 или 36).
В противном случае пришлось бы принять, что в состав молекул углекислого газа, окиси углерода и сероуглерода входит дробная часть атома углерода С другой стороны, нет оснований принимать его меньшим 12.
Двенадцать кислородных единиц есть такое количество углерода, меньше которого не содержится ни в одном из известных, соединений этого элемента.
Это количество, не делясь, переходит при химических реакциях из одной молекулы в другую.
Все другие количества углерода являются целыми, кратными двенадцати следовательно, это число и есть атомный вес углерода.
Таблица молекулярные веса ряда соединений углерода
Углекислый газ: молекулярный вес 44; Содержание углерода % 27,27; Содержание углерода 12.
Окись углерода: 28, 42,86; 12.
Ацетилен: 26; 92,31; 24.
Сероуглерод: 76; 15,76; 12.
Бензол: 78; 92,31; 72.
Этиловый эфир: 74; 64,86; 48.
Ацетон: 58; 62,07; 36.
Нафталин: 128; 93,75; 120.
Описанный метод определения атомных весов обладает одним недостатком. Достоверность найденного атомного веса зависит от числа исследованных соединений данного элемента.
Чем больше исследовано таких соединений, тем меньше вероятность, что найдется еще соединение, молекула которого будет содержать дробную часть принятого атомного веса.
Кроме того, метод. Канниццаро позволяет находить атомные веса только тех элементов, которые дают газообразные или легко переходящие в газообразное состояние соединения. Большинство же металле» не образует таких соединений.
Поэтому при определении атомных весов металлов в свое время был использован другой метод, основанный на зависимости между атомным весом элемента и удельной теплоемкостью соответствующего простого вещества в твердом состоянии.
В 1819 г. французские ученые Дюлонг и Пти, определяя теплоемкость различных металлов, нашли, что произведение удельной теплоемкости простого вещества (в твердом состоянии) на атомный вес соответствующего элемента для большинства элементов приблизительно одинаково и равно в среднем 6,3.
Что такое атомная теплоемкость
Так как это произведение представляет собой количество тепла, необходимое для нагревания 1 грамм атома элемента на 1°, то оно называется атомной теплоемкостью. Найденная закономерность получила название правила Дюлонга и Пти.
Атомная теплоемкость элементов приблизительно равна 6,3.
Таблица теплоемкости некоторых элементов
Магний: Атомный вес 24,3, Удельная теплоемкость 0,248, Атомная теплоемкость 6,0.
Сера: 32,0, 0,175, 5,6.
Железо: 55,8, 0,112, 6,3.
Медь: 63,5, 0,095, 6,0.
Цинк: 65,4, 0,093, 6,1.
Олово: 118,7, 0,054, 6,4.
Иод: 126,9, 0,052, 6,6.
Золото: 197,0, 0,031, 6,1.
Свинец: 207,2, 0,031, 6,4.
Из правила Дюлонга и Пти следует, что, разделив 6,3 на удельную теплоемкость простого вещества, легко определяемую из опыта, можно найти приближенное значение атомного веса соответствующего элемента.
Рассмотренные нами методы определения атомных весов не дают вполне точных результатов с одной стороны, точность определения молекулярного веса по плотности пара редко превышает 1 %; с другой стороны, правило Дюлонга и Пти позволяет найти лишь приблизительную величину атомного веса.
Однако полученный одним из этих методов атомный вес легко исправить путем сравнения его с эквивалентом того же элемента.
Эквиваленты элементов
Эквиваленты элементов могут быть вычислены очень точно на основании анализов различных соединений.
Между эквивалентом элемента и его атомным весом существует определенное соотношение, а именно атомный вес элемента всегда является величиной, кратной его эквиваленту, т. е. или равняется эквиваленту, или в целое число раз больше его.
Это соотношение непосредственно вытекает из атомной теории и определения понятия «эквивалент».
В самом деле, если атом элемента может присоединить или заместить только один атом водорода, весящий 1,008 кислородных единиц, то очевидно, что эквивалент этого элемента должен равняться его атомному весу.
Но если атом элемента присоединяет два или более атомов водорода, то атомный вес и эквивалент уже не могут совпадать; однако последний непременно будет в целое число раз меньше атомного веса.
Например, эквивалент кислорода (8) равняется половине его атомного веса, так как атом кислорода присоединяет два атома водорода, и следовательно, на 1,008 вес. ч. водорода приходится 16/2 вес. ч. кислорода.
Эквивалент алюминия, атом которого замещает три атома водорода, равняется 1/3 атомного веса алюминия и т. д.
Таким образом, для нахождения эквивалента элемента надо разделить атомный вес последнего на число атомов водорода, которое может присоединить или заместить атом данного элемента.
Получаемое число выражает собой валентность элемента, откуда следует, что эквивалент элемента равняется его атомному весу, деленному на валентность:
эквивалент = атомный вес : валентность
Пользуясь этой зависимостью, нетрудно установить точный атомный вес элемента, если известны его приблизительный атомный вес и эквивалент.
Для этого находят сперва валентность элемента делением приблизительного атомного веса на эквивалент.
Так как валентность всегда выражается целым числом, то полученное частное округляют до ближайшего целого числа. Умножая затем эквивалент на валентность, получают точную величину атомного веса.
Пример определения атомных весов
Эквивалент индия равняется 38,27; удельная теплоемкость этого элемента 0,053. Определить точный атомный вес индия.
Прежде всего на основании правила Дюлонга и Пти определяем приблизительный атомный вес индия:
6,3:0,053= 118,9
Затем делением приблизительного атомного веса на эквивалент находим валентность индия:
118,9:38,27 = 3,1 или, округленно, 3
Умножая эквивалент на валентность, получаем точный атомный вес индия:
38,27 х 3 = 114,81
Кроме описанных выше методов определения атомного веса, применяются еще и другие.