В конце XVIII века химики спешили обзавестись точными весами. Весы быстро входили в обиход, потому что ученые поняли, насколько весы необходимы при всевозможных химических исследованиях.
С их помощью ученые устанавливали, в каких соотношениях надо брать исходные материалы, для того чтобы получить нужное им химическое соединение. Точные измерения количеств расходуемых веществ давали весьма важные сведения о составе солей, руд, минералов, сплавов.
Прокаливая свинец, олово, ртуть или цинк в запаянных ретортах, ученые заметили, что не весь металл превращается в окисел — некоторая его часть не окисляется. Если металла много — он переходит в окалину не полностью, если мало — в реторте остается неизрасходованной часть кислорода. Следовательно, то количество кислорода, какое находилось в реторте до опыта, может образовать не любое, а строго определенное количество окисла.
При каждом опыте химики взвешивали получившуюся окалину, определяли ее привес и неизменно убеждались, что из 100 граммов свинца всегда получается 107,7 грамма окалины. Значит, на каждый грамм свинца (при превращении его в окисел расходуется около 0,077 грамма кислорода.
Такое постоянство состава не является исключительным свойством окисла свинца. Исследуя другие сложные вещества, ученые находили, что химические элементы соединяются между собой не в произвольных, а только в строго определенных соотношениях.
Поваренная соль, откуда бы ее ни добыли — из морской воды, из соляных копей или приготовили в лаборатории из хлора и натрия, — всегда содержит по весу 39,4 процента натрия и 60,6 процента хлора. В адском камне — ляписе — всегда 63,5 процента (по весу) серебра, 8,2 процента азота и 28,3 процента кислорода. В красной краске, называемой кровавиком, или крокусом, всегда 70 процентов железами 30 процентов кислорода.
Соотношение химических элементов в каждом сложном веществе неизменно.
К началу XIX века в руках ученых накопилось много сведений о весовом составе различных, не очень сложных веществ. Тогда изучал» главным образом соли, окислы и определяли, сколько в них по весу содержится кислорода и других элементов.
Сравнивая состав различных окислов, ученые подметили любопытнейшую закономерность.
В воде на 1 весовую часть водорода приходится 8 весовых частей кислорода, а в перекиси водорода на такую же часть водорода приходится уже 16 частей кислорода — вдвое больше, чем в воде.
В окиси олова на 59,35 грамма олова приходится 8 граммов кислорода, а в оловянном камне — руде, из которой выплавляют олово, — на 59,35 грамма олова приходится 16 граммов кислорода. Тоже больше ровно вдвое.
Эта закономерность особенно наглядно выявилась, когда ученые исследовали соединения азота с кислородом. Азот дает пять различных окислов, отличающихся друг от друга содержанием кислорода, — от окисла к окислу оно закономерно возрастает.
В закиси азота, иначе называемой веселящим газом, на каждые 7 граммов азота приходится 4 грамма кислорода. В окиси азота содержание кислорода возрастает вдвое — 8 граммов на 7 граммов азота. В азотистом ангидриде 7 граммов азота связаны с 12 граммами кислорода, т. е. его втрое больше, чем в веселящем газе. В двуокиси азота кислорода 16 граммов — вчетверо больше, чем в веселящем газе, и, наконец, в азотном ангидриде на 7 граммов азота приходится 20 граммов кислорода — это в пять раз больше, чем в веселящем газе.
Следовательно, 7 граммов азота могут соединяться с 4, или с 8, или с 12, или с 16, или с 20 граммами кислорода. Какая странная закономерность: каждая порция азота присоединяет к себе либо одну, либо две, либо три, либо четыре, либо пять совершенно одинаковых порций кислорода. Иные соотношения этих веществ — по половине или по полторы порции — повидимому, невозможны. Окислы азота образуют как бы лесенку с «кислородными» ступеньками.
И это опять-таки не является исключительной особенностью кислорода. Решительно все химические элементы вступают в соединение с другими элементами только определенными и одинаковыми порциями. Например, в недоокиси углерода на каждые 8 граммов кислорода содержится 9 граммов углерода, в угарном газе — 6 граммов, а в углекислом газе — 3 грамма.
Чем объяснить способность веществ вступать в химические соединения определенными порциями — ученые не знали.
Английский ученый Дальтон, который в истории химии является непосредственным преемником идей Ломоносова, при помощи атомистической теории объяснил эту закономерность необычайно просто.
— Атомы неделимы! — сказал Дальтон. — И совершенно ясно, что, вступая в химическое соединение, они не делятся на половинки и четвертушки.
Атомы, входят в состав молекул как целые, неделимые единицы. Половинок, четвертушек, восьмушек атомов не существует. И Дальтон сделал вывод: если два химических элемента образуют ряд химических соединений, то количество атомов каждого из элементов, вошедших в состав соединений, всегда выражается целыми числами: 1, 2, 3, 4, 5 и т. д.
Этот закон получил название закона кратных отношений.
Созданный атомистической теорией и подтвержденный самыми точными измерениями, закон кратных отношений стал одним из самых блестящих, самых убедительных доказательств справедливости атомистической теории.
Ломоносов положил атомистическую теорию в основу химии. Дальтон утвердил и доказал ее главенствующее положение в науке и это, по выражению Ф. Энгельса, было «…открытие, дающее всей науке средоточие, а исследованию — прочную основу».
После Дальтона химики стали определять весовые количества химических элементов, входящих в состав различных веществ. Они понимали, что это ведет к разгадке внутреннего строения молекул. Ломоносовский замысел «сыскать причины видимых свойств тел от их внутреннего сложения» стал осуществляться.
Уже тогда ученые предполагали, что атомы химических элементов отличаются друг от друга не только свойствами, но и весом.
Химики хотели как можно точнее установить: во сколько раз атомы одного химического элемента легче или тяжелее атомов какого-либо другого элемента. Для этого они разлагали сложные вещества на составные части, заставляли химические элементы вступать друг с другом в соединения и каждый раз взвешивали и исходные материалы и то, что у них получалось.
В результате многих исследований удалось установить, что самый легкий атом принадлежит водороду. Все остальные химические элементы тяжелее его. Атомы углерода тяжелее атомов водорода в 12 раз, азота — в 14 раз, кислорода — в 16 раз, натрия — в 23 раза, хлора — в 35,3 раза, свинца — более чем в 200 раз.
Казалось бы, что проще всего вес атомов каждого из элементов определить по сравнению с весом атома водорода, но ученые этого сделать не могли. Большинство химических исследований было сделано не с водородными соединениями, а с кислородными. Окислы гораздо легче получать и исследовать. Это заставило взять за единицу измерения не атом водорода, а атом кислорода — вернее, одну шестнадцатую долю его веса, называемую международной кислородной единицей.
Вес атомов, вычисленный по сравнению с весом одной шестнадцатой доли атома кислорода, стал называться атомным весом.
Атомный вес не следует смешивать с удельным весом или плотностью — это совершенно разные понятия.
Знание атомного веса каждого из известных химических элементов позволило расположить их в списке не произвольно, а в порядке возрастающих атомных весов. Первое место занял водород. За ним были размещены все остальные элементы.
Каждый элемент получил в таком списке свой порядковый номер.
Как показали дальнейшие исследования, атомный вес и, особенно, порядковый номер элемента в списке оказались ключами, отмыкающими вход в тайны атомного мира.