Получается замкнутый круг: чтобы узнать соотношение масс атомов, нужно знать формулы соединений, а чтобы правильно записывать формулы, нужно знать правильное соотношение масс. Выходит, что правильное определение соотношения масс атомов во времена Дальтона было почти неразрешимой задачей. Тем более что и экспериментальные данные о соотношениях элементов в разных веществах часто были очень неточными.
Поэтому и формулы многих веществ во времена Дальтона записывали неправильно. Тем не менее Дальтон записывает формулы различных веществ.
Как он рассуждал?
Он исходил из двух принципов.
Первый заключался в следующем.
Водород образует соединения со многими элементами: кислородом, серой, углеродом, азотом, фосфором… Анализ этих соединений показывает, что массовая доля водорода в них всегда меньше 50%. Так, в метане водорода по массе 25 %, в аммиаке — 17,6%, в этилене — 14,3%, в воде — 11 %, в сероводороде — 5,9% и т. д. Значит, делает вывод Дальтон, у водорода из всех элементов самая маленькая масса.
И это не удивительно: ведь водород — самый лёгкий газ. Поэтому массу одного атома водорода Дальтон принимает равной единице. А массы атомов других элементов он определяет на основании анализа соединений этих элементов с водородом.
Второй принцип, которым руководствовался Дальтон: атомы в веществах соединяются друг с другом в самых простых соотношениях. Например, в воде соотношение атомов водорода и кислорода он принимает равным 1 : 1, то есть формула воды по Дальтону — НО. И если это так, то из экспериментальных данных по составу воды легко рассчитать относительные массы этих атомов.
Согласно анализам, проведённым Лавуазье, вода состоит из 85% кислорода и 15% водорода, соотношение масс 5,67 : 1. Дальтон округлил это значение до 5,5 :1, откуда получил относительную (относительно водорода) массу атома кислорода: 5,5. Таким образом, Дальтон вводит в химию важнейшее понятие — относительную атомную массу для разных элементов.
Вот что у него получилось в самой первой в истории науки таблице атомных масс (атомных весов): Водород 1 Азот 4,2 Углерод 4,3 Кислород 5,5 Фосфор 7,2 Сера 14,4 Эти значения пока ещё очень сильно отличаются от современных.
Так, масса атомов азота на самом деле не в 4,2, а в 14 раз больше массы атомов водорода; атом серы тяжелее атома водорода в 32 раза и т. д. Конечно, ошибка связана прежде всего с неправильной записью формул: НО для воды, NH для аммиака, HS для сероводорода… (На самом деле верны формулы Н2О, NH3, H2S, но надёжно установить это удалось не скоро — только после открытия закона Авогадро в 1811 г. и признания этого закона всеми химиками ещё через несколько десятков лет!) Другая причина ошибочных атомных масс — в неточности анализов, результатами которых пользовался Дальтон.
Со временем, по мере совершенствования техники химического эксперимента, Дальтон уточнял свою таблицу.
Так, более точные анализы Гей-Люссака и Гумбольдта показали, что в воде содержится не 85, а 87,4% кислорода и 12,6% водорода.
Тогда соотношение масс для формулы воды НО будет 6,94:1. Дальтон округляет это значение и уточняет относительную массу атома кислорода, которая теперь у него равна 7. И если бы Дальтон знал истинную формулу воды (Н20), то масса кислорода у него получилась бы вдвое больше, что уже близко к современному значению 16. В последующем, когда уточнили массовые соотношения элементов в разных веществах, некоторые формулы были исправлены, но многие всё равно оставались неверными. Причина была прежней: соотношение числа атомов разных элементов в мельчайшей частице вещества (молекуле) оставалось неизвестным и принималось произвольно (как в случае воды).
Атомы разных элементов Дальтон обозначал разными фигурками, запомнить которые было довольно трудно, трудно было их также печатать в книгах.
Позднее шведский химик Йене Якоб Берцелиус (1779-1848) предложил очень простой способ для обозначений атомов — по первой букве названий элементов на латинском языке. Если же буквы у разных названий оказывались одинаковыми, то надо было брать вместо одной буквы две. Например, водород на латыни — Hydrogenium («рождающий воду»), а знак элемента — Н. Но в русском языке эта буква читается, в том числе и в формулах, не как в латинском языке («ха»), а как во французском («аш» — от французского названия этой буквы).
Такова традиция. Углерод — Carboneum, знак С (читается «це»), кислород — Oxygenium («рождающий килоты»), знак О, азот — Nitrogenium («рождающий селитру»), знак N (читается «эн»), сера — Sulphur, знак S (читается «эс») и т. д. В записях химических формул и химических реакций символы элемента — это «буквы» химической азбуки, формулы — это «слова», а уравнения реакций — «предложения».
Используя химическую символику, различные формулы, даже очень сложные, можно записать совсем просто. Например, формула сахара С12Н22О11, формула фермента аминотрансферазы C2087H33l6N570O606S11 и т. д. (Правда, эти формулы показывают только, какие атомы и в каких количествах содержатся в молекулах этих веществ, но ничего не говорят о том, в каком порядке атомы между собой соединены, и тем более о том, как они расположены в пространстве.
) На этом «языке» говорят сегодня все химики мира; прочитав формулы, бразильский химик легко поймёт японского, хотя может не знать ни одного слова по-японски, а японец — по-португальски.