Во многих веществах атомы довольно прочно соединены друг с другом в группы, которые называются молекулами (в переводе с латинского это слово означает «маленькая масса»). Из молекул состоят все газы и жидкости, многие твёрдые тела (например, сахар, лимонная кислота).
Молекулы бывают разные. Есть среди них маленькие — молекулы водорода (Н2), кислорода (О2), азота (N2) — они содержат всего два небольших атома (цифра внизу справа от символа элемента указывает на число атомов этого элемента в молекуле).
Молекулы углекислого газа (СО2) и воды (Н2О) состоят из трёх атомов. Бывают молекулы побольше; например, молекула сахара содержит 12 атомов углерода, 22 атома водорода и 11 атомов кислорода, её химическая формула С12Н22О11.
А бывают просто гигантские молекулы. Они встречаются во всех живых существах.
Это молекулы белков, молекулы вещества наследственности — дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), многие другие. Такие молекулы могут содержать миллионы атомов!
Но даже эти огромные по сравнению с другими молекулы оправдывают название «маленькая масса», потому что они столь малы, что их невозможно взвесить и на самых чувствительных весах. В пользу существования молекул говорили многие факты.
Молекулярной теории теплоты придерживался М. В. Ломоносов.
Из газового закона Бойля — Мариотта тоже можно было сделать вывод, что давление газа обусловлено многочисленными ударами его молекул о стенки сосуда.
С повышением темпера туры скорости молекул растут, увеличиваются частота и интенсивность их ударов о стенки, поэтому растёт давление. То же происходит и при постоянной температуре в случае уменьшения объёма: число молекул в единице объёма возрастает, значит, о стенки ударяется больше молекул.
В 1808 году французский физик и химик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850) совместно с немецким естествоиспытателем Александром Гумбольдтом (1769- 1859) сформулировал важнейший для развития химии закон объёмных отношений. Согласно этому закону, реагирующие газы соединяются таким образом, что соотношение между их объёмами, а также объёмом газообразного продукта реакции выражается простыми целыми числами (при условии, что температура и давление остаются постоянными).
Так, 2 объёма водорода соединяются с 1 объёмом кислорода, давая 2 объёма водяного пара; 1 объём хлора соединяется с 1 объёмом водорода, давая 2 объёма нового газа — хлороводорода; 3 объёма водорода, реагируя с 1 объёмом азота, образуют 2 объёма аммиака и т. д. В 1811 году итальянский учёный Амедео Авогадро (1776-1856), размышляя над тем, как можно объяснить закон объёмных отношений, предположил, что если взять несколько одинаковых сосудов с разными газами, то число молекул каждого газа в этих сосудах будет одинаковым, если одинаковы условия (температура и давление).
Гипотеза Авогадро, подтверждённая многими опытами, стала законом: в равных объёмах газов при одинаковых условиях содержатся равные количества молекул.
Этот закон оказал огромное влияние на развитие химии.
Из него следовал очень важный вывод: взвесив одинаковые сосуды с разными газами, находящимися в одинаковых условиях, мы сразу определяем относительные массы молекул этих газов!
Например, масса одного кубометра газа водорода при атмосферном давлении равна 90 г, а другого газа — кислорода — 1430 г. Отсюда следует, что молекула кислорода в 16 раз тяжелее молекулы водорода (понятно, что не обязательно взвешивать кубометры газов, можно и литры).
Так, не видя молекул, учёные узнали, что среди них есть лёгкие и тяжёлые. Например, молекула хлора тяжелее молекулы водорода в 35,5 раза, молекула йода — в 127 раз, а молекула самого тяжёлого газа — шестифтористого урана (именно этот газ используют при обогащении урана, отделяя его «взрывчатый» изотоп от других) тяжелее молекулы водорода в 176 раз! Закон Авогадро, однако, не давал ещё возможности определить состав молекул.
Например, из него непосредственно никак не следовало, что в молекулах водорода и кислорода именно по два атома, а не по одному, по три или даже больше.
А может быть, в этих молекулах разное число атомов? То же относится и к составу сложных веществ.
Например, по уточнённым данным, соотношение масс водорода и кислорода в воде составляет 1:8. Как мы уже говорили, взвешивание этих газов показало, что молекула кислорода в 16 раз тяжелее молекулы водорода. И что отсюда следует?
Можно ли по этим данным определить правильную формулу молекулы воды?
Очевидно, что нельзя.
Например, если молекулы водорода двухатомные (Н2), а кислорода — одноатомные (О), то масса одного атома кислорода будет в 32 раза больше массы атома водорода, и формула воды Н4О. Если молекулы и водорода, и кислорода двухатомные (Н2 и 62), то масса одного атома кислорода будет в 16 раз больше массы атома водорода, и формула воды Н2О. Наконец, если молекулы водорода одноатомные (Н), а кислорода — двухатомные (02), то масса одного атома кислорода будет в 8 раз больше массы атома водорода, и формула воды НО. Аналогично можно рассматривать и другие варианты. Сделать однозначный логический выбор между этими вариантами на основании только анализа воды и закона Авогадро нельзя.