Отношение химиков к атомизму в 19-м веке

[evgenii_rudnyi]

Мои комментарии из обсуждения на эту тему.

Привлекать атомизм не запрещалось, но и не приветствовалось. Возьмите, например, публичные лекции Фарадея о пламени свечи 'История свечи', прочитанные в 1861 году. Там нет ни одного слова про атомы. Это хорошо показывает уровень языка химии того времени — обсуждение идет на уровне сплошных сред, поскольку атомизм нельзя было ни подтвердить, ни опровергнуть.

В 19-м веке у химиков была серьезная проблема. С одной стороны, требовалось исключить трансмутацию химических элементов. То есть, атом должен был бы быть чем-то неизменным. С другой стороны, следовало дать объяснение химической связи, а это требовало представлений об изменении в атомах при образовании химической связи. Значит с этой стороны, атом уже не мог быть неизменным. Со стороны химии разрешить эту дилемму было невозможно. Поэтому химики особо и не напрягались.

Приведу такой пример. В начале 19-го века Уильям Праут выдвинул гипотезу, что все элементы образованы из водорода путем конденсации. С точки зрения современных знаний может показаться, что это путь в настоящее, пусть и не совсем правильный.

Однако с точки зрения химии тех лет это была вредная идея, поскольку она давала надежду на трансмутацию элементов. Кстати, в 19-м веке были люди, которые утверждали, что они превратили один элемент в другой — такие люди были всегда. В химии того времени однако надо было четко сказать, что трансмутация элементов невозможна. То есть, кто говорит про трансмутацию элементов, тот исключается из сообщества химиков. В противном случае развитие химии было бы невозможно.

К теме: Картина мира Дмитрия Ивановича Менделеева

Comments

[riftsh]

К концу 19 века ситуация была сильно другой. Вот хорошая цитата из Фрэнсиса Венабла (1894):

"the great aim of chemistry is becoming, not the methods of tearing apart atoms, nor of building them up together, nor of settling their exact location in the molecule, nor their position in space, but far deeper than all of this, and carrying with it the explanation of it all, the nature of the atom itself"

Он, правда, считал, что почти всё что нужно, уже открыто:

"It can scarcely be hoped that the chemistry of the future will progress with the rapid leaps which the passing century has witnessed. Great generalizations will be worked out more slowly and painfully"

Отсюда

[evgenii_rudnyi]

В последней четверти 19-го века появилась структурная химия, в которой обсуждались пространственные конфигурации молекул. У меня в коллекции по этому поводу есть резкая критика теории оптической активности Вант-Гоффа. Но в это время уже требовались такие объяснения и поэтому структурная химия вошла в жизнь.

В то же время это не привело к признанию атомной теории - см. учебник Оствальда. Там говорилось, что такие объяснения полезны, но не надо принимать их в буквальном смысле слова.

Проблема была в том, что у химиков не было возможностей исследования атомов и химической связи. Можно было сказать что угодно, но невозможно было перевести сказанное на язык новых экспериментов.

В этом смысле признание атомов - это первый Сольвеевский конгресс, когда появились новые эксперименты и когда были измерены фундаментальные постоянные. На эту тему есть неплохая книга, там много цитат физиков и химиков:

George E. Smith and Raghav Seth, Brownian Motion and Molecular Reality, 2020.

[cmt96]

То есть атомы — это была ходовая идея, но произносилась она скорее в романтическом ключе?..

[evgenii_rudnyi]

Она выходила за рамки экспериментальных возможностей. Изначально закон постоянства отношений при образовании вещества из химических элементов предполагал, что что-то там такое происходит. Например, рассмотрим химическую формулу серной кислоты H2SO4 - она намекает на определенный порядок при связи химических элементов друг с другом.

Но с точки зрения проводимых экспериментов ничего большего сказать было нельзя. Далее были найдены изомеры, то есть, соединения с одинаковой химической формулой, но с разными свойствами, далее были найдена оптическая активность соединений и т.д. Это все намекало на существование атомов, но в химических экспериментах атомы было нельзя "пощупать".

[cmt96]

Ну что ж. Самое главное — знали, что искать. :)

[riftsh]

Я, может быть, не совсем понимаю, что Вы имеете ввиду под "признанием атомов", но начиная с "Введения в современную химию" Гофмана (1865), во всех учебниках и энциклопедиях было написано, что молекулы состоят из атомов, что атомы - это неделимые частицы вещества, связаные друг с другом в молекулах в соответствии с их валентностью, и т.д.

[evgenii_rudnyi]

Ниже описание популярного учебника по химии Оствальда из упомянутой выше книги:

Ostwald’s Grundriss, which teaches chemistry by recounting its nineteenth-century history, opens with this core of the atomic-molecular hypothesis and the related determination of relative atomic and molecular weights — which Ostwald emphasizes in no way presuppose the reality of atoms.

Those laws and weights provided the basis for a huge amount of progress in chemistry in the form of definitive chemical formulas for a large range of compounds over the course of the nineteenth century. All of those results, as Ostwald concedes, remained entirely consistent with this core of the hypothesis. It continued to offer a way of explaining — or at least conceptualizing — all of them. At the same time, however, none of that progress required atoms and molecules to exist. Stated more precisely, the atomic-molecular hypothesis did not enter constitutively into any of those results. So, nothing in the research was giving chemists decisive reasons to view it as anything more than a convenient, yet dispensable heuristic.

[riftsh]

Может быть у Оствальда была какая-то идиосинкразия к атомам (я не знаю), но общая картина была совершенно другой. После Гофмана в учебниках и энциклопедиях атомная теория излагалась как эмпирически подтвержденная, обычно без каких-либо оговорок. В этом легко убедиться. Вот несколько примеров (из очень многих):


Это школьный(!) учебник, Le Roy Clark Cooley, A Text-book of Chemistry, 1869


John Charles Buckmaster, G. Jarmain, The Elements of Inorganic Chemistry, 1870


John Christopher Draper, A Text-book of Medical Physics, 1885


Victor von Richter, A Text-book of Inorganic Chemistry, 1889

Я предполагаю, что у студентов, учившихся по этим учебникам, не было сомнений в атомной структуре молекул.

[cmt96]

В отношении "atomic theory" не употреблено слово "established" (а только "accepted" — можно некое утверждение "принимать", не имея мнения по поводу истинности оного). В отношении "laws of combination" — употреблено. Я не знаю, как бы вы перевели на английский ваше слово "подтверждённая", но я думаю, что г-н Рудный имел в виду именно этот нюанс. Есть сомнения или нет сомнений — это лирика; а у всякого рассуждения есть всё-таки своя структура, согласно которой опытные факты отделяются от утверждений, а утверждения подразделяются на доказанные и недоказанные, причём "explains better" — это ещё не доказательство. Сейчас, может быть, законы строгого рассуждения уже и забыты, этого я не знаю. Но в 19-м веке такие разделения проводились.

[riftsh]

Между прочим, "закон" и "теория" - это разные категории научных утверждений (наряду с "правилами", "принципами", "аксиомами", "догмами" и пр.) с разными стандартами доказательности. Любой хороший школьник сможет привести примеры научных теорий, которые на протяжении долгого времени широко применялись несмотря на отсутствие экспериментальных доказательств и/или понимания механизмов. Но мои комменты были не об эпистемологии, а о приблизительном времени достижения согласия о существовании атомов, как компонентов молекул. В данном случае эту временную точку можно отследить: она совпадает с публикацией книги Гофмана, которая оказала колоссальное влияние на формирование представлений о химии и у специалистов, и у широкой публики. Посмотреть на принципы "строгого рассуждения" в 19 веке можно в статье "Молекула" в Британнике 1878 года. Вся статья - 15 страниц, начало ниже - как раз о строгости рассуждений:

[cmt96]

Убедили.
Вероятно, разница чисто стилистическая. Что уже совсем другой вопрос: стиль мышления и стиль высказываний в разные эпохи.
Ну и да, некая привычность и некая развёрнутость экспериментального материала, что тоже, наверное, уже другой вопрос.

[evgenii_rudnyi]

Спасибо за скриншоты, но вы сейчас говорите про другое. Проблема была в том, что химики не могли сказать, что такое атом и поэтому утверждение "атомы существуют" не было до конца осмысленным. В этом смысле все было так, как говорил Оствальд.

Основные дебаты о существовании атомов шли в физике по поводу молекулярно-кинетической теории. Однако эта теория не давала объяснения химической связи, поэтому дебаты о существовании атомов среди физиков и химиков не объединялись между собой. В то же время именно физики отвечали за вопрос, существует ли атом и согласия среди физиков не было.

У молекулярно-кинетической теории были свои успехи, но были и свои поражения. В данном случае есть неплохое высказывание Гиббса в начале его Статистической механики, которое хорошо характеризует ситуацию в конце 19-го века:

'При настоящем состоянии науки едва ли можно разработать динамическую теорию молекулярного взаимодействия, которая охватывала бы явления термодинамики, излучения и электрические явления, присущие совокупности атомов. Однако всякая теория, не учитывающая все эти явления, очевидно, является неполноценной. Даже если ограничиться чисто термодинамическими явлениями, то не избежать трудностей в столь простом вопросе, как число степеней свободы двухатомного газа. Хорошо известно, что, хотя теория приписывает каждой молекуле такого газа шесть степеней свободы, в опытах по определению удельной теплоемкости мы обнаруживаем не более пяти степеней свободы. Несомненно, на ненадежном фундаменте стоит тот, кто основывает свою работу на гипотезах о строении вещества.'

В данном вопросе ведь речь идет не о вере в существовании атомов, а о знании. Знание о существовании атомов к концу 19-го века отсутствовало, в этом все дело. Позиция Оствальда также выражала это в явном виде. А так, каждый мог верить во что угодно, но следует отличать веру и знание.

[cmt96]

> Проблема была в том, что химики не могли сказать, что такое атом и поэтому утверждение "атомы существуют" не было до конца осмысленным.

А сейчас могут?..

[evgenii_rudnyi]

Да, конечно, есть много методов, самый простой - кристаллография. Тут, правда, появилась другая проблема. Описание атома и молекул дается в рамках квантовой механики. У химиков в связи с этим есть свой язык, который скрывает не нужные вопросы. Но среди физиков продолжаются оживленные обсуждения, что такое волновая функция в квантовой механике. Но это уже мало влияет на утверждение "атомы существуют".

[cmt96]

Тут может присутствовать ещё вот что: экспериментальный материал "о веществе", но с опорой на атомы, и экспериментальный материал "об атомах", то есть тематика задумываемых экспериментов…

[evgenii_rudnyi]

В настоящее время есть и такие, и такие эксперименты.

[cmt96]

Да, понимаю.

Просто мне кажется, что из тематики экспериментов делать выводы о том, какие теории считаются установленными, — это натяжка. Из того, что вы говорите, следует только то, что об атомах сейчас больше знают, чем в конце 19-го века, то есть вроде бы меньше спорных моментов (и не знаю, насколько это хорошо).

Всё же тематика экспериментов и выводы из экспериментов — это разные вещи…

[evgenii_rudnyi]

В настоящее время число Авогадро определено многими разными способами и полученные значения хорошо согласуются между собой. Это также относится к другим фундаментальным постоянным. Это уже само по себе говорит о многом. В данном случае полезно смотреть именно на проводимые измерения.

[cmt96]

Мне кажется, тут имеет ещё значение разница между теми выводами, которые люди должны из экспериментов делать по конкретно вашей теории познания, и теми выводами, которые люди делали на самом деле.

[riftsh]

> все было так, как говорил Оствальд

А мужики-то и не знали ;)
Если школьникам и студентам говорят, что земля лежит на трех китах, значит она лежит на трех китах. Если им же говорят, что молекулы состоят из атомов, значит они состоят из атомов. Как видно из приведенных (и многих не приведенных) примеров, говорили без оговорок. Оствальда школьники и студенты не читали.

> вы сейчас говорите про другое

Это точно. Я говорю про хронологию укоренения понятия атома среди ученых и публики. Мне показалось, что это важный мотив в Вашей записи. Процесс этого укоренения начался во второй половине 1860-х годов и шел очень быстро. Триггером послужили посчитанное Лошмидтом число Авогадро (1865) и изданный в том же году учебник Гофмана.

[evgenii_rudnyi]

Вопрос однако в том, что у химиков стояло за этим понятием, то есть, что обозначало атом в мышлении химиков. Вы почитайте

Д. И. Менделеев, Попытка химического понимания мирового эфира, 1902.

Там Мендеелев ругает всякие попытки введения электрона. Вопрос, что понимал Мендеелев под атомом?

[evgenii_rudnyi]

Кстати, число Авогадро в 19-м веке не было известно. Были разные оценки, которые отличались друг от друга на несколько порядков величин. Точное измерение числа Авогадро оказалось возможным только в начале 20-го века. В развитии химии 19-го века число Авогадро, как таковое, не участвовало.

См. также раздел 4. Chemical Atomism in the Nineteenth Century по ссылке ниже:

https://plato.stanford.edu/entries/atomism-modern/

[riftsh]

Лошмидт вычислил размер молекулы азота (9.69 Å). Бóльшая часть его ошибки была результатом того, что он взял длину свободного пробега не у Максвелла (62 нм), а из более свежей, но менее правильной статьи Майера (140 нм). Соответственно, в числе Авогадро (которое по-немецки до недавнего времени называлось числом Лошмидта) у него была ошибка на порядок величины, но подход к вычислению был совершенно правильным. Сейчас постоянной Лошмидта (на всех языках) называется число молекул на единицу объема, т.е., именно то, что хотел посчитать Авогадро, а числом Авогадро назвали немножко другую величину ;)

[evgenii_rudnyi]

Подход Лошмидта является только грубой оценкой. Такие оценки можно было сделать разными путями и они между собой не согласовывались, разница была несколько порядков величин. В книге, которую я упоминал, есть таблица с этими значениями.

[evgenii_rudnyi]

Кстати, если хотите, у меня в коллекции есть критика известного химика Кольбе теории оптической активности Вант-Гоффа - это после 1875 года. Это хорошо подходит к рассматриваемому вопросу. Кольбе был вне себя по поводу представления пространственной структуры молекулы:

'Итак, Кольбе писал: «Некто д-р Вант-Гофф, работающий в Утрехтской ветеринарной академии, по-видимому, ничего не смыслит в точном химическом исследовании. Он счел для себя удобнее оседлать Пегаса (взяв его напрокат, конечно, из конюшен той же ветеринарной академии) и поведать в своей книге «Химия в пространстве» о том, каким во время его смелого полета на химический Парнас показалось ему расположение атомов в мировом пространстве».'

https://blog.rudnyi.ru/ru/2022/02/polanyi-history.html