2.5: Тестування атомної теорії

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22958

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

До будь-якої теорії зазвичай застосовуються два критерії. По-перше, чи згодна вона з фактами, які вже відомі? По-друге, чи пророкує це нові стосунки та стимулює додаткове спостереження та експерименти? Атомна теорія Далтона змогла зробити обидві ці речі. Це було особливо корисно при роботі з даними, що стосуються маси різних елементів, які брали участь у хімічних сполуках або хімічних реакціях.

Щоб перевірити теорію, ми спочатку використовуємо її, щоб зробити прогноз про макроскопічний світ. Якщо передбачення узгоджується з існуючими даними, теорія проходить перевірку. Якщо цього не відбувається, теорію потрібно відкинути або змінити. Якщо дані відсутні, то необхідно провести додаткові дослідження. Зрештою результати нових експериментів можна порівняти з прогнозами теорії.

Кілька прикладів цього процесу перевірки теорії на тлі фактів дозволені роботою Далтона. Наприклад, постулат 3 в атомній теорії Далтона (відкривається в новому вікні) стверджує, що атоми не створюються, не руйнуються або змінюються в хімічній реакції. Постулат 2 говорить, що атоми даного елемента мають характерну масу: За логічним вирахуванням тоді рівні числа кожного типу атома повинні з'являтися на лівій і правій стороні хімічних рівнянь, таких як

\[\text{Hg}(l) + \text{Br}_2(l) \rightarrow \text{HgBr}_2(s) \label{1} \]

а загальна маса реагентів повинна дорівнювати загальній масі продуктів. Атомна теорія Дальтона пророкує експериментальний закон Лавуазьє збереження маси.

Друге передбачення атомної теорії трохи складніше. З'єднання - це певне число з двох і більше типів атома. Незалежно від того, як, коли або де виготовляється сполука, воно завжди повинно мати однакові співвідношення різних атомів. Таким чином, молекули броміду ртуті завжди мають формулу HgBr ₂ незалежно від того, скільки у нас є або звідки взялася сполука, атомів брому завжди буде вдвічі більше, ніж атомів ртуті. Оскільки кожен тип атома має характерну масу, маса одного елемента, який поєднується з фіксованою масою іншого, завжди повинна бути однаковою. Наприклад, у броміді ртуті, якщо кожен атом ртуті в 2,510 рази важчий, ніж атом брому, співвідношення мас буде

\[\dfrac{\text{Mass of 1 mercury atom}}{\text{Mass of 2 bromine atoms}} = \dfrac{2.510 \times \color{red}\cancel{\color{black}\text{mass of 1 bromine atom}}}{2 \times \color{red}\cancel{\color{black}\text{mass of 1 bromine atom}}} = 1.255 \nonumber \]

Незалежно від того, скільки молекул броміду ртуті (II) ми маємо, кожна з них має однакову частку ртуті, і тому будь-який зразок броміду ртуті (II) повинен мати таку ж частку ртуті. Ми щойно вивели закон постійного складу, який іноді називають законом певних пропорцій. Коли елементи об'єднуються, утворюючи з'єднання, вони завжди роблять це в точно такому ж співвідношенні мас. Цей закон був постульований у 1799 році французьким хіміком Прустом (1754 - 1826) за 4 роки до того, як Далтон запропонував атомну теорію, і його логічне вилучення з теорії сприяло прийняттю останньої. Закон постійного складу робить важливим моментом те, що склад і інші властивості чистого з'єднання не залежать від того, хто його приготував або звідки воно прийшло. Наприклад, можна очікувати, що вуглекислий газ, виявлений на Марсі, матиме такий же склад, як і на Землі, тоді як природний вітамін С, витягнутий і очищений з шипшини, має точно такий же склад, як і синтетичний вітамін С, приготований фармацевтичною компанією. Абсолютна чистота - це, однак, ідеальна межа, до якої ми можемо лише наблизитися, і на властивості багатьох речовин може впливати наявність дуже малих кількостей домішок.

Щільно упаковані червоні і білі сфери складають кубовидную структуру. — Малюнок:\(\PageIndex{1}\) Розташування атомів і молекул в кристалі броміду ртуті (I), Hg 2 _Br 2_. з Вікіпедії (Кредит: CCoil). Зображення праворуч - суцільний Hg ₂ Br ₂, показаний в макроскопічному вигляді.

Крупним планом нижньої частини пробірки, яка показує коричнево-біле тверде тіло. — Малюнок:\(\PageIndex{1}\) Розташування атомів і молекул в кристалі броміду ртуті (I), Hg 2 _Br 2_. з Вікіпедії (Кредит: CCoil). Зображення праворуч - суцільний Hg ₂ Br ₂, показаний в макроскопічному вигляді.

Третій закон хімічного складу можна вивести з атомної теорії. Він передбачає ситуацію, коли два елементи можуть поєднуватися не одним способом, утворюючи не одне з'єднання. Наприклад, якщо подрібнити бромід ртуті (II) і ретельно змішати з рідкою ртуттю, утворюється нова сполука - бромід ртуті (I) (бромід ртуті). Бромід ртуті (I) - це біла тверда речовина, яка відрізняється від броміду ртуті (II) через його нерозчинність в гарячій або холодній воді. Ртуть (I) бромід також змінюється безпосередньо від твердого до газу при 345° C. з мікроскопічного погляду твердого броміду ртуті (I) на наведеному вище малюнку, ви можете легко визначити, що його хімічна формула є\(Hg_2Br_2\). (Оскільки в молекулі є два атоми кожного виду, було б неправильно писати формулу як HgBr.) Хімічне рівняння синтезу броміду ртуті

\[\text{Hg} (l) + \text{HgBr}_2 (s) \rightarrow \text{Hg}_2\text{Br}_2 (s) \label{2} \]

Хімічне рівняння виражається через кульові та паликові структури. Біла сфера, пов'язана з двома червоними сферами, реагує з єдиною білою сферою. Двостороння стрілка вказує на структуру з двома пов'язаними білими сферами в центрі, з'єднаними з двома червоними сферами, однією ліворуч та праворуч.

З формул HgBr ₂ та Hg ₂ Br ₂ (і зображення вище) ми бачимо, що бромід ртуті (II) має лише 1 атом ртуті на кожні 2 броми, тоді як бромід ртуті (I) має 2 атоми ртуті на кожні 2 броми. Таким чином, для заданої кількості атомів брому бромід ртуті (I) завжди матиме вдвічі більше атомів ртуті, ніж бромід ртуті (II). Знову використовуючи постулат 2 з атомної теорії Дальтона, атоми мають характерні маси, і тому задане число атомів брому відповідає фіксованій масі брому. Вдвічі більше атомів ртуті відповідає подвоєній масі ртуті.

Тому можна сказати, що для даної маси брому бромід ртуті (I) буде містити половину маси ртуті, яку буде бромід ртуті (II) (подвоєна маса ртуті була забезпечена додаванням рідкої ртуті до броміду ртуті в Рівнянні\(\ref{2}\)).

Приклад\(\PageIndex{1}\)

З огляду на, що маса атома ртуті в 2,510 рази перевищує масу атома брому, обчислюють масове співвідношення ртуті до брому в броміді ртуті (I).

Рішення

Формула\(Hg_2Br_2\) говорить нам, що в кожній молекулі є 2 атома ртуті і 2 атома брому. Таким чином, співвідношення маси становить

\[\dfrac{\text{Mass of 2 mercury atoms}}{\text{Mass of 2 bromide atoms}} = \dfrac{\text{2}\times(\text{2.510}\times\text{Mass of 1 bromide atom})}{\text{2}\times\text{Mass of 1 bromide atom}}=\text{2.510}\nonumber \]

Відзначимо, що маса ртуті на одиницю маси брому вдвічі більше, ніж розрахована раніше для броміду ртуті (II).

Наведені вище міркування і розрахунки ілюструють закон кратних пропорцій. Коли два елементи утворюють кілька з'єднань, співвідношення маси в одному з'єднанні буде невеликим цілим числом кратним масовому співвідношенню в іншому. У разі броміду ртуті (II) та броміду ртуті (I) масові співвідношення ртуті до брому складають відповідно 1,255 та 2,510. Друге значення - маленьке ціле число, кратне (2 рази) першому.

Поки не була запропонована атомна теорія, ніхто не очікував, що між масовими співвідношеннями в двох або більше сполуках, що містять однакові елементи. Оскільки теорія передбачала такі відносини, Дальтон і інші хіміки стали шукати їх. Незадовго було накопичено багато експериментальних доказів, щоб показати, що закон множинних пропорцій дійсний. Таким чином атомна теорія змогла врахувати раніше відомі факти і закони, а також передбачала новий закон. У процесі перевірки цього передбачення Дальтон і його сучасники зробили безліч додаткових кількісних експериментів. Це призвело до більшої кількості фактів, більше законів і, врешті-решт, нових або модифікованих теорій. Ця характеристика стимулювання більшої кількості досліджень та думок поставила постулати Далтона у видатну компанію інших хороших наукових теорій.