Закон объемных отношений

Атомистическая теория Дальтона была достаточно наглядна; она убедительно объясняла законы стехиометрии — закон эквивалентных весов, закон постоянных отношений (постоянства состава) и закон простых кратных отношений. Однако эта гипотеза была сложна для практического применения. На ее основе не были определены точные значения атомных весов (атомных масс).

В том же году, когда увидела свет первая часть книги Дальтона «Новая система химической философии», французский химик Ж. Л. Гей-Люссак опубликовал результаты исследований об объемах реагирующих друг с другом газов (1808 г.).

В 1802 г. Гей-Люссак открыл (независимо от Дальтона) закон равномерного расширения газов при нагревании, а с 1805 г. стал проводить систематические измерения объемов различных газов и продуктов их взаимодействия. Вместе с А. Гумбольдтом он точно определил объемные соотношения водорода, кислорода и образующихся при их взаимодействии паров воды. Гей-Люссак и Гумбольдт установили, что из двух объемов водорода и одного объема кислорода образуются ровно два объема паров воды. Гей-Люссак исследовал и другие газы и их смеси и обнаружил, что 1000 мл (2 объема) монооксида углерода реагируют с 500 мл (1 объемом) кислорода, образуя 1000 мл (2 объема) диоксида углерода; 1000 мл азота соединяются с 3000 мл водорода, превращаясь в 2000 мл аммиака, а 1000 мл азота и 1000 мл кислорода превращаются в 2000 мл монооксида азота. На основе этих результатов Гей-Люссак открыл в 1808 г. закон объемных отношений: объемы газов, реагирующих друг с другом или образующихся в результате химической реакции, соотносятся как небольшие целые числа, например 1:1, 1:2, 1:3 и т.д.

По сравнению с Дальтоном Жозеф Луи Гей-Люссак был молодым ученым. Но тем не менее он уже успел получить важные научные результаты и поэтому приобрел известность. Гей-Люссак родился в 1778 г. в семье юриста в г. Сент-Леонар во Франции. В годы учебы в Париже молодой химик пользовался особым расположением К. Бертолле. Гей-Люссак был смелым естествоиспытателем и часто шел на риск, проводя эксперименты с легко взрывающимися веществами. В 1804 г. совместно с физиком Ж. Био он совершил полет на воздушном шаре на высоте 7000 м. Бертолле познакомил Гей-Люссака с Гумбольдтом. Проведение совместных экспериментов, участие в экспедициях, общий круг знакомых — все это способствовало возникновению дружбы между Гей-Люссаком и Гумбольдтом. Гей-Люссак вел большую преподавательскую работу: он был профессором физики и химии в Политехнической школе, в Сорбонне и вел занятия в Ботаническом саду. С 1808 по 1840 г. совместно с Д. Араго Гей-Люссак издавал «Анналы физики и химии». Когда в 1808 г. Араго из-за его политических убеждений грозило увольнение из Политехнической школы, Гей-Люссак защитил своего коллегу, заявив, что в случае увольнения Араго он также будет вынужден покинуть учебное заведение.

В 1810 г. во второй части своей работы «Новая система химической философии» Дальтон решительно выступил против открытого Гей-Люссаком закона объемных отношений, увидев в нем не подтверждение, а угрозу своей атомистической гипотезе. Дальтон много размышлял на эту тему. Первоначально он даже предполагал, что в одном объеме кислорода содержится столько же атомов, сколько и в одном объеме водорода. «Однако позднее я стал придерживаться другого мнения, и к этому привел меня следующий аргумент: один атом оксида азота состоит из одного атома азота и одного атома кислорода. Теперь, если в одинаковых объемах содержится одинаковое число атомов, то при взаимодействии одного объема азота с одним объемом кислорода должен образоваться один объем оксида азота, но, согласно данным Генри, образуются примерно два объема; поэтому оксид азота в том же объеме может содержать только половину атомов (по сравнению с азотом и кислородом)».

Некоторые другие данные, казалось, также противоречили атомистической гипотезе Дальтона. Например, согласно представлениям Дальтона, плотность монооксида углерода как вещества, состоящего из двух атомов, должна быть больше плотности кислорода как вещества, состоящего из одного атома, однако на самом деле она была меньше. Точно так же плотность паров воды оказалась меньше плотности кислорода.

Ни Дальтону, ни Гей-Люссаку не удалось объяснить противоречия между атомистической гипотезой и газовыми законами.