Перелом произошел позднее – после того, как европейские мыслители вернулись к атомистическим взглядам. Одним из первых в длинном ряду ученых стал англичанин Роберт Бойль, живший в XVII веке. В результате опытов и рассуждений он пришел к выводу: вещество может находиться в трех состояниях – жидком, твердом и газообразном. И в каждом состоянии вещество состоит из мельчайших частиц – корпускул, которые механически (то есть при помощи крючочков, зазубрин и так далее) сцепляются между собой.
Оставалось неясным, почему происходят взаимодействия между веществами. Для ответа на этот вопрос немецкий врач Эрнст Шталь, практиковавший в начале XVIII века, предположил, что должно существовать некое вещество, не имеющее ни веса, ни запаха, ни цвета. Это вещество он назвал флогистоном. По мнению Шталя, флогистон должен обуславливать связи и химическое взаимодействие между корпускулами. Например, горят дрова в камине. Видно пламя. Образуются зола и дым. Теория Шталя объясняла этот процесс очень просто: флогистон переходит из одного вещества в другие. Считалось, что флогистон – это нематериальное начало горючести. Особенно много флогистона содержат воспламеняющиеся вещества.
Теория Шталя выглядела очень стройной и стала первой теорией научной химии, отделив последнюю от алхимии. Она получила широкое распространение, и слово «флогистон» не сходило со страниц научных трудов. Никто из ученых не сомневался в его существовании. И даже когда опыты указывали на то, что в этой теории концы не сходятся с концами, ученые упорно старались ее усовершенствовать. Кстати, раньше остальных отказался от нее наш выдающийся соотечественник Михаил Ломоносов.
В 1770-х годах теория флогистона была все-таки опровергнута благодаря работам Антуана Лавуазье. Старую теорию сменила другая – кислородная теория горения. Новые идеи встретили сопротивление европейских ученых. Одним из таких был естествоиспытатель Ричард Кирван, возглавлявший Ирландскую академию в Дублине. В 1792 году Кирван официально заявил: «Я вижу теперь ясно, что нет ни одного надежного опыта, который бы доказывал образование „фиксируемого воздуха“ из флогистона и кислорода, а при этих обстоятельствах невозможно далее считать справедливой флогистическую систему».
Следующий шаг сделал ученый-самоучка из Манчестера – учитель математики и химии Джон Дальтон. На свои средства он оборудовал лабораторию, стал проводить опыты. Он задумывался над механизмом превращения веществ и постепенно сформулировал собственную теорию химического взаимодействия. Дальтон отказался от общеупотребимого термина «корпускула», вернувшись к античному «атому», что, по его мнению, лучше всего подчеркивало элементарность неделимой частицы вещества.
В 1808 году Джон Дальтон опубликовал первый том «Нового курса химической философии», в которой изложил основы созданной им теории. В этой книге он описывал атомы как упругие и неподвижные в обычном состоянии шарики. Дальтон пришел к выводу, что в природе существуют простые вещества, названные им элементами, и сложные, которые состоят из этих элементов. Каждый элемент складывается из атомов, характерных только для него, со строго определенными свойствами.
Главным выводом из теории Дальтона стал закон кратных отношений, который гласит, что атомы веществ образуют более сложное вещество только в простейшей пропорции. Другими словами, в химических реакциях могут соединяться только целые атомы, но ни в коем случае не их части. Дальтон впервые ввел в практику понятие «атомного веса» (или «атомной массы») элемента. В его времена взвесить атом было принципиально невозможно, поэтому ученый предложил оперировать относительными величинами. Скажем, если принять вес атома водорода за единицу, то можно будет посчитать вес атомов других элементов по отношению к атому водорода.
Чтобы установить атомный вес тех или иных элементов, Дальтон проводил множество опытов. Например, он брал водород с хлором и получал хлористый водород. При этом Дальтон установил, что новое вещество получается из одной весовой части водорода и приблизительно тридцати пяти весовых частей хлора. И сделал правильный вывод: атомный вес водорода в тридцать пять раз меньше атомного веса хлора. Тем не менее его теория приводила и к ошибкам. Дальтон взял водород с кислородом и нашел, что вода получается из одной весовой части водорода и восьми весовых частей кислорода. Ученый пришел к выводу, что атомный вес кислорода должен быть равен восьми. Однако в действительности атомный вес кислорода вдвое больше. Дело в том, что Дальтон полагал, будто бы атомы элементов соединяются друг с другом в пропорции один к одному. В действительности они могут образовывать сложные молекулы: та же молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Ошибку Дальтона исправили итальянский физик Амедео Авогадро и шведский химик Иоганн Берцелиус. Последний также установил, что элементы не соединяются в простых отношениях. Заданное количество водорода на самом деле чуть меньше, чем восьмикратная масса кислорода. Получалось, что если атомный вес водорода предположительно составляет 1, то атомный вес кислорода должен быть не 16, а 15,87. Чтобы проводить дальнейшие исследования атомного веса элементов, показалось более удобным определить атомный вес кислорода, в отличие от атомного веса водорода, как целое число. В частности, такую попытку предпринял сам Берцелиус, опубликовав в 1828 году свою таблицу атомных весов. Вначале он определил атомный вес кислорода как 100, затем решил уменьшить цифры и установил атомный вес кислорода 16 единиц. В этом случае атомный вес водорода должен немного превышать 1, то есть стал равным 1,008. Введенная Берцелиусом система просуществовала почти полтораста лет.
На протяжении всего XIX века химики продолжали интенсивно работать над проблемой определения атомного веса. К началу XX века им удалось определить атомный вес большинства известных элементов, многих с точностью до двух знаков, а иных даже до трех. Некоторые элементы имеют атомный вес, выраженный в числах, которые близки к целым (по стандарту кислород равен 16). Атомный вес алюминия, скажем, составляет около 27, кальция около 40, углерода около 12, золота около 197. Однако выяснилось, что у некоторых элементов атомный вес очень далек от целых чисел. Атомный вес хлора – 35,5, меди 63,5, железа 55,8, серебра – 107,9 и так далее.
Химики не знали, почему у одних веществ атомный вес составляет целые числа, а у других нет. Они просто проводили опыты и публиковали результаты. Ответы на очередные вопросы были получены только тогда, когда был достигнут прогресс в исследовании электричества.
В XVIII веке ученые прямо-таки восхищались свойствами электричества. В то время его представляли как очень легкую и подвижную жидкость, которая беспрепятственно проходит через материальные тела. Однако электричество могло не только проходить сквозь тела, но и вызывать в них значительные изменения. Уже в первые годы XIX века исследователи обнаружили, что поток электричества в жидкости заставлял различные атомы или группы атомов двигаться в противоположных направлениях.
В 1832 году английский физик Майкл Фарадей заметил, что определенное количество электричества, проходящее через разные вещества, освобождает одно и то же количество атомов. Правда, в некоторых случаях освобождалась только половина, а иногда и треть ожидаемого количества атомов. Стремясь объяснить это явление, ученые высказали предположение, что электричество, так же как и материя, может состоять из крошечных частиц и при расщеплении молекул «единица электричества» прикрепляется к каждому атому. В этом случае некоторое количество электричества, содержащее одно и то же число единиц, способно освободить одно и то же количество атомов.