Atoomtheorie

Het meest invloedrijke werk van Dalton in de scheikunde was zijn atoomtheorie. Pogingen om precies te achterhalen hoe Dalton deze theorie ontwikkelde zijn vruchteloos gebleken; zelfs Dalton’s eigen herinneringen over dit onderwerp zijn onvolledig. Hij baseerde zijn theorie over partiële drukken op het idee dat alleen gelijksoortige atomen in een gasmengsel elkaar afstoten, terwijl atomen die niet op elkaar lijken te lijken onverschillig op elkaar reageren. Deze opvatting verklaarde waarom elk gas in een mengsel zich onafhankelijk gedroeg. Hoewel later werd aangetoond dat deze opvatting onjuist was, diende zij een nuttig doel omdat zij hem in staat stelde af te rekenen met het idee van veel eerdere atomisten, van de Griekse filosoof Democritus tot de 18e-eeuwse wiskundige en astronoom Ruggero Giuseppe Boscovich, dat atomen van alle soorten materie gelijk zijn. Dalton beweerde dat atomen van verschillende elementen verschillen in grootte en massa, en deze bewering is inderdaad het kardinale kenmerk van zijn atoomtheorie. Zijn argument dat elk element zijn eigen soort atoom had, was contra-intuïtief voor hen die geloofden dat het hebben van zoveel verschillende fundamentele deeltjes de eenvoud van de natuur teniet zou doen, maar Dalton deed hun bezwaren af als hersenschimmen. In plaats daarvan richtte hij zich op het bepalen van de relatieve massa’s van elk verschillend soort atoom, een proces dat volgens hem alleen kon worden bereikt door te kijken naar het aantal atomen van elk element dat in verschillende chemische verbindingen aanwezig was. Hoewel Dalton al enige jaren scheikunde had gedoceerd, had hij nog geen daadwerkelijk onderzoek op dit gebied verricht.

In een memoires voorgelezen aan de Manchester Literary and Philosophical Society op 21 oktober 1803, beweerde hij: “Een onderzoek naar de relatieve gewichten van de uiteindelijke deeltjes van lichamen is, voor zover ik weet, een geheel nieuw onderwerp; ik heb dit onderzoek de laatste tijd met opmerkelijk succes voortgezet. Hij beschreef zijn methode om de massa’s van verschillende elementen, waaronder waterstof, zuurstof, koolstof en stikstof, te meten aan de hand van de manier waarop zij zich combineerden met vaste massa’s van elkaar. Dergelijke metingen waren alleen zinvol als de elementen zich in vaste verhoudingen met elkaar verhielden. Dalton ging uit van vaste verhoudingen en negeerde de controverse tussen de Franse chemici Joseph-Louis Proust en Claude-Louis Berthollet over die stelling. Dalton’s metingen, hoe ruw ze ook waren, stelden hem in staat de Wet van Meervoudige Verhoudingen te formuleren: Wanneer twee elementen meer dan één verbinding vormen, is de verhouding tussen de massa’s van het ene element en de vaste massa van het andere een klein geheel getal. Zo komen, uitgaande van de elementen A en B, op natuurlijke wijze verschillende combinaties tussen hen voor volgens de massaverhoudingen A:B = x:y of x:2y of 2x:y, enzovoort. Verschillende verbindingen werden gevormd door atomaire bouwstenen van verschillende massa’s te combineren. Zoals de Zweedse scheikundige Jöns Jacob Berzelius aan Dalton schreef: “De wet van de veelvoudige verhoudingen is een mysterie zonder de atoomtheorie.” En Dalton leverde de basis voor deze theorie.

Het probleem bleef echter dat de kennis van verhoudingen onvoldoende was om het werkelijke aantal elementaire atomen in elke verbinding te bepalen. Methaan bleek bijvoorbeeld twee keer zoveel waterstof te bevatten als ethyleen. Volgens Dalton’s regel van de “grootste eenvoud”, namelijk dat AB de meest waarschijnlijke combinatie is waarvoor hij in de geometrie van dicht opeengepakte bollen een oneerlijke rechtvaardiging vond, kende hij methaan een combinatie toe van één koolstof- en twee waterstofatomen en ethyleen een combinatie van één koolstof- en één waterstofatoom. Dit is, zoals wij nu weten, onjuist, want de methaanmolecule wordt chemisch gesymboliseerd als CH4 en de ethyleenmolecule als C2H4. Desondanks overwon Dalton’s atoomtheorie haar zwakheden omdat zijn basisargument correct was. Het overwinnen van de tekortkomingen van Dalton’s theorie was echter een geleidelijk proces, dat pas in 1858 werd voltooid nadat de Italiaanse scheikundige Stanislao Cannizzaro had gewezen op het nut van Amadeo Avogadro’s hypothese voor het bepalen van moleculaire massa’s. Sindsdien hebben chemici aangetoond dat de theorie van het Dalton-atomisme een sleutelfactor is die aan de basis ligt van verdere vooruitgang op hun gebied. Vooral de organische scheikunde boekte snelle vooruitgang toen Dalton’s theorie eenmaal was aanvaard. Dalton’s atoomtheorie leverde hem de bijnaam “vader van de scheikunde” op