Atomtheorie

Daltons bei weitem einflussreichstes Werk in der Chemie war seine Atomtheorie. Versuche, genau nachzuvollziehen, wie Dalton diese Theorie entwickelte, haben sich als erfolglos erwiesen; selbst Daltons eigene Erinnerungen zu diesem Thema sind unvollständig. Er stützte seine Theorie der Partialdrücke auf die Vorstellung, dass sich nur gleichartige Atome in einem Gasgemisch gegenseitig abstoßen, während ungleichartige Atome gleichgültig aufeinander zu reagieren scheinen. Diese Vorstellung erklärte, warum sich jedes Gas in einem Gemisch unabhängig voneinander verhielt. Obwohl sich diese Ansicht später als falsch herausstellte, diente sie einem nützlichen Zweck, indem sie es ihm ermöglichte, die von vielen früheren Atomisten – vom griechischen Philosophen Demokrit bis zum Mathematiker und Astronomen Ruggero Giuseppe Boscovich aus dem 18. Jahrhundert – vertretene Vorstellung aufzuheben, dass die Atome aller Arten von Materie gleich sind. Dalton behauptete, dass sich die Atome der verschiedenen Elemente in Größe und Masse unterscheiden, und diese Behauptung ist in der Tat das Hauptmerkmal seiner Atomtheorie. Sein Argument, dass jedes Element seine eigene Art von Atom habe, widersprach denjenigen, die glaubten, dass so viele verschiedene Grundteilchen die Einfachheit der Natur zerstören würden, aber Dalton tat ihre Einwände als phantasievoll ab. Stattdessen konzentrierte er sich auf die Bestimmung der relativen Massen der einzelnen Atomsorten, ein Prozess, der seiner Meinung nach nur durch die Berücksichtigung der Anzahl der Atome jedes Elements in den verschiedenen chemischen Verbindungen erreicht werden konnte. Obwohl Dalton mehrere Jahre lang Chemie gelehrt hatte, hatte er noch keine wirkliche Forschung auf diesem Gebiet betrieben.

In einer Denkschrift, die am 21. Oktober 1803 vor der Manchester Literary and Philosophical Society verlesen wurde, behauptete er: „Eine Untersuchung der relativen Gewichte der letzten Teilchen von Körpern ist ein Thema, soweit ich weiß, völlig neu; ich habe diese Untersuchung in letzter Zeit mit bemerkenswertem Erfolg betrieben.“ Er beschrieb seine Methode zur Messung der Massen verschiedener Elemente, darunter Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff, je nachdem, wie sie sich mit festen Massen von anderen Elementen verbinden. Wenn solche Messungen aussagekräftig sein sollten, mussten sich die Elemente in festen Proportionen verbinden. Dalton nahm die festen Verhältnisse als gegeben hin und ignorierte die zeitgenössische Kontroverse zwischen den französischen Chemikern Joseph-Louis Proust und Claude-Louis Berthollet über eben diese These. Daltons Messungen, so grob sie auch waren, ermöglichten es ihm, das Gesetz der Mehrfachproportionen zu formulieren: Wenn zwei Elemente mehr als eine Verbindung bilden, stehen die Massen des einen Elements, die sich mit einer festen Masse des anderen verbinden, in einem Verhältnis kleiner ganzer Zahlen. Nimmt man also die Elemente A und B, so ergeben sich natürlich verschiedene Kombinationen zwischen ihnen entsprechend den Massenverhältnissen A:B = x:y oder x:2y oder 2x:y usw. Verschiedene Verbindungen wurden durch die Kombination von Atombausteinen mit unterschiedlichen Massen gebildet. Wie der schwedische Chemiker Jöns Jacob Berzelius an Dalton schrieb: „Das Gesetz der multiplen Proportionen ist ohne die Atomtheorie ein Rätsel.“ Und Dalton lieferte die Grundlage für diese Theorie.

Das Problem blieb jedoch, dass die Kenntnis der Verhältnisse nicht ausreichte, um die tatsächliche Anzahl der Elementaratome in jeder Verbindung zu bestimmen. So wurde beispielsweise festgestellt, dass Methan doppelt so viel Wasserstoff enthält wie Ethylen. Daltons Regel der „größten Einfachheit“ folgend, nämlich dass AB die wahrscheinlichste Kombination ist, für die er eine trügerische Rechtfertigung in der Geometrie der dicht gepackten Kugeln fand, ordnete er Methan eine Kombination aus einem Kohlenstoff- und zwei Wasserstoffatomen und Ethylen eine Kombination aus einem Kohlenstoff- und einem Wasserstoffatom zu. Dies ist, wie wir heute wissen, falsch, denn das Methanmolekül wird chemisch als CH4 und das Ethylenmolekül als C2H4 bezeichnet. Dennoch hat Daltons Atomtheorie ihre Schwächen überwunden, denn sein grundlegendes Argument war richtig. Die Überwindung der Mängel von Daltons Theorie war jedoch ein allmählicher Prozess, der erst 1858 abgeschlossen wurde, nachdem der italienische Chemiker Stanislao Cannizzaro auf die Nützlichkeit der Hypothese von Amadeo Avogadro bei der Bestimmung der Molekülmassen hingewiesen hatte. Seitdem haben Chemiker gezeigt, dass die Daltonsche Atomtheorie ein Schlüsselfaktor für weitere Fortschritte auf ihrem Gebiet ist. Insbesondere die organische Chemie machte rasche Fortschritte, als sich Daltons Theorie durchsetzte. Daltons Atomtheorie brachte ihm den Beinamen „Vater der Chemie“ ein.