Théorie atomique

De loin, le travail le plus influent de Dalton en chimie a été sa théorie atomique. Les tentatives de retracer précisément comment Dalton a développé cette théorie se sont avérées vaines ; même les souvenirs de Dalton lui-même sur le sujet sont incomplets. Il a fondé sa théorie des pressions partielles sur l’idée que, dans un mélange de gaz, seuls les atomes semblables se repoussent mutuellement, tandis que les atomes différents semblent réagir indifféremment les uns envers les autres. Cette conceptualisation explique pourquoi chaque gaz d’un mélange se comporte de manière indépendante. Bien qu’il ait été démontré par la suite que ce point de vue était erroné, il a servi à abolir l’idée, défendue par de nombreux atomistes précédents, du philosophe grec Démocrite au mathématicien et astronome du XVIIIe siècle Ruggero Giuseppe Boscovich, selon laquelle les atomes de toutes les sortes de matière sont semblables. Dalton affirmait que les atomes des différents éléments variaient en taille et en masse, et cette affirmation est d’ailleurs le trait cardinal de sa théorie atomique. Son argument selon lequel chaque élément possède son propre type d’atome est contre-intuitif pour ceux qui pensent que la présence d’un si grand nombre de particules fondamentales différentes détruirait la simplicité de la nature, mais Dalton rejette leurs objections comme étant fantaisistes. Il se concentre plutôt sur la détermination des masses relatives de chaque type d’atome, un processus qui ne peut être accompli, selon lui, qu’en tenant compte du nombre d’atomes de chaque élément présent dans les différents composés chimiques. Bien que Dalton ait enseigné la chimie pendant plusieurs années, il n’avait pas encore effectué de recherches réelles dans ce domaine.

Dans un mémoire lu devant la Manchester Literary and Philosophical Society le 21 octobre 1803, il affirme : « Une enquête sur les poids relatifs des particules ultimes des corps est un sujet, pour autant que je sache, entièrement nouveau ; j’ai récemment poursuivi cette enquête avec un succès remarquable. » Il décrit sa méthode de mesure des masses de divers éléments, dont l’hydrogène, l’oxygène, le carbone et l’azote, en fonction de la façon dont ils se combinent avec des masses fixes les unes des autres. Pour que ces mesures soient significatives, les éléments devaient se combiner dans des proportions fixes. Dalton considérait ces proportions fixes comme allant de soi, ignorant la controverse contemporaine entre les chimistes français Joseph-Louis Proust et Claude-Louis Berthollet sur cette même proposition. Les mesures de Dalton, aussi grossières soient-elles, lui ont permis de formuler la loi des proportions multiples : Lorsque deux éléments forment plus d’un composé, les masses d’un élément qui se combinent avec une masse fixe de l’autre sont dans un rapport de petits nombres entiers. Ainsi, en prenant les éléments A et B, diverses combinaisons entre eux se produisent naturellement selon les rapports de masse A:B = x:y ou x:2y ou 2x:y, et ainsi de suite. Différents composés se sont formés en combinant des éléments atomiques de masses différentes. Comme l’écrivait le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius à Dalton : « La loi des proportions multiples est un mystère sans la théorie atomique. » Et Dalton a fourni les bases de cette théorie.

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Le problème restait cependant que la connaissance des ratios était insuffisante pour déterminer le nombre réel d’atomes élémentaires dans chaque composé. Par exemple, on a découvert que le méthane contenait deux fois plus d’hydrogène que l’éthylène. Suivant la règle de Dalton de la « plus grande simplicité », à savoir que AB est la combinaison la plus probable pour laquelle il a trouvé une justification dérisoire dans la géométrie des sphères serrées, il a attribué au méthane une combinaison d’un atome de carbone et de deux atomes d’hydrogène et à l’éthylène une combinaison d’un atome de carbone et d’un atome d’hydrogène. Nous savons maintenant que c’est incorrect, car la molécule de méthane est symbolisée chimiquement par CH4 et celle d’éthylène par C2H4. Néanmoins, la théorie atomique de Dalton a triomphé de ses faiblesses car son argument de base était correct. Toutefois, le dépassement des défauts de la théorie de Dalton a été un processus progressif, qui n’a abouti en 1858 qu’après que le chimiste italien Stanislao Cannizzaro eut souligné l’utilité de l’hypothèse d’Amadeo Avogadro pour déterminer les masses moléculaires. Depuis lors, les chimistes ont montré que la théorie de l’atomisme daltonien était un facteur clé à l’origine de nouvelles avancées dans leur domaine. La chimie organique, en particulier, a progressé rapidement dès que la théorie de Dalton a été acceptée. La théorie atomique de Dalton lui a valu le sobriquet de « père de la chimie »

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