Teoria atomowa

Zdecydowanie najbardziej wpływową pracą Daltona w chemii była jego teoria atomowa. Próby dokładnego prześledzenia, w jaki sposób Dalton stworzył tę teorię, okazały się daremne; nawet wspomnienia samego Daltona na ten temat są niekompletne. Swoją teorię ciśnień parcjalnych Dalton oparł na założeniu, że tylko podobne atomy w mieszaninie gazów odpychają się wzajemnie, podczas gdy niepodobne atomy reagują na siebie obojętnie. Koncepcja ta wyjaśniała, dlaczego każdy gaz w mieszaninie zachowuje się niezależnie. Chociaż później okazało się, że pogląd ten jest błędny, posłużył on Daltonowi do obalenia poglądu, wyznawanego przez wielu wcześniejszych atomistów, od greckiego filozofa Demokryta po osiemnastowiecznego matematyka i astronoma Ruggero Giuseppe Boscovicha, że atomy wszystkich rodzajów materii są do siebie podobne. Dalton twierdził, że atomy różnych pierwiastków różnią się wielkością i masą, i rzeczywiście to twierdzenie jest główną cechą jego teorii atomistycznej. Jego argument, że każdy pierwiastek ma swój własny rodzaj atomu, był sprzeczny z intuicją tych, którzy uważali, że posiadanie tak wielu różnych podstawowych cząstek zniszczyłoby prostotę natury, ale Dalton odrzucił ich obiekcje jako wymyślne. Zamiast tego skupił się na określeniu względnej masy każdego rodzaju atomu, co – jak twierdził – można było osiągnąć jedynie poprzez rozważenie liczby atomów każdego pierwiastka obecnych w różnych związkach chemicznych. Chociaż Dalton przez kilka lat uczył chemii, nie prowadził jeszcze rzeczywistych badań w tej dziedzinie.

W pamiętniku przeczytanym w Manchester Literary and Philosophical Society 21 października 1803 roku twierdził: „Dochodzenie do względnych ciężarów ostatecznych cząstek ciał jest tematem, o ile wiem, całkowicie nowym; ostatnio prowadziłem to dochodzenie z niezwykłym sukcesem”. Opisał swoją metodę mierzenia mas różnych pierwiastków, w tym wodoru, tlenu, węgla i azotu, według sposobu, w jaki łączyły się one ze stałymi masami siebie nawzajem. Jeśli takie pomiary miały mieć sens, pierwiastki musiały łączyć się w stałych proporcjach. Dalton przyjął stałe proporcje za pewnik, nie zważając na ówczesne kontrowersje między francuskimi chemikami Josephem-Louisem Proustem i Claude-Louisem Bertholletem dotyczące tej właśnie tezy. Pomiary Daltona, choć surowe, pozwoliły mu na sformułowanie Prawa Wielokrotnych Proporcji: Kiedy dwa pierwiastki tworzą więcej niż jeden związek, masy jednego pierwiastka, które łączą się ze stałą masą drugiego, pozostają w stosunku małych liczb całkowitych. Tak więc, biorąc pierwiastki jako A i B, różne kombinacje między nimi naturalnie występują zgodnie ze stosunkami mas A:B = x:y lub x:2y lub 2x:y, i tak dalej. Różne związki powstały przez połączenie atomowych bloków budulcowych o różnych masach. Jak napisał do Daltona szwedzki chemik Jöns Jacob Berzelius: „Prawo wielokrotnych proporcji jest tajemnicą bez teorii atomu”. I Dalton dostarczył podstaw dla tej teorii.

Problemem pozostawało jednak to, że znajomość proporcji była niewystarczająca do określenia rzeczywistej liczby atomów pierwiastków w każdym związku. Na przykład okazało się, że metan zawiera dwa razy więcej wodoru niż etylen. Kierując się zasadą „największej prostoty” Daltona, a mianowicie, że AB jest najbardziej prawdopodobną kombinacją, dla której znajdował on mierne uzasadnienie w geometrii ciasno upakowanych kul, przypisał metanowi kombinację jednego atomu węgla i dwóch atomów wodoru, a etylenowi kombinację jednego atomu węgla i jednego atomu wodoru. Obecnie wiemy, że jest to błędne, ponieważ cząsteczka metanu jest symbolizowana chemicznie jako CH4, a cząsteczka etylenu jako C2H4. Mimo to, teoria atomowa Daltona zwyciężyła nad swoimi słabościami, ponieważ jego fundamentalny argument był poprawny. Przezwyciężenie wad teorii Daltona było jednak procesem stopniowym, zakończonym w 1858 roku dopiero po tym, jak włoski chemik Stanislao Cannizzaro wskazał na użyteczność hipotezy Amadeo Avogadro w określaniu mas cząsteczkowych. Od tego czasu chemicy wykazali, że teoria daltonowskiego atomizmu jest kluczowym czynnikiem leżącym u podstaw dalszych postępów w ich dziedzinie. Zwłaszcza chemia organiczna rozwijała się szybko, gdy teoria Daltona zyskała akceptację. Teoria atomistyczna Daltona przyniosła mu przydomek „ojca chemii”

.