Teoria atómica
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De longe o trabalho mais influente de Dalton em química foi a sua teoria atômica. Tentativas de traçar precisamente como Dalton desenvolveu essa teoria provaram ser inúteis; até mesmo as próprias lembranças de Dalton sobre o assunto são incompletas. Ele baseou sua teoria das pressões parciais na idéia de que apenas como átomos em uma mistura de gases se repelem uns aos outros, enquanto que ao contrário dos átomos parecem reagir indiferentemente uns para os outros. Esta conceptualização explicou porque cada gás de uma mistura se comportava de forma independente. Embora esta visão se tenha mostrado mais tarde errónea, serviu um propósito útil ao permitir-lhe abolir a ideia, defendida por muitos atomistas anteriores do filósofo grego Demócrito ao matemático e astrónomo Ruggero Giuseppe Boscovich do século XVIII, de que átomos de todo o tipo de matéria são iguais. Dalton afirmou que átomos de diferentes elementos variam em tamanho e massa, e de facto esta afirmação é a característica cardinal da sua teoria atómica. Seu argumento de que cada elemento tinha seu próprio tipo de átomo era contra-intuitivo para aqueles que acreditavam que ter tantas partículas fundamentais diferentes destruiria a simplicidade da natureza, mas Dalton descartou suas objeções como sendo fantasiosas. Em vez disso, ele se concentrou em determinar as massas relativas de cada tipo diferente de átomo, um processo que poderia ser realizado, alegou ele, apenas considerando o número de átomos de cada elemento presente em diferentes compostos químicos. Embora Dalton tivesse ensinado química durante vários anos, ele ainda não tinha feito pesquisas reais neste campo.
Em uma leitura de memórias para a Sociedade Literária e Filosófica de Manchester, em 21 de outubro de 1803, ele afirmou: “Um inquérito sobre os pesos relativos das partículas finais dos corpos é um assunto, tanto quanto sei, inteiramente novo; ultimamente, tenho processado este inquérito com notável sucesso.” Ele descreveu seu método de medir as massas de vários elementos, incluindo hidrogênio, oxigênio, carbono e nitrogênio, de acordo com a forma como eles se combinam com as massas fixas uns dos outros. Para que tais medições fossem significativas, os elementos tinham de se combinar em proporções fixas. Dalton tomou as proporções fixas como certas, ignorando a controvérsia contemporânea entre os químicos franceses Joseph-Louis Proust e Claude-Louis Berthollet sobre essa mesma proposta. As medidas de Dalton, rudes como eram, permitiram-lhe formular a Lei das Múltiplas Proporções: Quando dois elementos formam mais do que um composto, as massas de um elemento que combinam com uma massa fixa do outro estão numa proporção de pequenos números inteiros. Assim, tomando os elementos como A e B, várias combinações entre eles ocorrem naturalmente de acordo com as relações de massa A:B = x:y ou x:2y ou 2x:y, e assim por diante. Diferentes compostos foram formados pela combinação de blocos de construção atómica de diferentes massas. Como o químico sueco Jöns Jacob Berzelius escreveu a Dalton: “A lei de múltiplas proporções é um mistério sem a teoria atômica”. E Dalton forneceu a base para esta teoria.
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O problema permaneceu, no entanto, que o conhecimento das proporções era insuficiente para determinar o número real de átomos elementares em cada composto. Por exemplo, verificou-se que o metano continha o dobro de hidrogénio do que o etileno. Seguindo a regra de Dalton de “maior simplicidade”, nomeadamente, que o AB é a combinação mais provável para a qual ele encontrou uma justificação meretrícia na geometria das esferas compactas, ele atribuiu ao metano uma combinação de um carbono e dois átomos de hidrogénio e ao etileno uma combinação de um carbono e um átomo de hidrogénio. Isto, sabemos agora, é incorreto, pois a molécula de metano está quimicamente simbolizada como CH4 e a molécula de etileno como C2H4. No entanto, a teoria atômica de Dalton triunfou sobre suas fraquezas porque seu argumento fundacional estava correto. No entanto, a superação dos defeitos da teoria de Dalton foi um processo gradual, finalizado em 1858 somente depois que o químico italiano Stanislao Cannizzaro apontou a utilidade da hipótese de Amadeo Avogadro na determinação das massas moleculares. Desde então, os químicos têm demonstrado que a teoria do atomismo Daltoniano é um fator-chave subjacente a novos avanços em seu campo. A química orgânica em particular progrediu rapidamente uma vez que a teoria de Dalton ganhou aceitação. A teoria atômica de Dalton lhe rendeu o sobriquete “pai da química”