Џон Далтон

Џон Далтон, со својата визија за атомите како неделиви градежни единици на материјата, го положи темелот на современата хемија и ни овозможи да ја мериме и предвидуваме природата на гасовите преку законот за парцијални притисоци.

Џон Далтон (1766–1844) потекнувал од скромно квекерско семејство. Неговиот интерес за природните науки се развилуште во младоста, решавајќи математички и научни проблеми и одговарајќи на прашања во дневни весници.

Во 1787 година, на 21-годишна возраст, тој почнал да води свој метеоролошки дневник, во кој за следните 57 години запишал повеќе од 200.000 набљудувања. Далтон секојдневно забележувал температура, притисок и временски услови, без разлика каде бил. Една од највпечатливите анегдоти е дека ден пред смртта, додека му треперела раката по мозочен удар, успеал да направи последно метеоролошко набљудување. Научната дисциплина за него била поголема од се. 

Во 1794 година, кратко по пристигнувањето во Манчестер, Далтон бил избран за член на Манчестерското литературно-филозофско здружение а неколку недели подоцна ја презентирал својата прва статија за „Необични факти во врска со видот на боите“, во која претпоставил дека намалената перцепција на боите е предизвикана од промена на бојата на течната средина на окото. Бидејќи тој и неговиот брат биле слепи за бои, тој заклучил дека состојбата мора да е наследна.

Иако теоријата на Далтон подоцна била одбиена како неточна, неговото рано истражување за дефицитите во видот на боите било признато по неговата смрт. Испитувањето на зачуваното око на Далтон во 1995 година покажало дека тој имал деутеранопија, вид на вродено црвено-зелено слепило, при кое генот за средно браново чувствителни (зелени) фотопсини недостасува. Луѓето со овој вид слепило ги гледаат сите бои како сини, жолти или сиви.

Научник и после смртта: ги донирал очите на науката, но на обдукцијата, на нив ништо чудно не било најдено. Дури по 150 години, ДНК анализата открила дека му недостасува ген за рецептор чувствителен на светлина со средна бранова должина (слепило за црвена и зелена боја). 

Остатоци од неговите очи кои се чуваат во музеј

Далтон ја изложил основата на законот на Гај-Лисак, објавен во 1802 година од Жозеф Луј Геј-Лисак (кој ја припишал заслугата на непубликуваниот труд од 1780-тите на Жак Шарл). Во следните две-три години, Далтон објавил неколку статии на слични теми. Статијата On the Absorption of Gases by Water and other Liquids (презентирана како предавање на 21 октомври 1803, првично објавена во 1805) содржела неговиот закон за парцијални притисоци, денес познат како Далтонов закон.

По опишувањето на експериментите за утврдување на притисокот на пареа на различни точки помеѓу 0 и 100 °C, Далтон заклучува, врз основа на набљудувањата на парниот притисок на шест различни течности, дека варијацијата на парниот притисок за сите течности е еквивалентна за иста промена на температурата, сметано од пареа со одреден притисок.

Далтоновиот закон за парцијални притисоци се однесува на смеса на гасови, формулиран околу 1801 година,  гласи:

„Во смеса од немешливи гасови, вкупниот притисок е еднаков на збирот на притисоците кои би ги извршиле секој од гасовите ако самостојно го пополнуваше целиот волумен.“

Математички се изразува вака:

P_вкупно=P₁+P₂+P₃+⋯+P_n

 Најзначајните Далтонови истражувања се поврзани со атомската теорија во хемијата. Иако неговото име е неизбежно поврзано со оваа теорија, потеклото на Далтоновата атомска теорија не е сосема разбрано. Теоријата можела да му биде сугерирана или од истражувања на етилен и метан, или од анализа на азот моноксид  иазот диоксид.

Студијата на Далтоновите лабораториски белешки, откриени во просториите на Манчестерското литературно-филозофско друштво, покажала дека идејата за атомите не му се јавила како објаснување на законот на повеќекратни пропорции, туку како чисто физичка концепција, поттикната од изучување на физичките својства на атмосферата и другите гасови.

Молекуларен модел формиран од пет дрвени топчиња, направен околу 1810 година, и користен од Џон Далтон за демонстрирање на неговата атомска теорија, околу 1810-1842 година.

Главните точки на Далтоновата атомска теорија, како што подоцна се развила, се:

• Елементите се составени од многу ситни честички наречени атоми.
• Атомите на даден елемент се идентични по големина, маса и други својства; атомите на различни елементи се разликуваат по големина, маса и други својства.
• Атомите не можат да се делат, создаваат или уништуваат.
• Атомите на различни елементи се комбинираат во едноставни целобројни односи за да формираат хемиски соединенија.
• Во хемиските реакции, атомите се комбинираат, раздвојуваат или реаранжираат.

Во првото подолго објавено разгледување на атомската теорија (1808), Далтон предложил и дополнително, контроверзно „правило на најголема едноставност“. Ова правило не можело да се потврди независно, но било неопходно за предложување на формули за неколку едноставни молекули, врз кои зависела пресметката на атомските тежини.  Правилото велело дека ако е познато дека атомите на два елемента формираат само едно соединение, како водород и кислород во вода или водород и азот во амонијак, молекулите на тоа соединение треба да се претпостават дека се составени од еден атом на секој елемент. За елементи што се комбинираат во повеќекратни односи, комбинациите се сметаат за наједноставни.На пример, ако се познати две такви комбинации, едната се состои од еден атом на секој елемент, а другата од еден атом на еден елемент и два на другиот.

Ова била само претпоставка, извлечена од верата во едноставноста на природата. Во тоа време немало докази за точниот број атоми во молекулите. Но, вакво или слично правило било апсолутно неопходно за развој на теоријата, бидејќи било потребно да се претпостави молекулска формула за пресметка на релативните атомски тежини. Далтоновото „правило на најголема едноставност“ го натерало да ја смета формулата на водата за OH и на амонијакот за NH, многу различно од современото разбирање (H₂O, NH₃). Од друга страна, ова правило довело до точни формули за двата оксиди на јаглерод (CO и CO₂). И покрај неизвесноста во срцето на теоријата, принципите на Далтоновата атомска теорија опстојале.

Далтон ја објавил својата прва табела на релативни атомски тежини, која содржела шест елементи (водород, кислород, азот, јаглерод, сулфур и фосфор), споредено со тежината на атом на водород, конвенционално земена како 1. Бидејќи овие беа само релативни тежини, тие немаа прикачена единица на тежина. Далтон не дал никакво објаснување во овој труд како дошол до овие броеви, но во неговата лабораториска тетратка, датирана 1803 година, постои список во кој тој ги навел релативните тежини на атомите на неколку елементи, добиени од анализа на вода, амонијак, јаглерод диоксид и други супстанци, според хемичарите од тоа време.

Проширувањето на оваа идеја на супстанците воопшто неизбежно го довело до законот на повеќекратни пропорции, а споредбата со експериментот блескаво ја потврдила неговата дедукција. Во трудот „За пропорцијата на различните гасови во атмосферата“, прочитан од него во ноември 1802 година, законот на повеќекратни пропорции се чини дека е претскажан со зборовите:

„Елементите на кислородот можат да се комбинираат со одредена количина на азотен гас или со двојна таа количина, но со никаков среден дел.“

Соединенијата биле наведени како бинарни, тернарни, кватернарни итн. (молекули составени од два, три, четири итн. атоми) во „Нов систем на хемиска филозофија“, во зависност од бројот на атоми во наједноставната, емпириска форма на соединението.

Далтон претпоставил дека структурата на соединенијата може да се прикаже со цели броеви.Така, еден атом на елемент X кој се комбинира со еден атом на елемент Y е бинарно соединение. Дополнително, еден атом на елемент X кој се комбинира со два атоми на елемент Y или обратно е тернарно соединение. Многу од првите соединенија наведени во „Нов систем на хемиска филозофија“ одговараат на современите претстави, иако многу други не.

Далтон користел свои симболи за визуелно прикажување на атомската структура на соединенијата. Тие беа прикажани во „Нов систем на хемиска филозофија“, каде што ги навел 21 елемент и 17 едноставни молекули.

Како истражувач, Далтон често се задоволувал со груби и неточни инструменти, иако можеле да се добијат подобри. Сер Хемфри Дејви го опишал како „многу груб експериментатор“, кој „готово секогаш ги наоѓал резултатите што му беа потребни, потпирајќи се повеќе на својот ум отколку на рацете“. Од друга страна, историчарите кои ги повториле некои од неговите клучни експерименти потврдиле неговата вештина и прецизност. Тој имал неконвенционални ставови за хлорот. Дури и откако неговата елементарна природа била утврдена од Дејви, тој упорно користел атомски тежини што сам ги усвоил, дури и кога биле заменети со поточни одредувања на други хемичари. Секогаш се противел на хемиската нотација создадена од Јенс Јакоб Берцелиус, иако повеќето сметале дека е многу поедноставна и поудобна од неговиот тежок систем на кружни симболи.

Далтон  придонел  и со 117 мемоари а во еден од нив, прочитан во 1814 година, објаснува принципи на волуметриска анализа, каде што бил еден од најраните истражувачи. Во 1840 година имал труд за фосфати и арсенати, често сметан за послаб, бил одбиен од Кралското друштво, што го вознемирило и затоа самиот го објавил. Слично постапил наскоро и со четири други трудови, два од кои („За количината на киселини, бази и соли во различни видови соли“ и „За нов и лесен метод на анализа на шеќер“) содржат негово откритие, кое тој го сметал за второ по важност по атомската теорија, дека некои хидрати, кога се раствораат во вода, не предизвикуваат зголемување на нејзиниот волумен, заклучувајќи дека солта влегува во порите на водата, покажувајќи дека за вистинската научна страст не постои „не“.

Дури и пред да ја предложи атомската теорија, Далтон имал значајна научна репутација. Во 1803 година бил избран да држи серија предавања за природна филозофија во Кралската институција во Лондон, и повторно во 1809–1810. Некои сведоци тврделе дека му недостасуваат квалитети за привлечен предавач, дека е груб и нејасен во гласот, неефективен во третманот на темата и со ограничен јазик и моќ на илустрација.

Младиот Џејмс Прескот Џул, кој подоцна изучувал и објавил во 1843 година за природата на топлината и нејзината врска со механичката работа, бил ученик на Далтон во неговите последни години.

Далтон никогаш не се оженил и живеел во една скромна соба кај свештеник во Манчестер цели 26 години. Сепак, во тој мал простор се родиле најголемите откритија за атомите, молекулите и гасовите. За него, едноставниот живот бил идеална лабораторија за размислување. Кога некој го прашал за малата плата, Далтон одговорил дека „парите се само средство за купување книги и хемиски реактиви“. На свој начин, тој го покажал својот фокус: богатството за него беше знаење, а не пари.