Джон Дальтон - засновник хімічної атомістики. До 250-річчя з дня народження

6 вересня 2016 р. виповнилося 250 років з дня народження знаменитого англійського вченого Джона Дальтона.

Він був членом Лондонського Королівського товариства, іноземним членом Паризької академії наук, президентом Манчестерського літературно-філософського товариства, почесним доктором Оксфордського та Единбурзького університетів.

Сьогодні його ім'я увічнене в багатьох наукових термінах: хімічна атомістика Дальтона, закон газових сумішей Дальтона, одиниця маси атомів, молекул і вірусів Дальтон (Да), дальтоніди – хімічні сполуки постійного складу,  дальтонізм – хвороба зору.

Життєвий шлях Джона Дальтона

Початок життєвого шляху Джона Дальтона не давав ніяких підстав для надії на всесвітню славу. Він народився 6 вересня 1766 р. в сім'ї бідного ткача в містечку Іглсфілд на півночі Англії. Батько навчив його читати і дав початкові знання з математики. Коли Джону виповнилося 10 років, він почав відвідувати школу в Пардшоу-холі, за три кілометри від дому, де виявив великі математичні здібності. Провчившись два роки, Дальтон у 12-річному віці сам почав викладати (і заробляти на хліб) у школі, яку відкрили в Іглсфілді. Через два роки йому довелося піти зі школи і попрацювати рік на фермі. Починаючи з 1781 р. він 12 років викладав у школі в місті Кендал. Водночас вивчав латинську мову, математику, "натуральну філософію" – головним чином фізику. Тоді ж Дальтон став співпрацювати з "Календарем для джентльменів і леді", у зв'язку з чим розпочав у 1787 р. метеорологічні спостереження, які проводив протягом усього життя. Підсумок перших п'яти років спостережень він підвів у книзі "Метеорологічні спостереження і досліди", яка вийшла друком у 1793 р.

На ґрунті наукових і навчальних занять Дальтон познайомився з Джоном Гоугом, який допоміг йому влаштуватися у 1793 р. викладачем математики і фізики в Новий коледж – вищий навчальний заклад у Манчестері. Незабаром Дальтон подружився з 23-річним Робертом Оуеном – майбутнім знаменитим громадським діячем Англії, за рекомендацією якого у 1794 р. був обраний членом Манчестерського літературно-філософського товариства. Через кілька тижнів після обрання Дальтон зробив доповідь і опублікував у збірнику праць цього товариства статтю, де вперше у світі було описано дефект зору, який він помітив у себе і свого брата – нездатність розрізняти кольори. Цей дефект згодом назвали дальтонізмом.

У 1794–1800 рр. Дальтон проводить дослідження, виступає з доповіддями на засіданнях Товариства і публікує статті про метеорологічні явища – дощ, росу, туман, а також з деяких питань англійської граматики.

У 1800 р. Новий коледж переїхав з Манчестера у Йорк, а Дальтон залишився у Манчестері, де продовжив викладацьку діяльність. У 1801 р. його обрали секретарем Манчестерського літературно-філософського товариства.

Того ж року розпочався найбільш плідний період наукових досліджень Дальтона. У 1801 р. він сформулював закон: тиск суміші газів дорівнює сумі їх парціальних тисків (закон Дальтона). У 1802 р. відкрив закон теплового розширення газів при сталому тиску, відомий сьогодні як закон Ж. Гей-Люссака (хоча Гей-Люссак відкрив цей закон через кілька місяців після Дальтона).

У 1803 р. Дальтон створює перший варіант "таблиці відносних ваг первинних частинок", що стало першим кроком на шляху до його атомістичної теорії. У 1804 р. він розповів про свою теорію авторитетному хіміку Томасу Томсону – автору дуже популярного в ті часи підручника "Система хімії". За згодою Дальтона у 1807 р. Томсон включив виклад його теорії у третє видання своєї книги, чим суттєво посприяв її утвердженню серед учених. У наступному, 1808 р., вийшла перша частина першого тому книги Дальтона "Нова система хімічної філософії" з детальним викладом і експериментальним обґрунтуванням атомістичної теорії. Друга частина першого тому вийшла у 1810 р., другий том – у 1827 р.

У 1816 р. Дальтона обрали іноземним членом Паризької академії наук. Наступного року він стає президентом Манчестерського літературно-філософського товариства. У 1822 р. здійснює поїздку до Франції, де зустрічається з французькими вченими, в тому числі з К.Бертолле і Ж.Гей-Люссаком. У тому ж році його обирають членом Лондонського Королівського товариства.

Дальтон продовжує експериментальні і теоретичні дослідження, а також викладацьку діяльність. Цікаво зазначити, що у 1834–1837 рр. він давав уроки математики і фізики майбутньому знаменитому фізику Джону Джоулю і його брату.

У 1837 р. Дальтон переніс інфаркт і був частково паралізований. 27 липня 1844 р. він помер у Манчестері від другого інфаркту.

Початок створення хімічної атомістики

Головним досягненням Джона Дальтона як ученого стало створення хімічної атомістики – наукової концепції, згідно з якою речовина складається з неподільних у хімічних процесах атомів; прості речовини складаються з атомів одного виду, а найменші частинки складних речовин складаються з різних атомів.

Шлях до цього відкриття був дуже непростим. Найважчим, відповідно, найцікавішим, у ньому був початковий етап. Розповісти про цей етап варто ще й тому, що у багатьох книгах дається його хибний опис. Стверджують, що Дальтон, ґрунтуючись на даних кількісного аналізу речовин, сформулював закон кратних відношень (якщо два елементи, що реагують між собою, утворюють декілька сполук, то різні масові кількості одного елемента, що сполучаються з тією самою масовою кількістю другого, відносяться як невеликі цілі числа), а далі пояснив цей закон, висунувши гіпотезу про існування атомів. В дійсності було навпаки. Ґрунтуючись на атомістичній гіпотезі, Дальтон висловив припущення про існування названих кратних відношень, для перевірки якого розпочав аналізувати дані кількісного аналізу речовин. До проблеми ж хімічної будови речовин він звернувся в ході вирішення питань, пов'язаних з метеорологією.

Насамперед слід зауважити, що на початку ХІХ сторіччя гази вважалися пружними (еластичними) рідинами (англійською – "elastic fluid", російською – "упругая жидкость" або "упругий флюид"). Вважалося, що частинки газів примикають одна до одної, а різні гази, як і рідини, розчиняються один в одному завдяки тому, що існують сили притягання (спорідненості) між їх частинками. Також вважалося, що стан насиченої водяної пари у повітрі виникає з тієї самої причини, що й насичений розчин солі у воді: розчинник насичується і перестає поглинати речовину, що розчиняється.

Досліджуючи атмосферне повітря, Дальтон визначив, що кількість "розчиненої" пари в закритій посудині визначається лише температурою і не залежить від кількості (тиску) повітря в ній. Більше того, кількість пари буде тією самою, якщо повітря з посудини відкачати. З цього випливало, що причина випаровування не в хімічній спорідненості між водяною парою і повітрям. Тоді в чому? Дальтон висловлює припущення: гази розчиняються один в одному не тому, що їхні атоми притягуються один одним, а тому, що між атомами одного газу існує сила відштовхування. Він також припустив, що атоми одного газу не діють на атоми іншого: кожний газ є пустотою для іншого. Звідси випливав висновок, який нині має назву закону Дальтона: тиск суміші газів дорівнює сумі парціальних тисків компонентів суміші.

Але припущення про існування стількох сил відштовхування, скільки є різних видів газів, виглядало абсолютно неймовірним; його розкритикували і французькі, і англійські хіміки. Дальтон прислухався до критики і став міркувати, як позбутися припущення про безліч різних відштовхувальних сил. У 1803 р. йому спало на думку, що відштовхування атомів обумовлене дією невагомого флюїду теплецю, який утворює оболонки навколо атомів газів. Але чому тоді один газ є пустотою для іншого? Дальтон вирішив, що це можна пояснити, припустивши, що розміри атомів різних газів різні, і що процес змішування газів схожий на просипання маленьких кульок у проміжки між великими кулями.

Щоб довести це припущення, Дальтон став шукати спосіб визначення розміру атомів. Вважаючи, що атоми газу примикають один до одного, об'єм атома можна оцінити, поділивши об'єм газу на кількість атомів у ньому, а знаючи об'єм атома і припустивши, що він має сферичну форму, легко знайти його діаметр. Загальне число атомів можна знайти, знаючи вагу газу і вагу атома. Атом зважити неможливо. Але можна знайти його відносну вагу, взявши за одиницю вагу атома одного якогось елементу. За таку одиницю Дальтон взяв вагу атома водню як найменшу, і, користуючись відомими даними про процентний склад хімічних сполук, 6 вересня 1803 р. склав першу "таблицю відносних ваг первинних частинок". 19 вересня 1803 р. він склав таблицю, у якій навів питому вагу газів, відносну вагу атомів газів і їхні діаметри. Оскільки йому було відомо, що два елементи (наприклад, нітроген і оксиген) утворюють не одну сполуку, він припустив, що частинки хімічно складних газів можуть складатися з двох, трьох і більше атомів. У цьому випадку, робить він висновок, вага одного елемента, що припадає на одиницю ваги іншого, в різних сполуках буде відрізнятися як невеликі цілі числа.

Далі були експерименти, обчислення, дискусії. Але вирішальний крок до хімічної атомістики було зроблено.

В. Миколаєнко