6 сентября 2016 гю исполнилось 250 лет со дня рождения знаменитого английского ученого Джона Дальтона.
Он был членом Лондонского Королевского общества, иностранным членом Парижской академии наук, президентом Манчестерского литературно-философского общества, почетным доктором Оксфордского и Эдинбургского университетов.
Сегодня его имя увековечено во многих научных терминах: химическая атомистика Дальтона, закон газовых смесей Дальтона, единица массы атомов, молекул и вирусов Дальтон (Да), Дальтониды - химические соединения постоянного состава, дальтонизм - болезнь зрения.
Жизненный путь Джона Дальтона
Начало жизненного пути Джона Дальтона не давал никаких оснований для надежды на всемирную славу. Он родился 6 сентября 1766 г. в семье бедного ткача в городке Иглсфилд на севере Англии. Отец научил его читать и дал начальные знания по математике. Когда Джону исполнилось 10 лет, он начал посещать школу в Пардшоу-холле, в трех километрах от дома, где обнаружил большие математические способности. Проучившись два года, Дальтон в 12-летнем возрасте сам начал преподавать (и зарабатывать на хлеб) в школе, которую открыли в Иглсфилд. Через два года ему пришлось уйти из школы и поработать год на ферме. Начиная с 1781 г. он 12 лет преподавал в школе в городе Кендал. В то же время изучал латинский язык, математику, "натуральную философию" - главным образом физику. Тогда же Дальтон стал сотрудничать с "Календарем для джентльменов и леди", в связи с чем начал в 1787 г. метеорологические наблюдения, которые проводил в течении всей жизни. Итог первых пяти лет наблюдений он подвел в книге "Метеорологические наблюдения и опыты", вышедшей в 1793 году.
На почве научных и учебных занятий Дальтон познакомился с Джоном Гоугом, который помог ему устроиться в 1793 г. преподавателем математики и физики в Новый колледж - высшее учебное заведение в Манчестере. Вскоре Дальтон подружился с 23-летним Робертом Оуэном - будущим знаменитым общественным деятелем Англии, по рекомендации которого в 1794 г. был избран членом Манчестерского литературно-философского общества. Через несколько недель после избрания Дальтон сделал доклад и опубликовал в сборнике трудов этого общества статью, где впервые в мире было описано дефект зрения, который он заметил у себя и своего брата - неспособность различать цвета. Этот дефект впоследствии назвали дальтонизмом.
В 1794-1800 гг. Дальтон проводит исследования, выступает с докладами на заседаниях Общества и публикует статьи о метеорологических явлениях - дождь, росу, туман, а также по некоторым вопросам английской грамматики.
В 1800 г. Новый колледж переехал из Манчестера в Йорк, а Дальтон остался в Манчестере, где продолжил преподавательскую деятельность. В 1801 г. был избран секретарем Манчестерского литературно-философского общества.
В том же году начался наиболее плодотворный период научных исследований Дальтона. В 1801 г. он сформулировал закон: давление смеси газов равно сумме их парциальных давлений (закон Дальтона). В 1802 г. открыл закон теплового расширения газов при постоянном давлении, известный сегодня как закон Ж. Гей-Люссака (хотя Гей-Люссак открыл этот закон через несколько месяцев после Дальтона).
В 1803 г. Дальтон создает первый вариант "таблицы относительных весов первичных частиц", что стало первым шагом на пути к его атомистической теории. В 1804 г. он рассказал о своей теории авторитетному химику Томасу Томсону - автору очень популярного в те времена учебника "Система химии". С согласия Дальтона в 1807 г. Томсон включил изложение его теории в третье издание своей книги, чем существенно поспособствовал ее утверждению среди ученых. В следующем, 1808 г., вышла первая часть первого тома книги Дальтона "Новая система химической философии" с подробным изложением и экспериментальным обоснованием атомистической теории. Вторая часть первого тома вышла в 1810 г., второй том - в 1827 г.
В 1816 г. Дальтона выбрали иностранным членом Парижской академии наук. В следующем году он становится президентом Манчестерского литературно-философского общества. В 1822 г. совершает поездку во Францию, где встречается с французскими учеными, в том числе с К. Бертолле и Ж. Гей-Люссаком. В том же году его избирают членом Лондонского Королевского общества.
Дальтон продолжает экспериментальные и теоретические исследования, а также преподавательскую деятельность. Интересно отметить, что в 1834-1837 гг. он давал уроки математики и физики будущему знаменитому физику Джону Джоулю и его брату.
В 1837 г. Дальтон перенес инфаркт и был частично парализован. 27 июля 1844г. он умер в Манчестере от второго инфаркта.
Начало создания химической атомистики
Главным достижением Джона Дальтона как ученого стало создание химической атомистики - научной концепции, согласно которой вещество состоит из неделимых в химических процессах атомов; простые вещества состоят из атомов одного вида, а маленькие частицы сложных веществ состоят из различных атомов.
Путь к этому открытию был очень непростым. Самым тяжелым, соответственно, самым интересным, в нем был начальный этап. Рассказать об этом этапе стоит еще и потому, что во многих книгах дается его ложное описание. Утверждают, что Дальтон, основываясь на данных количественного анализа веществ, сформулировал закон кратных отношений (если два элемента, которые реагируют между собой, образуют несколько соединений, то различные массовые количества одного элемента что сочетаются с тем же массовым количеством второго, относятся как небольшие целые числа), а дальше объяснил этот закон, выдвинув гипотезу о существовании атомов. В действительности было наоборот. Основываясь на атомистической гипотезе, Дальтон сделал предположение о существовании названных кратных отношений, для проверки которого начал анализировать данные количественного анализа веществ. К проблеме же химического строения веществ он обратился в ходе решения вопросов, связанных с метеорологией.
Прежде всего следует заметить, что в начале XIX века газы считались упругими (эластичными) жидкостями (на английском - "elastic fluid", на русском - "упругая жидкость" или "упругий флюид»). Считалось, что частицы газов примыкают друг к другу, а различные газы, как и жидкости, растворяются друг в друге благодаря тому, что существуют силы притяжения (родства) между их частицами. Также считалось, что состояние насыщенного водяного пара в воздухе возникает по той же причине, что и насыщенный раствор соли в воде: растворитель насыщается и перестает поглощать вещество, что растворяется.
Исследуя атмосферный воздух, Дальтон определил, что количество "растворенной" пары в закрытом сосуде определяется только температурой и не зависит от количества (давления) воздуха в нем. Более того, количество пара будет тем же, если воздух из сосуда откачать. Из этого следовало, что причина испарения не в химическом родстве между водяным паром и воздухом. Тогда в чем? Дальтон высказывает предположение газы растворяются друг в друге не потому, что их атомы притягиваются друг другом, а потому, что между атомами одного газа существует сила отталкивания. Он также предположил, что атомы одного газа не действуют на атомы другого: каждый газ является пустотой для другого. Отсюда следовал вывод, который сейчас называется законом Дальтона: давление смеси газов равно сумме парциальных давлений компонентов смеси.
Но предположение о существовании стольких сил отталкивания, сколько различных видов газов, выглядело совершенно невероятным; его раскритиковали и французские, и английские химики. Дальтон прислушался к критике и стал думать, как избавиться от предположения о множестве различных отталкивающих сил. В 1803 г.. Ему пришло в голову, что отталкивание атомов обусловлено действием невесомого флюида теплорода, который образует оболочки вокруг атомов газов. Но почему тогда один газ является пустотой для другого? Дальтон решил, что это можно объяснить, предположив, что размеры атомов различных газов разные, и процесс смешивания газов похож на просыпание маленьких шариков в промежутки между большими шарами.
Чтобы доказать это предположение, Дальтон стал искать способ определения размера атомов. Считая, что атомы газа примыкают друг к другу, объем атома можно оценить, разделив объем газа на количество атомов в нем, а зная объем атома и предположив, что он имеет сферическую форму, легко найти его диаметр. Общее число атомов можно найти, зная вес газа и вес атома. Атом взвесить невозможно. Но можно найти его относительный вес, взяв за единицу вес атома одного какого-то элемента. За такую единицу Дальтон взял вес атома водорода как наименьший, и, пользуясь известными данными о процентном составе химических соединений, 6 сентября 1803 г. составил первую "таблицу относительных весов первичных частиц". 19 сентября 1803 г. он составил таблицу, в которой привел удельный вес газов, относительный вес атомов газов и их диаметры. Поскольку ему было известно, что два элемента (например, азот и кислород) образуют не одно соединение, он предположил, что частицы химически сложных газов могут состоять из двух, трех и более атомов. В этом случае, делает он вывод, вес одного элемента, приходящейся на единицу веса иного, в различных соединениях будет отличаться как небольшие целые числа.
Далее были эксперименты, вычисления, дискуссии. Но решающий шаг к химической атомистики было сделано.