John Daltonin atomiteoria loi perustan modernille kemialle.
John Daltonin varhaiselämä ja koulutus
John Dalton syntyi 6. syyskuuta 1766 Eaglesfieldissä Englannissa Isossa-Britanniassa.
Kumpikin hänen vanhemmistaan oli kveekari. Vaikka kveekarit olivat kristittyjä, vakiintunut Englannin kirkko piti heitä toisinajattelijoina. Tämän seurauksena John Daltonin korkeammat koulutusmahdollisuudet rajoittuivat toisinajattelijoiden koulutuspaikkoihin.
Hänen isänsä oli kutoja, joka omisti talon ja pienen määrän maata.
John Dalton oli älykäs lapsi, joka oli kiinnostunut ympäröivästä maailmasta ja yritti oppia kaikesta mahdollisimman paljon.
Hän kävi kyläkouluaan 11-vuotiaaksi asti, minkä jälkeen hän alkoi auttaa opettajana.
15-vuotiaana hän alkoi auttaa vanhempaa veljeään Johnia johtamaan kveekarien sisäoppilaitosta Kendalin kaupungissa, joka sijaitsi 40 kilometrin päässä hänen kodistaan. Koko ajan hän jatkoi luonnontieteiden, matematiikan, latinan, kreikan ja ranskan opettamista itselleen. Kun hän oli 19-vuotias, hänestä oli tullut koulun rehtori, ja hän jatkoi tässä tehtävässä 26-vuotiaaksi asti.
Näyttää siltä, että koulun oppilaat nauttivat siitä, että Dalton opetti heitä, ja eräs heistä muistelee:
”Pojat (nauttivat) kaikki siitä, että John Dalton opetti heitä, koska hänellä oli lempeämpi luonne, ja sitä paitsi hänen mielensä keskittyi niin paljon matematiikkaan, että pojat eivät huomanneet heidän vikojaan.”
Tiedemieheksi ryhtyminen
Vuoden 1793 alkupuoliskolla 26-vuotiaana Dalton otti matematiikan ja luonnonfilosofian opettajan paikan Manchesterin New Collegessa, joka oli toisinajattelijoiden korkeakoulu.
Vuonna 1794 Dalton kirjoitti ensimmäisen tieteellisen artikkelinsa, jota hän kutsui nimellä: Extraordinary Facts Relating to the Vision of Colours.
Tämä oli ensimmäinen paperi, jossa käsiteltiin värisokeutta. Dalton oli ymmärtänyt, että sairaus oli perinnöllinen, koska hänellä ja muilla hänen perheensä jäsenillä oli sitä. Lopulta Daltonin teoria värisokeudesta oli väärä, mutta koska hän oli ensimmäinen ihminen, joka sitä tutki, sairaus tuli tunnetuksi nimellä daltonismi.
Tämän jälkeen hän julkaisi lisää fysiikan alaan kuuluvia tutkimusartikkeleita, joissa hän tarkasteli lämmön johtumista, kaasun laajenemista lämmön vaikutuksesta, valon ominaisuuksia, revontulia ja meteorologiaa.
Vuonna 1800 Dalton erosi New Collegesta, joka oli taloudellisissa vaikeuksissa, ja alkoi toimia luonnontieteiden ja matematiikan yksityisopettajana.
Atomiteoria
Kaasujen käyttäytyminen
Vuonna 1801 Dalton piti Manchesterissa luentosarjan, jonka sisältö julkaistiin vuonna 1802. Näissä luennoissa hän esitteli tutkimuksia, joita hän oli tehnyt kaasuista ja nesteistä. Nämä tutkimukset olivat uraauurtavia, sillä ne tarjosivat suuria uusia oivalluksia kaasujen luonteesta.
Aluksi Dalton totesi aivan oikein, ettei hänellä ollut epäilystäkään siitä, etteivätkö kaikki kaasut voisi nesteytyä, kunhan niiden lämpötila olisi riittävän alhainen ja paine riittävän korkea.
Sitten hän totesi, että kun kaasun tilavuus pidetään vakiona astiassa, kaasun paine vaihtelee suorassa suhteessa sen lämpötilaan.
Tämä oli ensimmäinen julkinen lausunto siitä, mikä lopulta tuli tunnetuksi Gay-Lussacin lakina, joka on nimetty sen vuonna 1809 julkaisseen Joseph Gay-Lussacin mukaan.
Vuonna 1803 Dalton julkaisi osapaineiden lain, jota yhä käyttää jokainen kemian yliopisto-opiskelija, jonka mukaan reagoimattomien kaasujen seoksessa kaasun kokonaispaine on yhtä suuri kuin yksittäisten kaasujen osapaineiden summa.
Daltonin työ teki hänestä ensiluokkaisen tiedemiehen, ja hänet kutsuttiin pitämään luentoja Lontoon kuninkaallisessa instituutiossa.
Dalton ja atomit
Kaasujen tutkiminen sai Daltonin miettimään, mistä nämä näkymättömät aineet oikeastaan koostuivat.
Ajatuksen atomeista oli ehdottanut ensimmäisen kerran yli 2000 vuotta aiemmin Demokritos antiikin Kreikassa. Demokritos uskoi, että kaikki oli tehty pienistä hiukkasista, joita kutsuttiin atomeiksi, ja että näitä atomeja ei voitu jakaa pienemmiksi hiukkasiksi. Oliko Demokritos oikeassa? Kukaan ei tiennyt!
Dalton aikoi nyt ratkaista tämän 2000 vuotta vanhan arvoituksen.
Hän suoritti lukemattomia kemiallisia reaktioita ja julkaisi vuonna 1808 kirjassaan A New System of Chemical Philosophy (Kemiallisen filosofian uusi järjestelmä) sen, mitä nykyään kutsumme Daltonin laiksi:
Jos kaksi alkuaineita muodostaa keskenään useamman kuin yhden yhdisteen, toisen alkuaineen massojen suhdeluvut, jotka yhdistyvät ensimmäisen alkuaineen kiinteän massan kanssa, ovat pienten kokonaislukujen suhdelukuja.
Esimerkiksi Dalton havaitsi, että 12 grammaa hiiltä voi reagoida 16 gramman hapen kanssa muodostaen yhdisteen, jota nyt kutsumme hiilimonoksidiksi.
Hän havaitsi myös, että 12 grammaa hiiltä voi reagoida 32 gramman hapen kanssa muodostaen hiilidioksidia.
Tämä suhde 32:16, joka yksinkertaistettuna on 2:1, kiehtoi Daltonia.
Analysoidessaan kaikkia keräämiään tietoja Dalton totesi uskovansa, että aine on olemassa atomeina. Hän meni pidemmälle kuin Demokritos toteamalla, että eri alkuaineiden atomeilla on eri massat. Hän julkaisi myös kaavioita, joista käy ilmi esimerkiksi:
1. Miten atomit yhdistyvät muodostaen molekyylejä
Kaavionsa yläreunassa Dalton määritteli atomi 1:n olevan vetyä, 2:n typpeä, 3:n hiiltä, 4:n happea, 5:n fosforia ja niin edelleen.”
Sen jälkeen hän näyttää, miltä molekyylit voivat näyttää, kun atomit yhdistyvät yhdisteiksi. Esimerkiksi molekyyli 21 on vesi (OH), 22 on ammoniakki (NH) ja 23 on typpioksidi (NO). Nykylukijat huomaavat, että Dalton erehtyi molekyyleistä 21 ja 22. Tämä ei ole yhtä tärkeää kuin se, että Daltonin järjestelmä atomeista ja molekyyleistä on lähes identtinen sen kanssa, miten me saatamme esittää ne nykyään. Esimerkiksi Daltonin molekyyli 28 on hiilidioksidi. Nykyäänkin piirtäisimme hiilidioksidia tällä tavalla.
Amedeo Avogadro julkaisi pian teoksen, joka perustui Daltonin teokseen ja korjasi joitakin Daltonin virheitä – esimerkiksi Avogadro sanoi, että vesi pitäisi kirjoittaa H20. Valitettavasti Avogadron työ jätettiin huomiotta monien vuosien ajan, osittain siksi, että se oli eri mieltä Daltonin työn kanssa.
2. Miltä vesimolekyylit voivat näyttää jäässä
Tässä Dalton näyttää, miten vesimolekyylit voivat järjestäytyä, kun ne jäätyvät jäähän. Käytämme nykyään samanlaisia kaavioita osoittaaksemme, miten atomit ja molekyylit järjestäytyvät kiteissä.
Daltonin atomiteorian mukaan:
1. Alkuaineet koostuvat atomeista, jotka ovat pieniä hiukkasia, liian pieniä nähdäksemme.
2. Tietyn alkuaineen kaikki atomit ovat identtisiä.
3. Eri alkuaineiden atomeilla on erilaiset ominaisuudet: niiden massat ovat erilaiset ja niiden kemialliset reaktiot ovat erilaiset.
4. Atomit eivät voi syntyä, tuhoutua tai jakautua.
5. Atomit ovat erilaisia. Kemiallisessa reaktiossa atomit liittyvät toisiinsa tai erkanevat toisistaan.
6. Atomit yhdistyvät yksinkertaisissa kokonaislukusuhteissa muodostaen yhdisteitä.
Vaikka olemme oppineet, että saman alkuaineen atomeilla voi olla erilainen massa (isotoopit) ja että ne voivat jakaantua ydinreaktioissa, suurin osa Daltonin atomiteoriasta pätee vielä nykyäänkin, yli 200 vuotta sen jälkeen, kun hän on kuvannut sen. Se on perusta, jolle moderni kemia on rakennettu.
”Daltonin pysyvä maine perustuu siihen, että hän löysi yksinkertaisen periaatteen, jota voidaan yleisesti soveltaa kemian tosiseikkoihin – määrittäessään mittasuhteet, joissa kappaleet yhdistyvät, ja luodessaan näin perustan tuleville töille… Hänen ansionsa tässä suhteessa muistuttavat Keplerin ansioita tähtitieteessä.”
Kunniamaininnat
Dalton ei mennyt naimisiin eikä hänellä ollut lapsia. Hän pysyi koko elämänsä uskollisena kveekarina ja eli vaatimattomasti.
Vuonna 1810 hän kieltäytyi kutsusta Royal Societyn jäseneksi. Vuonna 1822 hänet valittiin jäseneksi hänen tietämättään. Vuonna 1826 hänelle myönnettiin seuran kuninkaallinen mitali atomiteoriastaan.
Vuonna 1833 Ranskan tiedeakatemia valitsi hänet yhdeksi kahdeksasta ulkomaisesta jäsenestään. Vuonna 1834 Amerikan tiedeakatemia valitsi hänet ulkomaiseksi jäsenekseen.
Loppu
Kun hän oli 71-vuotias, Dalton sai pienen aivohalvauksen – tai halvauksen, kuten sitä silloin kutsuttiin. Vuotta myöhemmin merkittävämpi aivohalvaus jätti hänet kykenemättömäksi puhumaan yhtä selvästi kuin ennen. Vuonna 1844, kun hän oli 77-vuotias, hän sai uuden aivohalvauksen. Hän kuoli 77-vuotiaana 27. heinäkuuta 1844.
Hänen tieteellinen maineensa oli niin suuri, että kun hänen ruumiinsa sijoitettiin Manchesterin kaupungintalolle, siellä kävi yli 40 000 ihmistä osoittamassa kunnioitustaan. John Dalton haudattiin Manchesteriin Ardwickin hautausmaalle.