2.1: Die Atomtheorie der Materie

Die früheste aufgezeichnete Diskussion über die Grundstruktur der Materie stammt von antiken griechischen Philosophen. Leukipp und Demokrit argumentierten, dass alle Materie aus kleinen, endlichen Teilchen bestehe, die sie Atomos nannten, was „unteilbar“ bedeutet. Später kamen Aristoteles und andere zu dem Schluss, dass Materie aus verschiedenen Kombinationen der vier „Elemente“ – Feuer, Erde, Luft und Wasser – bestehe und unendlich unterteilt werden könne. Interessanterweise betrachteten diese Philosophen Atome und „Elemente“ als philosophische Konzepte, dachten aber offenbar nie daran, Experimente durchzuführen, um ihre Ideen zu testen.

Die aristotelische Sicht auf die Zusammensetzung der Materie galt über zweitausend Jahre lang, bis der englische Wissenschaftler John Dalton die Chemie mit seiner Hypothese revolutionierte, dass das Verhalten der Materie mithilfe einer Atomtheorie erklärt werden könne. Viele von Daltons Hypothesen über die mikroskopischen Eigenschaften der Materie, die erstmals 1807 veröffentlicht wurden, sind in der modernen Atomtheorie immer noch gültig.

Hier sind die Postulate von Daltons Atomtheorie:

1. Materie besteht aus äußerst kleinen Teilchen, den sogenannten Atomen. Ein Atom ist die kleinste Einheit eines Elements, die an einer chemischen Veränderung teilnehmen kann.
2. Ein Element besteht aus nur einer Atomart, die eine für das Element charakteristische Masse aufweist und für alle Atome dieses Elements gleich ist. Eine makroskopische Probe eines Elements enthält eine unglaublich große Anzahl von Atomen, die alle identische chemische Eigenschaften haben.
3. Atome eines Elements unterscheiden sich in ihren Eigenschaften von Atomen aller anderen Elemente.
4. Eine Verbindung besteht aus Atomen von zwei oder mehr Elementen, die in einem kleinen, ganzzahligen Verhältnis kombiniert sind. In einer bestimmten Verbindung ist die Anzahl der Atome jedes ihrer Elemente immer im gleichen Verhältnis vorhanden
5. Atome werden bei einer chemischen Veränderung weder erzeugt noch zerstört, sondern werden stattdessen neu angeordnet, um Substanzen zu ergeben, die sich von denen unterscheiden, die vor der Veränderung vorhanden waren.

Dalton verwendete drei Gesetze chemischer Reaktionen als Grundlage für seine Theorie: (1) das Gesetz der Massenerhaltung, (2) das Gesetz bestimmter Proportionen und (3) das Gesetz mehrerer Proportionen. Daltons Atomtheorie liefert eine mikroskopische Erklärung der vielen makroskopischen Eigenschaften der Materie.

Das Massenerhaltungsgesetz wurde vom französischen Chemiker Antoine Lavoisier entdeckt. Es besagt, dass Atome bei einer chemischen Veränderung weder entstehen noch zerstört werden; Die Gesamtmasse der Materie, die vorhanden ist, wenn Materie von einer Art in eine andere übergeht, bleibt konstant.

Dalton wusste auch von den Experimenten des französischen Chemikers Joseph Proust, der zeigte, dass alle Proben einer reinen Verbindung die gleichen Elemente im gleichen Massenverhältnis enthalten. Diese Aussage ist als Gesetz der bestimmten Proportionen oder Gesetz der konstanten Zusammensetzung bekannt. Die Annahme, dass die Anzahl der Atome der Elemente in einer bestimmten Verbindung immer im gleichen Verhältnis vorliegt, steht im Einklang mit diesen Beobachtungen.

Dalton nutzte auch Daten von Proust sowie Ergebnisse seiner eigenen Experimente, um ein weiteres interessantes Gesetz zu formulieren. Das Gesetz der multiplen Proportionen besagt, dass, wenn zwei Elemente reagieren um mehr als eine Verbindung zu bilden, eine feste Masse eines Elements mit den Massen der anderen Elemente in einem Verhältnis kleiner ganzer Zahlen reagieren wird.

Daltons Theorie lieferte einen Rahmen, der später erweitert wurde, um zu zeigen, dass das Atom aus subatomaren Teilchen besteht und dass Atome desselben Elements unterschiedliche Massen haben können, sogenannte Isotope.

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Griechen wie Demokrit brachten zuerst die Idee des Atoms, der kleinsten unteilbaren Einheit der Materie, voran. Dieses Konzept wurde später von dem englischen Wissenschaftler John Dalton als Atomtheorie vorgestellt. Das erste Postulat von Daltons Atomtheorie besagt, dass Elemente aus winzigen unteilbaren Teilchen, den Atomen, bestehen.

So besteht beispielsweise Wasserstoff aus zwei verbundenen Wasserstoffatomen und Sauerstoff aus zwei verbundenen Sauerstoffatomen. Das zweite Postulat besagt, dass die Atome desselben Elements zwar identisch sind, sich aber von den Atomen anderer Elemente unterscheiden. Alle Atome des Wasserstoffs sind also untereinander identisch, unterscheiden sich aber von den Atomen des Sauerstoffs.

Das dritte Postulat besagt, dass sich Atome verschiedener Elemente in einfachen ganzzahligen Verhältnissen miteinander verbinden können, um Verbindungen zu bilden. Zum Beispiel verbinden sich zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom in einem Verhältnis von 2 zu 1 zu H2O Wasser. Das letzte Postulat der Daltonischen Theorie besagt, dass chemische Reaktionen die Atome eines Elements nicht in Atome eines anderen Elements umwandeln;stattdessen ordnen sich die vorhandenen Atome neu an, um neue Substanzen zu bilden.

Bei der Bildung von Wasser werden vorhandene Wasserstoff-und Sauerstoffatome weder erzeugt noch zerstört, sondern lediglich neu angeordnet. Dalton baute seine Atomtheorie auf zwei vorhergehende Gesetze über chemische Reaktionen auf:dem Gesetz der Massenerhaltung und dem Gesetz der bestimmten Proportionen. Der Gesetz der Massenerhaltung besagt, dass die Gesamtmasse vor und nach einer chemischen Reaktion konstant bleibt.

So zerfällt 18 Gramm Wasser in 2 Gramm Wasserstoff und 16 Gramm Sauerstoff. Das Gesetz der bestimmten Proportionen besagt, dass unabhängig von der Quelle in einer bestimmten chemischen Verbindung das Massenverhältnis der einzelnen Elemente immer konstant bleibt. So wird eine Probe reinen Wassers immer ein Massenverhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff von 1 bis 8 aufweisen, unabhängig von der Gesamtmasse des Wassers.

Dalton schlug dann das Gesetz der multiplen Proportionen auf der Grundlage seiner eigenen Theorie vor. Laut diesem Gesetz gilt, dass wenn sich zwei Elemente zu mehr als einer Verbindung verbinden, unterschiedliche Massen des einen Elements mit der festen Masse des anderen Elements in einem kleinen ganzzahligen Verhältnis verbinden. So verbindet sich eine feste Masse von Wasserstoff, 2 Gramm, mit verschiedenen Massen von Sauerstoff, 32 oder 16 Gramm, in einem kleinen ganzzahligen Verhältnis von 2 zu 1, um zwei verschiedene Verbindungen zu bilden Wasserstoffperoxid und Wasser.