2.1: 物質の原子論

物質の基本的な構造を議論した最古の記録は、古代ギリシャの哲学者たちによるものです。 レウキッポスと デモクリトス は、すべての物質が、「見えない」ことを意味する原子と呼ばれる小さな有限の粒子で構成されていると主張しました。 後になって、 アリストテレス および他の哲学者が、物質は 4 つの「元素」 -- 火、土、空気および水の様々な組合せから成り、無限に分けることができると結論に達しました。 興味深いことに、これらの哲学者は、原子と「元素」を哲学的な概念と考えていたため、彼らの考えをテストするための実験を行うことは考えていませんでした。  

アリストテレスの物質組成の見方は、イギリスの科学者ジョン・ダルトンが原子論を用いて物質の挙動を説明できるという仮説を持って化学に革命を起こすまで、 2000 年以上にわたって続いていました。 1807 年に最初に発表されたこの物質の微小な特徴に関するダルトンの仮説の多くは、現在の原子論ではまだ有効です。  

ダルトンの原子理論の定理

1. 物質は原子と呼ばれる非常に小さい粒子で構成されています。 原子は、化学的変化に関与できる元素の最小単位です。
2. 元素は 1 種類の原子だけで構成されています。原子はその元素に特徴的な質量を持ち、その元素のすべての原子で同じです。 元素の巨視的な試料には、非常に多くの原子が含まれており、すべて同じ化学特性を持っています。
3. ある1 つの元素の原子は、他のすべての元素の原子と特性が異なります。
4. 化合物は、 2 つ以上の元素の原子を、小さな整数の比率で組み合わせたものです。 ある化合物では、各元素の原子数は常に同じ比率で存在しています。
5. 化学変化の際に原子は生成も破壊もされず、変更前とは異なる物質を生成するように再配置されます。

ダルトンは、化学反応の 3 つの法則を理論の基礎としました。（ 1 ）質量保存の法則、（ 2 ）定比例の法則、（ 3 ）倍数比例の法則です。 ダルトンの原子理論は、物質の多くのマクロ的性質をミクロ的に説明します。  

質量保存の法則は、フランスの化学者である アントワーヌ・ラヴォアジエ によって発見されました。 これは、化学変化の際に原子は作成も破壊もされず、物質がある種類から別の種類に変化する際に存在する物質の総質量は一定であるというものです。

ダルトンは、フランスの化学者であるジョセフ・プルーストの実験についても知っていました。プルーストは、純粋な化合物のサンプルにはすべて同じ元素が同じ質量比で含まれていることを証明しました。 この記述は、定比例の法則または一定の組成の法則と呼ばれています。 特定の化合物の元素の原子数が常に同じ比率で存在するという指摘は、これらの観察結果と一致しています。  

ダルトンはまた、プルーストのデータと、自身の実験結果をもとに、別の興味深い法則を導き出しました。 倍数比例の法則では、 2 つの元素が反応して複数の化合物を形成するとき、 ある要素の一定の質量は、小さい整数の比率で他の要素の質量と反応するというものです。

ダルトンの理論は、原子が素粒子で構成されており、同じ元素の原子でも質量が異なる同位体が存在することを示す枠組みを提供しました。

この文章は 、 Openstax, Chemistry 2e, Section 2.1: Early Ideas in Atomic Theory から引用したものです。 

デモクリタスのような 初期のギリシャ人は 物質の最小の不可分単位である アトムという概念を 最初に提唱しました この概念は後にイギリスの 科学者ジョン・ダルトンによって 原子論として発表されました ダルトンの原子論の 第一の前提は 元素は原子と呼ばれる 小さな不可分の粒子で 構成されていることを 示唆しています 例えば 水素は2つの水素原子が 結合してできており 酸素は2つの酸素原子が 結合してできています 第2の前提は 同じ元素の原子は同一で 他の元素の原子とは 異なるということです したがって 水素の原子は すべて同じであるが 酸素の原子とは 異なるということになります 第3の前提は 異なる元素の原子は 単純な整数比で 互いに結合して化合物を 形成することができる というものです 例えば水素の2つの原子と 酸素の1つの原子が 2対1の比率で結合して H2O 水を形成します ダルトンの理論の最後の前提は 化学反応が1つの元素の原子を 別の元素の原子に 変えるのではなく その代わりに 既存の原子が 新しい物質を形成するために 自分自身を再編成 することであると述べています 水ができるとき既存の水素原子と 酸素原子は 生成も破壊されることもなく 再配列されるだけです ダルトンは 化学反応の 2つの以前の法則 質量保存の法則」と 定比例の法則」に基づいて 原子論を構築しました 質量保存の法則は 化学反応の前後の総質量が 一定であることを 示しています したがって 18グラムの水は 2グラムの水素と 16グラムの酸素に分解されます 定比例の法則とは ある化学化合物では 発生源に関係なく 構成元素の質量比が常に 一定であることを示しています 純粋な水のサンプルは 水の総質量に関係なく 酸素に対する水素の質量比が 常に1対8になります そこでダルトンは 独自の理論に基づいて 倍数比例の法則」を 提唱しました この法則によると 2つの元素が結合して 2つ以上の化合物を形成するとき 一方の元素の異なる質量は 他方の元素の固定質量と 小さな整数比で結合します つまり 2gの固定質量の 水素とは 32gまたは16gの異なる 質量の酸素が 2対1の小さな 整数比で結合して 2つの異なる化合物である 過酸化水素と水を形成します