2.1: Atomowa teoria materii

Najwcześniejsze odnotowane omówienie podstawowej struktury materii pochodzi od starożytnych filozofów greckich. Leukippos i Demokryt twierdzili, że cała materia składa się z małych, skończonych cząstek, które nazywali atomos, co oznacza “niepodzielny”. Później Arystoteles i inni doszli do wniosku, że materia składa się z różnych kombinacji czterech “żywiołów” – ognia, ziemi, powietrza i wody – i może być dzielona w nieskończoność. Co ciekawe, filozofowie ci myśleli o atomach i “pierwiastkach” jako o koncepcjach filozoficznych, ale najwyraźniej nigdy nie rozważali przeprowadzania eksperymentów w celu przetestowania swoich idei. 

Arystotelesowski pogląd na skład materii utrzymywał się przez ponad dwa tysiące lat, aż angielski naukowiec John Dalton zrewolucjonizował chemię swoją hipotezą, że zachowanie materii można wyjaśnić za pomocą teorii atomowej. Opublikowane po raz pierwszy w 1807 roku, wiele hipotez Daltona na temat mikroskopijnych cech materii jest nadal aktualnych we współczesnej teorii atomowej. 

Oto postulaty teorii atomowej Daltona:

1. Materia składa się z niezwykle małych cząstek zwanych atomami. Atom to najmniejsza jednostka pierwiastka, która może uczestniczyć w przemianie chemicznej.
2. Pierwiastek składa się tylko z jednego rodzaju atomu, który ma masę charakterystyczną dla pierwiastka i jest taka sama dla wszystkich atomów tego pierwiastka. Makroskopowa próbka pierwiastka zawiera niewiarygodnie dużą liczbę atomów, z których wszystkie mają identyczne właściwości chemiczne.
3. Atomy jednego pierwiastka różnią się właściwościami od atomów wszystkich innych pierwiastków.
4. Związek składa się z atomów dwóch lub więcej pierwiastków połączonych w małym stosunku liczb całkowitych. W danym związku liczba atomów każdego z jego pierwiastków występuje zawsze w tym samym stosunku
5. Atomy nie są ani tworzone, ani niszczone podczas przemiany chemicznej, ale zamiast tego są przegrupowywane, aby uzyskać substancje, które różnią się od tych obecnych przed zmianą.

Dalton wykorzystał trzy prawa reakcji chemicznych jako podstawę swojej teorii: (1) prawo zachowania masy, (2) prawo określonych proporcji i (3) prawo wielokrotnych proporcji. Teoria atomowa Daltona dostarcza mikroskopijnego wyjaśnienia wielu makroskopowych właściwości materii. 

Prawo zachowania masy zostało odkryte przez francuskiego chemika Antoine’a Lavoisiera. Stwierdza, że atomy nie są ani tworzone, ani niszczone podczas przemiany chemicznej; Całkowita masa materii obecnej, gdy materia zmienia się z jednego rodzaju w drugi, pozostaje stała.

Dalton wiedział również o eksperymentach francuskiego chemika Josepha Prousta, który wykazał, że wszystkie próbki czystego związku zawierają te same pierwiastki w tej samej proporcji masowej. To stwierdzenie jest znane jako prawo określonych proporcji lub prawo stałego złożenia. Sugestia, że liczba atomów pierwiastków w danym związku występuje zawsze w tym samym stosunku, jest zgodna z tymi obserwacjami. 

Dalton wykorzystał również dane Prousta, a także wyniki własnych eksperymentów, aby sformułować inne interesujące prawo. Prawo wielokrotności proporcji mówi, że gdy dwa pierwiastki reagują, tworząc więcej niż jeden związek, stała masa jednego pierwiastka będzie reagować z masami innych pierwiastków w stosunku małych, całkowitych liczb.

Teoria Daltona zapewniła ramy, które zostały później rozszerzone, aby wykazać, że atom składa się z cząstek subatomowych i że atomy tego samego pierwiastka mogą różnić się masą, znane jako izotopy.

Ten tekst został zaadaptowany z Openstax, Chemistry 2e, Section 2.1: Early Ideas in Atomic Theory.