Back to chapter

2.1:

התאוריה האטומית של החומר

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
The Atomic Theory of Matter

Languages

Share

היוונים הקדמונים, למשל דמוקריטוס, היו הראשונים להציע את רעיון האטומוס, יחידת החומר הקטנה ביותר שאיננה ניתנת לחלוקה. רעיון זה פותח אחר כך לתורה האטומית על ידי המדען האנגלי, ג’ון דלטון. ההשערה הראשונה של התורה האטומית של דלטון מציעה כי היסודות מורכבים מחלקיקים זעירים ובלתי ניתנים לחלוקה, המכונים אטומים.לדוגמה, מימן מורכב משני אטומי מימן הקשורים ביחד וחמצן משני אטומי חמצן הקשורים ביחד. לפי ההשערה השנייה, בעוד שאטומים של אותו יסוד זהים זה לזה, הם שונים מאטומים של יסודות אחרים. לכן, כל אטומי המימן זהים זה לזה אך שונים מאטומי החמצן.לפי ההשערה השלישית, אטומים של יסודות שונים יכולים להיקשר זה עם זה, ביחסים של מספרים שלמים, וליצור תרכובות. לדוגמה, שני אטומי מימן ואטום אחד של חמצן נקשרים ביחס של 2:1 ויוצרים H2O מים. ההשערה האחרונה של תאוריית דלטון קובעת כי תגובות כימיות אינן משנות את האטומים של יסוד אחד ואינן ממירות אותם לאטומים של יסוד שונה, אלא האטומים הקיימים מסתדרים מחדש ויוצרים חומרים חדשים.בהיווצרות מים, אטומי המימן והחמצן הקיימים אינם נוצרים או נהרסים, אלא מאסתדרים מחדש בלבד. דלטון ביסס את התורה האטומית שלו על שני חוקים קיימים בכימיה:חוק שימור החומר וחוק היחסים הקבועים. חוק שימור החומר קובע שסך כל המסה לפני תגובה כימית ואחריה נשאר קבוע.לכן, 18 גרם של מים יתפרקו ל-2 גרם מימן ו-16 גרם חמצן. חוק היחסים הקבועים קובע שיחס המסה בין היסודות המרכיבים תרכובת כימית נתונה, יישאר קבוע תמיד, ללא תלות במקור התרכובת. לכן, יחס המסה בין המימן והחמצן בדוגמית של מים טהורים יישאר תמיד אחד לשמונה, ללא תלות במסת המים.בהמשך, דלטון הציע את חוק היחסים המרובים בהתבסס על התאוריה שלו עצמו. לפי חוק זה, כאשר שני יסודות נקשרים ליצירת יותר מתרכובת אחת, מסות שונות של יסוד אחד נקשרות עם מסה קבועה של היסוד השני ביחס קטן של מספרים שלמים. לפיכך, מסה קבועה של מימן, 2 גרם, נקשרת עם מסות שונות של חמצן, 32 או 16 גרם, ביחס מספרים שלמים קטן של שניים לאחד ליצירת שתי תרכובות שונות:מי חמצן ומים.

2.1:

התאוריה האטומית של החומר

The earliest recorded discussion of the basic structure of matter comes from ancient Greek philosophers. Leucippus and Democritus argued that all matter was composed of small, finite particles that they called atomos, meaning “indivisible.” Later, Aristotle and others came to the conclusion that matter consisted of various combinations of the four “elements” — fire, earth, air, and water — and could be infinitely divided. Interestingly, these philosophers thought about atoms and “elements” as philosophical concepts, but apparently never considered performing experiments to test their ideas. 

The Aristotelian view of the composition of matter held sway for over two thousand years until English scientist John Dalton revolutionized chemistry with his hypothesis that the behavior of matter could be explained using an atomic theory. First published in 1807, many of Dalton’s hypotheses about the microscopic features of matter are still valid in modern atomic theory. 

Here are the postulates of Dalton’s atomic theory:

  1. Matter is composed of exceedingly small particles called atoms. An atom is the smallest unit of an element that can participate in a chemical change.
  2. An element consists of only one type of atom, which has a mass that is characteristic of the element and is the same for all atoms of that element. A macroscopic sample of an element contains an incredibly large number of atoms, all of which have identical chemical properties.
  3. Atoms of one element differ in properties from atoms of all other elements.
  4. A compound consists of atoms of two or more elements combined in a small, whole-number ratio. In a given compound, the numbers of atoms of each of its elements are always present in the same ratio
  5. Atoms are neither created nor destroyed during a chemical change but are instead rearranged to yield substances that are different from those present before the change.

Dalton used three laws of chemical reactions as a basis for his theory: (1) The Law of Conservation of Mass, (2) The Law of Definite Proportions, and (3) The Law of Multiple Proportions. Dalton’s atomic theory provides a microscopic explanation of the many macroscopic properties of matter. 

The law of conservation of mass was discovered by the French chemist, Antoine Lavoisier. It states that atoms are neither created nor destroyed during a chemical change; the total mass of matter present when matter changes from one type to another remains constant.

Dalton also knew of the experiments of French chemist Joseph Proust, who demonstrated that all samples of a pure compound contain the same elements in the same proportion by mass. This statement is known as the law of definite proportions or the law of constant composition. The suggestion that the numbers of atoms of the elements in a given compound always exist in the same ratio is consistent with these observations. 

Dalton also used data from Proust, as well as results from his own experiments, to formulate another interesting law. The law of multiple proportions states that when two elements react to form more than one compound, a fixed mass of one element will react with masses of the other elements in a ratio of small, whole numbers.

Dalton’s theory provided a framework that was later expanded to demonstrate that the atom is composed of subatomic particles and that atoms of the same element can differ in mass, known as isotopes.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 2.1: Early Ideas in Atomic Theory.