Джон Дальтон: как школьный учитель научил химию считать атомы

Сегодня атомы изучают в школе. В начале XIX века их ещё нельзя было увидеть или напрямую исследовать. Джон Дальтон предложил судить о них по тому, что можно измерить: массе веществ и пропорциям, в которых они вступают в реакции.

Он не придумал саму идею атома — она появилась задолго до него. Дальтон сделал другое: превратил её в рабочую химическую модель.

Как учитель пришёл к атомам

Джон Дальтон родился в 1766 году на севере Англии в семье квакеров. Университетской карьеры у него не было. Он рано начал преподавать, затем работал учителем в Кендале, а в 1793 году переехал в Манчестер, где преподавал математику и естественную философию.

Джон Дальтон. Линейная гравюра У. Х. Уортингтона, 1823 год. Источник: Wellcome Collection, V0006489.

Его биография и документы сохранились в архиве Manchester Literary and Philosophical Society.

К химии Дальтон пришёл через метеорологию. Он много лет наблюдал за погодой, измерял температуру и давление, изучал атмосферу и поведение газов. В 1793 году выпустил книгу Meteorological Observations and Essays.

Работа с газами постепенно привела его к вопросу: почему элементы соединяются не случайно, а в определённых массовых отношениях?

Почему понадобились атомы

Дальтон предложил простое объяснение: вещество состоит из очень маленьких частиц — атомов.

Представим два элемента. В одном соединении один атом первого элемента соединяется с одним атомом второго, в другом — с двумя. Тогда и массы элементов будут соотноситься определённым образом.

Так становились понятнее числовые закономерности, которые химики видели в опытах.

Схемы атомов и молекул из книги Джона Дальтона «Новая система химической философии», 1808 год. Источник: Internet Archive.

В 1808 году Дальтон изложил свою теорию в книге A New System of Chemical Philosophy.

Он считал, что:

• вещества состоят из атомов;
• атомы разных элементов различаются;
• соединения образуются из определённого числа атомов;
• в химической реакции атомы перегруппировываются, а не исчезают и не возникают заново.

Для начала XIX века эта модель дала химикам новый язык для описания реакций.

Как взвесить атом, которого не видно

Дальтон попытался определить относительные массы атомов.

За основу он взял водород и сравнивал с ним другие элементы. Если было известно, в каких массовых отношениях вещества вступают в реакцию, можно было приблизительно оценить и отношение масс их атомов.

Первые расчёты содержали ошибки. Например, Дальтон считал воду соединением одного атома водорода и одного атома кислорода. Сегодня её формулу мы записываем как H₂O.

Но сам принцип сохранился: свойства микроскопических частиц можно изучать через результаты химических измерений.

Для элементов Дальтон придумал и собственные обозначения — кружки с точками, линиями и другими знаками. Из них он составлял схемы соединений.

Сегодня атомная теория выглядит иначе. Мы знаем, что атом имеет внутреннее строение, а атомы одного элемента могут различаться по массе. Но идея описывать химические реакции через взаимодействие атомов осталась основой химии.

Учёный, который исследовал собственное зрение

Дальтон известен не только атомной теорией.

Он заметил, что воспринимает некоторые цвета иначе, чем окружающие. Похожая особенность была у его брата. Дальтон решил изучить собственное зрение как научную проблему.

В 1794 году он опубликовал работу Extraordinary Facts Relating to the Vision of Colours: With Observations.

Дальтон подробно описал, какие цвета различает плохо, и предположил, что эта особенность может передаваться по наследству.

Полихроматические таблицы Рабкина и Исихары

Причину он объяснил неверно: учёный считал, что цветовосприятие меняет окрашенная среда внутри глаза. После его смерти гипотеза не подтвердилась.

Зато само описание стало одним из первых подробных исследований нарушения цветового зрения. Позднее такие нарушения стали называть дальтонизмом.

Увидеть невидимое через числа

Дальтон не видел атомов и не знал их настоящего строения. Он работал с тем, что было доступно: наблюдал, измерял и сравнивал результаты.

Так философская идея об атомах превратилась в модель, которой можно было проверять химические закономерности. Дальтон показал: иногда невидимое можно изучать через то, что удаётся посчитать.