John Dalton

John Dalton war ein englischer Chemiker, Physiker und Meteorologe. Er ist vor allem bekannt dafür, dass er die Atomtheorie in die Chemie einführte, und für seine Forschungen zur Farbenblindheit, die manchmal zu seinen Ehren als Daltonismus bezeichnet wird.

Frühen Jahre

John Dalton wurde in eine Quäkerfamilie aus Eaglesfield, in der Nähe von Cockermouth, in Cumberland, England, geboren. Sein Vater war ein Weber. Er erhielt seine frühe Ausbildung von seinem Vater und vom Quäker John Fletcher, der eine Privatschule im nahe gelegenen Dorf Pardshaw Hall leitete. Daltons Familie war zu arm, um ihn lange zu unterstützen, und er begann bereits im Alter von zehn Jahren, seinen Lebensunterhalt im Dienste des wohlhabenden Quäkers Elihu Robinson zu verdienen.

Frühe Karriere

Mit 15 Jahren schloss sich Dalton seinem älteren Bruder Jonathan an und leitete eine Quäkerschule in Kendal, Westmorland, etwa 45 Meilen 72 km von seinem Zuhause entfernt. Um das Alter von 23 Jahren könnte Dalton erwogen haben, Jura oder Medizin zu studieren, aber seine Verwandten ermutigten ihn nicht dazu, vielleicht weil er als Nonkonformist vom Besuch englischer Universitäten ausgeschlossen war. 

Er erwarb sich umfangreiches naturwissenschaftliches Wissen durch informelle Unterweisung durch John Gough, einen blinden Philosophen, der in Naturwissenschaften und Künsten begabt war. Mit 27 Jahren wurde er zum Lehrer für Mathematik und Naturphilosophie am „New College" in Manchester ernannt, einer Akademie für Nonkonformisten, die der direkte Vorläufer von Harris Manchester College, Oxford war, nachdem es mehrere Standortwechsel gegeben hatte. Er blieb dort bis zum Alter von 34 Jahren, als die sich verschärfende finanzielle Situation des Colleges ihn zum Rücktritt und zum Beginn einer neuen Karriere als Privatlehrer für Mathematik und Naturphilosophie führte.

Wissenschaftliche Arbeiten

Meteorologie

Daltons frühes Leben wurde von einem prominenten Quäker, Elihu Robinson, einem kompetenten Meteorologen und Instrumentenmacher aus Eaglesfield, Cumbria, beeinflusst, der ihn für Probleme der Mathematik und Meteorologie interessierte. Während seiner Jahre in Kendal trug Dalton Lösungen zu Problemen bei und beantwortete Fragen zu verschiedenen Themen in The Ladies' Diary und dem Gentleman's Diary. 1787 begann er im Alter von 21 Jahren sein meteorologisches Tagebuch, in das er während der nächsten 57 Jahre mehr als 200.000 Beobachtungen eintrug. Er entdeckte George Hadleys Theorie der atmosphärischen Zirkulation, die heute als Hadley-Zelle bekannt ist, ungefähr zu dieser Zeit neu. 1793 enthielt Daltons erste Veröffentlichung, Meteorological Observations and Essays, die Samen mehrerer seiner späteren Entdeckungen, aber trotz der Originalität seiner Behandlung schenkte ihm andere Gelehrte wenig Beachtung. Ein zweites Werk von Dalton, Elements of English Grammar or A new system of grammatical instruction: for the use of schools and academies, wurde 1801 veröffentlicht.

Berge vermessen

Nach dem Verlassen des Lake District kehrte Dalton jährlich zurück, um seine Ferien mit meteorologischen Studien zu verbringen, was viel Bergwandern beinhaltete. Bis zum Aufkommen von Flugzeugen und Wetterballons war die einzige Möglichkeit, Messungen von Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Höhe durchzuführen, einen Berg zu besteigen. Dalton schätzte die Höhe mit Hilfe eines Barometers. Das Ordnance Survey veröffentlichte Karten für den Lake District erst in den 1860er Jahren. Davor war Dalton eine der wenigen Autoritäten über die Höhen der Berge der Region. Er wurde oft von Jonathan Otley begleitet, der auch die Höhen der lokalen Gipfel untersuchte und Daltons Zahlen als Vergleich zur Überprüfung seiner Arbeit verwendete. Otley veröffentlichte seine Informationen auf seiner Karte von 1818. Otley wurde sowohl ein Assistent als auch ein Freund von Dalton.

Farbenblindheit

1794, kurz nach seiner Ankunft in Manchester, wurde Dalton zum Mitglied der Manchester Literary and Philosophical Society, der „Lit & Phil", gewählt, und wenige Wochen später stellte er sein erstes Papier zu „Extraordinary facts relating to the vision of colours" vor, in dem er postulierte, dass der Mangel an Farbwahrnehmung durch eine Verfärbung des flüssigen Mediums des Augapfels verursacht wurde. Da sowohl er als auch sein Bruder farbenblind waren, erkannte er, dass der Zustand erblich sein müsse.

Obwohl Daltons Theorie während seiner Lebenszeit an Glaubwürdigkeit verlor, war die gründliche und methodische Natur seiner Forschung zu seinem visuellen Problem so breit anerkannt, dass Daltonismus ein gebräuchlicher Begriff für Farbenblindheit wurde. Die Untersuchung seines konservierten Augapfels 1995 zeigte, dass Dalton eine weniger häufige Art von Farbenblindheit, Deuteranopie, hatte, bei der die mittelwellenlängensensitiven Zapfen fehlen, anstatt mit einer mutierten Form von Pigment zu funktionieren, wie bei der häufigsten Art von Farbenblindheit, Deuteranomalie. Außer dem Blau und Violett des optischen Spektrums konnte er nur eine Farbe erkennen, Gelb, oder wie er in einem Papier sagte:

Der Teil des Bildes, das andere rot nennen, erscheint mir kaum mehr als ein Schatten oder ein Mangel an Licht; danach scheinen Orange, Gelb und Grün eine Farbe zu sein, die ziemlich gleichmäßig von einem intensiven zu einem seltenen Gelb absteigt, was ich unterschiedliche Gelbtöne nennen würde.

Gasgesetze

1800 wurde Dalton Sekretär der Manchester Literary and Philosophical Society, und im folgenden Jahr präsentierte er eine wichtige Vortragsreihe mit dem Titel „Experimental Essays" zur Zusammensetzung gemischter Gase; der Druck von Dampf und anderen Dämpfen bei verschiedenen Temperaturen im Vakuum und in Luft; zur Verdampfung; und zur thermischen Ausdehnung von Gasen. Die vier Essays, die zwischen dem 2. und 30. Oktober 1801 präsentiert wurden, wurden 1802 in den Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester veröffentlicht.

Der zweite Essay beginnt mit der Bemerkung:

Es kann kaum ein Zweifel bestehen, dass alle elastischen Fluide, welcher Art auch immer, in Flüssigkeiten reduzierbar sind; und wir sollten nicht an der Durchführung bei niedrigen Temperaturen und durch starke Drücke auf die unmischbaren Gase verzweifeln.

Nach der Beschreibung von Experimenten zur Bestimmung des Dampfdrucks an verschiedenen Punkten zwischen 0 und 100 °C 32 und 212 °F, folgerte Dalton aus Beobachtungen des Dampfdrucks von sechs verschiedenen Flüssigkeiten, dass die Variation des Dampfdrucks für alle Flüssigkeiten äquivalent ist, für die gleiche Temperaturänderung, berechnet ab dem Dampf eines gegebenen Drucks.

Im vierten Essay bemerkt er:

Ich sehe keinen ausreichenden Grund, warum wir nicht schließen könnten, dass sich alle elastischen Fluide unter dem gleichen Druck durch Wärme gleich ausdehnen – und dass bei einer gegebenen Ausdehnung von Quecksilber die entsprechende Ausdehnung von Luft proportional etwas weniger ist, je höher die Temperatur. ... Es scheint daher, dass allgemeine Gesetze bezüglich der absoluten Menge und der Natur der Wärme eher von elastischen Fluiden als von anderen Stoffen abgeleitet werden dürften.

Er formulierte Gay-Lussacs Gesetz, das 1802 von Joseph Louis Gay-Lussac veröffentlicht wurde und Gay-Lussac die Entdeckung unbelegte Arbeiten aus den 1780er Jahren von Jacques Charles zuordnete. In den zwei oder drei Jahren nach den Vorträgen veröffentlichte Dalton mehrere Papiere zu ähnlichen Themen. „On the Absorption of Gases by Water and other Liquids", als Vorlesung am 21. Oktober 1803 gelesen und zuerst 1805 veröffentlicht, enthielt sein Gesetz der Partialdrücke, das heute als Daltons Gesetz bekannt ist.

Atomtheorie

Die wichtigsten aller Daltons Untersuchungen befassen sich mit der Atomtheorie in der Chemie. Während sein Name untrennbar mit dieser Theorie verbunden ist, ist der Ursprung von Daltons Atomtheorie nicht vollständig verstanden. Die Theorie könnte ihm entweder durch Forschungen zu Ethylen Ölgas und Methan Karburiertem Wasserstoff oder durch die Analyse von Stickstoffoxid Protoxid von Stickstoff und Stickstoffdioxid Deutoxid von Stickstoff nahegelegt worden sein, wobei beide Ansichten auf der Autorität von Thomas Thomson beruhen.

Von 1814 bis 1819 behauptete der irische Chemiker William Higgins, dass Dalton seine Ideen plagiiert hatte, aber Higgins' Theorie befasste sich nicht mit der relativen Atommasse. Neuere Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass Daltons Gedankenentwicklung von den Ideen eines anderen irischen Chemikers Bryan Higgins, Williamss Onkel, beeinflusst worden sein könnte. Bryan glaubte, dass ein Atom ein schwerer Zentralteilchen war, umgeben von einer Atmosphäre aus Kalorik, der damals angenommenen Wärmestoffsubstanz. Die Größe des Atoms wurde durch den Durchmesser der Kalorik-Atmosphäre bestimmt. Basierend auf den Beweisen war sich Dalton von Bryans Theorie bewusst und übernahm sehr ähnliche Ideen und Sprache, anerkannte aber Bryans Vorwegnahme seines Kalorik-Modells nie. Die wesentliche Neuheit von Daltons Atomtheorie bestand jedoch darin, dass er eine Methode zur Berechnung der relativen Atommassen der chemischen Elemente bereitstellte, etwas, das weder Bryan noch William Higgins taten; seine Priorität für diesen entscheidenden Schritt ist unbestritten.

Eine Studie der Dalton-Labornotizbücher, die in den Räumen der Manchester Literary and Philosophical Society entdeckt wurden, kam zu dem Ergebnis, dass Dalton nicht durch die Suche nach einer Erklärung für das Gesetz mehrfacher Proportionen zu der Idee geführt wurde, dass chemische Kombinationen in der Wechselwirkung von Atomen mit bestimmter und charakteristischer Gewicht bestehen, sondern dass die Idee der Atome als rein physikalisches Konzept in seinem Geist entstand, ihm durch das Studium der physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre und anderer Gase aufgezwungen. Die ersten veröffentlichten Hinweise auf diese Idee sind am Ende seines Papiers „On the Absorption of Gases by Water and other Liquids" zu finden, das bereits erwähnt wurde. Dort sagt er:

Warum lässt Wasser nicht sein Volumen von jeder Art von Gas gleich zu? Diese Frage habe ich gehörig erwogen, und obwohl ich mich nicht vollständig befriedigen kann, bin ich fast davon überzeugt, dass die Umstände vom Gewicht und der Anzahl der ultimativen Teilchen der verschiedenen Gase abhängen.

Er schlägt dann relative Gewichte für die Atome einiger Elemente vor, ohne näher darauf einzugehen.

Die Hauptpunkte von Daltons Atomtheorie, wie sie sich schließlich entwickelte, sind:

1. Elemente bestehen aus extrem kleinen Teilchen, die Atome genannt werden.
2. Atome eines gegebenen Elements sind in Größe, Masse und anderen Eigenschaften identisch; Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in Größe, Masse und anderen Eigenschaften.
3. Atome können nicht unterteilt, erzeugt oder zerstört werden.
4. Atome verschiedener Elemente vereinigen sich in einfachen ganzzahligen Verhältnissen zu chemischen Verbindungen.
5. Bei chemischen Reaktionen werden Atome kombiniert, getrennt oder neu angeordnet.

In seiner ersten erweiterten veröffentlichten Diskussion der Atomtheorie 1808 schlug Dalton eine zusätzliche und umstrittene „Regel der größten Einfachheit" vor. Diese Regel konnte nicht unabhängig bestätigt werden, aber einige solche Annahmen waren notwendig, um Formeln für einige einfache Moleküle vorzuschlagen, auf denen die Berechnung von Atommassen beruhte. Diese Regel besagte, dass wenn bekannt war, dass Atome zweier verschiedener Elemente nur eine einzige Verbindung bildeten, wie Wasserstoff und Sauerstoff, die Wasser bilden, oder Wasserstoff und Stickstoff, die Ammoniak bilden, die Moleküle dieser Verbindung aus einem Atom jedes Elements bestehen sollten. Für Elemente, die in mehreren Verhältnissen kombiniert wurden, wie die damals bekannten zwei Oxide von Kohlenstoff oder die drei Oxide von Stickstoff, wurden ihre Kombinationen als die möglichst einfachsten angenommen. Zum Beispiel, wenn zwei solche Kombinationen bekannt sind, muss eine aus einem Atom jedes Elements bestehen, und die andere muss aus einem Atom eines Elements und zwei Atomen des anderen bestehen.

Dies war lediglich eine Annahme, die aus dem Glauben an die Einfachheit der Natur abgeleitet wurde. Zu dieser Zeit gab es keine Beweise für Wissenschaftler, um zu folgern, wie viele Atome jedes Elements Moleküle bilden. Aber diese oder eine andere solche Regel war absolut notwendig für jede keimhafte Theorie, da man eine angenommene Molekularformel benötigte, um relative Atommassen zu berechnen. Daltons „Regel der größten Einfachheit" veranlasste ihn, anzunehmen, dass die Formel für Wasser OH und Ammoniak NH war, ganz anders von unserem modernen Verständnis H2O, NH3. Andererseits führte seine Einfachheitsregel dazu, dass er die korrekten modernen Formeln für die zwei Oxide von Kohlenstoff CO und CO2 vorschlug. Trotz der Unsicherheit im Herzen von Daltons Atomtheorie überlebten die Prinzipien der Theorie.

Atommassen

Dalton veröffentlichte seine erste Tabelle der relativen Atommassen mit sechs Elementen Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Schwefel und Phosphor, relativ zum Gewicht eines Atoms Wasserstoff, das üblicherweise mit 1 angenommen wird. Da dies nur relative Gewichte waren, haben sie keine Gewichtseinheit. Dalton gab in diesem Papier keinen Hinweis darauf, wie er zu diesen Zahlen gekommen war, aber in seinem Labornotizbuch vom 6. September 1803 befindet sich eine Liste, in der er die relativen Gewichte der Atome einer Anzahl von Elementen auflistete, abgeleitet von der Analyse von Wasser, Ammoniak, Kohlendioxid usw. durch Chemiker der Zeit.

Die Erweiterung dieser Idee auf Stoffe allgemein führte zwangsläufig zum Gesetz mehrfacher Proportionen, und der Vergleich mit Experimenten bestätigte brillant seine Deduktion. In dem Papier „On the Proportion of the Several Gases in the Atmosphere", von ihm im November 1802 gelesen, scheint das Gesetz mehrfacher Proportionen in den Worten vorweggenommen zu werden:

Die Elemente von Sauerstoff können sich mit einer bestimmten Menge Stickstoffgas oder mit dem Doppelten dieser Menge verbinden, aber mit keiner dazwischen liegenden Menge.

Aber es