John Dalton

John Dalton était un chimiste, physicien et météorologue anglais. Il est surtout connu pour avoir introduit la théorie atomique en chimie et pour ses recherches sur le daltonisme, parfois appelé Daltonisme en son honneur.

Début de vie

John Dalton est né dans une famille quaker d'Eaglesfield, près de Cockermouth, dans le Cumberland, en Angleterre. Son père était tisserand. Il a reçu son éducation initiale de son père et du quaker John Fletcher, qui dirigeait une école privée dans le village voisin de Pardshaw Hall. La famille de Dalton était trop pauvre pour le soutenir longtemps et il a commencé à gagner sa vie, à partir de l'âge de dix ans, au service du riche quaker local Elihu Robinson.

Début de carrière

À l'âge de 15 ans, Dalton a rejoint son frère aîné Jonathan pour diriger une école quaker à Kendal, Westmorland, à environ 45 miles 72 km de son domicile. Vers l'âge de 23 ans, Dalton a peut-être envisagé d'étudier le droit ou la médecine, mais ses proches ne l'ont pas encouragé, peut-être parce qu'en tant que Dissident, il lui était interdit de fréquenter les universités anglaises. 

Il a acquis de nombreuses connaissances scientifiques grâce à l'enseignement informel de John Gough, un philosophe aveugle doué en sciences et en arts. À l'âge de 27 ans, il a été nommé professeur de mathématiques et de philosophie naturelle au « New College » de Manchester, une académie de dissidents qui était l'ancêtre direct, suite à plusieurs changements de localisation, du Harris Manchester College, Oxford. Il y est resté jusqu'à l'âge de 34 ans, lorsque la situation financière déclinante du collège l'a amené à démissionner de son poste et à commencer une nouvelle carrière en tant que tuteur privé en mathématiques et en philosophie naturelle.

Travaux scientifiques

Météorologie

La jeunesse de Dalton a été influencée par un éminaire quaker, Elihu Robinson, un météorologue et fabricant d'instruments compétent, d'Eaglesfield, Cumbria, qui l'a intéressé aux problèmes de mathématiques et de météorologie. Au cours de ses années à Kendal, Dalton a contribué à des solutions à des problèmes et répondu à des questions sur divers sujets dans The Ladies' Diary et la Gentleman's Diary. En 1787, à l'âge de 21 ans, il a commencé son journal météorologique dans lequel, au cours des 57 années suivantes, il a enregistré plus de 200 000 observations. Il a redécouvert la théorie de la circulation atmosphérique de George Hadley, maintenant connue sous le nom de cellule de Hadley, à peu près à cette époque. En 1793, la première publication de Dalton, Meteorological Observations and Essays, contenait les germes de plusieurs de ses découvertes ultérieures, mais malgré l'originalité de son traitement, peu d'attention y a été accordée par d'autres savants. Un deuxième ouvrage de Dalton, Elements of English Grammar or A new system of grammatical instruction: for the use of schools and academies, a été publié en 1801.

Mesurer les montagnes

Après avoir quitté la région des lacs, Dalton y retournait chaque année pour passer ses vacances à étudier la météorologie, ce qui impliquait beaucoup de randonnées. Jusqu'à l'arrivée des avions et des ballons météorologiques, la seule façon de prendre des mesures de température et d'humidité en altitude était de gravir une montagne. Dalton a estimé la hauteur à l'aide d'un baromètre. L'Ordnance Survey n'a publié des cartes de la région des lacs que dans les années 1860. Avant cela, Dalton était l'une des rares autorités sur les hauteurs des montagnes de la région. Il était souvent accompagné de Jonathan Otley, qui a également étudié les hauteurs des pics locaux, en utilisant les chiffres de Dalton pour comparer et vérifier son travail. Otley a publié ses informations sur sa carte de 1818. Otley est devenu à la fois un assistant et un ami de Dalton.

Daltonisme

En 1794, peu après son arrivée à Manchester, Dalton a été élu membre de la Manchester Literary and Philosophical Society, la « Lit & Phil », et quelques semaines plus tard, il a communiqué son premier article intitulé « Extraordinary facts relating to the vision of colours », dans lequel il postulait que l'insuffisance de la perception des couleurs était causée par une décoloration du milieu liquide du globe oculaire. Comme lui et son frère étaient daltoniens, il a reconnu que la condition devait être héréditaire.

Bien que la théorie de Dalton ait perdu du crédit de son vivant, la nature minutieuse et méthodique de sa recherche sur son problème visuel a été si largement reconnue que le Daltonisme est devenu un terme courant pour le daltonisme. L'examen de son globe oculaire préservé en 1995 a démontré que Dalton avait un type plus rare de daltonisme, la deutéranopie, dans laquelle les cônes sensibles aux longueurs d'onde moyennes manquent plutôt que de fonctionner avec une forme mutée de pigment, comme dans le type le plus courant de daltonisme, la deutéranomalies. Outre le bleu et le violet du spectre optique, il ne pouvait reconnaître qu'une seule couleur, le jaune, ou, comme il l'a dit dans un article,

Cette partie de l'image que d'autres appellent rouge, m'apparaît guère plus que une ombre ou un défaut de lumière; après cela, l'orange, le jaune et le vert semblent une seule couleur, qui descend assez uniformément d'un jaune intense à un jaune rare, produisant ce que j'appellerais différentes nuances de jaune.

Lois des gaz

En 1800, Dalton est devenu secrétaire de la Manchester Literary and Philosophical Society, et l'année suivante, il a présenté une série importante de conférences, intitulée « Experimental Essays » sur la constitution des gaz mélangés; la pression de la vapeur et d'autres vapeurs à différentes températures dans le vide et dans l'air; sur l'évaporation; et sur l'expansion thermique des gaz. Les quatre essais, présentés entre le 2 et le 30 octobre 1801, ont été publiés dans les Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester en 1802.

Le deuxième essai s'ouvre par la remarque,

Il peut à peine y avoir de doute quant à la réductibilité de tous les fluides élastiques de quelque nature que ce soit, en liquides; et nous ne devrions pas désespérer de l'effectuer à basses températures et par de fortes pressions exercées sur les gaz non mélangés.

Après avoir décrit des expériences pour déterminer la pression de la vapeur à différents points entre 0 et 100 °C 32 et 212 °F, Dalton a conclu à partir d'observations de la pression de vapeur de six liquides différents, que la variation de la pression de vapeur pour tous les liquides est équivalente, pour la même variation de température, en tenant compte de la vapeur de toute pression donnée.

Dans le quatrième essai, il remarque:

Je ne vois aucune raison suffisante de ne pas conclure que tous les fluides élastiques sous la même pression se dilatent également par la chaleur — et que pour toute expansion donnée du mercure, l'expansion correspondante de l'air est proportionnellement quelque chose de moins, plus la température est élevée. ... Il semble donc que les lois générales concernant la quantité absolue et la nature de la chaleur, sont plus susceptibles d'être dérivées des fluides élastiques que d'autres substances.

Il a énoncé la loi de Gay-Lussac, publiée en 1802 par Joseph Louis Gay-Lussac, Gay-Lussac ayant crédité la découverte à des travaux non publiés des années 1780 par Jacques Charles. Dans les deux ou trois années suivant les conférences, Dalton a publié plusieurs articles sur des sujets similaires. « On the Absorption of Gases by Water and other Liquids » lu comme une conférence le 21 octobre 1803, d'abord publié en 1805, contenait sa loi des pressions partielles, maintenant connue sous le nom de loi de Dalton.

Théorie atomique

Les investigations les plus importantes de Dalton concernent la théorie atomique en chimie. Bien que son nom soit inséparablement associé à cette théorie, l'origine de la théorie atomique de Dalton n'est pas entièrement comprise. La théorie peut lui avoir été suggérée soit par des recherches sur l'éthylène gaz oléfiant et le méthane hydrogène carburé, soit par l'analyse de l'oxyde nitreux protoxyde d'azote et du dioxyde d'azote deutoxyde d'azote, les deux points de vue reposant sur l'autorité de Thomas Thomson.

De 1814 à 1819, le chimiste irlandais William Higgins a affirmé que Dalton avait plagié ses idées, mais la théorie de Higgins ne traitait pas de la masse atomique relative. Cependant, des preuves récentes suggèrent que le développement de la pensée de Dalton peut avoir été influencé par les idées d'un autre chimiste irlandais Bryan Higgins, qui était l'oncle de William. Bryan croyait qu'un atome était une particule centrale lourde entourée d'une atmosphère de calorique, la substance supposée de la chaleur à l'époque. La taille de l'atome était déterminée par le diamètre de l'atmosphère calorique. Sur la base des preuves, Dalton était conscient de la théorie de Bryan et a adopté des idées et un langage très similaires, mais il n'a jamais reconnu l'anticipation de Bryan de son modèle calorique. Cependant, la nouveauté essentielle de la théorie atomique de Dalton est qu'il a fourni une méthode de calcul des poids atomiques relatifs pour les éléments chimiques, quelque chose que ni Bryan ni William Higgins n'ont fait; sa priorité pour cette étape cruciale est incontestée.

Une étude des cahiers de laboratoire de Dalton, découverts dans les locaux de la Manchester Literary and Philosophical Society, a conclu que loin que Dalton soit conduit par sa recherche d'une explication de la loi des proportions multiples à l'idée que la combinaison chimique consiste en l'interaction d'atomes de poids défini et caractéristique, l'idée des atomes a surgi dans son esprit comme un concept purement physique, imposé par l'étude des propriétés physiques de l'atmosphère et d'autres gaz. Les premières indications publiées de cette idée se trouvent à la fin de son article « On the Absorption of Gases by Water and other Liquids » déjà mentionné. Là, il dit:

Pourquoi l'eau n'admet-elle pas son volume de chaque sorte de gaz de la même manière? Cette question, je l'ai dûment considérée, et bien que je ne sois pas en mesure de me satisfaire complètement, je suis presque persuadé que la circonstance dépend du poids et du nombre des particules ultimes des différents gaz.

Il propose ensuite des poids relatifs pour les atomes de quelques éléments, sans entrer davantage dans les détails.

Les points principaux de la théorie atomique de Dalton, telle qu'elle s'est finalement développée, sont:

1. Les éléments sont constitués de particules extrêmement petites appelées atomes.
2. Les atomes d'un élément donné sont identiques en taille, masse et autres propriétés; les atomes d'éléments différents diffèrent en taille, masse et autres propriétés.
3. Les atomes ne peuvent pas être subdivisés, créés ou détruits.
4. Les atomes d'éléments différents se combinent dans des rapports de nombres entiers simples pour former des composés chimiques.
5. Dans les réactions chimiques, les atomes sont combinés, séparés ou réarrangés.

Dans sa première discussion publiée prolongée de la théorie atomique en 1808, Dalton a proposé une « règle de plus grande simplicité » supplémentaire et controversée. Cette règle ne pouvait pas être confirmée indépendamment, mais une certaine hypothèse était nécessaire pour proposer des formules pour quelques molécules simples, sur lesquelles le calcul des poids atomiques dépendait. Cette règle stipulait que si les atomes de deux éléments différents étaient connus pour former un seul composé, comme l'hydrogène et l'oxygène formant l'eau ou l'hydrogène et l'azote formant l'ammoniac, les molécules de ce composé seraient supposées consister en un atome de chaque élément. Pour les éléments qui se combinaient dans des rapports multiples, tels que les deux oxydes de carbone connus à l'époque ou les trois oxydes d'azote, leurs combinaisons étaient supposées être les plus simples possibles. Par exemple, si deux telles combinaisons sont connues, l'une doit consister en un atome de chaque élément, et l'autre doit consister en un atome d'un élément et deux atomes de l'autre.

C'était simplement une hypothèse, dérivée de la foi en la simplicité de la nature. Aucune preuve n'était alors disponible pour les scientifiques pour déduire combien d'atomes de chaque élément se combinent pour former des molécules. Mais cette règle ou une autre règle de ce type était absolument nécessaire pour toute théorie naissante, car on avait besoin d'une formule moléculaire supposée pour calculer les poids atomiques relatifs. La « règle de plus grande simplicité » de Dalton lui a fait supposer que la formule pour l'eau était OH et l'ammoniac était NH, très différente de notre compréhension moderne H2O, NH3. En revanche, sa règle de simplicité l'a amené à proposer les bonnes formules modernes pour les deux oxydes de carbone CO et CO2. Malgré l'incertitude au cœur de la théorie atomique de Dalton, les principes de la théorie ont survécu.

Poids atomiques

Dalton a publié son premier tableau de poids atomiques relatifs contenant six éléments hydrogène, oxygène, azote, carbone, soufre et phosphore, par rapport au poids d'un atome d'hydrogène conventionnellement pris comme 1. Puisqu'il s'agissait seulement de poids relatifs, ils n'ont pas d'unité de poids attachée. Dalton n'a fourni aucune indication dans cet article sur la façon dont il était arrivé à ces chiffres, mais dans son cahier de laboratoire, daté du 6 septembre 1803, se trouve une liste dans laquelle il a énuméré les poids relatifs des atomes d'un certain nombre d'éléments, dérivés de l'analyse de l'eau, l'ammoniac, le dioxyde de carbone, etc. par les chimistes de l'époque.

L'extension de cette idée aux substances en général l'a nécessairement conduit à la loi des proportions multiples, et la comparaison avec l'expérience a brillamment confirmé sa déduction. Dans l'article « On the Proportion of the Several Gases in the Atmosphere », lu par lui en novembre 1802, la loi des proportions multiples semble être anticipée par les mots:

Les éléments d'oxygène peuvent se combiner avec une certaine portion de gaz nitreux ou avec le double de cette portion, mais sans quantité intermédiaire.

Mais il