John Dalton & atomen

Mot slutet av 1800-talet ansågs John Dalton tillsammans med Isaac Newton och Francis Bacon höra till de allra främsta brittiska vetenskapsmännen. Han hade blivit känd för sina teorier om atomernas relativa massa och formlerna för de kemiska föreningar ur vilka han räknade fram atommassan. Hans sätt att fastställa atomvikten gjorde honom till en vetenskapens metodiker, lika djärv men inte lika spirituell som Bacon.

Newton ville beräkna hela världen och Bacon reformera dess filosofi. Till skillnad från dem var Daltons system för kemisk atomvikt en osannolik biprodukt av hans forskning om vädret. Hans numrering av atomer förde in ett stort område av fysiken under matematikens lagar, även om hans kvantifierade kemi jämfört med Newtons världssystem var som en enda atom i förhållande till världsalltet.

Originell ensamtänkare

Dalton växte upp i ett fattigt hem på landet i Lake District i norra England där det fanns vatten i alla dess former och där vädret dominerade den lilla konversation som förekom. Han förde meteorologisk dagbok – uppgifter om temperatur, lufttryck, vindförhållanden och nederbörd – från 1787, när han var 21 år, och fram till sin död.

På den tiden var frågan om vattnets avdunstning ett centralt problem i meteorologin. Den förhärskande teorin jämförde avdunstningen vid en kemisk lösning, där en vattenpartikel förenades med en eller flera luftpartiklar.

Dalton hade goda skäl att ifrågasätta den modellen. Han föredrog att betrakta vattenånga som en särskild typ av luft. Utan att veta om det gjorde han gemensam sak med Jean André Deluc från Genève, anställd som lärare i naturfilosofi hos den engelska drottningen Charlotte.

Deluc hade år 1772 lagt fram sina tankar om meteorologi i en bok på franska, berömd bland annat för sin tjocklek. Dalton meddelade att de båda teorierna sammanföll sedan han läst ett sammandrag av Delucs version i en populär tidskrift.

Det här var typiskt för Dalton. Även om han hade tillgång till böcker om naturfilosofi i skolan där han undervisade och genom lärda kväkare som uppmuntrade hans studier, så saknade han mycket av det han behövde. Så här skrev han i sin Meteorological observations and essays (1793): ”Jag har läst få samtida verk om atmosfären [- – -] Jag var tvungen, och det var kanske tur, att fundera en hel del kring de olika områdena [inom meteorologin] och att göra de experiment som det stod i min makt att utföra.”

Han var hänvisad till sig själv, och han utvecklade på så vis två egenskaper som kom att känneteckna hans karriär: självtillit och självsäkerhet. Det ledde å ena sidan till envishet och okunnighet, å andra sidan till tankar som ingen annan hade haft. I den nyss nämnda boken skrev han att han kunde uppfattas som en ”visionär teoretiker”. Hans teori om ”ångornas tillstånd i atmosfären” var helt enkelt ”helt ny” (här glömde han bort Deluc).

Förklarar ”daltonismen”

Enligt Daltons nya teori var vattenångans tryck oberoende av övriga gaser i atmosfären – mängden ånga i luften berodde enbart på temperaturen. Och generellt var trycket hos en godtycklig gasblandning lika med summan av de enskilda gasernas partialtryck (partialtryck är det tryck som gas i en gasblandning skulle ha om den ensam och vid oförändrad temperatur fyllde blandningens volym).

Det var inte många som tog notis om Daltons lag om partialtryck när den publicerades i hans Meteorological observations and essays. Men ett erbjudande om att undervisa i matematik och fysik vid en frikyrklig skola i Manchester förde honom just då nära en plats där hans idéer skulle komma att uppmärksammas. Det var Literary and Philosophical Society of Manchester (”Lit and Phil”), en vetenskapsakademi grundad 1781 av stadens köpmän, företagare, hantverkare och läkare. Dalton blev medlem 1794.

Daltons första bidrag till Lit and Phil rörde honom själv. Han hade lagt märke till att en blomma som han betraktade som ”rosa” i dagsljus verkade ”blå” i skenet av ett stearinljus. Han bjöd in flera vänner och sin bror att bevittna detta märkliga fenomen. Endast hans bror upptäckte förändringen. För alla de andra såg blomman likadan ut, vare sig ljuset kom från solen eller ett stearinljus.

Dalton var medveten om att han uppfattade färger annorlunda än andra. En gång hade han (enligt en berömd och sannolikt påhittad historia) givit sin mor, som var kväkare, klarröda strumpor som han tyckte gick i en behagligt grå färg. Dalton trodde sig kunna förklara sin defekt – han själv och brodern kunde inte uppfatta rött ljus, eftersom det absorberades av en onormal blå glasaktig vätska i deras ögon. Här avvisade han läkare Thomas Youngs förklaring att ”daltonismen” skulle bero på en brist på röda detektorer i näthinnan. Typiskt nog lämnade han instruktioner om att hans öga skulle dissekeras efter hans död så att den hypotetiska blå vätskan kunde uppdagas.

En sällan trampad stig

Lit and Phil tyckte om artikeln om färgblindhet och utnämnde år 1801 Dalton till sin sekreterare. Samma år redovisade han sina gamla idéer om gasernas partialtryck. Dem tyckte akademin däremot inte alls om.

I en strävan att övertyga skeptikerna undersökte Dalton hur gaser absorberas i vatten. År 1802 visade han att mängden koldioxid, CO2, som absorberas beror på det partialtryck som den utövar på vattnet. Han drog slutsatsen att absorptionen är en mekanisk process där gasen tvingar in sina partiklar i ”porerna” hos mottagaren.

Det blev för mycket för Daltons gode vän och kollega på Lit and Phil, läkaren William Henry. Men Henrys experiment som skulle tillbakavisa Daltons absorptionsteori kom i stället att understödja den. I slutet av 1802 hade Henry sammanfattat sina koldioxidexperiment i Henrys lag: volymen gas som absorberas av vatten vid konstant temperatur är oberoende av trycket. Det innebär att vid konstant temperatur är mängden gas som löses i vatten proportionell mot dess partialtryck. I mars 1803 informerade Dalton sin bror att han framgångsrikt hade följt upp Henrys sammanfattning och slagit in på en ”sällan trampad stig”.

Den nya stigen ledde till idén om atomernas relativa vikt. Det började med en uppenbar svårighet i den mekaniska absorptionsteorin: varför släpper inte vatten in samma mängd av alla gaser vid konstant temperatur och partialtryck? ”Jag är nästan säker på att denna omständighet beror på vikten hos de minsta partiklarna i olika gaser och på hur många de är”, förklarade Dalton för Lit and Phil. Han noterade att enkla gaser är mindre benägna att absorberas än gaser som är sammansatta.

I enlighet med sin mekaniska teori gissade Dalton att partiklarna i enkla gaser är enklare och lättare än de i sammansatta gaser. ”Att undersöka den relativa vikten hos de minsta partiklarna i ett ämne är så vitt jag vet ett helt nytt studieobjekt.” Dalton tillkännagav därmed i oktober 1803 att hans studier tagit en ny riktning.

Tydlig men primitiv bild

När Dalton utvecklade sin lag om partialtryck hade han litat till Isaac Newtons gasmodell. Modellen beskriver gaspartiklarna som statiska, påverkade av ömsesidigt repellerande krafter som minskar med avståndet och bara sträcker sig till de närmaste grannarna. ”Denna slutsats kommer att gälla så länge lagarna om elastiska vätskor förblir som de är”, skrev Dalton i den första delen av sin New system of chemical philosophy (1808).

Han tillämpade denna pålitliga modell, vilken numera betraktas som helt felaktig, på varje enskild gas i en blandning. Så i en blandning som består av gaserna A och B med partiklar av typ a och typ b, repelleras a-partiklar av a-partiklar och b-partiklar av b-partiklar, medan A och B (som Henry uttryckte det) är som vakuum i förhållande till varandra.

Sammansatta partiklar som ab, aba och bab kan uppträda i en kemisk förening. Enligt Daltons tillämpning av Newtons modell borde dock partiklar av typ ab förekomma oftare än typ aba, eftersom de identiska a-partiklarna i aba tenderar att drivas isär av repulsionen.

Dalton kom fram till att om endast en förening av A och B är känd, så antar dess partiklar formen ab, om det finns två föreningar – ab och aba, och så vidare. Ju mer sammansatt gasföreningen är, desto lättare splittras den och alltså löses upp i vatten.

Daltons stora bidrag till den kemiska filosofin vilade på en tydlig, om än primitiv bild av gaspartiklarnas struktur och deras rumsliga förhållanden (bild 2). För att aba skulle vara stabil måste mittpunkten hos de tre beståndsdelarna, vilka Dalton återgav i form av cirklar, ligga i rak linje. I fallet aaab utgjorde de tre a:nas mittpunkter en liksidig triangel som omgav b. I fallet aabba utgjorde a, b, a, b ändpunkterna på armarna hos ett grekiskt (likarmat) kors, medan det tredje a:et förlängde b-armen och åstadkom ett latinskt kors.

Genom att tilldela partiklarna i alla kemiska grundämnen fasta vikter använde Dalton de lagar för gasföreningar som kemisterna tvistade så mycket om kring år 1800. Så år 1803 tillskrev han kväveoxid (NO) en binär (tvåfaldig) struktur och dikväveoxid (N2O) en ternär (trefaldig). Och han härledde de relativa vikterna för olika grundämnen.

Tabellen fick ett eget liv

Han fann att den relativa vikten hos syre (O) och väte (H) som frigörs vid elektrolys av vatten (O:H) är 8:1. Eftersom syret och vätet bildas när partikeln oh delas, måste enligt Dalton den relativa vikten hos partiklarna o och h också förhålla sig 8:1.

Tabellen fick ett eget liv: eftersom lika volymer kväve och syre förenas och bildar NO, borde dessa volymer innehålla ett lika stort antal partiklar och o:n = O:N = 8:7. Med samma teori och metod, även bekräftade i experiment, fann han att 7 viktenheter kväve förenas i N2O med 4 enheter syre, i NO med 8 enheter syre och i NO2 med 16 syreenheter.

Dalton förklarade egentligen aldrig hur skillnader i atomernas vikt eller storlek löste problemet med gasernas varierande absorption i vatten. Det var ju den frågan som hade fört honom till den ”helt nya … undersökningen kring den relativa vikten hos kropparnas minsta partiklar”.

Berzelius införde matematik

Daltons samtida tog till sig hans idé om relativa vikter men förkastade de bilder på vilka han hade grundat sin teori. Den som främst utvecklade matematiken i Daltons fysiska kemi var den svenske kemisten Jöns Jacob Berzelius. Han fick höra om atomviktstabellen på omvägar och försökte skaffa sig Daltons New system för att läsa mer.

År 1812 fick han till slut ett exemplar av den utökade utgåvan av boken från författaren själv. ”Aldrig har en gåva skänkt mig sådan glädje som den här först gjorde … men jag skall inte dölja att jag blev överraskad över hur författaren grusade mina förhoppningar.”

Berzelius opponerade sig mot Daltons misstag i kemi och matematik och mot den primitiva framställningen. I stället för de små cirklar som representerar atomerna hos Dalton införde Berzelius det alfanumeriska system – med både bokstäver och siffror – som skulle bli standard. Där Dalton ritade oOo skrev Berzelius N2O, och där Dalton spekulerade över atomernas form antog Berzelius att alla var lika stora sfärer.

Berzelius och de kemister som utbildats hos honom förkastade också Daltons godtyckliga enkelhetsregler och tyckte att vatten troligen inte behöver beskrivas som HO. De förenade volymerna av väte och syre i vatten antydde snarare formeln H2O. Då skulle lika stora volymer väte och syre under samma betingelser ha samma antal minsta partiklar. Detta var en hypotes som Amadeo Avogadro år 1811 utvidgade till att gälla alla gaser. I Daltons HO, däremot, skulle syre ha dubbelt så många partiklar som väte per volymenhet.

Kemin ”rena hebreiskan”

Berzelius och hans anhängare förkastade Avogadros hypotes främst därför att den krävde att de minsta partiklarna av väte, kväve och syre skulle vara binära – H2, N2 och O2. Trots att Avogadro tydligt förklarade varför en enhet kväve och en enhet syre tillsammans bildade två enheter NO ville Berzelius inte gå med på det. I stället för de dunkla bindningarna mellan Daltons bollar använde han en egen teori. Han antog att elektriciteten höll ihop de minsta beståndsdelarna, och han kunde inte förstå hur två partiklar med samma elektriska laddning kunde ingå ett stabilt partnerskap.

Också Dalton tillbakavisade Avogadros hypotes eftersom den ödelade hans vattenmodell ho och resonemanget bakom alla hans formler. Givetvis kritiserade han också Berzelius för att denne ersatte tydliga mekaniska modeller med obskyra matematiska symboler. ”De är rena hebreiskan för unga kemistudenter.”

Både Daltons styrka och hans svaghet ligger i de mekaniska framställningarna. Han påminner om en självlärd som upptäckte att han i enkla, genialiska bilder kan förmedla sin förståelse av Newton när det gäller meteorologiska fenomen.

Pinnar och bollar kvar

Dalton hade goda skäl att betrakta sin inställning som förnuftig. Den ledde honom fram till lagen om partialtryck, till en förklaring och bekräftelse av kemiska föreningar och till idén om atomernas relativa vikt. Dessutom fann han de enkla symbolerna värdefulla i sin undervisning. Den gav honom den inkomst som han levde sitt enkla liv på tills han fick pension från staten år 1833.

Flertalet bilder av atomer som Dalton använde i filosofiska diskussioner och i klassrummet vittnar om ett samspel mellan hans undervisning och originella tänkande. Det är kännetecknande att han fulländade sitt system för atomvikter när han, ofta under press, förberedde offentliga föreläsningar.

Berzelius hade rätt i att Daltons strukturer och formler var godtyckliga. Men trots allt blickade de lika mycket mot framtiden som det viktsystem de representerade. När 1800-talskemisterna senare tog sig an problemet med att placera molekylernas beståndsdelar – atomerna – på rätt plats upptäcktes de så kallade stereoisomererna: att atomer med samma kemiska former kan se olika ut. Och när kvantmekaniken kom på 1900-talet upplöstes molekylerna i elektronmoln och elektronbanor. Men de praktiska molekylkonstruktionerna av pinnar och bollar fortsatte ändå att användas och nådde för exakt femtio år sedan sin monumentala kulmen i vår tids vetenskapliga ikon, DNA-molekylens dubbelspiral.