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John Dalton
Zur Atomtheorie · Jeder Stoff besteht aus kleinsten, nicht weiter teilbaren kugelförmigen Teilchen, den Atomen. · Alle Atome eines bestimmten Elements haben das …
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Bedeutung und Lebensweg
John Dalton (* 6. September 1766 in Eaglesfield bei Cockermouth, Cumberland; † 27. Juli 1844 in Manchester) war ein englischer Naturforscher und Lehrer. Er gilt wegen seiner grundlegenden Untersuchungen zur Atomtheorie als einer der Wegbereiter der Chemie.
Dalton stammte aus einer Quäkerfamilie. Seine Eltern waren der Weber Joseph Dalton (1733–1787) und Deborah Greenup (1724–1810). Er besuchte zunächst die Quäkerschule in Pardshaw Hall. Schon früh musste er zum Lebensunterhalt beitragen: Mit zehn Jahren trat er in den Dienst von Elihu Robinson. 1778 gründete er selbst eine Schule, zuerst in einer Scheune in Eaglesfield und später im Versammlungshaus der Quäker. Ab 1781 leitete er mit seinem Bruder Jonathan und seinem Cousin George Bewley eine Schule in Kendal.
1793 erhielt Dalton in Manchester eine Stelle an der Warrington Academy als Lehrer für Mathematik und Naturwissenschaften. Um 1800 gab er diese Lehrstelle auf und lebte vor allem von Privatunterricht. Wichtig für seine wissenschaftliche Arbeit wurde die Manchester Literary and Philosophical Society: Sie ermöglichte ihm den Druck seiner meteorologischen Arbeiten und ein eigenes Labor.
Meteorologie, Gase und Farbenblindheit
Daltons frühe wissenschaftliche Arbeit begann mit der Meteorologie, also der Untersuchung von Wetter, Luft, Wasser, Wind und Regen. Mit 21 Jahren führte er eigene meteorologische Studien durch und stellte wissenschaftliche Geräte wie Barometer und Thermometer her. Seit 1787 hielt er öffentliche Vorträge über Mechanik, Optik, Astronomie und Geographie. 1791 veröffentlichte er Meteorological observations and essays.
Von 1784 bis 1795 löste Dalton mathematische Probleme in den Almanachen The Ladies’ diary: or Woman’s almanack und The Gentleman’s diary, or The mathematical repository und veröffentlichte dort auch eigene Aufgaben. Sein Name erschien dort erstmals 1783.
1794 beschrieb Dalton die Rot-Grün-Sehschwäche, die auch Farbenblindheit genannt wird und später als Daltonismus bezeichnet wurde. Er war selbst davon betroffen. Dalton vermutete eine blaue Flüssigkeit in seinem Auge als Ursache seiner Farbwahrnehmung und bat einen Freund, nach seinem Tod eines seiner Augen zu sezieren.
In seinen meteorologischen Beobachtungen vermutete Dalton schon 1787, dass Regen durch einen Temperaturabfall in der Atmosphäre entsteht. Damit widersprach er der damals herrschenden Meinung, nach der Druckunterschiede in der oberen Atmosphäre für Niederschläge verantwortlich seien.
Gasgesetze und Luftzusammensetzung
Mit Chemie, besonders mit der Zusammensetzung der Luft, beschäftigte sich Dalton ab etwa 1796. Er entwickelte die Theorie, dass in einer Gasmischung jedes einzelne Gas unabhängig von den anderen Gasen einen eigenen Partialdruck besitzt. Partialdruck bedeutet: der Druck, den ein einzelnes Gas in einem Gasgemisch ausübt. Daraus entstand das Dalton-Gesetz: Der Gesamtdruck eines Gasgemisches ist gleich der Summe der Drucke der einzelnen Gase.
Dalton untersuchte auch Dampfdrücke. Er stellte die Hypothese auf, dass die Dampfdrücke aller Flüssigkeiten bei gleichen Temperaturabständen vom Siedepunkt gleich groß seien. Für Wasser und Diethylether fand er je Grad Temperaturerhöhung eine konstante Ausdehnung der Gasmenge über der Flüssigkeit; bei anderen Flüssigkeiten gilt dies jedoch nicht allgemein.
1801 fand Dalton unabhängig von Joseph Louis Gay-Lussac das Gesetz der proportionalen Gasausdehnung reiner Gase wie Sauerstoff und Stickstoff bei Temperaturerhöhung. Dalton bestimmte den Proportionalitätsfaktor mit 1/266 ≈ 0,00376; der korrekte Wert liegt bei etwa 1/273 ≈ 0,00365. Aus solchen Überlegungen prägte er den Begriff „Absoluter Nullpunkt“ eines Gases, also der Temperatur, bei der ein Gas flüssig oder fest vorliegen sollte.
Im folgenden Jahr untersuchte Dalton die Zusammensetzung der Luft. Er kam zu recht genauen Ergebnissen: etwa 21 % Sauerstoff und 79 % Stickstoff.
Atomhypothese und Proportionengesetze
Daltons bedeutendste Veröffentlichung war wahrscheinlich A new system of chemical philosophy, das ab 1808 gedruckt wurde. Darin stellte er seine Atomhypothese vor. Ein Atom ist darin die kleinste Einheit der Materie. Dalton nahm an, dass es so viele verschiedene Atome wie Elemente gibt: „Elemente bestehen aus für das jeweilige Element charakteristischen, in sich gleichen und unteilbaren Teilchen, den Atomen“.
Der wichtigste Unterschied zum demokritischen Atommodell war Daltons Aussage, dass Atome sich durch ihre Masse unterscheiden. Nach Dalton können Atome miteinander vereinigt werden; das nennt man Synthese. Vereinigte Atome können auch wieder voneinander getrennt werden; das nennt man Analyse.
Daltons Atommodell lässt sich in vier Kernaussagen zusammenfassen: Jeder Stoff besteht aus kleinsten, nicht weiter teilbaren kugelförmigen Teilchen, den Atomen. Alle Atome eines bestimmten Elements haben das gleiche Volumen und die gleiche Masse; Atome unterschiedlicher Elemente unterscheiden sich in Volumen und Masse. Atome sind unzerstörbar und können durch chemische Reaktionen weder vernichtet noch erzeugt werden. Bei chemischen Reaktionen werden die Atome der Ausgangsstoffe nur neu angeordnet und in bestimmten Anzahlverhältnissen miteinander verbunden.
Mit diesen Überlegungen konnten mehrere chemische Gesetze erklärt werden: das Gesetz der konstanten Proportionen von Joseph-Louis Proust (1794), Daltons Gesetz der multiplen Proportionen und das Gesetz der äquivalenten Proportionen von Richter (1791). Das Gesetz der multiplen Proportionen lautet: „Bilden zwei Elemente miteinander mehrere Verbindungen, so stehen die Massenverhältnisse, mit denen die Elemente in diesen Verbindungen auftreten, zueinander im Verhältnis kleiner ganzer Zahlen.“
Atomgewichte und Beispiele
Dalton untersuchte Gasgemische über Flüssigkeiten. Sein Freund William Henry hatte gezeigt, dass die Löslichkeit eines einzelnen Gases proportional zum Druck dieses Gases über der Flüssigkeit ist; das ist das Henrysche Gesetz. Dalton nahm an, dass Gasteilchen mit unterschiedlichem Gewicht auch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten zeigen. Leichte Teilchen wie Wasserstoff würden sich bei gleichem Druck schlechter lösen als schwere Teilchen wie Kohlendioxidteilchen.
Aus Messungen der Löslichkeit von Gasen und aus bekannten Gewichtsverhältnissen leitete Dalton eine Tabelle relativer Atommassen ab. Am 21. Oktober 1803 las er vor der Manchester Literary and Philosophical Society seine Abhandlung On the absorption of gases by water and other liquids, die 1805 gedruckt erschien. Er setzte das relative Gewicht von Wasserstoff gleich 1. Für Kohlenstoff gab er 4,3 an, für Kohlenmonoxid 9,8, für Sauerstoff 5,5, für Stickstoff 4,2, für Wasser 6,5 und für Ethylalkohol 15,1. Später änderte er einige Werte: 1810 kam er auf 5,4 für Kohlenstoff, 7 für Sauerstoff und 6 für Stickstoff.
Viele dieser Werte waren noch weit von den korrekten Werten entfernt. Dalton betrachtete auch die kleinsten Teilchen von Wasser, Ethanol und Kohlenmonoxid noch als atomare, unteilbare Teilchen und gab teilweise falsche Summenformeln an, etwa für Salpetersäure. Eine deutlich genauere Bestimmung der Atommasse gelang nach 1810 Jöns Jakob Berzelius. Die klare Unterscheidung zwischen Atom und Molekül erfolgte erst gegen 1860 durch Stanislao Cannizzaro, nachdem erkannt worden war, dass sich auch zwei gleiche Atome zu einem Molekül verbinden können, zum Beispiel zwei Wasserstoffatome zu einem Wasserstoffmolekül.
Ein wichtiges Beispiel im Artikel ist Wasser: Aus Untersuchungen von Alexander von Humboldt und Gay-Lussac war bekannt, dass Wasser aus 12,6 Gewichtsteilen Wasserstoff und 87,4 Gewichtsteilen Sauerstoff gebildet wird. Das ist fast genau das Verhältnis 1:7. Dalton nutzte solche festen Gewichtsverhältnisse, um seine Atomvorstellung zu stützen.
Schriften und Ehrungen
Zu Daltons wichtigen Schriften gehören Meteorological observations and essays (1793), Elements of English grammar: or a new system of grammatical institution (1801) und A new system of chemical philosophy, das in zwei Bänden 1808–1827 erschien. Außerdem veröffentlichte er Beiträge über Farbenblindheit, Gasgemische, Atmosphäre, Verdampfung, Dampfdruck, Regen, Barometer- und Thermometerbeobachtungen sowie die Absorption von Gasen durch Wasser und andere Flüssigkeiten.
Dalton war ab dem 25. April 1794 Mitglied der Manchester Literary and Philosophical Society und von 1816 bis 1844 deren Präsident. 1816 wurde er korrespondierendes Mitglied der Académie des sciences in Paris. Am 7. März 1822 wurde er als Fellow in die Royal Society gewählt, die ihm 1826 als einem der ersten beiden Wissenschaftler die Royal Medal verlieh. 1834 wurde er in die American Academy of Arts and Sciences gewählt. Am 20. April 1835 wurde er Honorary Fellow der Royal Society of Edinburgh. Seit 1820 war er auswärtiges Mitglied der Bayerischen Akademie der Wissenschaften und seit 1827 korrespondierendes Mitglied der Preußischen Akademie der Wissenschaften.
Die atomare Masseneinheit „u“ wird Dalton zu Ehren auch „Dalton“ genannt. Ein Dalton (Da) entspricht ungefähr der Masse eines Wasserstoffatoms, nämlich 1,66·10^{−27} kg. Außerdem sind der Mondkrater Dalton und der Asteroid (12292) Dalton nach ihm benannt. Seit 1998 verleiht die European Geosciences Union die John Dalton Medal für herausragende Forschungsleistungen auf dem Gebiet der Hydrologie.
