Teoria atomistyczna Daltona. Prawo niezmienności pierwiastków

Na naszej planecie występują miliony różnych ciał. Są one zbudowane z pewnej liczby prostych substancji nazwanych pierwiastkami, zawierających jeden typ atomów. Wynika więc z tego, że skoro zawierają one tylko jeden typ atomów to nie mogą być rozłożone na składniki prostsze. Tak rozumował Robert Boyle (1627 – 1691), przeciwstawiając się tym samym współczesnym mu chemikom, którzy sądzili, że cały świat zgodnie z poglądem Empedoklesa z Akragas, przejętym przez Arystotelesa zbudowany jest z czterech pierwiastków – żywiołów: ziemi, ognia, powietrza i wody.

Boyle twierdził, że jego pierwiastki można zobaczyć i zbadać ich właściwości znacznie lepiej niż cechy żywiołów, takie jak suchość czy zimno. Przyszłość pokazała, że rację miał Boyle.

W roku 1680 w książce pt. „Chemik powątpiewający” Boyle sformułował po raz pierwszy, aktualne do dziś określenie pierwiastka chemicznego, pisząc „aby zapobiec błędom muszę wyjaśnić co rozumiem pod pojęciem pierwiastka... są to pewne substancje proste, przez których połączenie powstają substancje złożone i na które te substancje złożone rozkładają się”. Wyrażone językiem współczesnym określenie Boyle’a definiuje pierwiastek jako najprostszą substancję, której na drodze chemicznej nie da się przekształcić w prostszą.

Boyle nie podał jednak w swej książce listy znanych wówczas pierwiastków. Uczynił to dopiero ponad 100 lat później Antoine L. Lavoisier. Podał on w roku 1789 w swoim podręczniku chemii pierwszą listę obejmującą 33 pierwiastki.

Jednakże do roku 1913 nie znano niezawodnej metody, za pomocą której można by udowodnić, czy określona substancja jest, czy nie jest pierwiastkiem. Dopiero odkrycia w dziedzinie mikrostruktury materii pozwoliły na definitywne ustalenie, które substancje są pierwiastkami. Przykładem pierwiastków chemicznych są między innymi rtęć, tlen, azot, wodór, siarka, miedź, żelazo, złoto, platyna. Przemiany chemiczne polegają na „łączeniu się lub rozłączaniu” pierwiastków, które same pozostają przy tym nie zmienione.

Stąd wynika zasadnicze twierdzenie chemii – prawo niezmienności pierwiastków: we wszystkich przemianach chemicznych najprostsze rodzaje materii – pierwiastki, przechodząc z jednych substancji do innych nie ulegają zmianie.

Obecnie znanych jest 112 pierwiastków chemicznych – tylko 90 z nich występuje w przyrodzie, choć niektóre w śladowych ilościach.

W 1804 r. uczony angielski John Dalton (1766 – 1844) sformułował hipotezę o atomistycznej budowie materii – hipotezę, która wyjaśniała znane wówczas prawa chemiczne. Dalszy rozwój badań nad rozwojem materii doprowadził do zmodyfikowania niektórych sformułowań hipotezy Daltona, jednak sens chemiczny jego koncepcji pozostał aktualny do dziś.

Najistotniejsze elementy współczesnej teorii atomistycznej można przedstawić w siedmiu postulatach.

Postulat I.
Każdy pierwiastek chemiczny jest zbiorem małych cząstek chemicznych zwanych atomami. Wszystkie atomy danego pierwiastka mają identyczne właściwości chemiczne.

Termin „właściwości chemiczne pierwiastka” oznacza przede wszystkim zdolność (lub brak zdolności) do łączenia się z innymi pierwiastkami w określonych warunkach (temperatura, ciśnienie, środowisko), czyli tworzenie związków chemicznych o określonym składzie ilościowym, wchodzenie lub niewchodzenie w reakcje wymiany z różnymi związkami (w danych warunkach).
Badania nad wewnętrzną budową atomów ujawniły istnienie odmian tego samego pierwiastka, tzw. izotopów (atomy tego samego pierwiastka o różnej liczbie neutronów), które, różniąc się nieznacznie składem jądra atomowego, mają te same cechy chemiczne. Z tego względu nie można definiować pierwiastka jako zbioru identycznych atomów. Definicja powinna być oparta na jakimś konkretnym elemencie, wspólnym dla wszystkich atomów wykazujących jednakowe właściwości chemiczne, np.: pierwiastek chemiczny jest zbiorem atomów o tym samym ładunku elektrycznym jądra atomowego (lub tej samej liczbie protonów w jądrze).

Postulat II.
Atomy różnych pierwiastków różnią się od siebie cechami chemicznymi i fizycznymi. Istnieje tyle rodzajów atomów o określonych właściwościach chemicznych, ile jest pierwiastków.

Uwzględniając zjawisko izotopii dochodzi się do wniosku, że liczba rodzajów atomów o określonych właściwościach fizycznych i chemicznych jest większa niż liczba pierwiastków, ponieważ większość pierwiastków ma odmiany izotopowe.

Postulat III.
Atom danego pierwiastka nie może ulec przekształceniu w atom innego pierwiastka podczas reakcji chemicznej.

W początkowym okresie rozwoju teorii atomistycznej sądzono, że atom nie może ulec przemianie w inny atom w żadnych warunkach. Bliższe wniknięcie w strukturę atomu ujawniło możliwość tego rodzaju przemian (tzw. reakcje jądrowe), niemniej w dalszym ciągu słuszne jest twierdzenie, że atomu nie da się przekształcić w inny atom w reakcjach chemicznych. Podobnie odkrycie złożonej struktury atomu nie zmienia faktu, że atom jest najdrobniejszą porcją pierwiastka, jaka zachowuje jeszcze jego charakterystyczne właściwości. Składniki atomu (elektrony, protony, neutrony) mają cechy odmienne.

Postulat IV.
Łączenie się pierwiastków w związki chemiczne polega na łączeniu się atomów różnych pierwiastków w większe zespoły, zwane cząsteczkami.

W myśl tego postulatu najprostszy proces syntezy związku chemicznego z pierwiastka A i pierwiastka B przebiega według schematu:
1 atom A + 1 atom B  1 cząsteczka AB

Cząsteczka typu AB tzn. zbudowana z jednego atomu A i jednego atomu B, jest najprostszym przykładem związku chemicznego. Współczesne metody badań budowy cząstek pozwalają na określenie ich wymiarów i kształtu, co z kolei umożliwia budowanie ich modeli. Przykładem cząsteczki AB jest cząsteczka chlorowodoru zbudowana z jednego atomu wodoru i jednego atomu chloru.
Cząsteczka związku chemicznego, powstającego z pierwiastków A i B nie musi być cząsteczką typu AB. Istnieje wiele związków, których cząsteczki mają skład AB2, AB3, AB4, A2B2, A2B3 itp.; we wzorach tych mała cyfra u dołu (tzw. prawy dolny indeks oznacza liczbę atomów danego pierwiastka w cząsteczce. Liczba możliwych typów cząsteczek znacznie wzrasta przy przejściu do związków składających się z trzech pierwiastków. Przykładem cząsteczki typu AB2 jest cząsteczka dwutlenku węgla zbudowana z jednego atomu węgla i dwóch atomów tlenu lub cząsteczka wody zbudowana z dwóch atomów wodoru i atomu tlenu. Przykładem cząsteczki typu AB3, jest cząsteczka amoniaku zbudowana z jednego atomu azotu i trzech atomów wodoru. Przykładem cząsteczki A2B3 jest cząsteczka trójtlenku azotu zbudowana z dwóch atomów azotu i trzech atomów tlenu.

Postulat V.
Związek chemiczny jest zbiorem cząsteczek. Wszystkie cząsteczki danego związku chemicznego zawierają tę samą liczbę tych samych rodzajów atomów i mają identyczne właściwości chemiczne.

Pod terminem „właściwości chemiczne związku” należy rozumieć zdolność (lub brak zdolności) do reagowania w danych warunkach z określonymi substancjami, sposób reagowania z tymi substancjami, warunki (przede wszystkim temperaturę), w których rozpoczyna się rozkład związku na prostsze składniki oraz przebieg tego rozkładu.

Postulat VI.
Rozłożenie związku chemicznego na pierwiastki polega na rozpadzie cząsteczek na atomy. Proces ten może przebiegać w kilku etapach.

Rozkład związku o cząsteczkach typu AB przebiega wg schematu:
AB  A + B

a rozkład cząsteczek typu ABC może przebiegać jednoetapowo:
ABC  A + B + C

lub dwuetapowo:
ABC  AB + C
AB  A + B

W ostatnim przypadku proces wymaga przeprowadzenia dwóch reakcji rozkładu, każdej w odmiennych warunkach i pod wpływem odmiennych czynników.

Postulat VII.
Atomy tego samego pierwiastka mogą połączyć się w cząsteczki.

Niektóre pierwiastki stanowią zbiory kilkuatomowych cząsteczek typu A2, A3, A4 itp.. tworzenie cząsteczek jest cechą większości niemetali. Na przykład wodór i azot występują w postaci cząsteczek dwuatomowych A2. Fosfor tworzy najczęściej cząsteczki czteroatomowe, a siarka ośmioatomowe. Tlen w zwykłych warunkach występuje w postaci cząsteczek dwuatomowych, ale pod wpływem wyładowań elektrycznych powstają cząsteczki trójatomowe (ozon). Odmiany pierwiastka chemicznego o różnej liczbie atomów w cząsteczce noszą nazwę odmian alotropowych; różnią się one przede wszystkim właściwościami fizycznymi. W wysokich temperaturach, rzędu kilku tysięcy stopni, wszystkie cząsteczki pierwiastków rozpadają się na pojedyncze atomy.

Teoria atomistyczna wyjaśnia w prosty sposób prawo stałości składu. W każdej cząsteczce związku chemicznego AB jest pewna stała liczba atomów A i stała liczba atomów B. Liczby te są jednakowe w każdej cząsteczce i zawsze są liczbami całkowitymi. Jeżeli każda cząsteczka ma taki sam skład, to dowolny ich zbiór będzie miał ten sam skład ilościowy, co pojedyncza cząsteczka.

Reakcję wymiany w interpretacji atomistycznej można przedstawić schematem:
A + BC  AC + B

który oznacza, że atom A reaguje z cząsteczką BC, tworząc nową cząsteczkę AC z równoczesnym uwolnieniem atomu B. Taki typ reakcji wymiany nazywany jest wymianą pojedynczą. Znane są również reakcje wymiany podwójnej:
AB + CD  AD + CB

Ogólnie, na podstawie atomistycznej interpretacji przemian chemicznych można stwierdzić, że reakcje chemiczne polegają na łączeniu, rozdzielaniu lub przegrupowaniu atomów. Atom jest cząstką materialną, która uczestnicząc w reakcji chemicznej bądź w wielu kolejnych reakcjach, zachowuje zasadnicze elementy swej struktury.