La théorie atomique moderne trouve ses origines avec un personnage peu probable, John Dalton, un enseignant quaker du nord-ouest de l’Angleterre. En 1803, lors de sa présentation à la Manchester Literary and Philosophical Society (Société Littéraire et Philosophique de Manchester), Dalton propose pour la première fois les poids atomiques relatifs de plusieurs éléments chimiques connus à l’époque.
Cette proposition pionnière marque le début de la théorie atomique, qui, en l’espace d’une décennie, sera adoptée et développée par de nombreux chimistes influents, et la notion d’atome deviendra incontournable dans la science chimique.
Qui est John Dalton?
Né dans la ville de Cockermouth dans le comté de Cumberland, au nord-ouest de l’Angleterre, John Dalton est le fils d’un modeste tisserand. Sa jeunesse se passe dans une ferme familiale modeste, mais grâce à sa passion pour l’éducation, il parvient à se former de manière autodidacte. Il reçoit l’aide des quakers locaux, connus pour leur engagement en faveur de l’éducation et de la réflexion intellectuelle.
À l’âge de 12 ans, Dalton commence à enseigner dans une école du village. Trois ans plus tard, il rejoint son frère à Kendal pour l’aider à gérer une école interne, tout en poursuivant ses études en langues classiques et modernes, mathématiques et sciences naturelles.
À l’époque, la météorologie était la passion principale de Dalton, et il se consacra à ce domaine en particulier, publiant en 1793 son premier ouvrage, Meteorological Observations and Essays (Observations et Essais Météorologiques). En 1793, il accepte un poste d’enseignant en philosophie naturelle au New College de Manchester.
Lorsque l’école rencontre des difficultés financières et ne peut plus payer son salaire en 1800, Dalton quitte son poste, mais reste à Manchester où il se tourne vers l’enseignement privé de la chimie et des mathématiques pour subvenir à ses besoins. Peu après, il est élu secrétaire de la Manchester Literary and Philosophical Society, où il bénéficie de locaux privés pour ses recherches et expérimentations.
Dalton mène une vie tranquille et modeste à Manchester, sans jamais se marier. Il entretient des relations étroites avec quelques amis qui apprécient sa personnalité douce, son approche philosophique et sa simplicité quaker. Bien qu’il ne se soit jamais plongé dans les subtilités des mathématiques avancées, il possédait une remarquable aptitude pour comprendre les concepts mathématiques et les appliquer intuitivement à la nature. Dalton faisait preuve d’une grande imagination scientifique, menant ses recherches sans artifices et avec une humilité remarquable, tout en laissant son intellect briller à travers ses découvertes.
Les sujets complexes
John Dalton, en raison de son intérêt scientifique croissant, se tourna vers l’étude plus générale des mélanges de gaz et des gaz dissous dans l’eau. Il croyait que la seule manière de comprendre pleinement ces substances était de déterminer le poids exact des particules absolues des matières chimiques. Cependant, mesurer directement les atomes de divers éléments n’était pas possible, car ils étaient trop petits pour être détectés ou mesurés. Dalton pensa néanmoins qu’il serait possible de trouver une méthode pour déterminer leur poids relatif.
Dans cette optique, il assigna un poids de 1 à l’atome le plus léger, l’hydrogène, et chercha à déterminer les poids des atomes des autres éléments chimiques par rapport à cet atome de référence. La première étape de cette approche ingénieuse de Dalton était de visualiser comment des composés simples comme l’eau se formaient. Il savait que l’eau liquide était composée de gaz d’hydrogène et d’oxygène, mais à quoi ressemblerait une seule molécule de cette substance?
Il pensait que la réponse la plus probable serait qu’un seul atome d’oxygène se lie à un seul atome d’hydrogène pour former une molécule d’eau. En termes modernes, Dalton pensait que la formule de l’eau était HO. L’étape suivante consistait à analyser ce composé (ou à s’appuyer sur les analyses effectuées par d’autres chimistes). Les analyses de l’eau de l’époque montraient qu’elle était composée de sept huitièmes d’oxygène et d’un huitième d’hydrogène en poids. Par conséquent, l’atome d’oxygène devait représenter sept huitièmes du poids de la molécule d’eau.
En résumé, si l’atome d’hydrogène était défini comme ayant une unité de poids H1, et si la molécule d’eau était HO, avec sept huitièmes d’oxygène, alors O devait être égal à 7. (Aujourd’hui, nous savons que ce ratio est en réalité de huit neuvièmes.) Dalton appliqua un raisonnement similaire aux composés du carbone, de l’azote, du soufre et du phosphore. Ces éléments furent les six premiers atomes dont il détermina les poids dans l’article qu’il présenta en octobre 1803.
Cependant, comme le montre l’extrait suivant, Dalton ne mentionna pas comment il était parvenu à ces chiffres lors de sa présentation au public. Nous le savons grâce aux notes de laboratoire de Dalton, bien que celles-ci aient été perdues lors d’un bombardement en 1944. Cependant, des copies photostatiques importantes des pages de son carnet furent publiées en 1896. Les premiers calculs atomiques de Dalton semblent avoir été inscrits le 6 septembre 1803. Au cours des mois suivants, il continua à suivre cette idée.
L’examen des poids relatifs des particules absolues des corps est, à ma connaissance, entièrement nouveau; j’ai récemment poursuivi cette étude avec un succès remarquable. Dans cet article, je n’aborderai pas le principe, mais seulement les résultats qui ont été obtenus à partir de mes expériences.
Extrait de la présentation de John Dalton, 1803
La première véritable théorie atomique
La méthode suivie par Dalton comportait certaines faiblesses, dont la plus évidente était qu’il fallait nécessairement prédire combien d’atomes de chaque élément se trouvaient dans les molécules de ces simples composés chimiques pour commencer l’analyse. L’une des raisons pour lesquelles Dalton hésita à divulguer les détails de sa technique résidait probablement dans cette difficulté. Ces détails furent pour la première fois publiés en 1807, dans le livre de chimie de son ami Thomas Thomson, avec des références appropriées à Dalton.
Ce n’est que plus tard, entre 1808 et 1810, que Dalton présenta son évaluation de la théorie dans son ouvrage New System of Chemical Philosophy (Nouveau Système de Philosophie Chimique). Dans ce livre, il développa l’idée que chaque élément était constitué d’atomes d’un type unique. Tous les atomes d’un même élément étaient identiques, ayant la même masse, et les atomes des éléments différents étaient différents et avaient des masses différentes.
Ils étaient indestructibles et inaltérables, mais les atomes d’éléments différents pouvaient se combiner en des proportions définies pour former des composés. C’était la première véritable théorie scientifique de l’atome, fondée sur des expériences et des analyses empiriques.
Certains chimistes refusèrent de valider le travail de Dalton, arguant que sa théorie reposait uniquement sur des hypothèses. Ils se demandaient quelle justification Dalton avait pour supposer que la molécule d’eau était HO et non H2O, HO2, ou une autre structure.
Dalton et ses partisans reconnurent qu’il ne fallait pas avancer une formule moléculaire de manière aveugle, mais ils insistèrent sur le fait que les poids atomiques, dérivés par déduction, avaient été testés de manière robuste à partir de plusieurs formules.
En outre, l’existence d’une régularité numérique stable (par exemple, les ratios exacts des éléments dans des composés formés par deux éléments) garantissait que les substances chimiques se formaient effectivement par la combinaison d’atomes dans des proportions numériques simples et définies pour créer des molécules.
La formule moléculaire de l’eau
Après la publication des idées de Dalton, d’autres chimistes proposèrent différentes versions de la théorie atomique. Des scientifiques tels que l’Anglais Humphry Davy et le Suédois Jöns Jacob Berzelius pensaient que la molécule d’eau devait contenir deux atomes d’hydrogène et non un, car les deux gaz se combinaient en un rapport volumétrique strictement de deux pour un pour former de l’eau ; pour eux, l’eau était H2O. Cependant, cette hypothèse signifiait également que le poids atomique de l’oxygène devait être 16 fois celui de l’hydrogène.
Il y avait d’autres désaccords, et l’histoire de la théorie atomique au début du XIXe siècle est complexe et controversée. Malgré ces complexités, il est indiscutable que la théorie atomique de Dalton transforma la science. Grâce à Dalton, les éléments et les composés pouvaient désormais être représentés par des notations plus simples et plus pratiques. Les réactions chimiques devenaient réellement compréhensibles d’une manière qui n’avait jamais été possible auparavant. Malgré les faiblesses persistantes de la théorie, elle devint un outil puissant pour les découvertes chimiques futures.
La foule de 40 000 personnes lors de ses funérailles
À cause de ses origines modestes, la véritable valeur de Dalton n’était pas pleinement reconnue de son vivant par ses contemporains. Après tout, il venait d’une famille pauvre du nord de l’Angleterre, manquait de l’éducation et de l’appartenance religieuse que les intellectuels européens respectés tenaient pour acquis, et son comportement et sa manière de parler trahissaient ses origines rurales. Il ne suivait pas pleinement les développements scientifiques rapides des années 1820 et 1830, ce qui empirait sa situation.
Cependant, la véritable valeur de Dalton devint de plus en plus évidente pour le monde scientifique européen. En 1822, il fit son unique voyage à l’étranger à Paris, où il fut chaleureusement accueilli par un groupe de scientifiques de renom, dont Laplace, Berthollet, Gay-Lussac, Cuvier et Alexander von Humboldt.
Il fut élu membre correspondant de l’Académie des Sciences de France, un grand honneur. Quatre ans plus tard, il reçut la première Médaille royale de la Royal Society de Londres. En 1833, le gouvernement britannique lui attribua une pension annuelle de 150 livres, augmentée à 300 livres quelques années plus tard.
John Dalton mourut en 1844. Lors de ses funérailles, lorsqu’il fut exposé à la Manchester Town Hall, il fut visité par 40 000 personnes pour lui rendre hommage. Le cortège funèbre du lendemain mesurait près de 2 km de long.
New System of Chemical Philosophy (1808)
| Élément | Symbole | Formule moléculaire supposée | Poids atomique relatif (approximatif) |
|---|---|---|---|
| Hydrogène | H | H | 1 |
| Carbone | C | C | 6 |
| Azote | N | N | 4,5 |
| Oxygène | O | O | 8 |
| Soufre | S | S | 16 |
| Phosphore | P | P | 5 |
| Chlore | Cl | Cl | 35 |
| Calcium | Ca | Ca | 40 |
| Potassium | K | K | 39 |
| Sodium | Na | Na | 23 |
| Cuivre | Cu | Cu | 32 |
Links:
- Dalton, John (1802). « Essay IV. On the Expansion of Elastic Fluids by Heat ». Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester. 2nd. 5: 600.
- John Dalton: Atomic Theory, Model, Experiments, and Discoveries