Рождение химической атомистики связано с именем английского физика и химика Джона Дальтона (1766–1844).
«Занимаясь долгое время метеорологическими наблюдениями, — писал в 1810 г. Дальтон, — и размышляя о природе и строении атмосферы, я нередко удивлялся тому, как может сложная атмосфера или смесь двух или более упругих флюидов представлять массу явно однородную».
Пусть нас не смущает здесь слово «флюид» — его нередко встретишь в трудах учёных и гораздо позже: никакого алхимического смысла оно уже не имело.
Если верно, что науку движет удивление, любопытство, то пример с Дальтоном — лучшее тому доказательство. «Удивляясь и размышляя», он в 1787 г. пришёл к твёрдому убеждению, что испарение воды — это отрыв от неё частичек под воздействием теплоты. В 1801 г. сформулировал ставший классическим закон парциальных давлений: давление смеси газов, химически не взаимодействующих друг с другом, равно сумме их парциальных (свойственных каждому газу в отдельности) давлений. Через год вывел закон равномерного расширения газов с увеличением температуры (так уж случилось, что этот закон в то же самое время открыл французский учёный Ж.Гей-Люссак и под его именем вошёл в учебники по химии).
И наконец, формулирует исходные положения, которые в дальнейшем легли в основу стройной, хотя и противоречивой, атомистической теории. Вот эти положения:
Причиной «отталкивательной силы» (отталкивания газовых частиц друг от друга) является теплота (теплород). Частицы газов (упругих флюидов) состоят из маленького центрального атома, окружённого оболочкой теплорода, наиболее плотной непосредственно у атома. Частицы различных газов (упругих флюидов) имеют различный размер (поэтому смесь газов можно представить себе как смесь крупной и мелкой дроби: мелкие дробинки занимают промежутки, образуемые крупными).
В 1803 г. Дальтон приступил к химическим исследованиям, поставив перед собой цель определить экспериментально величину частиц. Такой цели ещё никто никогда не ставил.
Чтобы найти размер частицы, нужно, очевидно, какой-то объём газа разделить на число составляющих его частиц. Ну, а как узнать, сколько в этом объёме частиц? Надо знать вес частицы — тогда всё просто: вес газа, занимающего данный объём, разделим на вес частицы… Так появляется на свет важнейшая физическая и химическая характеристика элемента — атомный вес (ныне — атомная масса).
Годом раньше Дальтон предположил, что элементы могут соединяться между собой по правилу кратных отношений. Опираясь на это предположение, позже вошедшее в его атомистическую теорию на правах закона, а также на результаты весового и объёмного анализа различных химических соединений, полученные химиками, начиная с Лавуазье, Дальтон рассчитал относительные атомные веса 14 веществ. За единицу расчета он принял вес атома водорода как самого лёгкого газа.
В 1805 г. в «Записках Манчестерского литературно-философского общества» появляется статья Дальтона с первой в мире таблицей атомных весов.
Ф.Энгельс это событие оценил так: «В химии, особенно благодаря дальтоновскому открытию атомных весов, мы находим порядок, относительную устойчивость однажды достигнутых результатов и систематический, почти планомерный натиск на ещё не завоёванные области, сравнимый с правильной осадой какой-нибудь крепости».
Атомистика Дальтона была принята не сразу и не всеми. Даже спустя более чем 60 лет после опубликования первых работ Дальтона президент лондонского Химического общества Уильямсон отмечал, «что, с одной стороны, все химики применяют атомную теорию, а с другой — значительное число их смотрит на неё с недоверием, а некоторые — с откровенной неприязнью».
Причина такого отношения к атомистике не только в том, что Дальтон и его последователи делали множество допущений, часто в буквальном смысле подгоняли практические результаты под свои теоретические положения (особенно этим грешил сам Дальтон), но и в том также, что атомистика не оставляла места для первоматерии, переливающейся из одного вещества в другое, как вода из сосуда в сосуд.
Предшествовавшие теории Дальтона атомистические воззрения без особого напряжения уживались с представлением о непрерывной материи и, стало быть, с идеей трансмутации элементов; теперь же идее наносился сокрушительный удар. Раз материя прерывна, если каждый элемент состоит из неделимых далее элементарных кирпичиков (точнее, шариков, окружённых атмосферой из теплорода), то ни о каком превращении их друг в друга не может быть и речи. (Кстати, Дальтон вымел, можно сказать, остатки алхимического мусора, отказавшись от употребления традиционных знаков для изображения веществ).
Однако «почти планомерный натиск на ещё не завоёванные области» сдержать было уже невозможно.
В 1808 г. Ж.Гей-Люссак экспериментальным путём вывел закон, согласно которому при взаимодействии газов объёмы исходных веществ и продукты реакции относятся как простые целые числа. У Дальтона в таком отношении взаимодействуют атомы. Если принять точку зрения Гей-Люссака, то надо отказаться от дальтоновской размерной неодинаковости атомов различных веществ. Если согласиться с Дальтоном, придётся отвергнуть открытый Гей-Люссаком закон.
Дальтон сам признавал, что «его (Гей-Люссака) представление об объёмах аналогично… представлению об атомах», но отказаться от своего неверного постулата не захотел, прекрасно сознавая, что представление об объёмах выведено экспериментально, а представление об атомах вообще и их неодинаковости в частности — всего лишь допущение.
В 1811 г. итальянский физик и химик Амедео Авогадро (1776–1856) предложил формулировку, которая «примиряла» Дальтона с Гей-Люссаком. По Авогадро, в равных объёмах различных газов, находящихся при одинаковых условиях (температуре, давлении), содержится одинаковое число молекул. Из этого вытекало, что относительный вес молекул газообразных веществ можно получить делением плотностей этих веществ. И ещё один очень важный вывод: количество атомов в соединении — число не произвольное, как у Дальтона (Дальтон, исходя из своего ошибочного рассуждения о размерной неодинаковости атомов, считал, например, что вода состоит из одного атома водорода и одного атома кислорода), а обусловливается объёмными отношениями образующих это соединение элементов (та же вода, например, должна состоять из двух атомов водорода и одного атома кислорода, потому что для образования воды, точнее, водяного пара, как установил Гей-Люссак, необходимы один объём кислорода и два объёма водорода).
Правда, когда Авогадро применил принцип расчёта атомных и молекулярных весов газообразных веществ к металлам, тут он испытал определённую трудность и допустил поэтому много ошибок. Но именно он предположил, что в «твёрдых и жидких телах» постоянство соотношений при соединении атомов в молекулы может не соблюдаться, что и подтвердилось в дальнейшем — уже в XX в.
Огромный вклад в развитие атомно-молекулярной теории внёс шведский химик, блестящий экспериментатор, Якоб Берцелиус (1779–1848). Установив, «что числа Д.Дальтона лишены той точности, которая необходима для практического применения его теории», Берцелиус рассчитал атомные веса 45 элементов и определил состав почти 2000 соединений. За точку отсчёта он взял атомный вес кислорода, приравняв его 100. Некоторые атомные веса, определённые Берцелиусом, дожили до нашего времени — так же, как и принятая им символика, т. е. обозначение химических элементов.
В 1819 г. французские учёные Пьер Дюлонг и Алексис Пти обнаружили, что произведение атомного веса простых тел на их теплоёмкость в твёрдом состоянии — величина почти постоянная. Другими словами, «атомы всех простых тел имеют совершенно одну и ту же теплоёмкость». Это открывало ещё одну возможность определения атомного веса — по экспериментально установленной теплоёмкости элемента. Французский физик А.Реньо в цикле работ, начатых в 1840 г., подтвердил, что закон удельных теплоёмкостей «с пользой может быть применяем при многих научных соображениях».
К середине XIX в. в химии накопилось столько нового материала, возникло столько новых идей и в то же время в ней сохранилось столько старых теоретических представлений, что пора было «остановиться» и разобраться в обширном, сложном и крайне противоречивом хозяйстве. Русский химик-органик А.М.Бутлеров так оценивал сложившуюся ситуацию: «Многочисленность работающих, неусыпная деятельность в лабораториях дают беспрерывно массу новых наблюдений, так что теория не успевает перерабатывать их и остаётся позади фактического развития науки». Правда, эти слова А.М.Бутлерова были сказаны о состоянии органической химии, но их с полным основанием можно отнести и к химии общей. Сами химики испытывали острейшую потребность в уточнении понятий атома и молекулы, поскольку здесь было много путаницы, неясности. Надо было договориться о единых способах и теоретических основах определения атомного и молекулярного весов; найти приемлемое для всех понимание атомного состава молекул — как простых, так и сложных веществ, нельзя было терпеть дальше такое положение, когда чуть ли не каждый химик, придерживавшийся атомно-молекулярной теории, предполагал свой атомный состав одного и того же химического соединения. Вся эта неразбериха, весь этот произвол приводили к тому, что консервативно настроенные учёные (например, У.Уолластон, Л.Гмелин) держались в стороне от атомно-молекулярной теории и отдавали предпочтение добрым старым традициям выражать состав сложных веществ при помощи так называемых химических эквивалентов (принцип, согласно которому элементы соединяются между собой в определённых весовых количествах; одним из первых его предложил еще в 1793 г. И.Б.Рихтер).
Решительную реформу атомно-молекулярной теории произвёл итальянский учёный и революционер (за активное участие в революционных событиях 1848–1849 гг. неаполитанским королевским судом был заочно приговорён к смертной казни) Станислао Канниццаро (1826–1910). Он довёл до конца дело, начатое Марком Антуаном Годэном, Огюстом Лораном и Шарлем Фредериком Жераром по устранению противоречий между атомистическими представлениями Дальтона и молекулярными — Авогадро.