John Dalton

John Dalton, Nato a Eaglesfield nel 1766 da una modesta famiglia quacchera, insieme a Lavoisier e Proust fu uno dei padri della chimica moderna il cui lavoro pionieristico fece progredire notevolmente la comprensione in molteplici campi di ricerca.

Sebbene avesse ricevesse una scarsa istruzione, la sua mente acuta e il suo naturale senso di curiosità compensarono la mancanza di istruzione precoce. All’età di soli 12 anni John Dalton si unì al fratello maggiore nella gestione di una scuola quacchera locale, dove rimase come insegnante per oltre un decennio.

Alla sua formazione contribuirono il meteorologo e orticoltore Elihu Robinson con un interesse per la matematica e la scienza e John Gough, uno studioso cieco di classici e filosofo naturale e sperimentale che ispirarono a Dalton un interesse per la meteorologia che durò per il resto della sua vita. John Gough fece ottenere a John Dalton un posto come tutor al Manchester College.

Come molti scienziati dei secoli scorsi John Dalton indirizzò i suoi studi non solo nell’ambito della chimica formulando la Legge delle proporzioni multiple, nota come legge di Dalton, e la teoria atomica che porta il suo nome, ma si interessò anche del comportamento dei gas e sviluppò anche una teoria per spiegare la deficienza della visione dei colori, di cui lui stesso soffriva.

John Dalton era un ricercatore entusiasta che lavorava fino a tardi la maggior parte delle sere e si occupò anche di meteorologia e, oltre a tenere un diario meteorologico giornaliero, producendo un resoconto dettagliato delle condizioni meteorologiche locali per oltre 57 anni, documentò anche gli avvistamenti dell’aurora boreale.

John Dalton e la teoria atomica

La teoria atomica di Dalton sviluppa un modello teorico in grado di interpretare le evidenze sperimentali e costituisce la prima e organica interpretazione che si cimenta con la struttura della materia in termini atomico-molecolari e creò il primo modello atomico che pubblicò nel 1808.

Dalton partì dal presupposto secondo cui non si può “vedere” la struttura intima della materia ma se si ipotizza l’esistenza di corpuscoli elementari. Questi stanno alla base della costituzione dei corpi e se si assegnano loro determinate caratteristiche assunte come postulati si può spiegarne il comportamento a livello materiale.

La teoria atomica di Dalton si basa sui seguenti postulati:

• La materia è costituita da particelle piccolissime e indivisibili che sono chiamate atomi
• L’atomo rappresenta la più piccola particella di un elemento
• Ogni elemento è costituito da atomi uguali tra loro per massa e dimensioni; elementi diversi sono costituiti da atomi diversi e pertanto esistono tanti tipi di atomi quanti sono gli elementi
• Le reazioni chimiche avvengono tra atomi interi che conservano la propria identità. Non sono distrutti nelle trasformazioni combinandosi in un semplice rapporto di numeri interi per formare composti
• La molecola è il più piccolo aggregato di atomi diversi

John Dalton elaborò la sua teoria sulla base delle conoscenze del tempo. Pur essendo riconosciuta come una pietra miliare nell’ambito della chimica, alla luce delle scoperte successive mostra dei chiari limiti non potendo tener conto:

• che, a seguito di reazioni nucleari, il nucleo di un atomo viene convertito in un altro con diverso numero atomico
• dell’esistenza degli isotopi che furono scoperti dal chimico inglese Frederick Soddy nel 1913 che possono essere definiti come atomi aventi lo stesso numero atomico ma diverso numero di massa
• dell’esistenza degli isobari ovvero nuclidi che presentano lo stesso numero di massa ma diverso numero atomico come, ad esempio, ¹²C e ¹²B
• che, non è necessario che gli elementi si combinino in rapporti di numeri interi semplici per formare composti: alcuni composti organici complessi non presentano rapporti semplici di atomi costituenti come ad esempio il saccarosio C₁₁H₂₂O₁₁
• degli allotropi ovvero di specie costituite dallo stesso elemento che possono presentarsi in forme diverse differendo tra loro per le proprietà fisiche e chimiche oltre che per la forma cristallina pur presentando lo stesso stato di aggregazione come ad esempio nel caso del carbonio di diamante, grafite, fullerene, nanotubi di carbonio e grafene.

Legge delle proporzioni multiple

Nel 1803 John Dalton elaborò la Legge delle proporzioni multiple, un principio fondamentale della chimica che descrive la relazione tra le masse degli elementi che si combinano per formare composti diversi. Questa legge è una delle tre leggi ponderali della chimica insieme alla Legge di conservazione della massa di Lavoisier e la Legge delle proporzioni definite nota come Legge di Proust.

La legge delle proporzioni multiple fornisce una relazione tra le masse degli elementi quando si combinano per formare due o più composti e costituisce una parte della teoria atomica. Secondo la legge delle proporzioni multiple, se due elementi si combinano per formare più di un composto, le masse di un elemento che si combinano con una massa fissa dell’altro elemento sono in un rapporto espresso da numeri interi piccoli.

Sebbene tale legge sia applicabile principalmente solo ai composti semplici e non può descrivere la composizione di composti più complessi contenenti tre o più elementi e non fornisca informazioni sulla disposizione spaziale o sulla struttura molecolare di tali composti, aiuta a prevedere la composizione dei composti in base alle masse degli elementi costituenti.

Pressioni parziali

All’inizio del diciannovesimo secolo, l’emergere di nuove tecniche sperimentali consentì a John Dalton di ampliare i suoi lavori in campo meteorologico e, in particolare, l’assorbimento del vapore acqueo da parte dell’aria a diverse temperature.

Il suo lavoro successivo sulla costituzione, l’evaporazione e l’espansione termica dei gas portò alla derivazione della legge di Dalton sulle pressioni parziali. Alla fine di un articolo del 1803 sull’assorbimento dei gas da parte dei liquidi, Dalton espose la prima tabella dei pesi atomici. Incoraggiato dall’accoglienza favorevole che questo articolo ricevette, sviluppò ulteriormente la sua teoria, in lezioni alla Royal Society nel 1803-04 e in seguito nel suo New System of Chemical Philosophy.

Nell’ambito delle sue ricerche sui gas John Dalton definì per primo le pressioni parziali comprendendo che in  una miscela gassosa dove sono presenti due o più gas che non reagiscono tra loro e che si comportano in maniera ideale la pressione totale è data dalla somma delle pressioni parziali dei gas.

Daltonismo

Quando arrivò a Manchester, Dalton aveva iniziato a rendersi conto di vedere il mondo in modo diverso dalla maggior parte delle altre persone e sviluppò anche una teoria per spiegare la deficienza della visione dei colori, oggi nota come daltonismo, di cui soffriva lui stesso.

Negli anni successivi, John Dalton condusse ampie ricerche sull’argomento, che culminarono nella pubblicazione del suo articolo del 1798, “Fatti straordinari relativi alla visione dei colori” e suggerì che il colore del fluido negli occhi, noto come umore vitreo, agisse come un filtro per certi colori nello spettro.

Analisi del DNA condotte nel 1995 e pubblicate sulla rivista Science , 150 anni dopo la sua morte, hanno rivelato che Dalton era privo del gene per il recettore sensibile alla luce a lunghezza d’onda media corrispondente al verde e soffriva infatti di deuteranopia termine tecnico usato per descrivere la cecità al colore verde

Aurora boreale

Nell’ambito dei suoi lavori sulla meteorologia, come molte persone dell’epoca, John Dalton era affascinato dall’aurora boreale. La sua ricerca sul fenomeno, insieme a quella dei suoi contemporanei, ha gettato le basi per la nostra attuale comprensione.

Il lavoro di Dalton è stato tra i primi ad applicare i principi dell’indagine scientifica a questa meraviglia della natura. Dopo anni di attenta osservazione, John Dalton sospettò che l’aurora avesse un’origine elettrica o magnetica ed era così curioso delle origini dell’aurora boreale che iniziò a testare le sue teorie usando approcci e strumenti scientifici.

Utilizzò il suo teodolite, uno strumento di rilevamento con un telescopio rotante per misurare gli angoli, per stimare correttamente la distanza dell’aurora dalla superficie terrestre suggerendo che l’aurora si verificasse almeno a 60 miglia  nell’atmosfera.

Dalton usò anche un ago a immersione, una specie di bussola che rivela angoli e movimenti dei campi magnetici, per testare la sua ipotesi sulle connessioni tra l’aurora e il campo magnetico terrestre. Quando apparve l’aurora, Dalton notò una leggera perturbazione nel suo strumento in quanto l’ago si mosse. Utilizzò le sue osservazioni per creare una teoria che sosteneva un’origine magnetica o elettrica per le luci dell’aurora boreale.