Das Dalton-Modell
Historische Einordnung
Um 1800 hatte die Chemie gelernt, genau zu wiegen. Antoine Lavoisier hatte gezeigt, dass bei chemischen Reaktionen die Gesamtmasse erhalten bleibt. Joseph Louis Proust hatte 1799 beschrieben, dass eine chemische Verbindung ihre Elemente immer im gleichen Massenverhältnis enthält, egal wie und wo man sie herstellt. Wasser besteht zum Beispiel immer aus etwa 1 Teil Wasserstoff und 8 Teilen Sauerstoff (nach ).
Dalton selbst fand noch etwas Auffälligeres: Wenn zwei Elemente mehrere Verbindungen bilden können (etwa Kohlenstoff und Sauerstoff), dann stehen die Sauerstoffmassen, die sich mit derselben Menge Kohlenstoff verbinden, in kleinen ganzzahligen Verhältnissen wie 1 zu 2. Krumme Verhältnisse wie 1 zu 1,37 kommen nicht vor.
John Dalton (1766 bis 1844)
Englischer Naturforscher und Lehrer. Veröffentlichte seine Atomtheorie ab 1803 und ausführlich 1808 im Buch „A New System of Chemical Philosophy“.
Das Problem, das zu dieser Station führte
Die offene Frage lautete: Warum ausgerechnet ganze Zahlen? Wenn Materie beliebig fein teilbar wäre, könnte sich Sauerstoff in jeder beliebigen Menge mit Kohlenstoff verbinden, und die Massenverhältnisse müssten krumm und zufällig ausfallen. Sie tun es aber nicht.
Daltons Schluss: Die ganzen Zahlen in den Messwerten spiegeln ganze Teilchen wider. Wenn sich Stoffe nur portionsweise verbinden können, weil sie aus unteilbaren Atomen bestehen, dann verbindet sich ein Kohlenstoffatom eben mit einem oder mit zwei Sauerstoffatomen, aber nie mit 1,37 Sauerstoffatomen. Die festen Massenverhältnisse sind dann keine Merkwürdigkeit mehr, sondern eine zwingende Folge. So wird aus Demokrits Vermutung ein Modell, das Messwerte erklärt.
Grundannahmen
Was nimmt diese Vorstellung über den Aufbau des Atoms an?
Jeder Stoff besteht aus kleinsten, unteilbaren Teilchen, den Atomen.
Alle Atome eines Elements sind gleich, insbesondere in ihrer ; sie haben charakteristische Eigenschaften.
Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich, vor allem in ihrer .
Chemische Verbindungen entstehen, wenn sich Atome verschiedener Elemente in festen, ganzzahligen Verhältnissen verbinden.
Bei chemischen Reaktionen werden Atome nur umgeordnet, nie erzeugt, zerstört oder ineinander umgewandelt.
So kannst du es dir vorstellen
Stell dir Atome als winzige, massive Kugeln vor, für jedes Element eine eigene Sorte mit eigener . Wasserstoffatome sind die leichtesten, Sauerstoffatome deutlich schwerer. Eine chemische Reaktion ist dann nichts anderes als ein Umsortieren: Aus zwei Wasserstoffteilchen und einem Sauerstoffatom wird ein Wasserteilchen, und weil dabei kein Atom verloren geht, bleibt die Gesamtmasse exakt erhalten.
In der Abbildung kannst du genau diese Umordnung ablaufen lassen. Zähle die Atome vor und nach der Reaktion: Es sind dieselben, nur anders gruppiert.
Wie funktioniert das Modell?
1Jedes Element hat seine Atomsorte
Alle Atome eines Elements sind untereinander gleich und tragen eine für das Element typische . Dalton stellte dazu die erste Tabelle relativer Atommassen auf, mit Wasserstoff als leichtestem Bezugselement.
2Verbinden heißt gruppieren
Eine Verbindung entsteht, indem sich Atome zu kleinen festen Gruppen zusammenlagern, immer in ganzen Zahlen. Für Wasser gilt: 2 Wasserstoffatome und 1 Sauerstoffatom bilden eine Gruppe ().
3Reagieren heißt umordnen
Bei einer Reaktion trennen sich die alten Gruppen und die Atome ordnen sich neu. Weil kein Atom entsteht oder verschwindet, bleibt die erhalten und die Verhältnisse bleiben ganzzahlig.
Was erklärt das Modell?
Massenerhaltung: Bei jeder Reaktion bleibt die Gesamtmasse gleich (Lavoisier).
Atome werden nur umgeordnet. Wo nichts entsteht und nichts verschwindet, kann sich die nicht ändern.
Konstante Proportionen: Eine Verbindung enthält ihre Elemente immer im selben Massenverhältnis (Proust).
Jede Teilchengruppe der Verbindung enthält dieselbe Atomkombination, und jede Atomsorte hat eine feste . Also ist auch das Massenverhältnis fest.
Multiple Proportionen: Bilden zwei Elemente mehrere Verbindungen, stehen die in kleinen ganzzahligen Verhältnissen (Dalton).
Ein Atom kann sich mit einem, zwei oder drei Atomen des anderen Elements verbinden, aber nie mit einem Bruchteil. Die Ganzzahligkeit der Atome erscheint direkt in den Messwerten.
Grenzen des Modells
Elektrische Ladung bleibt unerklärbar.
Reibt man Bernstein, zieht er Papierschnipsel an; in der Elektrolyse wandern geladene Teilchen. Eine strukturlose, neutrale Kugel bietet keinerlei Ansatzpunkt, woher kommen und wohin sie gehen sollte.
Das Atom ist in Wirklichkeit nicht unteilbar.
Das konnte Dalton nicht wissen, aber es ist die zentrale Annahme, die später fällt: 1897 wird mit dem Elektron ein Bestandteil des Atoms entdeckt. Ein Baustein, aus dem etwas herausgelöst werden kann, ist nicht unteilbar.
Vom inneren Aufbau sagt das Modell nichts.
Kern und Hülle fehlen vollständig. Das ist keine Nachlässigkeit, sondern ehrlich: Dalton behauptete nur, was seine Messungen trugen. Aber Fragen nach Licht, Spektren oder liegen damit außerhalb des Modells.
„Alle Atome eines Elements sind gleich“ stimmt nicht ganz.
Heute wissen wir, dass es gibt: Atome desselben Elements mit verschiedener . Diese Grenze wird erst 1932 mit der Entdeckung des Neutrons wirklich verständlich, am Ende dieses Bereichs kommen wir darauf zurück.
Warum kam das nächste Modell?
Daltons Modell erklärt die Chemie seiner Zeit hervorragend, und für Reaktionsgleichungen benutzen wir sein Bild bis heute. Aber gegen Ende des 19. Jahrhunderts richtete sich der Blick auf Erscheinungen, bei denen Elektrizität und Materie zusammenspielen: Elektrolyse, Gasentladungen, Kathodenstrahlen. Ein Atom ohne inneres Innenleben kann zu all dem nichts sagen.
Der entscheidende Schlag kam 1897: Joseph John Thomson zeigte, dass aus Atomen winzige, negativ geladene Teilchen herausgelöst werden können, die Elektronen. Damit war die Grundannahme „unteilbar“ widerlegt, und zwar durch ein . Das Atom brauchte ein Innenleben, und genau das lieferte Thomsons neues Modell.
Das musst du wissen
Dalton macht die Atomidee messbar: Feste, ganzzahlige Massenverhältnisse bei chemischen Reaktionen lassen sich nur erklären, wenn Stoffe aus unteilbaren Teilchen mit elementtypischer bestehen.
Kleine Verständnisfrage
Kohlenstoff bildet mit Sauerstoff zwei Verbindungen. Die Sauerstoffmassen je Gramm Kohlenstoff verhalten sich dabei wie 1 zu 2. Wie erklärt Daltons Modell diese Beobachtung?
Antwort anzeigenAntwort ausblenden
Im einen Fall verbindet sich jedes Kohlenstoffatom mit einem Sauerstoffatom (heute: CO), im anderen mit zwei (heute: CO₂). Weil Atome unteilbar sind, sind nur ganze Anzahlen möglich, und weil jedes Sauerstoffatom dieselbe hat, verdoppelt die doppelte Anzahl genau die Masse. Das Verhältnis 1 zu 2 in der Wägung ist das Verhältnis 1 zu 2 der Atomanzahlen.
Quellen
Die historischen Aussagen dieser Station stützen sich auf die folgenden Quellen. Die Darstellung ist eigenständig didaktisch aufbereitet und keine Übernahme der Texte.
- A New System of Chemical Philosophy, Part I, John Dalton (1808), Bickerstaff, Manchester/London (Primärquelle)
- Recherches sur le cuivre (Formulierung des Gesetzes der konstanten Proportionen), Joseph Louis Proust (1799), Annales de chimie
- Traité élémentaire de chimie (Massenerhaltung), Antoine Lavoisier (1789), Cuchet, Paris