La découverte

Ses travaux en météorologie, l’amènent à étudier l’air et les gaz, et donc à étudier la chimie en général.

Dès 1789, la théorie atomique avait été entrevue par Higgins : il supposait que les corps sont composés de particules indivisibles qui s'unissent entre elles dans des proportions définies. John Dalton est le créateur incontesté de la théorie atomique. En étudiant les propriétés physiques de l'air atmosphérique et des autres gaz, Dalton se posa la question suivante : pourquoi les constituants de l'air (azote, oxygène, CO₂, vapeur d'eau) ne se séparent-ils pas par ordre de densité (du gaz carbonique, le plus lourd, qui se maintiendrait au niveau du sol, jusqu'à la vapeur d'eau, la plus légère, qui se situerait aux grandes altitudes) et pourquoi ce mélange de gaz reste-t-il constamment homogène ? Tout au long de ses analyses détaillées faites dans toute l'Angleterre (campagnes, villes, villages, vallées, montagnes), l'air était invariable. Il découvrit que dans les mélanges gazeux, chaque constituant se comportait comme s'il était seul dans l'espace considéré. Il fait une conférence devant la Literary and Philosophical Society à Manchester. Durant cette conférence, il expose ses découvertes sur les lois et pour une bonne compréhension de ses travaux, il développe brièvement sa théorie atomique devant un auditoire attentif composé de sept personnes. Il ne s'agit plus dès lors des « atomes » comme l'entendait Démocrite ou des « particules » de Boyle, mais d'une théorie précise, qualitative et aussi quantitative, qui allait montrer son efficacité. Dalton admettait que les gaz sont formés de petites particules qui sont toujours en mouvement. Il pense aussi que les particules (ou les atomes) d'un corps simple sont semblables entre elles, mais qu’elles sont différentes lorsqu'on passe d'un corps à un autre. En somme, une réaction chimique doit pouvoir être identifiée comme étant un agencement nouveau des atomes dans la substance et ces derniers ne subissent aucune altération.

Le 21 octobre 1803, Dalton fait une conférence sur les lois qu'il avait découvertes. Il développe brièvement, devant sept auditeurs, sa théorie atomique pour la première fois, selon laquelle la matière est composée d'atomes de masses différentes qui se combinent selon des proportions simples. Il propose, aussi, un premier tableau portant sur six éléments (H, N, C, O, P, S) et treize combinaisons. Cette théorie, qui sera sa plus importante contribution à la science, est une pierre angulaire de la chimie moderne.

Dessins de divers atomes et molécules tirés de l'ouvrage A New System of Chemical Philosophy (1808) de Dalton.

Dalton pousse ses recherches encore plus loin et dès 1803 (le 6 septembre 1803 d'après son journal de laboratoire), il symbolise les corps simples et les corps composés par des symboles auxquels il donne un poids x de matière (1 à l'atome d'hydrogène, 7 à l'atome d'oxygène, 5 à l'atome d'azote, et ainsi de suite). Dalton présente sa nouvelle nomenclature dans l'ouvrage A New System of Chemical Philosophy (« Un nouveau système de philosophie chimique »), publié à Manchester en 1808^[6]. Dans ce livre, Dalton dresse la liste des masses atomiques d'un certain nombre d'éléments rapportés à la masse de l'hydrogène. Tout en n'étant pas entièrement correctes, ces masses forment la base du tableau périodique moderne des éléments. À partir du tableau, on peut faire deux constatations :

• En premier lieu, quand deux éléments ne donnent naissance qu'à un seul composé, Dalton retient l'explication la plus simple, autrement dit la combinaison binaire : on peut donner en exemple le cas de l'eau (qui, en employant le symbolisme actuel, se serait écrit HO).
• D'autre part, lorsque deux éléments sont susceptibles de former deux composés, on adopte une fois de plus la solution la plus simple. En l'occurrence, cette solution est que l'un des composés est binaire et l'autre ternaire. (Exemple : le monoxyde de carbone se serait écrit CO et le gaz carbonique (dioxyde de carbone) aurait été symbolisé par CO₂, de la même façon qu'aujourd'hui).

Il est important de noter que, à son origine, la théorie atomique reposait bel et bien sur une conception a priori et présentait un certain tour mathématique. Ces deux raisons sont suffisantes pour la rendre douteuse aux yeux de certains chimistes. La nouvelle venue de la « théorie atomique » déclencha de violentes controverses avant de rencontrer un universel accueil. C'est ainsi que l'on nomma John Dalton le père de la théorie atomique.

Les expériences de Dalton ont été écrites et publiées dans System of Chemistry de Thomson.

Ses impacts

La théorie de Dalton fut un développement énorme par rapport à la théorie de Démocrite. Cette théorie permit d'expliquer plusieurs résultats obtenus antérieurement. Dalton proposait ainsi une explication à la loi des proportions définies de Proust. Sans le savoir, Dalton orienta les travaux et les recherches de plusieurs chercheurs. En mettant la théorie à l'épreuve, Amedeo Avogadro montra que des volumes de gaz égaux, peu importe leur nature, renferment des nombres de particules égaux. Deux siècles après la publication de la théorie atomique énoncée par Dalton, elle est encore acceptée. Il y a eu des conséquences à la théorie ; en voici une : si deux éléments peuvent se combiner pour donner plusieurs corps composés, un nombre entier d'atomes de l'un de ces éléments doit s'unir avec un nombre entier d'atomes de l'autre élément. À partir de cet instant, la loi des proportions multiples, ou loi de Dalton, s'applique. Le chimiste anglais arriva à cette conclusion à la suite de ses expériences sur le méthane et sur l'éthylène. Cependant cette loi avait déjà été établie pour quelques cas particuliers. Pourtant cette loi est à la base même des formules modernes de chimie, et sa signification profonde doit être bien comprise.

En honneur de son travail, le terme dalton (symbole Da) est parfois employé comme synonyme de l'unité de masse atomique en chimie et surtout en biochimie. Les masses molaires des protéines et autre macromolécules sont souvent citées en kilodalton (kDa).