रसायनशास्त्रातील काही मूलभूत गोष्टी आज सर्वांना माहीत असतात. उदाहरणार्थ, पाण्याचे सूत्र H₂O असते, म्हणजेच प्राणवायूचा एक अणू हायड्रोजनच्या दोन अणूंशी संयोग पावल्यावर पाण्याचा एक रेणू तयार होतो. त्याचप्रमाणे, अमोनियाचे सूत्र NH₃, मीठाचे NaCl, कार्बन डायॉक्साईडचे CO₂, तसेच हायड्रोजनचा अणुभार (atomic weight) एक समजला तर प्राणवायूचा सोळा, नत्रवायूचा चौदा, कार्बनचा बारा, असतो वगैरे गोष्टी सामान्यज्ञानाचा भाग झाल्या आहेत. मात्र या विषयाबद्दल सुमारे दोनशे वर्षांपूर्वी गोंधळाची परिस्थिती निर्माण झाली होती. ती नंतर साठ वर्षे कायम होती. शेवटी इ. स. १८६० मध्ये ती संपुष्टात आली आणि एक सुनिश्चित व्यवस्था निर्माण झाली त्याची ही कथा आहे.

जॉन डाल्टन

या विषयाची सुरुवात जॉन डाल्टन (John Dalton) (१७६६ -१८४४) या इंग्लिश विज्ञानशिक्षकाने मांडलेल्या अणुसिद्धांताने (Dalton's Atomic Theory) होते. इ. स. १८०२ मध्ये त्याने मांडलेल्या सिद्धांतानुसार मूलद्रव्ये सर्वात लहान कणांची (अणूंची) बनलेली असतात. निरनिराळ्या मूलद्रव्यांचे अणू छोट्या पूर्णांकाच्या प्रमाणात (जसे २ : १, १ : १, २ : ३ वगैरे) एकमेकांशी संयोग पावून त्यातून संयुगांचे रेणू तयार होतात. या सिद्धांतामुळे निरनिराळ्या मूलद्रव्यांचे अणुभार (मूलद्रव्याचा अणू हायड्रोजनच्या तुलनेत किती जड आहे) मोजणे, संयुगांची सूत्रे ठरवून त्यांचे रेणुभार काढणे वगैरे गोष्टींना पुढच्या काळात वेग आला. या कामासाठी डाल्टनच्या अणुसिद्धांताच्याही आधी अस्तित्वात आलेल्या एका नियमाचा मोठा हातभार लागला.

सममूल्य प्रमाणाचा नियम (The Law of Equivalent Proportions)

इ. स. १७९२ मध्ये जर्मन वैज्ञानिक जेरेमाया रिष्टर (Jeremias Richter) याने लावलेला शोध महत्त्वाचा असूनही समकालीन वैज्ञानिकांनी त्याकडे पूर्ण दुर्लक्ष केले. "दोन मूलद्रव्यांचे जे सापेक्ष भार (वजने) एकमेकांशी संयोग पावतात तेच तिसऱ्या मूलद्रव्याशीही संयोग पावतात. " भाषा अवघड वाटली तरी नियम सोपा आहे हे पुढील उदाहरणांवरून लक्षात येईल.

१ ग्रॅम हायड्रोजनचा ८ ग्रॅम प्राणवायूशी संयोग होऊन पाणी तयार होते, १ ग्रॅम हायड्रोजनचा ३ ग्रॅम कार्बनशी संयोग होऊन मिथेन वायू तयार होतो, १ ग्रॅम हायड्रोजनचा ३५.५ ग्रॅम क्लोरीनशी संयोग होऊन हायड्रोक्लोरीक आम्ल तयार होते तर १ ग्रॅम हायड्रोजनचा २५ ग्रॅम आर्सेनिकशी संयोग होऊन अर्साईन तयार होते. या गोष्टी त्या काळात प्रयोगांनी सिद्ध झाल्या होत्या. रिष्टरचा नियम सांगतो की कार्बन आणि प्राणवायू ३ : ८ प्रमाणात, कार्बन आणि क्लोरीन एकमेकांशी ३ : ३५.५, तर आर्सेनिक आणि क्लोरीन २५ : ३५.५ प्रमाणात संयोग पावतील. ही गुणोत्तरे खरी असून त्या मूलद्रव्यांपासून अनुक्रमे कार्बन डायॉक्साईड, कार्बन टेट्राक्लोराईड आणि आर्सेनिक ट्रायक्लोराइड ही संयुगे तयार होतात हे आज आपल्याला माहीत आहे.

इ. स. १७९२ मध्ये अणुसिद्धांत नसल्याने अणुभाराची कल्पना नव्हती. पण सममूल्य प्रमाणाच्या नियमावरून "संयोगी भार" (combining weight) या उपयुक्त संकल्पनेचा उदय झाला. मूलद्रव्याच्या ज्या भाराचा १ ग्रॅम हायड्रोजनशी संयोग होतो त्याला त्या मूलद्रव्याचा "संयोगी भार" म्हणतात. जर एखाद्या मूलद्रव्याचे हायड्रोजनबरोबर संयुग बनत नसेल तर मूलद्रव्याच्या ज्या वजनाचा ८ ग्रॅम प्राणवायूशी संयोग होतो तो त्या मूलद्रव्याचा संयोगी भार. म्हणजेच कार्बनचा ३, क्लोरीनचा ३५.५, आर्सेनिकचा २५ हे झाले त्या मूलद्रव्यांचे संयोगी भार. याप्रमाणे त्याकाळी ज्ञात असलेल्या सर्व मूलद्रव्यांच्या संयोगी भारांचा एक तक्ता बनवला गेला.

डाल्टनच्या अणुसिद्धांतानंतर निरनिराळ्या मूलद्रव्यांचे अणुभार ठरवण्यासाठी ही माहिती जरी उपयुक्त असली तरी त्यात एक मेख होती. कधी कधी दोन मूलद्रव्यांच्या संयोगातून एकापेक्षा अधिक संयुगे तयार होतात आणि मग त्या मूलद्रव्याचे एकापेक्षा जास्त संयोगी भार असतात. उदाहरणार्थ, नत्रवायू (Nitrogen) आणि प्राणवायू यांच्या संयोगातून तीन ऑक्साईडे तयार होतात आणि त्यामध्ये नत्रवायूचे संयोगी भार ३.५, ७ आणि १४ अशी असतात (म्हणजेच त्यात नत्रवायूः प्राणवायू प्रमाण अनुक्रमे ३.५ : ८, ७ : ८ आणि १४ : ८ असते) हे जोसेफ प्रीस्टलेच्या (१७३३ - १८०४) काळापासून (साधारण १७७४- १७८४ पासून) माहिती होते. एकाच मूलद्रव्याच्या अनेक संयोगी भारांमुळे तत्कालीन वैज्ञानिकांचा गोंधळ झाला. त्यामुळे या उपयुक्त कल्पनेकडे दुर्लक्ष झाले.

डाल्टनचे सोपेपणाचे तत्त्व आणि त्यातून झालेला गोंधळ

अणुसिद्धांत सांगितल्यानंतर डाल्टनने संयोगी भारांच्या तक्त्यांवरून इतर मूलद्रव्यांचे अणुभार निश्चित करण्याचा, तसेच संयुगांसाठी सूत्रे आणि रासायनिक क्रियांसाठी समीकरणे तयार करण्याचा महत्त्वाकांक्षी प्रकल्प हाती घेतला.

हायड्रोजन आणि प्राणवायूंचे किती अणू एकमेकांशी संयोग पावले असता पाण्याचा एक रेणू तयार होतो हे डाल्टनला माहीत नव्हते आणि ते समजण्यासाठी कोणतेही मार्गदर्शक तत्त्व नव्हते. त्यामुळे त्याने "सोपेपणाचे तत्त्व" (The Rule of Simplicity) मांडले. थोडक्यात त्याचा सारांश असा: दोन मूलद्रव्यांपासून एकच संयुग बनत असेल तर ते बहुधा द्विअणू म्हणजे AB या प्रकाराचे असते. याच तत्त्वानुसार त्याने पाण्यासाठी HO असे सूत्र दिले. आज ते चुकीचे असल्याचे आपल्याला माहीत असले तरी या चुकीच्या सूत्राला वैज्ञानिक सुमारे ६० वर्षे बरोबर समजत होते. त्याला कारणही होते. पाण्याचे विद्युत अपघटन केले असता तयार झालेल्या हायड्रोजन आणि प्राणवायू यांचे वजनी प्रमाण १ : ८ इतके असते हे त्या काळी माहीत होते. डाल्टनने हायड्रोजनचा १ आणि प्राणवायूचा ८ असे अणुभार निश्चित केल्याने त्यात कोणाला काही चुकले असे वाटले नाही.

दुसरा अवघड प्रश्न होता तो दोन मूलद्रव्यांच्या संयोगातून दोन किंवा तीन संयुगे तयार होण्याचा. कार्बन आणि प्राणवायू यांच्या संयोगाने दोन ऑक्साईडे तयार होतात. त्यांना आपण ऑक्साईड अ आणि ऑक्साईड ब असे म्हणू. तक्ता क्र. १ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे अ मध्ये कार्बन : प्राणवायू प्रमाण ३ : ४ असे असते तर ब मध्ये ते ३ : ८ असे असते. आता डाल्टनने प्राणवायूचा अणुभार ८ निश्चित केल्याने अ मध्ये कार्बनचे वजन ६ आले. तर ब मध्ये कार्बनचे वजन ३ आले. आता कार्बनचा अणुभार ६ निश्चित केला तर अ साठी CO आणि ब साठी CO₂ असे सूत्र मिळते. पण कार्बनचा अणुभार ३ निश्चित केला असता अ साठी C₂O आणि ब साठी CO असे सूत्र मिळते, यातली कुठली शक्यता बरोबर आहे? ऑक्साईड अ हे ब च्या तुलनेत स्थिर असल्याने डाल्टनने अ साठी CO आणि ब साठी CO₂ अशी शक्यता १ मधली सूत्रे दिली, ती बरोबर होती.

तक्ता क्र. १

त्याचप्रमाणे नत्रवायूची आधी सांगितलेली तीन ऑक्साईडे आणि त्यासाठीच्या तीन शक्यता तक्ता क्र. २ मध्ये दाखवल्या आहेत. इथेही डाल्टनने शक्यता १ आणि ३ नाकारल्या, कारण त्याच्या सोपेपणाच्या तत्त्वानुसार पाच अणू असलेले रेणू अस्थिर असतात. इथेही डाल्टन बरोबर होता. तीनही ऑक्साईडांची सूत्रे शक्यता २ मध्ये दाखवल्यानुसारच आहेत हे सिद्ध झाले. त्यानुसार त्याने नत्रवायूचा अणुभार ७ निश्चित केला.

तक्ता क्र. २