تاريخ نظرية الجزيئات
القرن التاسع عشر

في سنة 1803 م، اتخذ جون دالتون من وزن ذرة الهيدروجين (أخف العناصر الكيميائية) كوحدة معيارية، واستخلص مثلاً أن ثلاثي أكسيد ثنائي النتروجين نسبة عناصره هي 2 إلى 3، فأعطاها الصيغة الكيميائية N2O3. ولكنه أخطأ عندما تخيّل أن الذرات متماسكة بخطاطيف لتكوين الجزيئات. لاحقًا في سنة 1808 م، نشر الرسم التوضيحي الشهير حول اتحاد العناصر.
في سنة 1811 م، نشر أميديو أفوجادرو ورقته البحثية «مقال حول معرفة الأوزان النسبية للجزيئات الأولية للأجسام». في تلك الورقة، قال مبدئيًا، ووفق ما ذكره المؤرخ «جيه آر بارتينجتون» «تاريخ مختصر للكيمياء» أن: «إن أصغر جسيمات الغازات ليست بالضرورة ذرات بسيطة، لكنها تتشكل من عدد معين من تلك الذرات متحدة بالتجاذب لتُكوّن جزيء واحد».
استخدم أفوجادرو اللفظ «جزيء» للإشارة إلى كل من الذرات والجزيئات. واستخدم لفظ «جزيء أولي» للإشارة إلى الذرات، ولفظ «جزيء مركّب» إلى الأشكال الأكثر تعقيدًا من المادة. وخلال فترة إقامته في فيرتشيلي، كتب أفوجادرو مذكرة موجزة أعلن فيها عن فرضيته التي نعرفها اليوم باسم قانون أفوجادرو: «تحتوي الأحجام المتساوية من الغازات المختلفة عند نفس درجة الحرارة والضغط على عدد متساو من الجزيئات». يعني ذلك أن العلاقة بين أوزان الأحجام المتساوية من الغازات المختلفة عند نفس الحرارة والضغط، تتوافق مع كتلاتها الجزيئية. وبالتالي، أوزان الجزيئات النسبية يمكن حسابها من أوزان عينات الغاز.
وضع أفوجادرو هذه الفرضية ليتوافق قانون لوي جوزيف غي لوساك الخاص بأحجام واتحاد الغازات الذي وضعه سنة 1808 م مع النظرية الذرية لدالتون التي وضعها سنة 1803 م. كان أصعب ما واجه أفوجادرو هو إيجاد حل لحالة الارتباك الكبيرة في ذلك الوقت حول مفهوم الذرات والجزيئات، حيث كان مكننا عمله هذا من التمييز بينهما، ومن الاعتراف بأن الجسيمات البسيطة من الممكن أن تتكون من جزيئات، التي بدورها تتكون من ذرات. غير أن دالتون لم يقتنع بهذه الفرضية، بل والغريب أن أفوجادرو نفسه اعتقد بأن الجزيئات تحتوي على أعداد زوجية فقط من الذرات، واستبعد أن تحتوي على أعداد فردية من الذرات.
في سنة 1826 م، انطلاقًا من أعمال أفوجادرو، قال الكيميائي الفرنسي جان-باتيست دوما بأن: «الغازات في الظروف المتشابهة تتكون من جزيئات أو ذرات بينهما مسافات متساوية، فيمكننا القول أنه في الحجم معين سيحتوي على العدد نفسه من الجزيئات أو الذرات». وبالتوافق مع تلك المفاهيم، في سنة 1833 م قدّم الكيميائي الفرنسي مارك أنطوان أوغست غودان صياغة واضحة لفرضية أفوجادرو، فلتوضيح الأوزان الذرية، استخدم «الرسوم التوضيحية الحجمية» التي توضّح أشكال هندسية شبه-صحيحة كجزيء الماء الخطي، وصيغ كيميائية صحيحة للجزيئات مثل H2O.
كان أوغست كيكولة أول من طرح نظرية حول كيفية ترابط الذرات في المركبات العضوية مع بعضها البعض، وذلك في ورقتين بحثيتين طرحهما سنتي 1857-1858 م، حيث افترض أن ذرات الكربون رباعية التكافؤ، ويمكنها التماسك مع بعضها لتشكيل هياكل من الجزيئات العضوية من الكربون.
في سنة 1856 م، بدأ الكيميائي الإسكتلندي أرشيبالد سكوت كوبر أبحاثه حول هلجنة البنزين في معمل شارل فيرتز بباريس. وبعد شهر من نشر كيكولة ورقته الثانية، نشر كوبر بصفة مستقلة نظريته حول بنية الجزيئات التي افترض فيها أن الذرات تترابط في بنيوات خاصة ثلاثية الأبعاد. كان كوبر أول من استخدم الخطوط للربط بين رموز الذرات للإشارة إلى الروابط، واستخدم السلاسل المستقيمة لتوضيح بنية بعض الجزيئات، والأشكال الحلقية لتوضيح بعض الجزيئات الأخرى مثل حمض الطرطريك وحمض السيانيك. وفي منشورات تالية، استخدم كوبر خطوط متقطعة مستقيمة لتوضيح الروابط كما في الرسم المجاور للكحول وحمض الأكساليك.
وفي سنة 1861 م، نشر مدرس نمساوي بإحدى المدارس الثانوية يدعى يوهان جوزيف لوشميت على نفقته الخاصة كُتيّب بعنوان «Chemische Studien I»، احتوى على صور رائدة للجزيئات توضّح كلا من البنى الحلقية والمزدوجة للجزيئات. اقترح لوشميت أيضًا صيغة كيميائية محتملة للبنزين، ولكن دون حسم الصياغة. أما أول من افترض البنية الحديثة للبنزين، فكان كيكولة سنة 1865 م. وقد حُسمت الصيغة الحلقية للبنزين على يد عالمة البلورات كاثلين لونسدال. كانت بنية البنزين تُمثّل معضلة خاصة للعلماء وقتها، فلكي تترابط كل الروابط، لا بد من وجود روابط مضاعفة بديلة للكربون (كما بالرسم المجاور). وفي سنة 1865 م، كان الكيميائي الألماني آوغست فيلهلم فون هوفمان أول من استخدم نماذج الكرة والعصا لتوضيح الجزيئات، وذلك في محاضرة ألقاها في معهد بريطانيا العظمى الملكي.
تبع هوفمان في هذا النموذج مقترح طرحه زميله ويليام أودلينغ سنة 1855 م بأن الكربون رباعي التكافؤ. ولا تزال اختيارت هوفمان لتمثيل الذرات مستخدمة إلى اليوم: نيتروجين = أزرق، أكسجين = أحمر، كلور = أخضر، كبريت = أصفر، هيدروجين = أبيض. كانت أوجه قصور نموذج هوفمان الأساسية هندسية: فروابط كربون مثّلها مستوية، بدلاً من تمثيلها رباعية الأسطح، كذلك كانت الذرات غير متناسبة حجميًا، على سبيل المثال كانت ذرة الكربون أصغر من ذرة الهيدروجين. وفي سنة 1864 م، بدأ عالم الكيمياء العضوية الإسكتلندي ألكسندر كروم براون رسم صور للجزيئات مثّل فيها الذرات في صورة دوائر، واستخدم خطوط متكسرة لربط الذرات معًا بطريقة تتوافق مع تكافؤها.
كانت سنة 1873 م، سنة فارقة في تاريخ صياغة مفهوم «الجزيء»، حين نشر الفيزيائي الإسكتلندي المعروف جيمس كليرك ماكسويل مقالته الشهيرة ذات الثلاث عشرة ورقة «الجزيئات»، وذلك في عدد سبتمبر من مجلة نيتشر. قال ماكسويل في افتتاحيتها: «الذرة هي جسم لا يمكن تقسيمه إلى شطرين؛ بينما الجزيء فهو أصغر مُكوّن من مادة مُعيّنة.» وبعد أن تحدث ماكسويل عن النظرية الذرية لديمقريطوس، قال ماكسويل بأن لفظ «الجزيء» هو لفظ حديث لم يرد في قاموس جونسون، وأن الأفكار التي يجسدها هذا المفهوم تنتمي للكيمياء الحديثة. لقد قيل لنا بأن الذرة هي النقطة الأساسية، محاطة بقوى محتملة، وأنه عندما تصطدم الجزيئات الطائرة في جسم صلب بتتابع ثابت، فسيُشكّل ما يسمى بضغط الهواء والغازات الأخرى. عندئذ، أشار ماكسويل إلى أنه الجزيء شئ غير ملموس، لم يسبق أن رآه أحد أو لمسه.
وفي سنة 1874 م، افترض كل من ياكوبس فانت هوف وجوزيف أشيل لو بل بصفة مستقلة أن ظاهرة التدوير الضوئي يمكن شرحها بافتراض أن الروابط الكيميائية لذرات الكربون وجيرانها تتوجه إلى أركان رباعي أوجه منتظم. أدى ذلك إلى فهم أفضل للطبيعة ثلاثية الأبعاد للجزيئات. طوّر هيرمان إميل فيشر تقنيته إسقاط فيشر لتوضيح الجزيئات ثلاثية الأبعاد على ورقة ثنائية الأبعاد.
في سنة 1898 م، استخدم لودفيغ بولتزمان نظرية التكافؤ في محاضراته عن نظرية الغازات لشرح ظاهرة تفكك الجزيئات في أطوارها الغازية، ولتوضيح ذلك رسم إحدى أولى الرسومات التداخلية ليوضّح تداخل مدارات الذرات. موضّحًا الحقيقة المعروفة بأن بخار جزيء اليود يتحلل إلى ذرات عند درجات الحرارة المرتفعة. قال بولتزمان بأنه لا بد أن نتفهم وجود جزيئات تتكون من ذرتين، أو «الذرة المزدوجة» كما سمّاها بولتزمان وقتها، بينها قوى جذب تعمل بين الذرتين. كما أوضح أن التجاذب الكيميائي، الناتج من التكافؤ الكيميائي، لا بد وأن يُصاحبه منطقة نسبية صغيرة على سطح الذرة تسمى بـ «المنطقة الحساسة» التي تقع على سطح الذرة أو جزئيًا داخل الذرة، وترتبط بشدة بالذرة. وأضاف بأنه خاصةً: «فقط عندما تتموضع ذرتان بحيث تتصل منطقتيهما الحساستان، أو تتداخل جزئيًا، سينشأ تجاذب كيميائي بينهما. فيمكننا القول بأنهما ارتبطا كيميائيًا ببعضهما البعض». توضح الصورة المجاورة تداخل «المنطقة الحساسة-α» للذرة A مع «المنطقة الحساسة-β» للذرة B.