Hart van de materie 2: Het atoom ziet opnieuw het levenslicht

De echt wetenschappelijke basis voor de atoomtheorie komt er pas in 1808. In zijn werk A new System of Chemical Philosophy postuleert John Dalton (1766-1844) het bestaan van atomen, identiek aan mekaar voor een specifiek element. Voor Dalton is een stof het resultaat van een specifiek arrangement van atomen, vaak behorende tot een aantal verschillende elementen, dat kan verbroken en weer opgebouwd worden in een chemische reactie. Deze nieuwe inzichten zijn echter niet enkel te danken aan het werk van Dalton. De man steunt zelf namelijk op een aantal chemische wetten die tijdens de eeuwen voor hem zijn uitgewerkt.

De Lavoisiers

Portret van Mijnheer Lavoisier en zijn echtgenote, scheikundige Marie-Anne Pierrette Paulze.
Bron: L. David, 1788, Metropolitan Museum of Art. Publiek domein.

De eerste van deze wetten komt van de Franse chemicus Antoine Lavoisier (1743-1794): de wet van behoud van massa. Deze zegt dat de totale massa aanwezig vóór een chemische reactie gelijk is aan de totale massa die aanwezig is na de chemische reactie; met andere woorden, wat er aan massa in de reactie gaat, moet er ook uitkomen.

Dit concept was in eerste instantie niet gemakkelijk om te begrijpen voor de toenmalige wetenschappers. Volgens Lavoisier moest het product van de verbranding van een grote houten balk immers even zwaar wegen als de balk zelf. Maar waar was deze massa dan naartoe? Immers, al wat ze zagen was een hoopje as? Tot Lavoisier met zijn wet voor de dag kwam, geloofde men in de zogenoemde phlogistontheorie om verbranding te verklaren. Volgens die theorie bevatten alle brandbare materialen een hoeveelheid phlogiston, een substantie zonder kleur, geur, smaak of gewicht, die vrijgesteld werd door verbranding (te merken aan de warmte die vrijkwam). Deze theorie dateerde uit de zeventiende eeuw en was naar voren geschoven door de Duitse arts Georg Stahl (1660-1734). Het werk Réflexions sur le phlogistique pour servir de suite à la théorie de la combustion et de la calcination van Lavoisier uit 1777 maakte echter een einde aan die theorie. De Franse onderzoeker rapporteert daarin zijn eigen, nauwkeurige metingen van de hoeveelheden gassen die vrijkwamen tijdens de verbranding. Die waarnemingen toonden ontegensprekelijk aan waar die verdwenen massa dan wel heen was: omgezet in een gasvormig product. Daarnaast verbrandde hij fosfor en zwavel in lucht, en toonde aan dat de producten van die chemische reactie meer wogen dan het originele zwavel en fosfor zelf (uiteraard doordat het verbrandingsproduct naast het fosfor nog een hoeveelheid zuurstof had bijgekregen). Dit kon twee zaken betekenen: ofwel had het phlogiston een negatieve massa (en dat was absurd), ofwel was de theorie fout. Uiteindelijk moest zelfs de meest overtuigde aanhanger van het bestaan van phlogiston toegeven dat Lavoisier wel eens dichter bij de waarheid zou kunnen zitten.

Lavoisier maakte ook komaf met de oud-Griekse definitie van het begrip element. Volgens de Fransman is een element een eenvoudige stof die met geen enkele analytische chemische methode verder kan worden ontleed. In zijn Traité Élémentaire de Chimie uit 1789 lijst hij 33 stoffen op die voldoen aan zijn nieuwe definitie. Hij deelt die 33 elementen overigens al meteen in, in vier klassen:

  • Gassen
  • Niet-metalen
  • Metalen
  • “Aarden” (dit blijken later oxiden en sulfaten te zijn, waar we ondertussen wel de samenstellende elementen van kennen).

Lavoisier beschouwt overigens licht en warmte ook als elementen. Ook dat is ondertussen wel aangepast.

Voorpagina van Lavoisiers Traité élémentaire de chimie (elementaire behandeling van de scheikunde) uit 1789 wordt gezien als de eerste handleiding tot de moderne scheikunde. Bron: A. Lavoisier, 1789, Traité Élémentaire de Chimie. Publiek domein.

Indeling van de elementen volgens Lavoisier.
Bron: A. Lavoisier, 1789, Traité Élémentaire de Chimie. Publiek domein.

 

Terdoodveroordeling van Lavoisier.
Lavoisier vulde zijn dagen niet enkel met scheikunde, maar ook met het innen van de belastingen voor de Franse koning, en dat was uiteindelijk zijn ondergang. Als een van de 28 vooraanstaande belastinginners van het Ancien Régime werd Lavoisier gezien als een vijand van de Franse revolutie. De vijandige sfeer tegen hem werd nog verder opgestookt door beschuldigingen van Jean-Paul Marat. In 1794 werd hij op 50-jarige leeftijd onder de guillotine ter dood gebracht. Publiek domein.

 

 

De tweede wet die leidde tot de moderne atoomtheorie, is de wet van constante samenstelling, van de hand van een andere Franse scheikundige, Louis Joseph Proust (1754-1826). Deze wet stelt dat wanneer een verbinding is opgesplitst in zijn samenstellende elementen, de bestanddelen altijd in dezelfde (massa)verhoudingen voorkomen, ongeacht de hoeveelheid of de bron van de oorspronkelijke stof. Die stelt dat reagentia steeds in dezelfde verhouding gemengd moeten worden om hetzelfde product op te leveren. Zo zullen ijzer en zwavel steeds in de massaverhouding 7:4 reageren tot ijzer(II) sulfide (FeS). Joseph Proust vond deze wetmatigheid tijdens zijn experimenten met kopercarbonaat. Hiervoor maakte hij in zijn laboratorium zelf verschillende hoeveelheden basisch kopercarbonaat en vergeleek de samenstelling hiervan met die van de mineralen malachiet of azuriet. Ze bleken exact hetzelfde.

Joseph Proust. De man kwam niet alleen met zijn wet voor de dag, maar hij was ook in staat om te bewijzen dat de suiker in druiven dezelfde is als de suiker in honing (in beide gevallen gaat het over glucose en niet over sucrose). Bron: Publiek domein.

Rozetten van diepblauw azuriet op een bed van malachiet, uit China.
Bron: Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0

Basisch kopercarbonaat is een koper(II) carbonaat hydroxide. Het is een ionische verbinding (een zout),
bestaande uit de ionen koper(II) (Cu2+), carbonaat (CO32-) en hydroxide (OH-).
Van deze verbinding bestaan twee varianten. De eerste heeft als brutoformule Cu2CO3(OH)2. Het is een groene kristallijne vaste stof
die in de natuur voorkomt als het mineraal malachiet. De tweede heeft als brutoformule Cu3(CO3)2(OH)2,
een blauwe kristallijne vaste stof, bekend als het mineraal azuriet. Beide varianten komen ook voor in de koperoxidelagen op verweerde messing, brons en koper.

Azuriet en malachiet waren twee van de zeven mineralen die ten tijde van de Egyptenaren in verfmengsels werden gebruikt, respectievelijk als blauw en groen pigment.
Basisch koper(II)carbonaat wordt door verdund zoutzuur ontleed in het zout koper(II)chloride (CuCl2) en koolstofdioxide (CO2). Bij verhitting valt het uiteen tot CO2 en CuO, koper(II)oxide. Het is deze laatste reactie die Proust gebruikte om aan te tonen dat koper(II)carbonaat steeds uit dezelfde hoeveelheden aan samenstellende stoffen bestaat. Ook de minerale varianten malachiet en azuriet vormen bij decompositie CO2 en CuO.

 

De Engelsman John Dalton (1766-1844) voegt daar nog de wet van de multiple proporties aan toe: indien twee elementen samen meer dan één verbinding kunnen vormen en houden we de massa van één van beide elementen constant, dan zijn de massa’s van het tweede element die we nodig hebben om die verschillende verbindingen te maken, verhoudingen van kleine gehele getallen. Dat klinkt abstract, maar een paar voorbeelden maken veel duidelijk. Dalton kwam deze wetmatigheid op het spoor toen hij de samenstelling van methaan (CH4) vergeleek met die van etheen (C2H4, ethyleen), en daarbij vaststelde dat etheen dubbel zoveel koolstof bevatte als methaan, per hoeveelheid waterstof. Ook de oxiden van koolstof dienen goed als voorbeeld. Koolstof kan namelijk op twee manieren een verbinding vormen met zuurstof. 100 g koolstof kan reageren met 133 g zuurstof en dat levert koolstofmonoxide op (CO), maar ook met 266 g zuurstof tot koolstofdioxide (CO2). De massa’s zuurstof die we nodig hebben, verhouden zich nu als 266 op 133 oftewel 2 op 1. Nog een voorbeeld? Proeven van Proust op tinoxides toonden aan dat deze verbindingen ofwel 88.1% tin en 11.9% zuurstof bevatten, ofwel 78.7% tin en 21.3% zuurstof. Het gaat hierbij respectievelijk om SnO (tin(II)oxide) en SnO2 (tin(IV)oxide). Dalton rekent deze gegevens om, en vindt dat 100 g tin ofwel met 13,5 g zuurstof reageert, ofwel met 27 g zuurstof. 13,5 verhoudt zich tot 27 zoals 1 tot 2. Zoals de opgegeven formules al aangeven, reageert tin inderdaad met één, of met twee atomen zuurstof.

 

Dalton gaat echter nog een hele stap verder, en blaast de atoomtheorie van Democritus nieuw leven in. Niet dat er in tussentijd niemand over atomen gesproken had: de grote Isaac Newton had gespeeld met het concept om bepaalde eigenschappen van gassen te verklaren. Dalton wist dat overigens: in zijn notities maakt hij gewag van wat Newton in zijn Principia over atomen had geschreven. Het is echter het genie van Dalton zelf dat de atomen op het voorplan schuift met een eigen theorie (gepubliceerd in A New System of Chemical Philosophy, uit 1808). Hierbij maakt hij de volgende veronderstellingen:

Ten eerste - alle materie bestaat uit kleine deeltjes, die we atomen noemen.

Ten tweede zijn die atomen onverwoestbaar en onveranderlijk. Atomen van een element kunnen niet worden gemaakt, vernietigd, opgesplitst in kleinere delen of omgezet in atomen van een ander element. Hiervoor haalde Dalton de mosterd bij Lavoisier. Echter, zoals uit het vervolg van deze reeks zal blijken, is dit een veel te eenvoudige voorstelling van atomen. De ontdekking van de subatomaire deeltjes zoals het proton en het neutron zorgt ervoor dat we moesten afstappen van de ondeelbaarheid van atomen, en onze kennis over het verval van radioactieve atomen leert ons dat atomen wel degelijk kunnen transmuteren (omgezet worden in atomen van andere elementen). Zolang we echter spreken over chemische reacties en transformaties blijft de onveranderlijkheid van atomen echter wel gelden.

Ten derde worden elementen gekenmerkt door de massa van hun atomen. Meer nog – volgens Dalton hebben alle atomen van hetzelfde element identieke gewichten (massa’s). Ook dit idee hebben we moeten bijstellen: we weten ondertussen dat niet de massa van het atoom, maar wel de lading van de kern (het aantal protonen in die kern) bepaalt tot welk element een atoom behoort. Meer nog - we kennen nu het bestaan van isotopen: atomen van hetzelfde element met een licht verschillende massa's, maar nog steeds met dezelfde kernlading. In een volgende episode gaan we daar trouwens dieper op in. In de moderne atoomtheorie, is deze eigenschap dan ook gewijzigd als volgt: "De elementen worden gekenmerkt door de nucleaire lading van hun atomen".

Nu, wanneer stoffen reageren, vormen er zich nieuwe combinaties van hun atomen in eenvoudige verhoudingen. Hiermee verklaarde Dalton de wet van Proust. Dit hoeven niet altijd dezelfde verhoudingen te zijn: stoffen kunnen combinaties vormen in verschillende verhoudingen, maar dat leidt dan tot andere producten. Een goed voorbeeld behelst de verschillende verbindingen tussen stikstof en zuurstof: stikstofmonoxide (NO), stikstofdioxide (NO2), distikstofmonoxide (N2O), distikstoftrioxide (N2O3), … Door dit deeltje van zijn theorie kan Dalton uitleggen waarom de gewichtsverhoudingen van stikstof en zuurstof in verschillende stikstofoxiden veelvouden van elkaar zijn.

 

Naam

Formule

Beschrijving

stikstofmonoxide

NO

Kleurloos gas

stikstofdioxide

NO2

Bruin gas, belangrijke luchtpolluent

distikstofmonoxide

N2O

Kleurloos gas. Gebruikt als verdovend middel tijdens operaties en tandverzorging. Ook wel lachgas genoemd.

distikstoftrioxide

N2O3

Blauwe vaste stof (onder de -21°C)

distikstoftetroxide

N2O4

Kleurloze vloeistof - kleurloos gas. Wordt gebruikt in sommige vormen van raketbrandstof.

 

 

John Dalton werd geboren in 1766 in Eaglesfield, een klein dorpje in het noorden van Engeland. Net als Priestley en Faraday behoorde hij tot de geloofsgemeenschap van de Quakers. Hij leerde op eigen houtje wat hij kon vinden over wetenschappen en wiskunde en begon al op jonge leeftijd anderen te onderwijzen met de opgedane kennis. Heel zijn leven lang bleef Dalton leren en studeren. Vanaf 24 maart 1787 hield hij bijvoorbeeld een weerkundig dagboek bij, dat hij tot op zijn sterfbed bleef bijwerken. Zijn dagelijkse observaties waren meteen de basis voor zijn eerste boek, Meteorological Observations and Essays (1793). Zijn eerste echte wetenschappelijke paper beschreef overigens een aandoening waar hij zelf aan leed: rood-groenkleurenblindheid, naar hem ook daltonisme genoemd.

Tussen 1795 en 1805 werkte hij aan zijn belangrijkste verwezenlijkingen: de atoomtheorie en zijn gaswet (de wet van de partieeldrukken, oftewel “de totale druk van een mengsel van gassen is gelijk aan de som van de drukken die de gassen zouden uitoefenen als ze alleen zouden voorkomen”). Erkenning voor zijn werk kreeg Dalton pas op latere leeftijd. In 1822 werd hij lid van de Royal Society, in 1826 kreeg hij zijn eerste Royal Medal, en in 1833 kende Groot-Brittannië hem een staatspensioen toe. Hij stierf op 27 juli 1844. 40 000 mensen woonden zijn begrafenis bij.

Afbeelding van Dalton: bron: United States Library of Congress's Prints and Photographs division, http://hdl.loc.gov/loc.pnp/cph.3b12511. Publiek domein.

 

Dalton had met zijn atoomtheorie meteen ook een praktische manier gevonden om atomen te wegen en maakte zo van de scheikunde een echte kwantitatieve wetenschap. Hij bepaalde zelf ook van heel wat elementen de massa en gebruikte hiervoor de massa van het waterstofatoom als uitgangsbasis (hij gaf die de relatieve waarde van één). Jammer genoeg ging hij hierbij uit van een belangrijke – maar verkeerde – veronderstelling, namelijk dat verbindingen in hoofdzaak binair moesten zijn (dat wil zeggen, dat ze moesten bestaan uit twee atomen). Water is voor John Dalton niet H2O, maar HO; ammoniak is niet NH3 maar NH. Zo slopen er fouten in zijn tabellen: stikstof werd 5, zuurstof kreeg een massa van 7. De moderne waarden zijn 14, respectievelijk 16. Hun opvolgers maakten daar werk van (met onder andere van de Fransman Gay-Lussac en de Italiaan Avogadro), maar dat is voor een andere episode.

 

John Dalton ontwikkelde ook een eigen systeem om de elementen en de atomen in verbindingen symbolisch voor te stellen.
Enkele jaren later zou Berzelius voor de dag komen met het systeem dat we vandaag nog steeds hanteren.
Pagina uit John Dalton's A New System of Chemical Philosophy (1808). Publiek domein.

 

De atoomtheorie wordt vervolgens even centraal voor de scheikunde als de evolutietheorie van Darwin dat wordt voor de biologie, of de wetten van Newton voor de klassieke mechanica. Tegenwoordig zijn we zelfs in staat om het bestaan van atomen direct aan te tonen en kunnen we ze rechtstreeks visualiseren met behulp van moderne vormen van microscopie.

 

Geplaatst door Geert op 04/02/2017 om 14:23