Hart van de materie 3: Atomen in proporties

Door het monnikenwerk van Dalton krijgt de atoomtheorie vorm in het begin van de negentiende eeuw. De fout waarvan sprake in het vorige deel moest echter eerst worden rechtgezet, voor de scheikunde ook kon beginnen rekenen met de juiste massa’s. Dit was een uitdaging waar de Fransman Joseph Louis Gay-Lussac en de Italiaan Amedeo Avogadro voor tekenden.

Gay-Lussac is vooral bekend van zijn werk rond de fysica van gassen. Zo ontdekt hij dat het volume van een gas recht evenredig toeneemt met de temperatuur van dat gas. Deze wet heet ook wel de wet van Charles, naar Jacques Charles die dit verband vijftien jaar tevoren al gevonden had (maar verzuimd had dit te publiceren). In 1808 komt Gay-Lussac echter met zijn grootste ontdekking voor de dag: de wet van de “gecombineerde volumes”. Uit eigen metingen en uit die van anderen had hij afgeleid dat gassen bij constante druk en temperatuur reageren in eenvoudige verhoudingen van gehele getallen. Bovendien geldt dit ook voor de verhouding tussen de producten en de reagentia in een dergelijke reactie.

Een voorbeeld maakt dit duidelijker: om water te maken, reageren twee delen waterstofgas met een deel zuurstofgas. Doen we dat bij een temperatuur boven de 100°C (zodat ook het water in zijn gasvormige toestand verkeert), dan produceert deze reactie twee delen waterdamp. Een deel stikstofgas en drie delen waterstofgas leveren ons twee delen ammoniakgas op.

Ironisch genoeg was het net John Dalton die geen geloof hechtte aan deze wet, hoewel hij de theorie van Dalton net ondersteunde. In Daltons visie hadden verschillende atomen andere afmetingen, zodat het ongeloofwaardig is dat verschillende gassen telkens evenveel deeltjes in eenzelfde volume vasthouden.

 

Louis Joseph Gay-Lussac (Saint-Léonard-de-Noblat, 6 december 1778 – Parijs, 9 mei 1850) was een Frans scheikundige en natuurkundige. Hij werd in 1808 hoogleraar in de natuurkunde aan de Sorbonne, in 1809 hoogleraar in de chemie aan de École Polytechnique te Parijs en in 1832 werd hij hoogleraar in de chemie aan de Jardin des Plantes. Figuren publiek domein.

In 1804 steeg Gay-Lussac verschillende keren in met waterstof gevulde ballonnen tot een hoogte van meer dan 7.000 meter boven de zeespiegel om andere aspecten van gassen te onderzoeken. Hij deed metingen van magnetische velden, druk, temperatuur en vochtigheid op verschillende hoogten, en nam verschillende monsters die hij in het laboratorium verder analyseerde.

Samen met Louis-Jacques Thénard (1777-1857), zijn collega aan de École Polytechnique, onderzocht Gay-Lussac elektrochemische methoden om de zeer reactieve metalen natrium en kalium te isoleren in hun metallische vorm. Hij ontdekte het element boor, en deed onderzoek naar de scheikundige opbouw van binaire zuren (zuren die zoals zoutzuur bestaan uit twee elementen). Hij onderzocht de eigenschappen van een nieuwe stof, ontdekt door Bernard Courtois, en bevestigde daarbij dat het over een nieuw element ging, nl. jodium. Ook later in zijn leven bleef Gay-Lussac zeer actief. Hij ontwikkelde een nauwkeurige methode voor het analyseren van het alcoholgehalte van sterke dranken en bekwam een patent voor een nieuwe methode voor het vervaardigen van zwavelzuur.

Gaylussacia baccata. Ter ere van Gay-Lussac werd een genus van de heidefamilie (Ericaceae) naar hem genoemd: Gaylussacia, een endemische groep uit Noord- en Zuid-Amerika. In het Engels heten deze planten huckleberry of dangleberry. Bron: Steven G. Johnson (CC BY-SA 3.0, zie ook https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Black-huckleberry-Acadia.jpg)

 

 

 

De tweede wetenschapper die ons op het juiste spoor zette om de juiste atoommassa’s te vinden, was Amedeo Avogadro. Hij schoof de hypothese naar voren dat gelijke volumes gassen, met dezelfde temperatuur en onder dezelfde druk, wel degelijk evenveel moleculen bevatten (en dat de massa van die moleculen daar dus niets mee te maken had). Dit bleek een belangrijke doorbraak: hieruit volgde immers, dat de verhouding tussen de molaire massa’s van twee gassen dezelfde is als de verhouding van de dichtheden van de twee gassen onder dezelfde omstandigheden van temperatuur en druk.

Avogadro redeneerde verder dat eenvoudige gassen niet bestaan uit eenzame atomen, maar eerder verbindingen zijn, moleculen van twee (of meer) atomen. Dit legde meteen de metingen van Dalton en de wet van Gay-Lussac op een heel aanschouwelijke manier uit: waterstofgas (H2) en zuurstofgas (O2) moeten tijdens het reageren in twee splitsen (zie ook de figuur hiervoor). En omdat er tweemaal zoveel waterstof nodig was dan zuurstof, moest de finale molecule water wel bestaan uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. Met dit inzicht konden de negentiende-eeuwse scheikundigen eindelijk de werkelijke relatieve atoommassa’s beginnen bepalen. Meteen ons onderwerp voor onze volgende episode: hoe zwaar is een atoom?

Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quaregna e Cerreto werd geboren te Turijn op 9 augustus 1776
en overleed er bijna tachtig jaar later, op 9 juli 1856.  Bron: Tekening door C. Sentier (Turijn, 1856). Publiek domein.

Uitsmijter: Elektrolyse van water: een boeiende proef met eenvoudige apparatuur
 
 
Links: Hofmantoestel Bron: publiek domein. Rechts: Reactieschema elektrolyse, hieronder uitgelegd. Bron: MeNS nr. 65.
 
De proef is bekend: we leggen een gelijkstroom aan in een vat met water en een elektrolyt (zoals KOH, om de geleiding van de stroom optimaal te laten verlopen), en we zorgen ervoor dat elke elektrode in een apart (maar wel onderling verbonden) compartiment ondergedompeld wordt. Vrij snel zie je bubbels opkomen, aan elk van beide elektroden.  Als je het ene gas opvangt in een proefbuisje en er een gloeiende spaander bijhoudt, ontploft het (dat wijst op de aanwezigheid van waterstofgas); het andere gas doet de houtspaander fel opgloeien (en dat is dan zuurstof). Het verloop van de elektrolyse kunnen we als volgt verklaren.
 
In de oplossing zijn vooral watermoleculen, kaliumkationen (K+) en hydroxide-anionen (OH-) aanwezig. De K+-ionen blijven ongewijzigd, maar aan de anode worden hydroxide-ionen geoxideerd:
2 OH → H2O + 1/2 O2+ 2 e
Aan de kathode worden watermoleculen gereduceerd:
H2O + e→ OH+ 1/2 H2 + OH-
De som van beide reacties is de elektrolytische splitsing van water:
2 H2O –> O2+ 2 H2
Het toestel (het Hofmantoestel) dat daarvoor vaak gebruikt wordt, staat links in de figuur.
 
 
Meer weten over de gassen die samen reageren tot water? In onderstaande video wordt elektrolyse van water getoond (het splitsen van water in waterstofgas en zuurstofgas met behulp van elektrische stroom). Dit klassieke experiment toont dat water splitst in twee delen waterstofgas en één deel zuurstofgas.
https://www.youtube.com/watch?v=0X604USY6hs

 

 

 

Geplaatst door Geert op 11/02/2017 om 00:33