Afdeling:Scheikunde/Inleiding in de algemene chemie/Inleiding

Algemene chemie

  De chemie, of scheikunde, houdt zich bezig met:

atomen en de wisselwerkingen ertussen

stoffen die er uit opgebouwd zijn

de reacties daartussen en de eigenschappen daarvan

Het heelal bevat materie en energie en sinds Einstein weten we dat materie (massa) ook een vorm van energie is. Hier op aarde bestaat vrijwel alle materie uit atomen. In het heelal kan materie allerlei exotische vormen aannemen zoals neutronensterren, zwarte gaten en -wat dichter bij huis- het plasma van de zon. Deze vormen zijn niet atomair en het onderwerp van de astrofysica eerder dan de chemie.

Geschiedenis

De chemie is in zekere zin zo oud als de menselijke soort omdat deze al heel lang geleden gebruik ging maken van een chemische reactie die diersoorten gewoonlijk alleen maar angst aanjaagt: de verbrandingsreactie die bekend staat als vuur.

Een chemische reactie.

Het gebruik en bewerking van metalen kwam veel later. Eerst goud, zilver, koper, daarna legeringen met tin (brons) en tenslotte ijzer en staal. De ontwikkeling daarvan was eerder technologisch en praktisch dan wetenschappelijk te noemen. De metallurgie werd pas veel later een echte wetenschap.

Oudheid

In de oudheid ontstond wel meer praktische kennis. De Egyptenaren kenden natron en salpeter, de Romeinen kenden beton. Beiden waren slimme en praktische mensen. Hun goede technici en ingenieurs droegen vooral praktische kennis aan. De Grieken daarentegen waren vooral goede theoretici, die veel denkbeelden aandroegen. Demokritus had bijvoorbeeld al voorgesteld dat alle materie opdeelbaar moest zijn in verder "ondeelbare" deeltjes, te klein om te zien. Van het Griekse woord ἄτομος (atomos, “‘ondeelbaar’” van ἀ- (a-), “‘niet’” + τέμνω (temnō), “‘snijden’”) hebben wij via het Latijnse atomus en het Oudfranse atome ons woord atoom geërfd.

In 381 werd het christendom dwingend aan het Romeinse Rijk opgelegd en werd het vrijelijk filosoferen over de natuur sterk aan banden gelegd. Het idee van de atoomtheorie is nooit geheel verdwenen in Europa, maar een verdere ontwikkeling bleef er een millennium lang achterwege.

Middeleeuwen

Buiten Europa lag dat anders. De Chinezen ontwikkelden het buskruit dat een chemische reactie met explosieve gevolgen mogelijk maakte. In wat nu Irak is onderzocht Geber al in de achtste eeuw arseen, antimoon, kwik, zwavel, salmiak, kamfer, salpeterzuur, zoutzuur en de neutralisatie van zuren en basen. Hij noemde zijn wetenschap alchemie.

Jabir ibn Hayyan

De grote bijdrage van de alchemisten tot de ontwikkeling is dat zij experimenteerden, iets waar de Grieken meestal hun handen niet aan bevuilden. De elementen techniek (toepassing), theorie en experiment kwamen zo bijeen. Als wetenschap is de chemie ontstaan uit deze middeleeuwse alchemie, die in Europa echter lang een filosofische en speculatieve stroming was, met verbindingen met het occultisme en de magie. Het bedrijven daarvan heeft eeuwenlang in kwade reuk gestaan en kon zeker in de middeleeuwen leiden tot vervolging door de geestelijke en wereldlijke autoriteiten. Pas in de tijd van de Reformatie kwam daar verandering in. In 1556 verscheen bijvoorbeeld De Re Metallica van Rudolf Agricola waarin mijnbouw en mineralogie centraal staan, maar ook (al)chemische behandelingen en tests aan bod komen. Agricola is overigens hardnekkig katholiek gebleven en zijn boeken werden in kerken bewaard en door priesters uit het Latijn vertaald.

Moderne tijd

In 1661 publiceerde Robert Boyle zijn The Sceptical Chymist waarin hij afrekent met veel onbewezen, maar eindeloos herhaalde begrippen, zoals de 'elementen' water, lucht, aarde en vuur. Hij brak een lans voor de chemie als zelfstandige wetenschap die stoffen en hun eigenschappen bestudeert. Zijn studie van de eigenschappen van gassen was baanbrekend. Wat de westerse chemie pas echt tot een kwantitatieve wetenschap maakte was het werk van de Fransman Lavoisier die bij zijn experimenten nauwkeurig de hoeveelheden van zijn stoffen met een weegschaal naging en zo de wetten van de stoechiometrie kon formuleren. Zijn Traité Élémentaire de Chimie (elementaire verhandeling van de chemie) van 1789 wordt wel de Chemische Revolutie genoemd, onder andere vanwege de wet van behoud van massa.

  Wet van behoud van massa:
Bij een chemische reactie blijft de totale massa constant

Met deze wet kon hij bijvoorbeeld aantonen dat bij het oxideren (verbranden) van een metaal de massa toe- en niet afnam, zoals de aanhangers van de phlogistontheorie voorspeld hadden, omdat er zuurstof uit de lucht gebonden wordt. Zo werd vuur eindelijk van een onbegrepen technologie een onderwerp van wetenschappelijke studie.

Atomen aftasten

Schematische afbeelding van een tunnelstroomaftastmicroscoop
Scanning Tunneling Microscope (STM)

Hoewel met Lavoisier en, wat later, Dalton de atoomtheorie sterke onderbouwing kreeg vanuit een groot aantal goed omschreven experimentele resultaten bleven atomen nog twee eeuwen niet meer dan een denkbeeld. Pas aan het einde van de twintigste eeuw kwam daarin verandering. Het probleem was dat wat wij zien noemen een waarneming is met behulp van zichtbaar licht en de lens van het oog, eventueel bijgestaan met kunstmatige lenzen van een microscoop. Nu is zichtbaar licht een golfverschijnsel met een golflengte van 400-700 nanometers. Het is op die manier niet mogelijk voorwerpen te zien die kleiner zijn dan de golflengte. Atomen zijn maar zo'n 0,1 tot 0,2 nanometers groot en dus veel te klein om gezien te worden.

Koolstofatomen van grafiet

Sinds de jaren '90 van de twintigste eeuw is het echter mogelijk de ruwheid van een oppervlak zo nauwkeurig af te tasten dat zelfs de minieme bobbeltjes van de afzonderlijke atomen waar te nemen zijn. Er is een hele familie nieuwe aftastmicroscopieën ontstaan. Zij zijn gebaseerd op de superbe eigenschappen van piëzo-elektrische elementen. Deze kunnen op commando van een aangelegde spanning met haast griezelige precisie (op atomaire schaal) beweginkjes uitvoeren. In één aftastmicrosopie, STM, wordt deze aansturing zo gedaan dat een klein elektrisch stroompje, de tunnelstroom, tussen het oppervlak en de punt van een scherpe naald die er even boven gehouden wordt, altijd constant gehouden wordt. De naald wordt over het oppervlak heen bewogen en de benodigde op-en-neerbewegingen van de naald worden door de aansturende computer opgeslagen. De gegevens worden dan omgezet in een beeld dat de heuvels en dalen van het oppervlak laat zien. Op die manier zijn zelfs afzonderlijke atomen in beeld gebracht, hoewel dat nog altijd niet eenvoudig is. Er wordt hierbij geen gebruik gemaakt van licht of lenzen en de beperkingen daarvan zijn dus niet van toepassing. We zouden kunnen zeggen dat atomen zien niet werkt, maar atomen voelen of betasten wel.

STM beelden hebben wel bevestigd dat atomen vaak aaneengeregen zijn in groepen die men moleculen noemt.

De macht van de wetenschappelijke methode

Schema van de wetenschappelijke methode

Het verbijsterende aan het bovenstaande is dat we al zo'n twee eeuwen van atomen en moleculen weet hadden, voordat we ze eindelijk eens zichtbaar konden maken. Dit is een goed voorbeeld van de grote kracht van wat we de wetenschappelijke methode kunnen noemen. Die methode is het onderwerp geweest van het denkwerk van een aantal van onze beste denkers, de filosofen. Zoals zo vaak kwamen zij zelden met dezelfde gevolgtrekkingen op de proppen, maar het is verhelderend een aantal ideeën van één van hen, Popper eens te bekijken. Wetenschap baseert zich enerzijds op waarnemingen, ofwel zonder manipulatie (loop in het bos en kijk goed) ofwel in een goed voorbereid en uitgevoerd experiment. Anderzijds zijn er de ideeën die onderzoekers hebben waarmee zij de waarnemingen willen verklaren.

Ze brengen beide samen in een model. Dit model hoort te voldoen aan de regels van de logica en geen beroep te doen op zaken die niet na te gaan zijn zoals magie of bovennatuurlijke tussenkomst. Bovendien hoort het model meer te doen dan alleen te beschrijven: het hoort ook te voorspellen. Vervolgens wordt er gekeken of de voorspellingen ook te bevestigen zijn. Indien dat zo is volgt er gewoonlijk een publicatie.

Het punt dat Popper benadrukt is dat de bevestiging eigenlijk niet de belangrijkste stap is, maar juist haar tegendeel: wanneer de waarnemingen de voorspelling tegenspreken, moeten de denkbeelden verworpen of ten minste bijgesteld worden en wordt het model dus in de regel beter. Natuurlijk vindt niemand het leuk de eigen denkbeelden zo aan flarden de schieten en in veel culturen was het ondenkbaar de denkbeelden van de eigen leraar aan te vechten. In de westerse wetenschap is dit echter wel aanvaardbaar gemaakt en dit betekent dat de modellen steeds beter worden.

Hoe goed een model ook wordt in het verklaren en voorspellen, het is en blijft volgens Popper een model, niet een absolute waarheid. Daarover bestaat echter zeker geen overeenstemming.

Neem bijvoorbeeld het model dat zegt dat een zekere roodachtig hemellichaam dat we 's nachts aan de hemel kunnen zien, een wereld is die lijkt op de onze, Mars genaamd, die alleen wat kleiner en een stuk droger en kouder is. Ooit dachten mensen dat Mars een godheid met koperen wapenrusting was, daarna dat het een rode rots was, vervolgens dat er kanalen waren, gegraven door Martianen. Het model is dus in de loop der tijd sterk veranderd en een stuk beter geworden.

Als we er nu een landing maken, moeten we dan nog het idee dat Mars een planeet is slechts een model noemen of mogen we dan zeggen dat het gewoon waar is?

Te doen

elementen

atomen en moleculen/ Dalton / Bertholet

stoechiometrie

getal van Avogadro

molbegrip

balanceren

moleculen versus formule-eenheid

atoommassa/molmassa

reagentia

limiterend en overmaat