In veel opzichten is de geschiedenis van de beschaving de geschiedenis van de chemie – de studie van materie en haar eigenschappen. De mens heeft er altijd naar gestreefd om de materialen in zijn omgeving te identificeren, te gebruiken en te veranderen. Vroege pottenbakkers vonden prachtige glazuren om hun waren te versieren en te conserveren. Herders, brouwers en wijnboeren gebruikten gistingstechnieken om kaas, bier en wijn te maken. Huisvrouwen loogden het loog uit houtas om zeep te maken. Smeden leerden koper en tin te combineren om brons te maken. Ambachtslieden leerden glas maken; leerbewerkers leerden huiden looien.
In de achtste eeuw na Christus werd Jābir ibn Hayyān, een islamitisch astronoom, filosoof en wetenschapper, een van de eersten die wetenschappelijke methoden gebruikte om materialen te bestuderen. Hij is ook bekend onder zijn gelatiniseerde naam Geber en staat bekend als de “vader van de scheikunde”. Men denkt dat hij de auteur was van 22 boekrollen met beschrijvingen van distillatie-, kristallisatie-, sublimatie- en verdampingsmethoden. Hij vond de alembiek uit, een apparaat dat werd gebruikt om zuren te destilleren en te bestuderen. Hij ontwikkelde ook een vroeg chemisch classificatiesysteem aan de hand van de eigenschappen van de materialen die hij bestudeerde. Zijn categorieën waren:
- “Geesten” – materialen die verdampen bij verhitting.
- “Metalen” – waaronder ijzer, tin, koper en lood.
- Niet-smeedbare stoffen – materialen die tot poeders kunnen worden gemaakt, zoals steen.
Heden ten dage zouden we soortgelijke materialen “vluchtige chemicaliën, metalen en niet-metalen” kunnen noemen.”
Klassieke scheikunde
In Europa werd de studie van de scheikunde uitgevoerd door alchemisten met als doel gewone metalen in goud of zilver te veranderen en een chemisch elixer uit te vinden dat het leven zou verlengen. Hoewel deze doelen nooit werden bereikt, werden bij deze pogingen toch enkele belangrijke ontdekkingen gedaan.
Robert Boyle(1627-1691) bestudeerde het gedrag van gassen en ontdekte de omgekeerde relatie tussen volume en druk van een gas. Hij stelde ook dat “alle werkelijkheid en verandering kan worden beschreven in termen van elementaire deeltjes en hun beweging”, een vroeg begrip van de atoomtheorie. In 1661 schreef hij het eerste leerboek over scheikunde, “The Sceptical Cymist,” dat de studie van stoffen verplaatste van mystieke associaties met alchemie naar wetenschappelijk onderzoek.
Tegen de jaren 1700 had het tijdperk van de Verlichting overal in Europa wortel geschoten. Joseph Priestley (1733-1804) weerlegde het idee dat lucht een ondeelbaar element was. Hij toonde aan dat het in plaats daarvan een combinatie van gassen was toen hij zuurstof isoleerde en nog zeven andere onopvallende gassen ontdekte. Jacques Charles zette het werk van Boyles voort en is bekend geworden door de rechtstreekse relatie tussen temperatuur en druk van gassen. In 1794 bestudeerde Joseph Proust zuivere chemische verbindingen en stelde hij de Wet van de Bepaalde Verhoudingen op – een chemische verbinding zal altijd zijn eigen karakteristieke verhouding van elementaire bestanddelen hebben. Zo heeft water altijd een verhouding waterstof/zuurstof van twee op één.
Antoine Lavoisier (1743-1794) was een Franse chemicus die belangrijke bijdragen aan de wetenschap heeft geleverd. Tijdens zijn werk als belastingontvanger hielp Lavoisier bij de ontwikkeling van het metrieke stelsel om te zorgen voor uniforme maten en gewichten. Hij werd in 1768 toegelaten tot de Franse Academie van Wetenschappen. Twee jaar later, op 28-jarige leeftijd, trouwde hij met de 13-jarige dochter van een collega. Van Marie-Anne Lavoisier is bekend dat zij haar man bijstond in zijn wetenschappelijke studies door Engelse verhandelingen te vertalen en talrijke tekeningen te maken om zijn experimenten te illustreren.
Lavoisier’s aandringen op nauwgezette metingen leidde tot zijn ontdekking van de Wet van Behoud van Massa. In 1787 publiceerde Lavoisier “Methoden van chemische nomenclatuur”, die de regels bevatten voor de naamgeving van chemische verbindingen die vandaag de dag nog steeds in gebruik zijn. Zijn “Elementaire Verhandeling der Scheikunde” (1789) was het eerste moderne leerboek voor scheikunde. Het definieerde duidelijk een chemisch element als een stof die niet in gewicht kan worden verminderd door een chemische reactie en het noemde zuurstof, ijzer, koolstof, zwavel en bijna 30 andere elementen die toen bekend waren. Het boek bevatte wel een paar fouten; het noemde licht en warmte als elementen.
Amedeo Avogadro (1776-1856) was een Italiaanse jurist die in 1800 wetenschap en wiskunde begon te bestuderen. Voortbouwend op het werk van Boyle en Charles, verduidelijkte hij het verschil tussen atomen en moleculen. Hij verklaarde verder dat gelijke volumes gas bij dezelfde temperatuur en druk hetzelfde aantal moleculen hebben. Het aantal moleculen in een monster van 1 gram molecuulgewicht (1 mol) van een zuivere stof wordt ter ere van hem Avogadro’s Constante genoemd. Deze is experimenteel vastgesteld op 6,023 x 1023 moleculen en is een belangrijke omrekeningsfactor die wordt gebruikt om de massa van reactanten en producten in chemische reacties te bepalen.
In 1803 begon een Engelse meteoroloog te speculeren over het verschijnsel waterdamp. John Dalton (1766-1844) was zich ervan bewust dat waterdamp deel uitmaakt van de atmosfeer, maar uit experimenten bleek dat waterdamp zich niet zou vormen in bepaalde andere gassen. Hij speculeerde dat dit iets te maken had met het aantal deeltjes dat in die gassen aanwezig was. Misschien was er in die gassen geen ruimte voor waterdampdeeltjes om door te dringen. Er waren ofwel meer deeltjes in de “zwaardere” gassen, ofwel waren die deeltjes groter. Met behulp van zijn eigen gegevens en de Wet van Bepaalde Verhoudingen bepaalde hij de relatieve massa’s van de deeltjes voor zes van de bekende elementen: waterstof (het lichtste en kreeg een massa van 1), zuurstof, stikstof, koolstof, zwavel en fosfor. Dalton legde zijn bevindingen uit door de principes van de eerste atoomtheorie van de materie uiteen te zetten.
- Elementen zijn samengesteld uit uiterst kleine deeltjes, atomen genaamd.
- Atomen van hetzelfde element zijn identiek in grootte, massa en andere eigenschappen. Atomen van verschillende elementen hebben verschillende eigenschappen.
- Atomen kunnen niet worden gemaakt, onderverdeeld of vernietigd.
- Atomen van verschillende elementen combineren zich in eenvoudige verhoudingen van gehele getallen om chemische verbindingen te vormen.
- In chemische reacties worden atomen gecombineerd, gescheiden of herschikt om nieuwe verbindingen te vormen.
Dmitri Mendelejev (1834-1907) was een Russisch scheikundige die bekend is geworden door de ontwikkeling van het eerste Periodiek Systeem der Elementen. Hij maakte een lijst van de 63 bekende elementen en hun eigenschappen op kaarten. Toen hij de elementen rangschikte in volgorde van toenemende atoommassa, kon hij elementen met gelijkaardige eigenschappen groeperen. Op een paar uitzonderingen na had elk zevende element vergelijkbare eigenschappen (de achtste chemische groep – de edelgassen – was nog niet ontdekt). Mendelejev realiseerde zich dat als hij spaties liet voor de plaatsen waar geen enkel bekend element in het patroon paste, het patroon nog exacter was. Door de lege plekken in zijn tabel te gebruiken, kon hij de eigenschappen voorspellen van elementen die nog niet ontdekt waren. De oorspronkelijke tabel van Mendelejev is bijgewerkt met de 92 in de natuur voorkomende elementen en 26 gesynthetiseerde elementen.
Het atoom beschrijven
In 1896 ontdekte Henri Becquerel straling. Samen met Pierre en Marie Curie, toonde hij aan dat bepaalde elementen energie uitzenden met een vaste snelheid. In 1903 deelde Becquerel de Nobelprijs met de Curies voor de ontdekking van radioactiviteit. In 1900 ontdekte Max Planck dat energie moest worden uitgezonden in discrete eenheden die hij “quanta” noemde (sindsdien fotonen genoemd) en niet in continue golven. Het bleek dat atomen uit nog kleinere deeltjes bestonden, waarvan sommige zich konden verplaatsen.
In 1911 toonde Ernst Rutherford aan dat atomen bestonden uit een minuscuul dicht positief geladen gebied, omgeven door relatief grote gebieden van lege ruimte waarin nog kleinere, negatief geladen deeltjes (elektronen) bewegen. Rutherford veronderstelde dat de elektronen in afzonderlijke nette banen om de kern draaien, net zoals de planeten om de zon draaien. Maar omdat de kern groter en dichter is dan de elektronen, kon hij niet verklaren waarom de elektronen niet gewoon in de kern werden getrokken en zo het atoom vernietigden.
Niels Bohr’s (1885-1962) atoommodel loste dit probleem op door gebruik te maken van de informatie van Planck. Fotonen worden door een elektrisch gestimuleerd atoom alleen bij bepaalde frequenties uitgezonden. Hij veronderstelde dat elektronen verschillende energieniveaus bewonen en dat licht alleen wordt uitgezonden wanneer een elektrisch “geëxciteerd” elektron gedwongen wordt van energieniveau te veranderen.
Elektronen in het eerste energieniveau, het dichtst bij de kern, zijn nauw met de kern verbonden en hebben een relatief lage energie. In de niveaus die verder van de kern verwijderd zijn, hebben de elektronen steeds meer energie. Elektronen in het energieniveau dat het verst van de kern is verwijderd, zijn niet zo sterk aan de kern gebonden en zijn de elektronen die betrokken zijn bij de binding van atomen om verbindingen te vormen. Het periodieke karakter van de elementaire eigenschappen is een gevolg van het aantal elektronen in het buitenste energieniveau dat betrokken kan zijn bij chemische bindingen. Hoewel de Bohr-modellen zijn vervangen door nauwkeurigere atoommodellen, zijn de onderliggende principes nog steeds geldig en worden de Bohr-modellen nog steeds gebruikt als vereenvoudigde diagrammen om chemische bindingen te laten zien.
Ons begrip van het atoom is steeds verder verfijnd. In 1935 kreeg James Chadwick de Nobelprijs voor zijn ontdekking dat er een gelijk aantal elektrisch neutrale deeltjes in de kern van een atoom zijn. Aangezien neutronen elektrisch neutraal zijn, worden zij niet afgebogen door elektronen of protonen. Bovendien hebben neutronen meer massa dan protonen. De combinatie van deze feiten maakt het mogelijk dat neutronen atomen binnendringen en de kern uiteen doen vallen, waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen. De laatste jaren wordt het steeds duidelijker dat de protonen, neutronen en elektronen van de klassieke scheikunde bestaan uit nog kleinere subatomaire deeltjes. De scheikunde en de natuurkunde raken steeds meer met elkaar verweven en de theorieën overlappen en botsen naarmate we de materialen waaruit ons universum is opgebouwd, verder onderzoeken.
Recent news