John Dalton’s tekeningen van atomen als bolletjes en van moleculen als verzamelingen bolletjes tonen hoe zijn verbeeldingskracht de wetenschap vooruit bracht. Het deerde hem allerminst dat atomen en moleculen in zijn tijd louter als idee bestonden.
Geleerden en straatnamen in de Watergraafsmeer – deel 32
Robert van Andel | Beeld Henk Pouw
Scheikunde onderscheidt zich in haar geschiedenis van andere takken van de natuurfilosofie zoals bijvoorbeeld de sterrenkunde, de optica en de mechanica. Deze drie laten een proefondervindelijk getoetste wetenschappelijke ontwikkeling zien vanaf het begin van de wetenschappelijke revolutie rond 1500. Maar tot ruim in de 18de eeuw nam de chemische kennis slechts op onderdelen toe; scheikunde werd beheerst door de farmacie en door de alchemie waar speculaties een grotere rol speelden dan objectieve toetsing. De alchemie ging nog uit van de elementenleer van Aristoteles uit de vierde eeuw voor Christus – aarde, water, lucht en vuur met als vijfde element het mysterieuze ‘kwintessens’.
De Daltonstraat ligt binnen Jeruzalem. Ook na renovatie heerst hier de originele 75 jaar oude wederopbouw-uitstraling. De vlakbij gelegen Berzeliusstraat is omgevormd tot autoluw wandelpad. De ene zijde toont nieuwbouw die geïnspireerd is op de oorspronkelijke bouw. Daartegenover zijn appartementen gerealiseerd in witte hoogbouw met rondom uitkragende balkons.
In Middenmeer-Zuid kruist de Avogadrostraat de Radioweg met de kenmerkende vier-laags flatgebouwen uit de vijftiger jaren van de vorige eeuw. De aansluitende Lavoisierstraat toont hetzelfde beeld. Deze vier straatvernoemingen eren natuuronderzoekers die de opmaat gaven voor de scheikunde zoals die nu is. Zij publiceerden hun ontdekkingen rond 1800.
Deeltjes denken
De Engelsman John Dalton (1766-1844), de Zweed Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) en de Italiaan Lorenzo Amadeo Avogadro (1776-1856) waren allen atomisten. Vanuit ‘deeltjesdenken’ analyseerden zij het gedrag van vloeistoffen, verdamping, condensatie en gasdruk bij verschillende temperaturen. Voor deze onderzoekers speelde het Aristotelische denken geen rol. Het atomisme oftewel deeltjes denken sloot beter aan bij hun wereldbeeld. De oud-Griekse filosofen Leucippus en Democritus postuleerden in de vijfde eeuw voor Christus : ‘deeltjes vormen materie en laten leegte waar geen materie is’. Pas in 1905 heeft Albert Einstein het overtuigende rekenkundige bewijs gegeven voor het bestaan van atomen en moleculen. Het gelijk van het ‘deeltjes denken’ van de vroege moderne scheikundigen kreeg daarmee een grondslag.
Van HO naar H₂O
John Dalton was waarschijnlijk de eerste die deeltjes denken met bolletjes aanschouwelijk maakte en tot de dag van vandaag wordt in scheikundige publicaties dankbaar gebruik gemaakt van bolletjes om atomen aan te geven. Hij tekende bolletjes voor de elementen waterstof en zuurstof maar ook gepaarde verschillende bolletjes voor moleculen zoals water, die uit verschillende soorten atomen zijn opgebouwd. Deze uiterst concrete voorstelling, tot op het niveau van één atoom van de ene stof en één atoom van een andere stof, stelde hem in staat de verhouding te berekenen van de gewichten van waterstof- en zuurstofatomen. Hij concludeerde dat zuurstofatomen acht maal zwaarder moesten zijn dan waterstofatomen. Het begrip atoomgewicht of beter atoommassa was hiermee geïntroduceerd.
Later bleek dat deze waarde niet acht maar zestien moest zijn. Dalton wist niet dat waterstofgas uit gekoppelde waterstofmoleculen bestaat in plaats van uit losse atomen en dat water geen waterstofzuurstof ofwel HO is, maar dubbelwaterstofzuurstof, dus H₂O. Deze geschiedenis toont schitterend hoe wetenschappelijke vooruitgang geleidelijk geboekt wordt en dat ‘het verkeerd hebben’ lang niet altijd een fout is.
Constante van Avogadro
Dalton wordt terecht geroemd als de grondvester van de atoomtheorie in de scheikunde. Hij stelt dat:
- elementen bestaan uit ondeelbare kleine deeltjes / atomen,
- alle atomen van een element identiek zijn en verschillende elementen verschillen in hun atomen,
- atomen niet ontstaan en niet worden vernietigd,
- uit verschillende elementen samengestelde moleculen worden gevormd door atomen in een eenvoudige getalsverhouding zoals 1:1 ; 1:2 ; 1:3.
Amadeo Avogadro, een briljante Turijnse natuurkundige, dacht langs dezelfde lijnen en stelde dat als van een element de atoommassa bekend is, de verhouding tussen een hoeveelheid van dat element en het aantal moleculen vastligt. Dit inzicht kreeg de naam de constante van Avogadro. Scheikundige berekeningen kregen hiermee precisie waardoor de chemische reactie in optimale verhouding verloopt dankzij een afgewogen hoeveelheid van verschillende stoffen. De begrippen atoommassa en constante van Avogadro zijn standaard voortgezet onderwijs scheikundestof en de ‘Dalton’ is de naam van de atomaire massa-eenheid.
Rood als grijs
John Dalton leefde in Noord-Engeland tegen de Schotse grens en was lid van de sober levende Quakers, die als ‘dissenters’ op afstand stonden van de Engelse elite. Zijn wetenschappelijke scholing verliep vrijwel helemaal langs informele contacten. Bij The Manchester Literary and Philosophical Society presenteerde hij zijn wetenschappelijke werk.
Dalton toonde een veelzijdige grote opmerkzaamheid en analytisch vermogen naast enorme ijver. Vanaf zijn 21ste registreerde hij gedurende 57 jaar meteorologische waarnemingen in dagboeken. Hij schreef zelfs ook een leerboek Engelse grammatica. In het Lake District verrichtte hij veldwerk met heel veel luchtdrukbepalingen. Door deze metingen per locatie te middelen kon hij de heuvelhoogten berekenen en legde hij de geografie van dit gebied vast. De kleurenblindheid van zijn broer en van hemzelf beschreef hij uiterst gedetailleerd en hij concludeerde dat deze erfelijk was. Rood namen zij waar in een grijstint.
Wrede revolutie
Dalton moet goed op de hoogte zijn geweest van het werk van Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794) via de Engelse vertaling van diens boek ‘Traité élémentaire de chimie’. Lavoisier’s onderzoeksresultaten en inzichten maakten een radicale omslag mogelijk:
- de rol van zuurstof bij verbranding: zuurstof verbindt zich met andere materialen waarbij geen massa verloren gaat,
- de ademhaling als toevoer van zuurstof voor een trage eveneens zuurstofafhankelijke verbranding in lichamen,
- water laat zich splitsen in waterstof en zuurstof en deze kunnen ook weer een verbinding aangaan waarbij weer water gevormd wordt,
- lucht bestaat uit verschillende substanties stikstof, zuurstof en ook koolzuur,
- een nieuwe naamgevingssystematiek in de scheikunde; materie die niet verder te splitsen blijkt, wordt beschouwd als element, bijvoorbeeld: Waterstof / Hydrogen, Zuurstof / Oxygen, Stikstof en Koolstof.
Lavoisier was een edelman die tot de absolute bestuurlijke en wetenschappelijke elite behoorde in het laat 18de-eeuwse Franse koninkrijk. In de rechteloosheid en wreedheid van de Franse revolutie werd hij onthoofd.
Ordening van Mendelejev
Met de nieuwe inzichten en rekenkundige- en laboratoriumtechnieken komt de scheikunde in een stroomversnelling. Het ontdekken van nog onbekende elementen wordt een enorme uitdaging die de hele 19de eeuw voortgaat. Jacob Berzelius, opgeleid tot arts maar werkzaam als chemicus, leverde aan dit onderzoek al vroeg belangrijke bijdragen. Hij verhitte mineralen / aardgesteenten onder toevoer van zuurstof, het calcineren, om elementen onder andere in de vorm van metaaloxyden vrij te maken en splitste wateroplosbare stoffen in hun elementen met behulp van batterijstroom, de elektrolyse.
Dmitry Mendelejev, Russisch scheikundige, publiceerde in 1861 zijn periodiek systeem der elementen met een ordening van de tot dan bekende elementen in rijen en kolommen op basis van kenmerken. Met aanvullingen geldt deze ordening onverminderd. Mendelejev kreeg (nog?) geen straatnaam in de Watergraafsmeer.
