De ontdekking van elementen 113, 115, 117 en 118 is volgens het IUPAC bevestigd. Is daarmee nu het periodiek systeem der elementen compleet? Omdat wij ook niet van clickbait houden: nee. Maar waarom zijn chemici en natuurkundigen dan tóch heel blij? En hoe reëel is het nu dat er nog nieuwe elementen worden ontdekt?
Verder lezen Periodiek systeem (niet) compleet met 113, 115, 117 en 118
Als iemand me zou vragen ‘Wat is chemie?’ dan zou ik iets moeten antwoorden als ‘de leer van het herschikken van atomen’.
Ik heb al eens eerder wat verteld over theoretische chemie. Die hoek — en dan vooral de kwantumchemie — van de chemie gaat dieper dan diep in, op de oorsprong van reacties. En wat is een reactie ook alweer? Het herschikken van atomen. Het breken en maken van bindingen.
Maar wat is een binding eigenlijk? Een molecuul bestaat uit atomen. Een atoom bestaat uit een kern en daar omheen elektronen. Voor het gemak kunnen we een atoom tekenen als de 2D Bohr representatie, maar die is wat lomp. Ook kunnen we een molecuul tekenen als 2D of 3D staafjes en bolletjes, maar ook die heeft wat rare implicaties. Wat er wel aan klopt is de gemiddelde locatie van de atoomkernen. En het streepje voor de binding? Sja… Er is een ‘binding’, maar een theoretisch chemicus wordt altijd wat ongemakkelijk van gewoon een streepje.
Een van de grootste gewaarwordingen uit de kwantumtheorie is dat deeltjes ook beschreven kunnen worden als golven. Je kan met de wetten van Newton de baan van een vallende knikker berekenen, dat wil zeggen, je voorspelt met behulp van wiskunde de locatie en snelheid van de knikker. Maar wat nu als die knikker geen voorwerp is, maar een golf? Als je genoeg natuurkunde en wiskunde hebt gevolgd, weet je dat golffuncties formules zijn met sinussen, cosinussen en exponenten. Het rekenen met die dingen vind ook ik altijd wat lastig, maar de dingen die je ermee kan zijn wel enorm gaaf.
Goed. De kwantumtheorie vertelt ons dat een elektron niet alleen een deeltje is, maar ook ook als golf beschreven kan worden. Als je dit lastig vindt om je voor te stellen, ga nu dan even rustig zitten. De kwantumtheorie vertelt ons ook dat we nooit zeker kunnen weten waar een elektron precies is. Of, ik moet eigenlijk zeggen, we kunnen nooit de snelheid van een elektron bepalen op een bepaalde plaats. Dus als je zegt dat een elektron ergens is, betekent dat eigenlijk helemaal niet zoveel. Maar, waar komen dan die bindingslijntjes vandaan? We kunnen toch zeggen: “Kijk, dáár is mijn elektron”?
Helaas, dat kunnen we niet. We kunnen hoogstens zeggen: “Ik weet dat het grootste gedeelte van de tijd dat het elektron dáár is”. Dat ‘daar’ is een groter gebied dan dat dunne lijntje dat je tekent.
Een theoretisch chemicus (ofwel, een kwantumchemicus) berekent waar elektronen zijn en waar ze mee bezig zijn. Hij/Zij weet dat je een elektron beter kan beschrijven als een golf. De wetten van Newton werken slecht voor voorwerpen met een kleine massa en een hoge snelheid. Als de kwantumchemicus dan ook in gedachten houdt dat een reactie (spontaan) kan verlopen als de (vrije) energie van een (gesloten) systeem verlaagd wordt, is hij eigenlijk al bijna klaar.
Is het antwoord op de vraag ‘Wat is chemie?’ nu volledig beantwoord? Ik denk het wel. Sterker nog, veel te nauwkeurig. Door de eeuwen heen hebben chemici een enorme set aan (empirische) vuistregels en minder exacte theorieën opgezet. En dat is prima, want waarom zou je willen berekenen waar de elektronen blijven, als je de baan van een vallende knikker wil berekenen?
Film van Molecular Modeling Basics
Halverwege de middelbare school zag ik voor het eerst een plaatje van een atoom. Een zwarte stip met een roodachtige gloed. De stip heet kern en de gloed elektronenwolk. Daar begonnen de leugens.
Ik vind dat je best tegen mensen mag liegen. Om bestwil. En dat hoeft niet altijd een klein leugentje te zijn, dat mag ook best een enorm leugen zijn. Als het leven van die mensen daar gemakkelijker, fijner en beter op wordt in ieder geval. Ik leerde op de middelbare school vooral halve waarheden en leugens. ‘Meten is weten’, ‘om een kern zitten een bepaald aantal elektronen’ en meer van dat soort waardevolle onnozelheden. Het maakte mijn leven duidelijk en zo stiefelde ik op m’n examen af in de volle veronderstelling dat ik ergens wat van wist.
Elektronen zitten niet om kernen heen. Maar hoe dat wel zit, verklap ik niet. Dat begrijpt geen mens. Zover ik weet is er nog nooit iemand geweest die de diepere betekenis van de quantum mechanica heeft begrepen. Behalve dr. Manhattan dan. Maar hij zegt dat je van lood geen goud kan maken en dat is een leugen.
‘De unieke formule [van Nivea for men silver protect] bevat actieve zilvermoleculen (…)’ is het walgelijkste leugen dat ik de afgelopen tijd tegen ben gekomen. Zilver is een metaal en vormt dus een kristalrooster en geen moleculen. Dat leerde ik al vroeg op de middelbare school. De suggestieve plaatjes van deze moleculen in de Niveareclame hebben niks met de werkelijkheid te maken en het doet pijn in mijn chemisch hart. Waarom dat pijn doen? Dat kan ik niet uitleggen. Vertel tegen je banketbakker dat zijn cakejes gemaakt zijn van kots, vertel een bouwvakker dat gewapend beton een waardeloos materiaal is of een meisje dat ze dik is. Pijn in hun hart. Of het nu waar is of niet.
Liefs,
Aldo