Knappe en minder knappe koppen - Amedeo Avogadro

De man van 600 triljard

Mag ik je voorstellen aan Amedeo Avogadro. Zie de foto hieronder om deels te begrijpen waarom nu juist hij de eervolle eerste wetenschapper is in mijn categorie “Knappe en minder knappe koppen”.

Als je één ballon vult met zuurstof, en twee ballonnen met waterstof dan heb je, tadaa, in totaal drie ballonnen. Stel dat je nu een onschuldig vlammetje bij deze drie ballonnen houdt, dan gebeurt het volgende. Eerst krijg je een redelijke vlam, en vervolgens is het wat natter. Bij deze reactie tussen zuurstof en waterstof ontstaat namelijk water. Het verschil tussen waterstof en water is zonder meer een van de meest verwarrende in scheikunde. Waterstof impliceert het stof van water, maar dat is het niet. De Engelsen doen het netter, en noemen waterstof hydrogen, en water noemen ze water.

Terug naar het experiment. Als je al dat water, dat is ontstaan bij onze boem, verzamelt als damp en in ballonen stopt, dan vul je tot je grote verbazing niet drie, maar twee ballonnen!

Het gas in die twee ballonnen weegt wel exact hetzelfde als het gas in de vorige drie ballonnen. In dit geval zijn er twee mogelijke verklaringen. Of het nieuwe gas (waterdamp) neemt minder ruimte in per deeltje. Of er zijn minder deeltjes na de reactie dan ervoor. Amedeo besteed een groot deel van zijn leven aan bewijzen dat het aantal deeltjes afneemt en dat de ruimte die een gasdeeltje inneemt constant is. En hieruit volgt met enige coulance dat er nieuwe deeltjes kunnen worden gemaakt uit andere deeltjes. En niet alleen door deeltjes aan elkaar te plakken, maar ook door ze compleet uit elkaar te trekken en verschillende producten te maken.

Amedeo beschrijft uiteindelijk dat de kleinste bouwsteentjes, atomen, inderdaad bestaan. Maar wel met de kanttekening dat sommigen nooit in hun eentje voorkomen. Dat bijvoorbeeld zuurstof alleen voorkomen als O2, en nooit als een losse O. En met dit inzicht maakt hij gelijk duidelijk wat een molecuul is. Een molecuul is een willekeurige constructie van twee of meer atomen die aan elkaar vast zitten.

Deze ogenschijnlijk eenvoudige classificering kon rekenen op jaren van weerstand uit de wetenschappelijke gemeenschap. Voornamelijk vanwege het ego van vooraanstaande wetenschappers met een andere kijk op hele kleine deeltjes. Maar gelukkig is wetenschap geduldig en ruim tien jaar later werden de officiële definities voor atoom en molecuul afgeleid van Avogadro’s werk. Maar hiermee is Amedeo nog helemaal niet dichter bij zijn prangende vraag, hoeveel deeltjes er dan in een ballon zitten. Alleen maar dat er evenveel in twee ballonen aanwezig zijn. Tot zijn dood in 1856 is hij bezig geweest het vraagstuk op te lossen, maar het bleef ongrijpbaar.

Het getal van Avogadro

In de jaren die volgde werd links en rechts getracht het illustere getal te bepalen. Dat lukte uiteindelijk redelijk goed in 1909. En zelfs tot de dag van vandaag wordt het getal nog aangescherpt. Dat komt voornamelijk omdat het zo’n onmenselijk groot getal is. Een ballon van 30cm doorsnede (22.4 liter) bevat ongeveer 602214085700000000000000 deeltjes. Dit getal is vernoemd naar Avogadro: “Het getal van Avogadro”. Om dat getal ook maar iets in perspectief te plaatsen: als je je wangen opblaast, zijn er ongeveer evenveel zuurstofmoleculen in je mond als er sterren zijn in het hele universum. Doe het maar eens.

Dat enorme getal is niets anders dan een verhouding tussen een aantal deeltjes en een arbitrair gekozen eenheid, de ballon. Eerst hadden we nog 2 ballonnen waterstofgas en 1 ballon zuurstofgas maakt 2 ballonen watergas. Nu weten we dat er eigenlijk 1204428171400000000000000 deeltjes waterstof reageren met 602214085700000000000000 deeltjes zuurstof om … hou maar op. Daar is geen beginnen aan. Totaal onhandig, onpraktisch en onduidelijk dat enorme getal. Maar het is wel zeer nuttig om een gevoel van proportie te krijgen. Het zorgt ervoor dat we dingen in perspectief kunnen plaatsen.

Perspectief

Als ik later in de serie bijvoorbeeld wil claimen dat een milliliter water uit je kraan thuis makkelijk een miljoen bacteriën kan bevatten, dan is je water nog steeds heel erg schoon. Het is namelijk nog steeds meer dan 99.999% zuiver water. Dankzij Amedeo hebben we een manier om twee werelden aan elkaar te koppelen. De wereld die wij kunnen zien, en de allerkleinste wereld waaruit zij is opgebouwd.

Ik ken niemand die in staat is om deze twee werelden tegelijk in beeld te hebben. En ikzelf sta telkens verbaasd als ik de rekensom maak om tussen de twee werelden in te pendelen. Als afsluiter, onze neus kan sommige dingen erg goed ruiken. Meestal zijn dat vieze luchtjes. Hoe viezer hoe beter, zelfs zo goed dat wij het al ruiken als het meer dan 1 deeltje per miljard deeltjes in je neus is. Na wat rekenwerk, komt dat neer op dat we ongeveer één triljoen vieze moleculen in onze neus hebben voordat we er iets van ruiken.

Wat ik graag wil dat je mee krijgt van het getal van Avogadro, is dat zelfs hele kleine dingen, zoals bacteriën en algen, nog steeds bestaan uit biljarden bouwstenen. En die bouwstenen op zichzelf zijn niet magisch, maar zij dragen op een zeer gestructureerde wijze bij aan de magie van levende dingen. Van logica naar magie, van wiskunde naar natuurkunde.