12 oktober 2016

Knappe en minder knappe koppen - Amedeo Avogadro

Waarom de uitvinder van de mol zo slim is

Tussen alle wetenschappers zitten een aantal indrukwekkende koppen. In de cursus ‘Knappe en minder knappe koppen’ vliegen we langs een aantal mooie en lelijke knappe koppen. Aan de hand van deze klassieke en hedendaagse wetenschappers kleur ik langzaam de wereld van de biotechnologie in. Want een verhaal zonder karakters is maar saai.

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”.

Geboren in 1776, in een tijd dat de termen ‘atoom’ en ‘molecuul’ nog niet zoveel zeiden. En omdat ik het in de loop van de serie over atomen en moleculen ga hebben is 1776 dus een prima tijd om met de beste Amedeo mee te kijken. Wetenschap was tot laat 17e eeuw eigenlijk alleen weggelegd voor rijke mensen, als hobby. Maar gedurende de 18e eeuw trekt het meer mensen aan, doordat kennis ook meer mensen bereikt. Zo ook advocaat Amedeo, die via een bevriende professor kennis neemt van de mathematische fysica. Hij raakt gefascineerd en laat de advocatuur links liggen om zich volledig te storten op de wiskundige natuurkunde.

Wiskundige natuurkunde

Als wiskunde en natuurkunde op zichzelf nog niet ingewikkeld genoeg zijn, dan is de combinatie nog moeilijker. Zeker nu, in de 21e eeuw, is het onmogelijk om de beta wetenschappen uit elkaar te trekken. De samensmelting is zelfs zo weerbarstig dat onze pogingen om ze uit elkaar te halen en te doceren op de middelbare school tot veel frustraties lijdt. Veel jongeren vinden wiskunde op school maar moeilijk toepasbaar in de wereld om hen heen.. Natuurkunde op school zien veel mensen als een verzameling formules.

Maar als we de wiskunde zien als logica, met logische dingen en bijna vanzelfsprekende afspraken, dan wordt het ineens een heel ander verhaal. Uit het één volgt het ander, soms via een lange weg, maar het is eenduidig. Wiskunde wordt er niet eenvoudig van, integendeel, maar is opgebouwd uit steeds complexer wordende waarheden. Natuurkunde is onlogisch, het is de wereld en alles wat daarin gebeurt. Natuurkunde is chaos, met enige vorm van voorspelbaarheid, trends en de meest absurde waarheden. Neem nou een regenboog, die zie je niet aankomen, ook niet als je veel van water en licht weet.

De wiskunde begint van onder, natuurkunde van boven. In de natuurkunde proberen we de wereld te vangen in waarheden. Wiskundige waarheid. We proberen nieuwe waarheden te ontdekken om ze daarna te beschrijven. Deze ontdekkingen in de wiskunde zijn nodig om natuurkundige vraagstukken op te lossen. Veel wiskunde is dan ook geïnspireerd door de natuurkunde. En veel natuurkunde wordt eleganter door de wiskunde.

Zeg dit nooit tegen een echte natuurkundige of wiskundige. Beiden zijn ‘terecht’ heel beschermend over hun vakgebied. Het zijn een soort broers, ze houden wel van elkaar, maar dat merk je aan hun gedrag niet echt.

Terug naar Amedeo

Gelukkig was er in 1800 nog niet zoveel te doen rondom deze broedertwist en legt Amedeo zich toe op een voor hem fascinerend vraagstuk. “Uit hoeveel deeltjes bestaat iets?” Hoe klein is de kleinste waterdruppel? Voor ons zijn dat vraagstukken waar we van verwachten dat iemand het heeft uitgezocht. Wij hebben een goede radar voor wat al is gedaan, op welke kennis we kunnen leunen. Maar Amedeo heeft heel weinig om mee te werken.

Hij weegt heel nauwkeurig bekende volumes van vloeistoffen en vaste stoffen af. Deze stoffen reageren met elkaar reageren. Daarna meet hij het gewicht en volume van het product. Heel veel moeite, maar voor hem geeft het geen enkel inzicht. Het gewicht verandert nooit, met het volume echter kan van alles gebeuren. Soms worden twee vloeistoffen een vaste stof, of vice versa, maar hij kan maar moeilijk het exacte volume bepalen omdat er ook dikwijls gas bij vrij komt. Het volume van vloeistoffen en vaste stoffen is miniem in vergelijking tot het gas. Omdat het geproduceerde gas zo ontzettende varieert, besluit hij zijn aandacht daarop te richten.

De wet van Avogadro

Praktisch al Amedeo’s werk is te vangen in de volgende stelling: “Gelijke volumes gas bevatten gelijke hoeveelheden moleculen.” Op zich niet heel opzienbarend. Behalve wanneer je je realiseert dat het er niet toe doet welk gassen je gebruikt. Twee compleet verschillende gassen nemen exact hetzelfde volume in als ze uit hetzelfde aantal deeltjes bestaan. Vergelijk het eens met iemand die beweert dat honderd huizen evenveel plek innemen als honderd mieren, mits ze gassig zijn. Natuurlijk wordt zoiets beter geïllustreerd met een voorbeeld van ballonnen.

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.

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.