Wij mensen weten al duizenden jaren
alleen maar door naar onze omgeving te kijken
dat er verschillende stoffen bestaan en dat deze verschillende stoffen
verschillende eigenschappen hebben.
Niet alleen hebben ze verschillende eigenschappen,
ze kunnen licht op een bepaalde manier wel of niet reflecteren
of een bepaalde kleur hebben of bij een bepaalde temperatuur vast, vloeibaar of
gasvormig zijn. Maar we gaan ook zien hoe ze met elkaar reageren
in bepaalde omstandigheden. Hier zijn beelden
van sommige van deze stoffen. Dit hier is koolstof in zijn grafietvorm.
Dit hier rechts is lood en dit hier is goud.
Dat vond ik allemaal
op deze website daar bovenaan.
Deze zijn in hun vaste vorm, maar we weten ook dat
ze bestaan uit bepaalde typen
deeltjes en afhankelijk van het type deeltjes
of het nu koolstof, zuurstof of stikstof is, heeft de stof
verschillende eigenschappen. Andere stoffen
kunnen vloeibaar zijn. Als je de temperatuur genoeg verhoogt,
kunnen ze smelten. Ook goud of lood.
Als je koolstof verbrandt,
krijg je een gasvormige stof.
Je kan de structuur ervan veranderen.
Dit neemt de mensheid al
duizenden jaren lang waar.
Vroeger bleef dat een filosofische vraag,
maar nu kunnen we ze een beetje beter beantwoorden.
Die vraag is: als je koolstof blijft opdelen
in steeds kleinere stukjes, is er dan een kleinste stuk
van dit spul, van deze stof
dat nog steeds de eigenschappen van koolstof heeft?
Als je daarna op een of andere manier nog verder zou doorgaan met opdelen
zou je dan de eigenschappen van koolstof kwijtraken?
Het antwoord is: ja.
Deze zuivere stoffen
noemen we dan 'enkelvoudige stoffen'.
Ze bevatten slechts één soort atomen.
Dat noemen we een element.
Koolstof is een element, lood is een element, goud is een element.
Je zou kunnen denken dat water een element is en in de loop van de geschiedenis
hebben mensen water een element genoemd, maar nu weten we
dat water is opgebouwd uit meerdere elementen.
Het is gemaakt van zuurstof en waterstof.
Alle elementen worden vermeld in het periodiek systeem der elementen.
C staat voor koolstof - ik doorloop even
de zeer relevante voor de mensheid - maar na verloop van tijd zul je waarschijnlijk
ook vertrouwd raken met de meeste andere.
Dit is zuurstof, dit is stikstof, dit is silicium.
Dit is goud (Au). Dat is lood.
De fundamentele eenheid van deze elementen is het atoom.
Als je zou kunnen blijven opdelen in steeds
kleinere en kleinere stukjes houd je uiteindelijk
één koolstofatoom over.
Met goud zou je eindigen met één goudatoom
Met dit
zou je één looddeeltje
of loodatoom krijgen.
Dat kan je niet verder opdelen
terwijl het toch nog de eigenschappen van lood zou behouden.
Alleen maar om je eenidee te geven - dit is echt iets waar ik moeite mee heb
om het me voor te stellen - is dat atomen ongelooflijk klein zijn.
Echt, onvoorstelbaar klein. Bijvoorbeeld koolstof.
Mijn haar bevat ook koolstof. Heel veel van mij
bestaat uit koolstof.
Ook alle andere levende wezens bevatten veel koolstof.
Ook mijn haar.
Mijn haar bevat veel koolstof.
Mijn haar is niet geel,
maar het contrasteert mooi met zwart.
Mijn haar is zwart, maar als ik het zo tekende, zag je het niet
op het scherm.
Maar hoeveel koolstofatomen
gaan er nu in de breedte van mijn haar?
In een dwarsdoorsnede van mijn haar, niet de lengte,
maar in de breedte van mijn haar: hoeveel koolstof atomen gaan erin?
Je zou kunnen denken: "Ach, Sal heeft mij al verteld dat het heel klein is,
dus misschien kunnen er een duizend koolstofatomen in,
of tienduizend of honderdduizend."
Dan zeg ik: "Nee! Er gaan een miljoen koolstofatomen in.
Een miljoen koolstofatomen over de hele breedte
van een gemiddeld menselijk haar.
Natuurlijk een benadering, het is niet precies
een miljoen. Maar dat geeft je een gevoel van hoe klein
een atoom is. Trek een haar uit je hoofd
en stel je een miljoen dingen naast elkaar voor
over het haar, niet over de lengte, maar over de breedte van het haar.
Het is zelfs moeilijk de breedte van één haar te zien.
En daar kan je een miljoen koolstofatomen
op plaatsen.
Dat is al cool op zichzelf -
te weten dat deze meest elementaire bouwsteen
van koolstof of enig ander element bestaat.
Maar wat nog straffer is, is dat die fundamentele bouwstenen
aan elkaar verwant zijn. Elk koolstofatoom is gemaakt van
nog fundamentelere deeltjes.
Een goudatoom is opgebouwd uit nog fundamentelere deeltjes.
Ze zijn in feite bepaald door het aantal
fundamentelere deeltjes, en als je het aantal ervan
zou wijzigen, kon je
de eigenschappen van dat element wijzigen, hoe het zou reageren.
Het zou een ander element zijn geworden.
Om dit een beetje beter te begrijpen,
gaan we praten over die fundamentelere deeltjes.
Daar heb je het proton.
Het aantal
protonen in de kern van een atoom - straks heb ik het
over de kern - bepaalt het element.
Dat is wat een element definieert.
In het periodiek systeem hier zijn de elementen eigenlijk
geschreven in de volgorde van het atoomnummer en het atoomnummer is
letterlijk het aantal protonen van het element.
Waterstof heeft één proton.
Helium heeft er twee. Koolstof zes.
Je kunt geen koolstof hebben met zeven protonen.
Dan zou het stikstof zijn, geen koolstof.
Zuurstof heeft acht protonen. Als je er
een ander proton zou aan toevoegen, zou het geen zuurstof,
maar fluor zijn. Het definieert het element.
Het definieert het element.
Het atoomnummer,
het aantal protonen - dat is het getal
dat hier boven elk van de
elementen in het periodiek systeem staat geschreven - het aantal protonen
is gelijk aan het atoomnummer.
Dat getal staat hier bovenaan
omdat het het bepalende kenmerk van een element is.
De andere twee bestanddelen van een atoom -
ik denk dat we ze zo mogen noemen - zijn het elektron
en het neutron.
Zo kunnen we ons een idee vormen van een atoom.
Het model dat we in de chemie zullen hanteren,
zal een beetje abstract en moeilijk
voor te stellen zijn. Stel je
de protonen en de neutronen voor
in het midden van het atoom.
Zij zijn de kern van het atoom.
Koolstof heeft bijvoorbeeld zes protonen.
Dus: één, twee, drie, vier, vijf, zes.
Koolstof-12, dat is één versie van koolstof, zal ook
zes neutronen hebben.
Je kunt versies van koolstof hebben die
een ander aantal neutronen hebben.
Het aantal neutronen kan veranderen, het aantal elektronen kan veranderen,
maar dan blijft het nog wel hetzelfde element.
Het aantal protonen mag niet veranderen.
Verander je het aantal protonen, dan heb je een ander element.
Ik teken een koolstof-12 kern.
Zo één, twee, drie, vier, vijf, zes.
Dit hier is de kern van koolstof-12.
Soms zo geschreven.
Soms schrijven we het aantal
protonen ook.
De reden waarom we koolstof-12 schrijven -
je weet dat ik zes neutronen telde -
is dat dit het totaal is - het totale
aantal - we zullen dat later
wat meer nuanceren - is dat dit het totale
aantal protonen en neutronen in de kern van het atoom is.
Koolstof heeft per definitie een atoomnummer van zes,
maar we kunnen het hier ook schrijven zodat we het ons kunnen herinneren.
In het midden van het koolstofatoom hebben we de kern.
Koolstof-12 heeft zes protonen en zes neutronen.
Een andere versie van koolstof, koolstof-14, zal nog steeds
zes protonen hebben, maar met acht neutronen.
Het aantal neutronen kan veranderen,
maar dit hier is koolstof-12.
Als koolstof-12 neutraal is - ik zal dat
later uitleggen -
als het neutraal is, zal het ook zes elektronen hebben.
Ik teken die zes elektronen.
Eén, twee, drie, vier, vijf, zes.
Je moet je vooreerst voorstellen
dat die elektronen
rond de kern
draaien.
Een manier van denken is hen zien als in een baan
rond de kern, maar dat is niet helemaal juist.
Ze hebben geen baan zoals een planeet
die rond de zon draait.
Maar het is een goed uitgangspunt.
Een andere manier is dat ze een soort zwerm rond de kern
vormen.
De werkelijkheid wordt erg vreemd
op dit niveau en we zullen
kwantumfysica nodig hebben om echt te begrijpen wat het elektron aan het doen is.
Maar in een voorlopig eerste mentale model zit de kern midden
in dit atoom,
dit koolstof-12 atoom.
Daar heb je de kern.
De elektronen springen rond deze kern.
De reden waarom deze elektronen niet gewoon wegvliegen
van deze kern, waarom ze gebonden zijn aan deze kern
en zij deel uitmaken van dit atoom, komt doordat protonen
een positieve lading hebben.
En elektronen hebben een negatieve lading.
Het is een van de eigenschappen van deze fundamentele
deeltjes. Wanneer je begint na te denken over wat lading is,
wordt het
wat ingewikkelder.
Maar één ding
over elektro-magnetische kracht kennen we.
En dat is dat tegengestelde ladingen elkaar aantrekken.
De beste manier om hier over na te denken is: protonen en elektronen
trekken elkaar aan
omdat ze verschillende ladingen hebben.
Neutronen zijn neutraal, ze zitten gewoon hier
in de kern en ze hebben op een bepaald niveau invloed op de eigenschappen
van de atomen van bepaalde elementen.
Maar de reden waarom de elektronen niet wegvliegen,
is dat ze worden aangetrokken.
Ze worden aangetrokken door de kern.
ze hebben ook een ongelooflijk hoge snelheid -
Hier komen we weer
op een heel vreemd deel van de natuurkunde als we eenmaal beginnen te praten over
wat een elektron eigenlijk aan het doen is.
Ik denk dat je zou kunnen zeggen dat het rondspringt
omdat het niet in de kern wil vallen.
Zo moeten we er voorlopig over denken.
Ik zei dat koolstof-12 gedefinieerd werd
door het atoomnummer of het aantal protonen.
Zuurstof heeft acht protonen.
Maar nogmaals, elektronen kunnen met andere elektronen interageren.
Ze kunnen door andere atomen worden overgenomen.
Dat vormt de basis van ons begrip van de chemie.
Het is gebaseerd op het aantal elektronen dat een atoom
of een bepaald element heeft.
Hoe die elektronen geconfigureerd zijn
en hoe de elektronen van andere elementen of misschien andere atomen
van dezelfde element zijn geconfigureerd.
Daardoor kunnen we voorspellen hoe een atoom van een element
kan reageren met een ander atoom van hetzelfde element.
Of hoe een atoom van een element zou kunnen reageren,
of hoe het zou kunnen worden gebonden of niet gebonden of aangetrokken
of afgestoten door een atoom van een ander element.
Daar zullen we later veel meer over leren.
Hoe het is mogelijk voor een ander atoom
om een elektron weg te nemen van een koolstofatoom.
We zullen later uitleggen
waarom bepaalde neutrale atomen een grotere
affiniteit (bindingsneiging) voor elektronen hebben dan andere.
Zo kan een dergelijk atoom een elektron wegpikken
van koolstof, waarna deze koolstof minder
elektronen dan protonen zal hebben. Dus vijf elektronen
en zes protonen.
Dan houden we een netto positieve lading over.
Koolstof-12
had zes protonen en zes elektronen, de ladingen hieven elkaar op.
Als ik één elektron verlies, hou ik er slechts vijf over.
Dan zal ik een netto positieve lading hebben.
We gaan daar nog veel meer over praten,
doorheen de hele chemie,
maar hopelijk voel je nu al aan
dat dit echt cool gaat worden.
We krijgen nu al vat op deze fundamentele bouwsteen,
het atoom.
Nog knapper is dat deze fundamentele
bouwsteen is opgebouwd uit nog fundamentelere
bouwstenen.
Deze dingen kunnen worden uitgewisseld
om de eigenschappen van een atoom te veranderen of zelfs overgaan
van het ene atoom naar het andere.