Verenigingen

Het verraad der voorstelling

KVCV |
Anorganische chemie, Organische chemie

Zicht op moleculen door de eeuwen heen.

Als René Magritte ooit een schilderij had gemaakt van wandelende watermoleculen op wazig witte wolken, zou hij er misschien ‘Ceci ne sont pas des molecules’ onder hebben gezet. Dat is een gemiste kans, want gedurende zijn leven stond de wetenschappelijke literatuur bol van figuren die hij, net zoals zijn geschilderde pijp uit 1928, had kunnen rangschikken onder ‘la trahison des images’, het verraad der voorstelling.

In de ganse 19de eeuw bleef de discussie gaande over de reële aard van moleculen. Pas begin 20ste eeuw werden fysische metingen mogelijk, die iedereen ervan konden overtuigen dat afbeeldingen van atomen en moleculen bruik­bare hulpmiddelen zijn. Aldus werd een brug geslagen van de zichtbare wereld naar de wereld van de moleculen. Elke cursus staat nu vol tekeningen van moleculen en atomen, doch we realiseren ons te weinig dat dit ook slechts surrealistische beelden zijn.

Van empirie tot brutoformule

Alchemisten zagen materie als een continuüm. De ruimte was gevuld met ‘ether’. Hun beeld werd pas vanaf 1650 door experimenten tegengesproken. ‘Horror vacui’, het eeuwenoude idee dat de natuur leegte verafschuwt, werd een mythe. Lucht bleek een mengsel te zijn. Na Antoine Lavoisier (1787) en zeker met John Dalton (1809) kwam het idee van de Oude Grieken weer opdagen dat materie een stapeling is van kleine deeltjes. Ooit had Pierre Gassendi (1592-1655) daar ‘moleculen’ van gemaakt, en die term kreeg vanaf nu een betekenis.

De eerste stappen in de analyse van de materie toonden aan dat water uit twee soorten atomen bestaat (waterstof en zuurstof). En in het lang bekende koolzuurgas bleek de verhouding van koolstof tot zuurstof een vaste waarde te hebben. Stoffen zoals suiker kon je na oplossen in water onveranderd terugwinnen door indampen. De kleinste deeltjes van elke stof bleken een onveranderde identiteit te bezitten die uit een vast aantal atomen bestaan. Empirische analyses ontblootten vanaf nu de samenstelling van elke materie. Elke stof kreeg een ‘brutoformule’.

Atomen met bindingstreepjes

Begin 19de eeuw bracht de ontdekking van de elektrische stroom de chemicus Jöns Jacob Berzelius (rond 1814) op de hypothese dat elektrische krachten ook atomen in moleculen samenhouden. Dat leek wel logisch voor bindingen tussen verschillende soorten atomen, maar voor twee identieke koolstofkernen leek dit niet echt waarschijnlijk. De bindingskracht tussen twee gelijksoortige atomen bleef in de eerste helft van deze 19de eeuw een raadsel. Er volgden verhitte discussies over het aantal bindingen op elk atoom. Rond 1860 raakte men het erover eens dat het er bij koolstof altijd vier zijn. Voorstellingen voor koolstofverbindingen doken op met tussen de atomen de bekende bindingsstreepjes, zonder dat men daar toen al een fysische betekenis aan wist te geven.

Moleculen in de ruimte

Begin 19de eeuw werd de polarimeter een labinstrument. De Fransman Jean-Baptiste Biot bestudeerde in de periode 1811-1818 optische activiteiten van kristallen met een zekere asymmetrie. Louis Pasteur, zijn later beroemde assistent, was de eerste die onder de microscoop een minimaal verschil in kristalstructuur vaststelde bij twee sterk gelijkende wijnsteenzuren. Die twee vormen vertoonden tevens een tegengestelde optische draaiing van gepolariseerd licht. Hij besefte dat het spiegelbeelden waren, dus zonder spiegelsymmetrie.

Het bijzondere was dat deze stoffen ook nog in oplossing dit verschil in optisch gedrag vertoonden. Na heel wat kristal­lografisch speurwerk gaf Pasteur er in 1860 een mogelijke verklaring voor. Alleen moleculen zonder een symmetrievlak in hun structuur blijven ook in oplossing nog twee spiegelbeelden, ‘isomeren’, vormen die elk het gepolariseerde licht in een andere richting doen draaien. Waarom de atomen zo’n ruimtelijke verschillende stand konden innemen, bleef evenwel een groot raadsel.

In 1874 kreeg in Utrecht een doctoraatsstudent, de latere Nobelprijswinnaar Jacobus van ’t Hoff, een geniale inval. Hij verzamelde alle bekende gegevens van methaanderivaten, dus met de brutoformule CHRR’R’’. Zouden die vier aanhangsels in een plat vlak rond het koolstofatoom zitten, dan zouden van elk derivaat drie ruimtelijk verschillende varianten mogelijk zijn. Maar wezen ze elk naar een hoekpunt van een tetraëder met het koolstofatoom in het centrum, dan waren slechts twee varianten mogelijk. Omdat van geen enkel methaanderivaat meer dan twee isomeren bekend waren, besloot van ’t Hoff dat die laatste structuur de juiste moest zijn.

Deze hypothese lokte heel verschillende reacties uit. Zo schreef de grote Duitse experimentator Hermann Kolbe (hier in verkorte vertaling): ‘Een jonge dierenarts uit Utrecht heeft het paard Pegasus bestegen en op zijn koene vlucht naar de chemische Parnassus daar de atomen in de ruimte gerangschikt gezien.’ Doch een paar decaden later kon Hermann Fischer die hypothese benutten om er de isomere struc­turen van glucose mee te ver­klaren.

Stereomodellen en conformaties

Vaak spreekt men van ‘molecuulmodellen’ als voorstellingen van de materie. De benaming stereomodellen is een betere benaming. Het omvat het geheel van visuele schaalvoorstellingen van materiestructuren qua vorm of ruimtelijke opbouw. Het heeft zijn praktisch nut al vroeg bewezen. Hermann Sachse kon in 1920 met dat tetraëdermodel voor koolstof het bestaan van de stoel- en bootvorm voor cyclohexaan voorspellen en luidde daarmee het begin in van de conformatie-analyse.

De grote triomf van de structuurchemie kwam in 1953 met de opheldering van de DNA-structuur. Moleculaire biologen brachten bizarre 3D-tekenin­gen van macromoleculen alsof ze een moleculaire bril hadden gekregen.

Orbitalen

Sinds het atoommodel van Niels Bohr (1908) maakte het inzicht in de atoomstructuur een stormachtige ontwikkeling door. Elektronenbolletjes werden nu orbitalen, kwantumberekende elektronenwolken die in zekere ruimtes met een bepaalde waarschijnlijkheid zich bevinden. De vertrouwde streepjes voor de chemische bindingen zijn voortaan orbitaaloverlappingen. De materie wordt een bizarre leegte van atomen. Elke voorstelling wordt nu terecht ‘une trahison des images’. 

Zie voor meer informatie de KVCV-uitgaves EChO 1 en 2.

Arsène Lepoivre
Deel deze pagina
KVCV

Lid worden van de KVCV? Ontdek de voordelen!

Naar boven