De bouwstenen van de schepping

KIJK op deze aarde eens om u heen. Wat ziet u? Er zal niemand zijn die niet bewogen wordt door de sublieme schoonheid van de heuvels en de bergen, door de fascinerende kleuren en vormen van de planten en bomen en de verrukkelijke gedragingen van de viervoetige dieren, de vogels en de insekten. De samengesteldheid van de schepping tart de verbeelding.

Hebt u zich ooit afgevraagd waar deze overvloed van schoonheid en ontzag inboezemende pracht vandaan komt? Wat zijn de bouwstenen van de schepping? Hoe zijn deze bouwstenen samengevoegd tot de ontelbare hoeveelheid stoffelijke dingen die wij om ons heen zien? Als wij onze blik richten op de grote verscheidenheid van wonderbaarlijke scheppingen, lijken wij in een vaste wereld te leven. Zou u verbaasd zijn als u wist dat dit alles is gemaakt van basisbouwstenen die op zichzelf voor 99,9 percent uit niets of uit leegte bestaan?

Duizenden jaren lang heeft de mens getracht het geheim te ontraadselen wat nu precies materie is. Het woordenboek definieert materie als „stof waaruit iets bestaat”. Maar wat is die stof waaruit iets bestaat? Pas in deze eeuw, en dan nog in de laatste dertig of veertig jaar, zijn geleerden werkelijk de fundamentele aard van de materie gaan begrijpen. Nu vertellen onderzoekers ons dat alle stoffelijke dingen, of het nu rotsen, planten, dieren of rivieren zijn, of wat wij ook maar met onze lichamelijke zintuigen kunnen waarnemen, zijn opgebouwd uit bouwstenen die op zichzelf uit drie basisdeeltjes bestaan.

Deze drie basisdeeltjes bepalen, afhankelijk van het aantal van elk dat in een bouwsteen aanwezig is, de aard en de eigenschappen van elke steen of elk „atoom” dat ze vormen.a

Laten wij echter eerst precies definiëren wat wij onder bepaalde woorden verstaan. Met „atoom” bedoelen wij „het kleinste deeltje van een element”, en een „element” wordt gedefinieerd als „een stof die door chemische methoden niet tot eenvoudiger stoffen herleid kan worden”. Als wij bijvoorbeeld een stukje zouden kunnen nemen van het element dat bekend staat onder de naam goud, en dit in steeds kleinere stukjes zouden verdelen, zou het ten slotte onmogelijk blijken het nog verder te verdelen zonder dat het zijn oorspronkelijke chemische identiteit verliest. Dit kleinste deeltje is het atoom. Iedere verdere verdeling zou het atoom splitsen in de reeds genoemde basisdeeltjes, die protonen, neutronen en elektronen worden genoemd.

De protonen en neutronen zijn ongeveer gelijk in gewicht; het verschil is dat het proton een positieve elektrische lading draagt en het neutron geen lading bezit, en daarom neutraal is. In betrekkelijke zin zijn de protonen en neutronen reusachtige deeltjes in vergelijking met de elektronen, daar hun massa ongeveer 2000 maal zo groot is. De kleine elektronen dragen een negatieve elektrische lading, en omdat hun aantal altijd gelijk is aan het aantal protonen, is het atoom in zijn geheel neutraal.

Deze drie elementaire deeltjes zijn in verschillende (toenemende) aantallen bij elkaar gevoegd en vormen op deze wijze de atomen van de verschillende elementen, ofte wel de bouwstenen van de schepping. Hoeveel bouwstenen zijn er? Lange tijd was de gedachte dat er slechts vier elementen waren, namelijk lucht, vuur, aarde en water. Toen de kennis echter toenam werden er langzamerhand verschillende elementen geïdentificeerd. Lijsten van deze elementen bevatten nu meer dan honderd namen; sommige van deze elementen zijn vervaardigd door de mens en zijn kunstmatig en instabiel.

Hoe staat het echter met die 99,9 percent niets? Als wij een enkel atoom van een van die vele prachtige dingen om ons heen zouden kunnen waarnemen, wat zouden wij dan zien? Welke structuur zou hij hebben?

Atoombouw

Alle atomen hebben een centrale kern bestaande uit een combinatie van protonen en neutronen, die omgeven wordt door rondwentelende elektronen. De enige uitzondering hierop is het atoom van het eenvoudigste element, namelijk waterstof, welke een enkele proton als kern heeft, waaromheen slechts één elektron cirkelt.

Wij kunnen in onze geest dus een beeld vormen van een soort miniatuurzonnestelsel: elektronen die, verhoudingsgewijs, in grote banen rond een kleine, compacte kern cirkelen, grotendeels op dezelfde wijze als de planeten rond de zon draaien. Dit microscopische planetenstelsel is voor elk van de elementen verschillend, maar voor elk atoom van een zelfde element volkomen gelijk. Welk een kracht en precisie zijn ervoor nodig om dit tot stand te brengen! Neem bijvoorbeeld eens een atoom van het element koolstof, zoals dit schematisch in de volgende tekening is weergegeven:

Natuurlijk kunnen wij één enkel atoom niet zien omdat atomen zo oneindig klein zijn. Elk van deze nietige „planetenstelsels” heeft slechts een middellijn van een veertig miljoenste centimeter! En de dikte van de centrale kern of „zon” is slechts een honderd duizendste deel van de diameter van het gehele atoom!

Is het niet ontzag inboezemend te zien welk een prachtig verfijnde structuur er zich binnen de ongelooflijk kleine ruimte van elk atoom bevindt, vooral als men het feit beschouwt dat het aantal elektronen in een atoom kan variëren van één tot meer dan honderd, afhankelijk van het element dat men beschouwt?

Het is fascinerend te beseffen dat alle stoffelijke dingen, alles wat zo vast lijkt, van het groene gras of de staart van een koe tot de bergen toe, zijn opgebouwd uit miljoenen en nog eens miljoenen van deze nietige atomen, atomen waarin men, tussen de centrale kern en de rondcirkelende elektronen, voornamelijk leegte en ruimte vindt. Ja, een atoom bestaat voor het grootste deel uit lege ruimte. Zo staat er in de Wetenschapserie van Parool/Life in het deel over Materie het volgende: „Als elk atoom zou worden samengeperst in een bolletje ter grootte van zijn eigen kern, [zou] alle materie van de Utrechtse Domtoren . . . kunnen worden ondergebracht aan het achtereinde van een potlood, daar waar het gummetje zit.”

De elektronen in elk atoom draaien rond in wat „elektronenschillen” worden genoemd, waarbij iedere „schil” een bepaalde afstand tot de kern vertegenwoordigt. Als de atomen steeds ingewikkelder van bouw worden doordat er meer basisdeeltjes aan worden toegevoegd, komen de bijgevoegde elektronen in deze „schillen” te cirkelen.

Dit wordt bijvoorbeeld in de illustratie afgebeeld in het geval van het koolstofatoom: twee elektronen bevinden zich in de binnenste en vier in de volgende, buitenste schil. Een aluminiumatoom heeft twee elektronen in zijn eerste schil, acht in de volgende en drie in de buitenste. Met andere woorden, in een atoom bevindt zich geen wanordelijke massa elektronen die zich daar zonder enig vast patroon bewegen, neen, in plaats daarvan is alles op zeer ordelijke wijze geregeld.

Daar wij erin geïnteresseerd zijn hoe deze bouwstenen worden samengevoegd om al die wonderbaarlijke dingen te vormen die ons zo in verrukking brengen, hebben wij in het bijzonder belangstelling voor deze nietige elektronen. Hoe dat zo? Omdat de rangschikking van deze elektronen in hun banen bepalend is voor de bindingsmogelijkheid van elk atoom. Deze bindingsmogelijkheid wordt „waardigheid” of „valentie” genoemd.

Atomen die zich verbinden door het lenen van elektronen

Bij de voortgang van het onderzoek naar het inwendige van het atoom, ontdekte men dat elk element met een volledig aantal elektronen (gewoonlijk acht) in zijn buitenste schil (de schil waar elektronen geleend en uitgeleend worden) buitengewoon stabiel was; dat wil zeggen, ze verenigden zich niet makkelijk met andere atomen. Deze stabiele of inerte elementen staan bekend als de edele gassen — helium, neon, argon, krypton, xenon en radon.

Langzamerhand ging men zich een beeld vormen van de elektronenschillen van alle elementen. Er werd ontdekt dat atomen de neiging hadden een stabiele buitenste elektronenschil te vormen. De valentietheorie verklaart dit door te laten zien hoe de atomen een stabiele buitenste schil vormen door elektronen te lenen en uit te lenen, of door elektronen met andere atomen te delen. Een element dat zeven elektronen in zijn buitenste schil heeft, zoals chloor, zal een elektron lenen van een element dat één elektron in zijn buitenste schil heeft, als bijvoorbeeld natrium. U kunt op de volgende tekening zien hoe dit gebeurt:

Natrium, een zacht, zilverwit metaal dat in 1807 werd ontdekt, is een zeer actief element dat heftig met water reageert. Het heeft in totaal elf elektronen; het aantal elektronen in de opeenvolgende schillen is respectievelijk twee, acht en één. Chloor, ontdekt in 1774, is een groengeel gas. Het is gebruikt als bleekmiddel, als desinfectiemiddel en ook als gifgas. Het chlooratoom heeft zeventien elektronen; het aantal elektronen in de opeenvolgende schillen is respectievelijk twee, acht en zeven. In de tekening, waarin slechts de buitenste schillen zijn afgebeeld, wordt getoond hoe deze bouwstenen zich met elkaar verbinden en wat het resultaat is van deze verbinding.

Het chlooratoom leent een elektron van het natriumatoom en krijgt door de toevoeging van dit extra elektron een negatieve lading, terwijl, omgekeerd, het natriumatoom een positieve lading krijgt. Deze geladen atomen, die nu „ionen” worden genoemd, trekken elkaar door hun tegengestelde lading aan, hechten zich aan elkaar en vormen zodoende de verbinding die bekend staat als natriumchloride, of gewoon keukenzout.

Van twee bouwstenen waarvan men het allerminst had verwacht, elk met onderscheiden eigenschappen, krijgen wij dus het gewone zout dat voor het leven zo’n belangrijke rol speelt. Door een andere plaatsing van slechts één elektron wordt een volkomen nieuwe stof gebouwd! Een dergelijke binding wordt een elektrovalente binding genoemd.

Atomen die zich verbinden door elektronen met elkaar te delen

Een ander soort binding wordt een covalente binding genoemd. Bij dit soort bindingen delen de verschillende atomen elektronen met elkaar ten einde de gewenste stabiele buitenste elektronenschil te vormen. Een voorbeeld van een dergelijke binding is de volgende, bestaande uit twee koolstofatomen, zes waterstofatomen en één zuurstofatoom, die zich met elkaar hebben verbonden en een molecuul ethanol vormen, het bedwelmende bestanddeel in alle alcoholische dranken. Elk gemeenschappelijk elektronenpaar van een covalente binding wordt in de structuurformule door een streep aangeduid:

Doordat elk koolstofatoom en het zuurstofatoom op deze wijze elektronenparen gemeenschappelijk hebben met andere atomen, verkrijgen ze een stabiele buitenste schil van acht elektronen, terwijl de waterstofatomen een, eveneens stabiele, buitenste schil krijgen met twee elektronen.

Een ingewikkelde wisselwerking

Natuurlijk is de wisselwerking en aantrekking tussen de verschillende atomen veel ingewikkelder als het de meer samengestelde moleculen betreft waaruit de organische stoffen zijn gevormd; dit zijn stoffen waarvan de moleculen koolstofatomen bevatten. Een voorbeeld van een van deze organische stoffen willen wij graag als illustratie hiervan gebruiken. De tekening die nu volgt, toont de structuurformule van een molecuul van een verbazingwekkende stof die met de naam chlorofyl wordt aangeduid:

Sta hier eens bij stil: 72 atomen waterstof, 55 atomen koolstof, 5 atomen zuurstof, 4 atomen stikstof en 1 atoom magnesium, waarvan sommige als het ware reeds verenigd zijn in geprefabriceerde eenheden, zijn samen opgebouwd tot één molecuul chlorofyl, een van de belangrijkste kleurstoffen in de plantenwereld.

Kunt u zich een voorstelling maken van de ongelooflijke wisselwerking tussen de elektronen die rondwervelen in hun baan en de verschillende atomen waaruit een molecuul chlorofyl bestaat, met elkaar verbinden? Maar dat is nog slechts één molecuul chlorofyl; en te bedenken dat er miljoenen en nog eens miljoenen van dergelijke moleculen voor nodig zouden zijn om de punt aan het einde van deze zin te bedekken, kan iemands bewondering voor de Ontwerper van een dergelijke rangschikking alleen maar vergroten en verdiepen.

De geleerden hebben slechts een tipje van de sluier opgelicht met betrekking tot de vragen hoe en waarom deze verschillende bouwstenen zich met elkaar verbinden, maar zij weten dat er vaste en ordelijke wetten bestaan waaraan deze bindingen onderworpen zijn. Zij hebben diep ontzag voor de onvoorstelbaar gecompliceerde wijze waarop de complexe levende cellen in alle levensvormen deze op zichzelf reeds ingewikkelde stoffen opbouwen tot alles wat op onze aarde leeft.

Deze opbouw van ondenkbaar kleine atomen tot luisterrijke scheppingswerken is weergegeven in de volgende tekening:

Kijk eens om u heen, en denk na over de wijsheid en intelligentie waarmee op grootse wijze de totstandkoming van de stoffelijke dingen die wij kennen, van het kleinste zaadje tot het oneindige universum toe, is uitgedacht. En bedenk dan dat alles is gemaakt van bouwstenen die op zichzelf voor 99,9 percent uit niets bestaan.

[Voetnoten]

[Diagram op blz. 13]

(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)

Het koolstofatoom heeft een kern met zes protonen en zes neutronen en is in het bezit van zes elektronen: twee in de binnenste schil, en vier in de buitenste

[Diagram op blz. 14]

(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)

De verbinding van een natrium- en een chlooratoom

Natrium Chloor + −

Atomen (slechts de buitenste De ionen — te zamen

elektronenschillen zijn getekend) natriumchloride vormend

[Diagram op blz. 15]

(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)

Molecuul ethanol

C: koolstofatoom

H: waterstofatoom

O: zuurstofatoom

[Diagram op blz. 15]

(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)

Molecuul van chlorofyl „a”.

H: waterstofatoom (72)

C: koolstofatoom (55)

O: zuurstofatoom (5)

N: stikstofatoom (4)

Mg: magnesiumatoom (1)

[Diagram op blz. 15]

(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)

Drie basisdeeltjes

protonen

neutronen

elektronen

Atomen Verbindingen Alle materie

meer dan 100 anorganisch levend en

elementen en organisch niet levend