OVER HET BEGRIP `MOLECUUL` EN DE VERHOUDING VAN DE

OVER HET BEGRIP ‘MOLECUUL’ EN DE
VERHOUDING VAN DE CHEMIE ALS
WETENSCHAP TOT DE NATUURKUNDE
W.C. Nieuwpoort
1
CHEMIE gaat over STOFFEN
CHEMISCHE en FYSISCHE EIGENSCHAPPEN
‘gaat over’ i.p.v. ‘bestudeert’ of ‘omvat kennis van’
omdat chemie niet alleen betrekking heeft op het
wetenschappelijk beeld van stoffen, maar ook op het
manifeste beeld daarvan (Van Brakel, p.41)
manifest: hoe de stof zich in het dagelijks leven aan
mensen voordoet (denk maar aan macroscopisch)
wetenschappelijk: vaak abstracte resultaat van
methodische studie waatoe i.h.b. ook niet durect
waarneembare bouwstenen als atomen en moleculen
behoren (denk voor ons doel maar aan microscopisch)
2
Zijn de manifeste en wetenschappelijke beelden
gelijkwaardig of heeft een van beide het primaat als basis
voor de chemie?
Sinds de ontwikkeling van de quantummechanica
omsteeks 1926, waarmee de fysische basis werd gelegd
voor het voor de chemie essentiële verschijnsel van de
chemische binding, bestaat een trend om het primaat aan
het wetenschappelijke beeld toe te kennen.
Bij nadere analyse blijkt daar echter weinig reden toe!
- het molecuulbegrip
- reductie van chemie tot natuurkunde
3
Moleculen, ‘analytische’ definitie
Kleinste eenheid of microbouwsteen van een zuivere
stof.
Geen op zich zelf staande a priori definitie, wel
succesvolle operationele definitie: microbouwsteen met
zelfde eigenschappen als macroscopische stof.
OK zolang aan molecuul geen realiteit hoefde te worden
toegekend. Onhoudbaar na proeven van Perrin (ca 1910).
Microbouwsteen met zelfde samenstelling als
macroscopische stof is goed, maar voor een reële
bouwsteen meer nodig: grootte, structuur, vorm
4
Met de ontwikkeling van de quantummechanica (1926)
en ermee gepaard gaande ontwikkeling in
spectroscopische en diffractietechnieken ontstond
eindelijk een concrete op experimentele uitkomsten
gebaseerde voorstelling van atomen en moleculen.
Geheel anders dan het statische idee van een bouwsteen
in onze gewone wereld: trillende en draaiende
atoomkernen omringd door een elektronenwolk waarvan
precieze aard afhangt van de wisselwerking van het
molecuul met zijn omgeving.
5
Moleculen, ‘synthetische’ definitie
Theoretische opbouw uit atomen met behulp van
Schrödingervergelijking te verifiëren door metingen in
verdunde gassen.
Bij hogere dichtheden, in vloeistoffen en vaste stoffen in
feite onmogelijke definitie door onderlinge
wisselwerking
Dieper: fundamentele incompabiliteit van klassieke
molecuulbeeld met (permutatie)symmetrie-eisen voor
quantumtoestanden van veeldeeljessystemen.
Om toch iets bruikbaars te construeren moeten we
refereren aan het manifeste beeld
6
REDUCTIE: CHEMIE ALS ONDERDEEL VAN DE
NATUURKUNDE?
P.A.M. Dirac (1929):
The underlying laws necessary for the
mathematical theory of a large part of physics
and the whole of chemistry are thus
completely known, and the difficulty is only
that the exact applications of these laws lead to
equations which are too complicatedto be
soluble.
7
We kunnen zeker tegenwoordig heel veel
uitrekenen en in de toekomst nog meer. Het
nut hiervan staat vast.
Maar het staat ook vast dat geen van deze
berekeningen kan worden uitgevoerd zonder
referentie aan het manifeste beeld van stoffen:
- beperking tot bepaald aantal atoomkernen
en elektronen
- kiezen van een ‘gewenste’ oplossing uit
een veelheid van mogelijkheden
- opleggen van benaderingen op fysische
gronden (Born-Oppenheimer)
- .....
Bekijk nu het geheel aan concepten en regels
dat de chemie als wetenschap vormt in het
licht van deze harde feiten...
8
En concludeer:
- het manifeste beeld heeft het primaat
- het is een illusie om te denken dat het
geheel aan concepten en regels waarop de
chemie als wetenschap berust, kan worden
vervangen door de quantummechanische
bewegingsvergelijkingen voor
veeldeeltjessystemen
.
9
??? Terzijde
Hoewel als je het over stoffen hebt ‘manifest’ vaak samenvalt met ‘macroscopisch’ en
‘wetenschappelijk’ met ‘(sub)microscopisch’ zijn dit geen synoniemen. Een WB kan
heel goed gebaseerd zijn op macroscopische grootheden (thermodynamica) en in het
MB is ruimte voor onzichtbare krachten en objecten (Etna). Het is overigens duidelijk
dat het begrip ‘beeld’ hier niet letterlijk moet worden genomen.
10