over het begrip molecuul en de verhouding van de chemie als

OVER HET BEGRIP MOLECUUL EN DE VERHOUDING VAN DE CHEMIE
ALS WETENSCHAP TOT DE NATUURKUNDE
Chemie gaat over stoffen. Stoffen worden onder andere gekarakteriseerd door hun
(elementaire) samenstelling en het is gebruikelijk om met behulp hiervan een
onderscheid te maken in hun eigenschappen. Fysische eigenschappen (optische,
elektrische, magnetische, mechanische ...) afgeleid uit de waarneming van
verschijnselen waarbij de samenstelling onveranderd blijkt, en chemische
eigenschappen verbonden aan het chemische verschijnsel bij uitstek, de chemische
reactie waarbij de samenstelling juist wel verandert. Die chemische reacties,
omzettingen van stoffen in andere stoffen, nemen in de chemie weliswaar een centrale
plaats in, maar omdat een reactie een begin-en een eindtoestand impliceert omvat de
chemie ook de karakterisering van stoffen op zich zelf. En dan niet alleen op grond
van hun samenstelling of reactiviteit, maar in het bijzonder ook met behulp van hun
fysische eigenschappen als kleur, geleiding, magnetisme, sterkte, aggregatietoestand
etc.
In het bovenstaande heb ik bewust vermeden uitdrukkingen als ‘in de chemie
bestudeert men...’ of ‘de chemie omvat de kennis van...’ te gebruiken omdat dit zou
kunnen suggereren dat de chemie zich slechts zou bezighouden met het
‘wetenschappelijke beeld’ van stoffen en hun eigenschappen. In de filosofie wordt
namelijk een onderscheid gemaakt tussen het ‘manifeste beeld’ en het
‘wetenschappelijke beeld’ . Dit is de door Van Brakel gebruikte (p. 41) terminologie
van Sellars, maar het onderscheid wordt in diverse bewoordingen in filosofische
beschouwingen algemeen gemaakt. Men kan er tamelijk ingewikkeld over praten
maar voor ons doel is het voldoende om te zeggen dat het MB betrekking heeft op de
manier waarop een stof zich in het dagelijks leven aan mensen voordoet. Het WB is
het, vaak abstracte, resultaat van de methodische studie van een stof waartoe in het
bijzonder ook niet direct waarneembare ‘bouwstenen’ als atomen en moleculen
behoren.
Nu kan men de chemie zowel op het wetenschappelijke als op het manifeste beeld van
stoffen baseren, waarbij de vraag naar voren komt of deze beelden gelijkwaardig zijn
of dat een van beide het primaat heeft als basis voor de chemie. Sinds de ontwikkeling
van de quantummechanica in de jaren twintig van de vorige eeuw, die de fysische
basis legde voor het begrijpen van het verschijnsel van de chemische binding, bestaat
de neiging om het primaat aan het wetenschappelijke beeld toe te kennen. Maar hier
kunnen vraagtekens bij worden gezet. Het is mijn bedoeling om in de rest van dit
college, gesteund door Van Brakel, enkele argumenten te geven voor de
tegenovergestelde opvatting, waarin het manifeste beeld voorop staat. Daarvoor zal ik
over twee onderwerpen wat meer vertellen: het molecuulbegrip in de chemie en in de
natuurkunde en de vraag of de chemie gezien kan worden als (gereduceerd kan
worden tot) een onderdeel van de natuurkunde.
Moleculen, ‘analytische’ definitie
Atomen, later moleculen, zijn al eeuwenlang bestaande concepten waarmee de
kleinste eenheden of elementaire bouwstenen waaruit een stof is opgebouwd worden
aangegeven . Een op zich zelf staande a priori definitie van zo’n bouwsteen bestond
niet, wel succesvolle operationele definitie als kleinste eenheid van een zuivere stof
(vaste elementaire samenstelling in tegenstelling tot mengsels) die nog dezelfde
eigenschappen heeft. Zolang aan moleculen op experimentele gronden geen realiteit
behoefde te worden toegekend was dit geen bezwaar. Dit werd anders toen omstreeks
1910 de resultaten van de proeven van Perrin over de Brownse beweging bekend
werden Deze lieten geen andere interpretatie toe dan het bestaan van willekeurig
bewegende (vloeistof)moleculen. Maar hoe zagen deze er dan uit? Boven gegeven
definitie (‘macroscopische’ atomen of moleculen) niet houdbaar: eigenschappen van
zeer kleine deeltjes zijn anders. Kleinste eenheid met dezelfde samenstelling is betere
definitie, maar wat is daarvan dan de grootte, structuur of vorm. Grootte kon worden
afgeschat met behulp van dichtheidsbepaling en hing dus af van de omstandigheden:
vast, vloeibaar, gas, druk, temperatuur..., van structuur wel een voorstelling op grond
van klassieke structuurformules en hun ruimtelijke uitbreiding met behulp van de
ideeën van Van ’t Hoff-Le Bel en Werner, over de vorm tastte men in het duister.
Experimentele en theoretische ontwikkeling van de atoomtheorie (Bohr, Sommerfeld)
leidden tot de formulering van de quantummechanica (Schrödinger, Heisenberg,
Dirac ..). Met behulp hiervan en de ermee gepaard gaande ontwikkeling van
spectroscopische (UV, zichtbaar, IR, Raman) en diffractie (Røntgen, electronen)
technieken ontstond eindelijk een concreet, op experimentele uitkomsten gebaseerde
voorstelling van atomen en moleculen. Anders dan voor de bouwstenen in onze
gewone wereld is voor deze voorstelling de theorie onontbeerlijk. Moleculen lijken
dan ook helemaal niet op de statische bouwstenen waaraan we gewend zijn: trillende
atoomkernen omringd door een electronenwolk, waarvan de preciese aard afhangt van
de wisselwerking van het molecuul met zijn omgeving. In het geval van
macromoleculen (polymeren, biomoleculen) flexibele ketens of kluwens afhankelijk
van de fysische omstandigheden.
Moleculen: ‘synthetische’ definitie.
Gasfase, vloeistoffen, vaste fase ( waaronder molecuulroosters): in feite onmogelijke
definitie in alle praktisch relevante situaties door onderlinge wisselwerking’
Dieper nog ligt de incompatibiliteit van het klassieke molecuulbeeld met de
quantummechanica: de fundamentele (permutatie)symmetrie-eisen die aan de
quantumtoestanden van veeldeeltjessystemen moeten worden gesteld verdragen zich
niet met het idee van een min of meer gelokaliseerde structuur van atoomkernen en
electronen. Om dit beeld toch te verkrijgen zijn op dit doel gerichte aannamen nodig
die in feite uit het manifeste beeld afkomstig zijn.
Het submicroscopische wetenschappelijke beeld is dus minder vanzelfsprekend dan
waarscxhijnlijk door velen wordt gedacht!
Voor het in de chemie (materiaalwetenschappen) gebruikte en voor de
wetenschappelijke ontwikkeling onmisbare wetenschappelijke beeld is het manifeste
beeld van stoffen blijkbaar vereist, zowel als beginpunt als eindpunt.
REDUCTIE: DE CHEMIE ALS ONDERDEEL VAN DE NATUURKUNDE?
Met de voorgaande conclusie ligt het voor de hand deze vraag opnieuw te stellen en te
onderzoeken. Belang en nut van de natuurkunde voor de chemie staan natuurlijk niet
ter discussie, Maar is de natuurkunde ook essentieel voor het ontstaan en de
ontwikkeing van de chemie als wetenschap. Sterker nog, kan de chemie niet uit de
fundamentele mechanische theorie worden afgeleid, de chemie als uitwerking van de
natuurkundige veeldeeltjestheorie!
Dit gezichtspunt is pas na de formulering van de quantummechanica rond 1925 naar
voren kunnen komen. Daarvóór was er immers geen natuurkundige basis voor het
verschijnsel van de chemische binding. De waarschijnlijk meest geciteerde en zeker
de invloedrijkste uitspraak in dit verband is die van theoretisch fysicus en
Nobelprijswinnaar P.A.M. Dirac in 1929 o.a in de inleiding van zijn beroemde boek
The principles of Quantum Mechanics:
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 complicated to be soluble.
Nu weet niemand wat Dirac precies voor ogen stond toen hij dit opschreef (het is hem
voor zover ik weet ook nooit gevraagd), maar maar algemeen wordt de uitspraak zo
opgevat dat als je maar over voldoende rekenkracht, doorzettingsvermogen en geduld
zou beschikken alles wat in de chemie van belang is, d.w.z. heel veel fysische en alle
chemische eigenschappen van stoffen, kwantitatief met behulp van zeg de
Schrödingervergelijking kan worden uitgerekend. In ieder geval ‘in principe’ zegt
men er meestal bij.
Nu is het zeker zo dat we tegenwoordig onder bepaalde aannamen veel kunnen
uitrekenen over de structuur van moleculen, van vloeistoffen en van vaste stoffen en
hun fysische en chemische eigenschappen. Toetsing van de resultaten in betrekkelijk
eenvoudige gevallen (zeg tien tot twintig lichte atomen) aan experimentele gegevens
leert dat een hoge graad van overeenstemming kan worden bereikt en dat zelfs met
enige regelmaat de interpretatie van experimentele uitkomsten moet worden bijgesteld
omdat ze niet stroken met de uitkomsten van berekeningen. Het nut voor de
verdieping van onze kennis en inzicht van dit soort berekeningen, de precieze (ab
initio), zowel als die gebaseerd op vereenvoudigde modellen van de materie, staat dan
ook vast. Maar het staat ook vast dat geen van deze berekeningen kan worden
uitgevoerd zonder op enige manier te refereren aan ons manifeste beeld van stoffen:
-
de beperking tot een bepaald aantal atoomkernen en elektronen
-
het kiezen van een gewenste oplossing uit een veelheid van mogelijkheden
-
het opleggen van benaderingen op fysische gronden (Born-Oppenheimer)
-
.....
Dit benadrukt niet alleen nog eens het primaat van het manifeste beeld, maar geeft
ook aan dat het een illusie is om te denken dat het geheel aan concepten en regels
waarop de chemie als wetenschap berust kan worden vervangen door
quantummechanische of klassieke bewegingsvergelijkingen van
veeldeeltjessystemen!
De conclusie moet zijn dat de chemie een natuurwetenschap is die zijn eigen
autonome ontwikkeling heeft doorgemaakt, een ontwikkeling die tot eigen
theoretische concepten en verbanden heeft geleid (zie tekst Douglas, McDaniel,
Alexander) om waargenomen verschijnselen te beschrijven en te verklaren
(‘chemische theorie’ vs ‘theoretische chemie of ‘quantumchemie).