Om het probleem van Mendelejev te kunnen begrijpen moeten we terug naar de allereerste wetenschap. Al 6 eeuwen voor Christus had men ideeën hoe de materie er uit zou moeten zien. Die ideeën kwamen uit Griekenland. De Griekse filosoof Thales was de eerste die bezig was met de wetenschap. Hij leefde van 640 tot 550 voor Christus. Hij woonde op een eiland dat Milete heette. Hij wandelde erg veel, en toen hij een keer in de heuvels van Milete liep ontdekte hij een paar fossielen. Hij wist zeker dat het fossielen waren en geen schelpen. Zo kwam hij erachter dat het eiland waarop hij liep ooit onder water had gelegen. Daarna kwam hij tot de conclusie dat water dan het belangrijkste element was omdat daaruit alle dingen ontstonden. Daardoor is hij de eerste filosoof genoemd omdat hij als eerste wetenschappelijk nadacht. Zijn manier van denken was wetenschappelijk omdat hij een conclusie trok uit bewijs dat hij had gevonden. De manier waarop hij dacht was erg uniek en zelfs tot op de dag van vandaag denken de filosofen zo. Het beste was ook dat Thales zich de vraag stelde: waarom gebeuren dingen zoals ze gebeuren. Toen hij die vraag wilde beantwoorden wist hij dat het iets had te maken met de materie waaruit de aarde bestond. Hij nam ook aan dat er op elke vraag een antwoord was. Voor het westen van de wereld was de ontwikkeling die Thales had gedaan het belangrijkste. Zijn theorie dat de wereld zich had ontwikkeld uit een element (water) was pas het begin. Later werd zijn theorie verder uitgewerkt door de leerlingen van Thales. Zij waren bekende filosofen die zich de Mileziërs noemden. Een van de filosofen Anaximenes ontdekte dat het niet klopte wat Thales beweerde.
Anaximenes zei: ‘als alles uit water heeft bestaan waarom ziet het er op de aarde dan zo verschillend uit.’ Hij dacht ook dat lucht het element was waardoor de aarde was ontwikkeld. Zijn reden was dat de hele aarde was omringd met lucht en als dat wordt samengeperst veranderd het in water. Als het verder werd geperst werd het aarde en als dat weer verder werd geperst dan zou het steen worden. Dit was de eerste poging om de verscheidenheid op de aarde te verklaren. Er was ook een nieuwe manier van denken ontdekt. Het was het begin van het filosofische debat. Thales overleed toen Anaximenes nog erg jong was.
Toen er oorlog kwam werd de Milezische school vernietigd, maar de filosofie had zich al veel verder verspreid. Ook Heraclitus was een filosoof en is geboren in 540 voor Christus. Hij was een mensenhater en werd op een gegeven moment door zijn dorpsgenoten het dorp uitgezet. Hij leefde een zwervend bestaan in de bergen. Heraclitus had zo zijn eigen idee over wat het fundamentele element. Hij dacht dat het vuur was. Verder kwam hij niet want hij ging dood omdat hij waterzucht (opzwollingen onder de huid) had.
Tijdens de 5e eeuw voegde Empedocles hier nog 3 elementen aan toe, aarde en lucht en vuur. Iedereen was het er mee eens dat er vier fundamentele elementen waren. Later blijkt dit helemaal fout te zijn. Thales had de theorie dat water het eerste element was, en dat is het begin van het wetenschappelijke idee wat een element is. Anaximenes werkte dit verder uit.
Later kwam de filosoof Leucippus op het idee om zich af te vragen of het mogelijk was dat je materie eindeloos kon blijven delen, of dat er een punt kan worden bereikt waar je niet meer verder kan delen. Hij vond het vanzelfsprekend dat je op een punt komt waar je de materie niet meer kon delen. Dit bracht hem op het idee van het atoom. In het Grieks betekent dit ‘onscheidbaar’. Hij was de eerste die zei dat de wereld uit ondeelbare atomen bestond.
Dat was een conclusie die hij nog geen eeuw later maakte dat Thales de aanzet had gegeven van het wetenschappelijk denken. Hij was ook een van de filosofen die op de school in Milete had gezeten, maar is verdreven uit Milete toen er een oorlog kwam. Hij was naar Abdera gevlucht en is daar een school begonnen. Zijn bekendste leerling was Democritus, hij ging verder met het idee over de atomen van Leucippus. Democritus beweerde dat er een ontelbaar aantal atomen waren en dat die voor altijd zouden bewegen. Hij zei ook dat er ontelbaar verschillende atomen waren die verschillen in vorm, omvang, gewicht en temperatuur. En dat elke verandering in de wereld wordt veroorzaakt door combinaties en recombinaties van de atomen. Deze ideeën van Democritus waren zijn tijd ver vooruit. Tijdens het leven van Democritus begon de gouden eeuw van de Griekse filosofie. En die gouden eeuw begon in Athene, dat was in die tijd de rijkste en machtigste stad geworden. Maar toen de gouden eeuw voor de filosofie was begonnen was er alweer een oorlog aan de gang en kon deze gouden eeuw niet worden voortgezet. Na de oorlog was de grootste Griekse filosoof Socratus, hij was geboren in 477 voor Christus. Hij was erg slim. Hij zei dat hij niets wist en als al de geleerden over hun ideeën vertelden ging hij er later over nadenken om te kijken of het wel klopte, en of het wel kon wat de geleerde zij. Dit is een vroege vorm van analyse. Alleen de manier waarop Socratus het deed was niet slim, omdat dit niet leidde tot het opbouwen van kennis maar het afbreken ervan. Socratus was niet erg geïnteresseerd in atomen, of in de elementen waaruit de wereld is opgebouwd. Zijn filosofie was eerder opgebouwd uit wat je zelf zag. Zijn favoriete spreekwoord was dan ook “ken uzelf”. Maar doordat hij zo’n rare manier had om aan zijn informatie te komen is hij ter dood veroordeeld. Socratus overleed 399 voor Christus.
Een van zijn leerlingen was Plato, hij kwam uit een Atheense familie en is de bekendste filosoof van de klassieke periode geworden. Plato opende in 387 voor Christus een academie. De academie was erg goed in wiskunde, maar dat bleef heel beperkt tot een paar figuren die je met een passer en een liniaal kon tekenen, omdat de andere figuren ‘er niet bij hoorden’. Ze hoorde er niet bij omdat alle andere vormen toeval waren, en waren net zo rommel waren als de wereld. De ‘goede’ figuren die hij bedoelde waren de figuren die niet in de natuur voor kwamen. Een goede leerling van Plato was Aristoles. Hij was een genie, en heeft door het hele egeische gebied gereisd. Hij heeft op elk gebied wel een bijdrage geleverd maar behalve op de wiskunde. Door Aristoles zijn prestaties werd de richting van de wetenschappelijke ontwikkeling gebruikt tot ver in de moderne tijd. Hij wist heel erg veel van alle wetenschappelijke onderwerpen van botanie tot geologie.
Plato en Aristotelis hadden een idee, dat leek op die van Empedocles.
Volgens hen gaven aarde, lucht, water en vuur meer de eigenschappen van
een stof weer. Als een stof vast was bevatte het element aarde. Als het
vloeibaar was water, tijdens een reactie kon dat veranderen. Neem alcohol,
verhit je dat dan gaat alcohol over in gas, (dit was de lucht)
Als alle alcohol verdampt was blijven er nog vaste opgeloste stoffen achter
(dit was dan de aarde)
Deze theorie klopte helemaal niet maar de filosofen trokken zich er niets
van aan. De wetten van Plato en Aristotelis zouden 2000 jaar standhouden.
Totdat Lavoisier proeven met vuur ging doen. Het gewicht van een element
voor de verbranding is lichter dan erna, dat klopt alleen als het in een
open ruimte verbrandt. Als hij deze proef deed in een afgesloten ruimte
stopte de verbrandingsreactie als 1/5 deel van de lucht verbruikt was.
Dus niet de hele hoeveelheid lucht deed mee met de reactie, maar een deel
ervan. Dat deel noemde hij oxygenium of zuurstof.
Zo langzamerhand ging men anders denken over elementen en men vond dat
lucht, aarde, water en vuur geen elementen waren.
Men dacht meer aan kwik dat al lang ontdekt was, omdat het kon reageren
met zuurstof. Alleen men wist nog geen manier hoe de elementen met elkaar
reageerden.
De verklaring kwam van John Dalton. Dalton ging er vanuit dat alle elementen
uit kleine deeltjes of atomen bestonden.
De chemische reactie vond plaats doordat de atomen van de stoffen met
elkaar reageren en de deeltjes die dan gevormd worden, het fundament voor
de nieuwe stof vormen.
Dalton dacht dat elementen, zo als ze nu zijn, bestonden.
En dat alle elementen verschillende atomen en eigenschappen hadden. Ze
zijn ondeelbaar en onvernietigbaar en konden ook niet veranderd worden.
Dalton kende ongeveer 20 soorten atomen. Die werden eerst nog met symbolen
aangegeven maar dat werd onoverzichtelijk. Men besloot de eerste letter
van de Latijnse naam te gebruiken.
Bijvoorbeeld de H van Hydrogenium en N van Nitrogenium. In het Nederlands
is dat waterstof en stikstof.
Ook ontdekte Dalton en andere scheikundigen dat elementen bindingsarmen
hadden. Sommige hebben er 1, bijv chloor, waterstof en broom. Zo kon waterstof
met chloor reageren tot waterstofchloride. Van ieder atoom 1 omdat ze
1 bindingsarm hebben. Als een element 2 bindingsarmen had kon het reageren
met 2 atomen met 1 bindingsarm. Bijv zwavel heeft er 2 bindingsarmen en
waterstof 1 die reageren tot diwaterstofsulfide. Ook waren er elementen
die helemaal geen bindingsarmen hadden, de edelgassen.
Waarom elementen nou 1 of 2 bindingsarmen hadden kon men in die tijd nog
niet verklaren.
Maar ook het atoommodel van Dalton was onjuist.
In 1897 ontdekte de Engelse natuurkundige Thompson het bestaan van elektronen.
Hij kwam hierop door een experiment van William Crookes. Crookes wilde
nagaan of gas atomen in een vacuüm elektriciteit overbrachten. Naarmate
er meer lucht werd weggezogen ontstond er een paars licht, nu bekend als
neonlicht.
Werd er nu nog meer lucht weggezogen dan begon er bij de positieve pool
een fel licht te gloeien. Deze elektronen waren dus negatief geladen,omdat
ze naar de positieve pool gaan, en ontstaan door het uiteenvallen van
gas atomen. Maar als er negatieve deeltjes waren moesten er ook positieve
deeltjes zijn, want een atoom is neutraal.
Zes jaar later werd bewezen dat ze bestonden uit de overblijfselen van
atomen waarvan de elektronen verwijderd waren.
Thompson dacht dat er in een atoom geen positieve deeltjes zaten, maar
dat het atoom positief was en dat er negatieve deeltjes in rondzweefden.
De negatief geladen deeltjes waren gelijk aan het positieve deel van het
atoom zodat het atoom neutraal was.
Thompsons atoommodel hield het ook niet lang vol.
Binnen enkele jaren had Ernest Rutherford dat d.m.v. experimenten verbeterd.
Voor zijn experimenten gebruikte hij het radioactieve Radium. Hij gebruikte
deze stof omdat het spontaan deeltjes uitzendt, de radioactieve straling
Rutherford had de deeltjes van Radium onderzocht. Hij ontdekte dat deze
deeltjes met een snelheid van 19000 km/s uit het Radium werden weggeschoten.
Het gewicht van deze deeltjes was 8000 keer zo groot als dat van een elektron.
Toen Rutherford begon met zijn experimenten richtte hij deeltjes op een
goudfolie van 1/100 mm dik. Hij volgde het nevelspoortje dat de deeltjes
achterlieten. De meeste deeltjes gingen dwars door de folie heen. Maar
sommige bogen een beetje af , er moest dus iets stevigs in een goudatoom
zitten. De elektronen zouden dat niet zijn, want die zijn te licht en
te klein om zo`n deeltje uit zijn richting te brengen.
Als het atoommodel van Thompson juist was geweest was voor dit verschijnsel
geen verklaring geweest. Rutherford ging er van uit dat er positieve deeltjes
bestonden, die in de kern van een atoom bij elkaar zitten.
Nu de positieve deeltjes, die protonen werden genoemd, zich in de kern
bevonden ging Rutherford zich afvragen, hoe het atoom in elkaar zat. Hij
tekende een atoom met in de kern de positief geladen deeltjes en om deze
kern draaiende elektronen.
In de kern van het atoom zitten de protonen (positief) en de neutronen
(neutraal)
Om de kern zweven de elektronen (als een soort wolk). Ze zijn negatief. Het aantal protonen en elektronen in een atoom zijn gelijk. Het atoomnummer van het een atoom geeft het aantal protonen weer. Je hebt ook nog het massagetal. Het massagetal is het aantal protonen en neutronen bij elkaar. Conclusie massagetal - protonen = neutronen, en natuurlijk ook andersom. massagetal - neutronen = protonen.
Het atoommodel van Rutherford.
Sinds 1912 hebben wetenschappers de theorie van Rutherford gewijzigd.
In 1914 kwam de Deense natuurkundige Niels Bohr erachter dat elektronen
in een bepaalde baan om het atoom draaien en dat elektronen zich in schillen
bevinden
Bij een waterstofatoom beweegt 1 elektron in de schil om de kern.
Het volgende element Helium bevat 2 elektronen om de kern, en dan zit
de eerste schil vol. En zo gaat het verder, in de 2e schil passen 8 elektronen.
Maar wat wil dit nu eigenlijk zeggen?
Atomen waarvan de buitenste schil nog niet helemaal vol is, hebben de
neiging om deze vol te maken. Dat kan door de buitenste schillen van andere
atomen te gebruiken. Ze delen dan samen de elektronen.
Bijvoorbeeld keukenzout, NaCl , natrium heeft 1 elektron in de buitenste
schil en chloor 1 te weinig om zijn schil vol te krijgen. In een reactie
staat natrium 1 elektron af en neemt chloor er 1 op. Chloor heeft dan
de buitenste schil vol en natrium de schil daaronder compleet omdat het
een deeltje heeft afgestaan. We zeggen dan dat natrium elektronpositief
atoom is en chloor elektronnegatief atoom is, in dit geval na 1+ en Cl
-.
Daarmee is ook zij ook de bindingsarmen van Dalton te verklaren.
Later in 1932 werden er nog meer deeltjes in de kern ontdekt, men noemde
die neutronen omdat ze geen lading bevatten.
Ze hebben de functie er voor te zorgen dat de protonen van elkaar weg
worden gehouden. Verder dragen ze bij aan de atoommassa
Met protonen en neutronen in de kern en elektronen die in ‘schillen’
om het atoom draaien, kennen we het atoommodel vandaag.