Wat is een element?

Als scheikundige begrippen krijg je niet veel fundamentelers dan het element. Het is een van de eerste ideeën die de scheikundestudent tegenkomt, vaak in de iconische tabel van deze basisingrediënten van de natuur die Dmitri Mendelejev 150 jaar geleden voor het eerst beschreef en die dit jaar wordt gevierd. En toch kan niemand precies zeggen wat een element is. De vraag werd met veel kracht en af en toe passie besproken tijdens een bijeenkomst van de International Society for the Philosophy of Chemistry in Bristol in juli 2018 – maar nog steeds zonder enige consensus op te leveren.

Dat is geen verrassing. Enkele van de knapste koppen in de chemie, waaronder Antoine Lavoisier, Mendelejev zelf, en pionier van de nucleaire chemie Frederick Soddy, hebben ermee geworsteld, maar toch blijft een beknopte en alomvattende definitie ongrijpbaar. En sommige deelnemers aan de bijeenkomst suggereerden dat dit misschien maar beter was.

Voor anderen is het een aanwijzing dat de chemie nog heel wat filosofisch denkwerk te verrichten heeft. Chemie begrijpt zichzelf niet als een discipline,’ zegt filosoof Farzad Mahootian van de New York University in de VS. Het is niet alleen de definitie van een element; concepten als moleculen, bindingen en zelfs het karakter van het periodiek systeem zelf blijven vaag: bedrieglijk vertrouwd door regelmatig gebruik door beoefenaars, maar zonder een betekenis waarover iedereen het eens is. Er is behoefte aan filosofische reflectie over aspecten van de chemie die we op een nogal mechanische manier onderwijzen,’ zegt Eric Scerri van de University of California Los Angeles in de VS, redacteur van het tijdschrift Foundations of Chemistry.

Het lijkt redelijk om te verwachten dat de chemie een eenduidige definitie geeft

De betekenis van een ‘element’ is een favoriet onderwerp van discussie onder scheikundigen buiten diensttijd. We zijn het er (toch?) over eens dat waterstof een element is – maar wat bedoelen we daarmee? Is moleculair waterstofgas een element? Of het geïsoleerde waterstofatoom? Of hebben we het niet over een feitelijke stof, maar over een ’transcendentale’ opvatting van waterstof waarvan de feitelijke atomen en moleculen slechts materiële vertegenwoordigers zijn?

Sommigen zullen misschien zeggen: wat maakt het uit? We weten wat we in de praktijk bedoelen. Als ik zeg: ‘Zwavel is een element dat een gele vaste stof vormt met een penetrante geur’, verwacht ik geen bezwaren. Hetzelfde geldt als ik zeg: “Zwavel is het tweede element in groep 16 van het periodiek systeem”. Maar dat zijn twee heel verschillende dingen.

Volgens theoretisch scheikundige Eugen Schwarz van de universiteit van Siegen in Duitsland is de typische houding te zeggen: ‘Ik weet dat de manier waarop ik over elementen spreek niet echt correct is, maar iedereen doet het, en de studenten zullen het uiteindelijk wel uitvinden.’ Maar ‘mijn persoonlijke gevoel als chemicus is dat men zich deze gewoonte niet eigen moet maken’, voegt hij eraan toe.

Elena Ghibaudi van de universiteit van Turijn in Italië maakt zich zorgen dat dit verzuim om een element precies te definiëren problemen oplevert voor het begrip, de communicatie en het vertrouwen in het onderwijs. Wanneer twee scheikundedeskundigen over elementen discussiëren, zijn zij in staat de betekenis van de context te onderscheiden, maar in de klas is dat niet het geval”, zegt zij. Schwarz wijst erop hoe, omdat sommige elementen geassocieerd worden met giftige stoffen – chloorgas, bijvoorbeeld, of zwavel in de zwaveldioxide die vrijkomt bij het verbranden van kolen en olie – het element zelf als inherent giftig kan worden beschouwd, en kwetsbaar voor chemisch ongeletterde verboden. ‘Ik weet niet hoe ik het publiek duidelijk moet maken dat alleen sommige verbindingen van een bepaald element giftig zijn, en zelfs dat alleen boven een bepaalde concentratie, terwijl te weinig van datzelfde element zelfs gezondheidsproblemen kan veroorzaken,’ zegt hij.

‘Het begrip element staat centraal in de chemie en dient een aantal doelen,’ zegt Ghibaudi. Het identificeert bijvoorbeeld wat onveranderd blijft in een systeem dat een chemische transformatie ondergaat, en het maakt onderscheid tussen chemische en nucleaire veranderingen. Het lijkt dus redelijk om te verwachten dat de chemie een eenduidige definitie kan geven. Maar kan dat ook?

Aarde, wind en vuur?

Zoals het idee van atomen, lijden elementen eerder onder dan dat zij profiteren van een illusie van continuïteit in een lange traditie van denken. Het populaire verhaal wil dat de oude Grieken dachten dat er slechts vier elementen waren – aarde, lucht, vuur en water – maar dat wij vanaf ongeveer de achttiende eeuw begonnen in te zien dat er meer dan vier zijn, en dat er geen enkele overeenkomt met deze oude elementen. De waarheid is complexer. Om te beginnen waren de vier elementen die aan Empedocles werden toegeschreven en die in de filosofie van Aristoteles zijn verankerd, geenszins het enige schema voor de fundamentele bouwstenen van de materie in het Griekse denken. En vóór de gouden eeuw van de scheikunde aan het eind van de Verlichting waren de “elementensystemen” nogal wazig. De 16e eeuwse Zwitserse arts Paracelsus stelde drie fundamentele ‘principes’ voor: zwavel, zout en kwik, terwijl verschillende andere schema’s (waaronder fictieve elementen als flogiston) tijdelijke steun genoten.

Moet elke isotoop zijn eigen plaats innemen in het periodiek systeem?

Dit waren trouwens niet noodzakelijk concurrerende alternatieven. Het idee van een element had, net als dat van een atoom, een nogal uiteenlopende connotatie, en betekende niet noodzakelijkerwijs een oermaterie. De drie principes van Paracelsus, bijvoorbeeld, werden meer gezien als eigenschappen dan als ingrediënten: zwavel stond voor brandbaarheid, zout voor vastheid en kwik voor vloeibaarheid.

Robert Boyle wordt terecht geroemd om het feit dat hij enige helderheid in het begrip bracht toen hij, in zijn boek The Sceptical Chymist uit 1665, voorstelde dat een element een substantie was die niet kon worden gereduceerd (‘geanalyseerd’) tot iets eenvoudigers. Maar Boyle’s definitie vertelt je alleen wanneer je een element hebt, en niet wat een element is en wat het van het andere onderscheidt. En het is zeer voorlopig, gegijzeld door je analytisch vermogen. Hoe kon je er zeker van zijn dat je een element had en niet gewoon een verbinding waarvan nog niemand een manier had gevonden om het in zijn bestanddelen op te splitsen? Dat kon je inderdaad niet, en daarom komen moeilijk te splitsen oxiden, zoals aluminiumoxide en silica, als elementen voor in 18de-eeuwse lijsten zoals die in Antoine Lavoisier’s invloedrijke Traité Élémentaire de Chimie uit 1789. Lavoisier volgde Boyle in zijn bewering dat een element het eindstadium van de analyse vertegenwoordigt.

John Dalton bracht iets fundamentelers in de definitie van Lavoisier toen hij in 1808 beweerde dat de specifieke eigenschappen van elementen voortvloeien uit die van hun samenstellende atomen, gevisualiseerd als kleine, harde, bolvormige deeltjes. Tegen de tijd van Mendelejev in het midden van die eeuw werd erkend dat verschillende elementen verschillende atoomgewichten hebben, en bij het opstellen van zijn periodiek systeem gebruikte Mendelejev een ordening van de elementen op basis van hun atoomgewicht. (Hij gebruikte zelf de term ‘elementair gewicht’, omdat hij niet in atomen geloofde.)

De ontdekkingen van radiochemici als Soddy, en natuurkundigen als Ernest Rutherford en Henry Moseley, brachten tegen de jaren 1920 het inzicht dat de meer fundamentele eigenschap van de atomen van een element hun atoomnummer Z is – het aantal protonen van hun kernen – dat hetzelfde is voor alle atomen van een bepaald element. Francis Aston ontdekte in 1922 isotopen, die dezelfde Z hebben maar een verschillende atoommassa. Maar als Z voor twee atomen verschilt, zijn het verschillende elementen.

Wat bedoelen we met ‘koolstof’? Diamant, een atoom met Z = 6 of C60

In het begin gooiden de isotopen echter een kat tussen de duiven. Hun ontdekking was een uitdaging voor de definitie van een element,’ zegt Ghibaudi. Er was een levendig debat over het begrip chemisch element onder chemici en natuurkundigen. De vraag was of elke isotoop zijn eigen plaats in het periodiek systeem moest innemen of niet. In 1923 kwam een internationaal comité overeen om de identificatie van het chemisch element te baseren op het atoomnummer in plaats van het atoomgewicht.

Dat, zou je kunnen denken, zou het einde van de zaak kunnen zijn: elementen worden gedefinieerd door Z. Het probleem is, dat dit niet helemaal is hoe chemici het woord gebruiken. In een baanbrekend artikel over de definitie van elementen in 1932, gaf de Duitse scheikundige Friedrich Paneth twee verschillende definities toe, die hij Einfacher Stoff noemde – meestal vertaald als ‘eenvoudige stof’ – en Grundstoff, of ‘primaire/basisstof’. De eerste verwijst naar Lavoisiers notie van echte, fysische stof die niet met chemische methoden kan worden herleid tot meer elementaire ingrediënten, de tweede naar een abstract begrip: ‘zuurstof’, bijvoorbeeld, als een soort atoom met Z = 8.

Ghibaudi betwijfelt of we zelfs nu het dualisme van Paneth te boven zijn gekomen. Iupac geeft momenteel een dubbele definitie van ‘element’ in zijn ‘Gold Book’ van de chemische terminologie, waarin staat dat het woord kan verwijzen naar ofwel een ‘soort atoom’ (wat Ghibaudi ziet als verwant aan Paneth’s ‘basissubstantie’) of, nogal tautologisch, naar een ‘zuivere elementaire substantie’.

Deze dubbele betekenis is ongemakkelijk. Zoek ‘zuurstof’ op op een elementen website, en je krijgt waarschijnlijk te horen dat het Z = 8 heeft, en misschien een bepaalde elektronische configuratie en positie in het periodiek systeem – maar ook dat het een zeer reactieve stof is met de formule O2 en een kookpunt van -183°C. Volgens de chemicus Mark Leach, die de website voor chemiebronnen meta-synthesis.com beheert, is dit een slordige samenvoeging van twee heel verschillende soorten gegevens: het ene verwijst naar Paneths “basisstof” (een abstract ideaal), het andere naar zijn “eenvoudige stof” (een echte stof). Dat kan toch niet goed zijn?

Wat meer is, zegt Leach, onze hele notie van het periodiek systeem mengt de twee op een onhandige manier. We kunnen ons voorstellen dat het een tabel is van ‘basisstoffen’ – dat is ongeveer hoe Mendelejev het zag. Maar het hele idee van periodiciteit verwijst naar feitelijke chemische eigenschappen van echte dingen: de valentie in chemische verbindingen, eigenschappen zoals ionisatie-energie, metaalkarakter enzovoort. Als de basisstof alleen de eigenschap Z heeft, is er slechts een eenvoudige lijst,’ zegt Leach. Waar komt dan de structuur van het periodiek systeem vandaan?’

Sommige populaire weergaven van het periodiek systeem tonen zelfs foto’s van de ‘eenvoudige’ materiaalvormen van de elementen: diamant of grafiet voor koolstof, enzovoort. Het is dus een verwarrende mash-up – en misschien moet dat ook wel. Je hebt een oordeelkundig compromis nodig van zowel de basiseigenschappen als de eenvoudige eigenschappen om het te construeren,’ zegt Scerri.

Dit is geen triviale zaak. Er wordt bijvoorbeeld nog steeds gediscussieerd over de vraag of de elementen onder yttrium in groep 3 lanthaan en actinium, of lutetium en lawrencium moeten zijn. Het geschil komt erop neer of men vindt dat de tabel “fundamentele” kenmerken zoals de elektronische configuratie moet weergeven, of waarneembare kenmerken zoals het chemisch gedrag. Deze argumenten worden nog dubbelzinniger zodra relativistische effecten (als gevolg van de zeer hoge snelheden van binnen-schil elektronen) beginnen te spelen met chemische periodiciteit onder de door de mens gemaakte superzware elementen.

Dit wordt zwaar

Dat is niet de enige complicatie die de superzware elementen met zich meebrengen. De verwarring over de vraag of een element ‘stuff’ of ‘concept’ is, komt voort uit het feit dat ze in het verleden beide zijn geweest. Maar heeft een nieuw element werkelijk dezelfde aanspraak op de werkelijkheid als het slechts bestaat als een handvol atomen die minder dan een seconde stabiel zijn, zoals het geval is met sommige van de nieuwste kunstmatige elementen, zoals tennessine? Als elementen deels worden gedefinieerd door hun chemische eigenschappen, hoe zit het dan met elementen die niet lang genoeg bestaan om enige zinvolle chemische interactie aan te gaan, en die in elk geval alleen worden gemaakt als sterk geladen ionen die nooit een volledige aanvulling van elektronen krijgen? In welke zin zijn het elementen als ze maar een milliseconde of twee bestaan?” vraagt Scerri. Ik denk niet dat we ze ooit in flessen zullen kunnen stoppen.”

In welke zin zijn het elementen als ze maar een milliseconde of twee duren?

Radiochemie heeft altijd een beetje onwennig in de chemiestal gezeten. Een gangbare manier om over chemische elementen te denken is als de ‘behouden grootheden’ van de chemie. Net zoals massa en energie in de natuurkunde nooit worden vernietigd (hoewel ze natuurlijk wel onderling kunnen worden omgezet), zo is de fundamentele behoudsregel van de chemie dat elementen blijven bestaan: je beëindigt een reactie nooit met minder koolstof dan waarmee je begon. Maar in de radiochemie, waar een element in een ander element kan vervallen, is dat wel het geval. Of dit radiochemie überhaupt tot de scheikunde rekent, is omstreden sinds de begindagen, toen de Nobelcomités voor natuur- en scheikunde elkaar beconcurreerden wie de prijzen moest toekennen aan Curies en Rutherford (die nu beiden in de namen van de elementen “opeisen” voor de scheikunde).

Deze turfoorlog is nooit afgelopen, zoals blijkt uit het laatste gekibbel tussen de Internationale unies van zuivere en toegepaste natuurkunde en scheikunde (Iupap en Iupac) over de vraag wie zich mag uitspreken over de bevestiging van nieuwe elementen. Natuurkundigen zeggen dat alleen zij over voldoende deskundigheid beschikken om de beweringen van atoomschokkende experimenten met deeltjesversnellers te beoordelen. Maar chemici zijn er niet blij mee dat een andere groep bepaalt wat er in hun meest gewaardeerde icoon, het periodiek systeem, komt te staan.

Wie ook de beslissing neemt, deze nieuwe elementen zijn geen dingen die je in je hand kunt houden. Ze benadrukken de nieuwe relevantie van tijdschalen. Het is aannemelijk dat elke fusie van kernen die langer duurt dan de typische tijdschaal van nucleaire verstrooiing, ongeveer 10-10 s, zou kunnen gelden als de vorming van een ander element. Maar rechtvaardigt een fusie gemeten in nanoseconden dat werkelijk, of is het slechts een soort resonantie? Daarom, zegt Schwarz, “moeten we, als we het over elementen hebben, ook over tijdschalen praten”. Hij vraagt zich af of een ‘element’ niet op zijn minst een entiteit moet zijn die in principe in staat is moleculen te vormen. Chemie is een ambacht en wetenschap van echte materialen,” voegt hij eraan toe – maar “voor natuurkundigen is een kern een element”. Iupac, ondertussen, kondigde onlangs nieuwe criteria aan voor de ontdekking van superzware elementen die bevestigen dat de tijdschaal van bestaan om in aanmerking te komen voor de status van element slechts
10-14s.

Het ding op zich

Het probleem van de elementen toont aan dat, zoals Scerri zegt, chemie filosofie nodig heeft. De kwestie van het “chemische element” roept, net als sommige andere kwesties in de scheikunde zoals de begrippen substantie en structuur, filosofische vragen op, en kan dus niet worden opgelost zonder een beroep te doen op ideeën uit de filosofie”, aldus Ghibaudi. In zekere zin gaat de vraag terug tot Plato, wiens notie van ‘ideale’ ongrijpbare vormen ten grondslag lag aan zijn visie op feitelijke fysische entiteiten. Paneths abstracte ‘basissubstantie’ wordt soms ook besproken in termen van Immanuel Kants notie van het Ding an sich – het ‘ding op zichzelf’, of het fundamentele aspect van de werkelijkheid buiten het bereik van onze (feilbare) zintuigen.

Bevat de ‘basale’ definitie van een element alle ‘eenvoudige’ kenmerken die erin voorkomen?

Maar als het een filosofische kwestie is die niet door empirie kan worden opgelost, moeten we misschien gewoon een keuze maken tussen Paneth’s ‘basissubstantie’ en ‘eenvoudige substantie’ als definitie van een element? Sommige onderzoekers denken van wel. Scerri, ondertussen, suggereert dat de aard van een element niet slechts tweeledig is, maar drieledig: wat van belang is voor de substantie van een element zijn niet alleen de eigenschappen van het ruwe materiaal, maar ook de eigenschappen van zijn verbindingen. Het is immers een van de grote wonderen van de scheikunde dat in natriumchloride geen spoor overblijft van het reactieve grijze metaal en het giftige groene gas.

De invoering van een aparte nomenclatuur voor de definities “eenvoudig” en “elementair”, zodat diwaterstofmoleculen niet langer worden beschouwd als “het element waterstof”, zou een hervorming van diepgeworteld chemisch taalgebruik vereisen. Maar Sarah Hijmans van de Université Paris-Diderot in Frankrijk vraagt zich af of we zo ver moeten gaan. Misschien, zo suggereert zij, kunnen we het woord ‘element’ beschouwen als een woord dat op beide definities berust. Zij zegt dat er in de tijd van Lavoisier geen andere keuze was dan te kiezen voor de analytische definitie, omdat we vrijwel niets begrepen van wat elementen op fundamenteel niveau onderscheidt. Geleidelijk aan is de balans meer doorgeslagen naar een ‘fundamentele’ definitie in termen van Z. Maar het is duidelijk dat het empirische, ‘chemische’ gezichtspunt nog steeds waarde heeft, zoals het periodiek systeem illustreert.

Misschien is het de vraag of de twee eigenlijk wel met elkaar in strijd zijn. In zekere zin is er voor chemici helemaal niets zinnigs te zeggen over Z, omdat de kern vrijwel geen directe rol speelt in chemisch gedrag. Het aantal protonen is slechts een benadering van wat voor de chemie van belang is: het aantal elektronen, alsmede hun configuratie en energieën.

Maar die zijn, gegeven een bepaalde Z, vooraf bepaald door de regels van de kwantummechanica. Ze kunnen worden voorspeld. En met die informatie kunnen we in principe veel chemisch gedrag voorspellen, zoals welke verbindingen het element zal vormen. We kunnen zelfs de fysische eigenschappen van sommige elementen voorspellen: allotrope vormen, smeltpunten enzovoort. Bevat de ‘basisdefinitie’ van een element dus alle ‘eenvoudige’ eigenschappen, die aan het licht komen naarmate onze rekencapaciteiten beter worden?

Misschien moeten we echter accepteren dat het begrip element altijd omgeven zal blijven door een zekere vaagheid. En misschien is dat niet zo erg. Scheikundigen zijn er tenslotte aan gewend – zoals Nobelprijswinnaar Roald Hoffmann heeft opgemerkt, zij gebruiken altijd begrippen die geen unieke en precieze definitie hebben, zoals elektronegativiteit en ionstraal, zonder dat dat hun waarde voor het vakgebied vermindert. Vaagheid speelde een nuttige rol in het denken,’ zegt Mahootian. Misschien gaat het niet om de vaagheid zelf, betoogt hij, maar om de zekerheid dat het niet louter slordigheid is.

Wat is dan koolstof? Het antwoord, zegt Schwarz, kan afhangen van tegen wie we het hebben. Voor verschillende doelgroepen en verschillende doeleinden kan het roet zijn; het kan element zes zijn, het kan een natuurlijk mengsel van isotopen zijn of een bestanddeel van methaan. Elementair, echt.

Philip Ball is een wetenschapschrijver uit Londen, UK