Streven. Jaargang 2

[p. 523]

Wetenschappelijke kroniek
Ter gelegenheid van het toekennen van een Nobelprijs: het 'Zwaar Water'
door Prof. Hub. Gesp.

Wanneer bij de laatste uitreiking der Nobelprijzen onze lezers vernamen dat de prijs voor scheikunde verleend werd aan den ontdekker van het 'zwaar water' zal meer dan een onder hen zich afgevraagd hebben: bestaat er dan meer dan één soort scheikundig zuiver water; wat is dat zwaar water en hoe kwam men er toe het te ontdekken?

Ten behoeve van de met de hedendaagsche atoom-physica minder vertrouwden zullen we dan ook in deze korte bijdrage trachten te schetsen welke reeks van hypothesen, gedachtenwisselingen, ontdekkingen tot het 'zwaar water' geleid hebben, waaruit dit bestaat en welke gevolgen het ontdekken ervan kan en zal uitoefenen..

Vertrekkend van de eenvoudige atomen, de uiterst kleine, kogel-ronde, zich tot molekulen samenvoegende elementaire bolletjes, door Dalton vooropgesteld, hebben de geleerden der negentiende eeuw getracht de natuur- en scheikundige processen te begrijpen en te verklaren, terwijl ze van het 'Ding an sich' zoo weinig afwisten dat sommige hunner, met Wilhelm Ostwald (de medeonderteekenaar van het manifest der duitsche intelektueelen 1914) als aanvoerder, de atoomhypothese als schadelijk uit de wetenschap hebben willen verbannen. Er werd dan ook eerst aan Rutherford en Perrin gegeven het bestaan der atomen en molekulen onomstootelijk te bewijzen.

Maar voor hen die de atoom-hypothese aankleefden stelde zich al dadelijk de vraag: welk is het verband tusschen de verschillende atomen? Vormen ze een reeks en welk is dan de schakel? Want het ideaal der mideleeuwsche alchimisten werd door den denkenden mensch nooit losgelaten en het zoeken naar de oerstof, eenig uitgangspunt van een noodzakelijk verband tusschen de ons bekende stoffen, waarvan de ontdekking de transmutatie zou mogelijk maken, bleek steeds een der machtigste faktoten van vooruitgang in het natuuronderzoek.

Bij de oplossing dezer vraag kwam men vooreerst tot de bepaling der respectieve (betrekkelijke) atoomgewichten der verschillende ele-

[p. 524]

menten, met als eenheid het atoomgewicht van het lichtste onder hen de waterstof. En nu bemerkte men weldra dat het atoomgewicht van een heele reeks elementen ten opzichte van de gekozen eenheid door een geheel getal, of een getal dat de eenheid fel benadert, uitgedrukt wrd. Het is dan ook niet te verwonderen dat reeds in 1816 Proust tot de conclusie kwam 'dat de atomen der overige elementen uit waterstof-atomen opgebouwd waren' (condensatieprodukten van waterstofatomen zouden zijn.) Men zocht verder, stelde vast dat sommige atoomgewichten in geen geval een geheel getal vormden (bijv. het atoomgewicht van zuurstof tegenover waterstof) en... de hypothese van Proust werd zonder meer verworpen.

Volgden de triaden van Doebereiner: Wanneer we sommige elementen groepeeren, dan bekomen we reeksen met gelijkaardige scheikundige eigenschappen als zijn: de halogenen: chloor broom en jood, de amphigenen: zwavel seleen en teiluur, aardalkaliën als calcium, strontium, barium; voorbeelden van 'Triaden' waarmede de atomen blijkbaar nauw verwant moeten zijn.

Die verwantschap, dit verband trad geheel naar voren in de wet der perioden, het periodiek stelsel, reeds in 1863 door John Newlands vooropgesteld, op hoongelach onthaald, maar door Mendeleeff en Lothar Meyer onaanvechtbaar bewezen en in de bekende tafel vastgelegd. Zoo onomstootbaar vastgelegd dat Mendeleeff het mocht beleven dat elementen die onbekend waren toen hij zijn rooster opstelde (scandium, gallium, germanium) bij hunne ontdekking onder alle opzichten die eigenschappen vertoonden welke hij, op grond van de plaats welke hij er voor in zijn rooster open liet, voorspeld had.

Maar wanneer we den rooster nauwkeurig onderzoeken dan bemerken we dat bijv. telluur met atoomgewicht 127,5 voor jood (atoom gewicht 126,92) geplaatst werd: hoe glansrijk de rooster ook alle proeven doorstond, aan het beginsel moest er iets haperen: de gevonden atoomgewichten zouden niet als basis blijven.

En nu men bewezen had dat de atomen verwant waren, diende ook die verwantschap verklaard, moest de schakel opgespoord.

De scheikunde alleen vond geen uitweg; de natuurkundigen sprongen bij: de atoomphysica ontstond.

Die schakel tusschen de atomen moest noodzakerlijkerwijze iets zijn, kleiner dan de atomen zelf, waarvan de verscheidene deeltjes door onderlinge groepeering de atomen vormen: ionen en elektronen.

Het atoom bleek te bestaan uit een positief geladen kern het proton (neutron-positron) die de massa van het atoom daarstelt (vormt) zetel der natuurkundige eigenschappen, en uit van één tot twee en negentig elektronen, negatief geladen, 1800 maal kleiner dan de kern, en welke over een of meerdere banen (al naar gelang hun aantal) rond den positieven kern wentelen en aan het atoom de scheikundige karakteristieken verleenen.

[p. 525]

De kernlading van het waterstof-atoom werd nu als eenheid genomen; de atoomnummers vervingen de atoomgewichten om de volgorde der elementen vast te stellen; en zie: nu kwam jood achter telluur! Om de elementen in den rooster volgens de wet der perioden te doen volgen moest, aan de volgende niet meer getornd worden.

Verliest nu een atoom een zijner elektronen of komt er een vreemd elektron bij dan krijgt het atoom wier ladingen zich tot nog toe neutraliseerden een bepaalde (positieve of negatieve) lading: het ioniseert.

Eerst werden de elektronen bestudeerd (ionisatie der gassen, cathodestralen, Crookes-buis), dan volgde de studie der positief geladen deeltjes (Kanaalstralen, Goldstein en Wien).

Hierover uitweiden zou ons te ver brengen.

Nu had eerst in 1886 Sir William Crookes, als eerste, verklaard dat er elementen waren, (o.a. calcium) die weliswaar bijna geheel bestonden uit atomen van het bekende gewicht, doch die ook atomen bevatten waarvan het gewicht met dat van dat van de tafel van Meneleeff verschilde.

Door de studie der negatieve en posieve stralen (atoomdeeltjes) werd er een groote stap vooruitgedaan in het bepalen der atoomgewichten, hunner massa en lading.

Voor de positieve stralen trad Sir J.J. Thomson als baanbreker op door de afwijkingen te onderzoeken die de positieve stralen (de kerndeeltjes) ondergingen wanneer men ze door een electrisch magnetisch veld deed strijken: het gevolg zijner studie was het vinden van een nieuwe methode voor het bepalen der atoomgewichten. Maar de werken van Sir Thomson waren nog niet nauwkeurig genoeg: ze werden verbeterd door Aston die door zijn ontdekking van den massaspectograaf een ware evolutie deed ontstaan.

Bij het onderzoeken van het nóon in de spectograaf stelde Aston vast dat er in de spectra van dit edelgas, dat als element bekend stond, twee soorten van atomen aanwezig waren met een verschillend gewicht, twintig en twee en twintig. Door deze ontdekking werd het beweren van Crookes bevestigd, maar de atoom-hypothese van Dalton omvergeworpen: alle atomen van een zelfde element zijn niet gelijk: de bouw van hun kern, de verhouding lading: massa verschilt.

Er bestaan dus stoffen, Isotopen genaamd, die onder scheikundig opzicht volkomen met elkaar overeenstemmen, maar waarvan de atomen een verschil in gewicht aanduiden (Telluur 130, 128, 126, 124, 122, 123) atoomnummer 52; Jood atoomgewicht 126,92 isotoop 127, atoomnummer 53 enz.). En wat merkwaardig is, het atoomgewicht der verschillende isotopen (uit 70 elementen zijn ze reeds gekend) blijkt, op zeer weinig uitzonderingen na, wel, uit geheele

[p. 526]

getallen te bestaan, zoodat de hypothese van Proust (ook nog om ander reden) herleeft.

Het is nu te begrijpen dat men zou trachten de verschillende isotopen uit elkaar te scheiden. Langs scheikundige weg was dit niet te bereiken daar de verschillende isotopen wel in hunne natuurkundige, maar niet in hunne scheikundige eigenschappen verschillen (zelfde aantal elektronen, zelfde kernlading). Dan maar geprobeerd langs natuurkundigen weg.

Hertz gelukte erin de isotopen van het néon te scheiden bij middel van poreuze buizen, die in een wijdere glazen buis geplaatst werden: de lichter molkulen van het gas dringen natuurlijk spoediger door den poreuzen wand dan de zwaardere, en deze blijven in de binnenste buis achter: na herhaalde bewerkingen was de scheiding voldoende.

In 1932 werden nu door den Amerikaan Urey de isotopen der Waterstof ontdekt. Ook deze trachtte men te scheiden, en alhoewel het groot verschil in gewicht der atomen, waarvan ditmaal het eene zooveel weegt als het andere, de scheiding fel in de hand zou moeten werken, werd die hier toch heel wat moeilijker door het feit dat de verhouding der zware isotopen in de waterstof slechts 1/6000 uitmaakt van de lichte. Toch kwam Hertz er toe de scheiding door zijne methode te bewerkstelligen.

Naar andere methoden werd gezocht en de amerikaan Lewis slaagde erin de waterstof-isotopen te scheiden door electrolyse van water: Hij bekwam echt 'Zwaar Water'...

Gesteld de formule van het water H2O.

gezien er van waterstof twee isotopen bestaan: Hydrogenium, atoomgewicht 1, en Deuterium of Diplogenium (ingevoerde namen voor zware waterstof) atoomgewicht 2,

zijn er dus drie watermolekulen mogelijk

H2O	molekulgewicht	18
D2O	molekulgewicht	22
HDO	molekulgewicht	19

Meer nog: er zijn ook isotopen voor zuurstof ontdekt: O¹⁸ (maar weinig) en O¹⁷ (nog minder). Men moet nu precies niet heel wiskundig onderlegd zijn om te kunnen uitrekenen hoeveel verschillende molekulgewichten voor water kunnen gevonden worden uit de combinaties 2H of 2D of HD verbonden aan O¹⁶ of O¹⁸ of O²⁷.

Scheikundig zijn al die watermolekulen gelijkwaardig, want alleen de faktoren welke hunne physische eigenschappen bepalen verschillen.

Worden dertig liter water zoolang elektrolytisch behandeld dat finaal een kubiek centimeter water overblijft, dan zal dit zuiver D²O blijken: vriespunt 3, 8 C. Kookpunt 101,4 C.; dichtheid bij 20^o C. 1.1056.

[p. 527]

Drijft men nu ammoniakgas (NH³) in zulk water en dan weer eruit dan is het water lichter, het gas zwaarder geworden en heeft ander natuurkundige eigenschappen gekregen.

Ook bij verschillende organische stoffen, organische zuren en koolhydraten werd H door D gesubstitueerd, met telkens het te verwachten gevolg. Wat al nieuwe mogelijkheden zoo voor de scheikunde als voor de nijverheidstechnologie!

Lit. Voor diepgaandere studie over dit onderwerp bevelen wij vooral 'Molekulen en Atomen' Dr. E.H. BUCHNER, 5^e druk 1935 wereldbibliotheek A'dam aan, waaraan we voor het opstellen van dit artikel veel verschuldigd zijn.

Verder Moll & Burger, Leerboek der Natuurkunde; Noordhoff (derde deel: atoomphysica).

J. Tillieux. Natuurkunde volgens de moderne Theorieën. De Meester, Wetteren.