Presentatie van de lezing die werd gegeven op 2 april 2011 in het kader van het jaar van de chemie.

1. “Van barnsteen tot elektron”
Historisch overzicht van de ontdekking van de elektrische
structuur van de materie
Stuurgroep Sectie Onderwijs & Opleidingen in samenwerking met Sectie Historiek

2. 2Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Inhoud
• Van Gilbert tot Stoney: Een molecule van elektriciteit
• Van Dalton tot Thomson: De ontdekking van het elektron

3. 3Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Barnsteen, de stralende
In de oudheid wordt aan barnsteen magische krachten toegekend. Na wrijving trekt het lichte voorwerpen naar zich toe.
Barnsteen of gele amber
Plato noemt barnsteen omstreeks 400 voor Christus elektron wat Grieks is voor `het stralende' .

4. 4Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Gilbert heeft 18 jaar gewacht met de publicatie van De Magnete. Hij vreesde dat het zijn artsenpraktijk zou schaden als zou
bekend geraken dat hij zich met minder ernstige dingen dan geneeskunde bezig hield.
Vader van de elektriciteitsleer door systematisch onderzoek van elektrische verschijnselen in gang te zetten en de methodiek
aan te tonen hoe dit onderzoek dient te gebeuren.
William Gilbert (1544-1603) - Electrics en Electricity

5. 5Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Belangrijke uitvindingen in de periode tussen 1600 en 1800
Sommige materialen hebben geleidende eigenschappen.
Er is een onderscheid tussen geleiders en isolatoren.
Elektrische geleiding

6. 6Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Bron: http://digilander.libero.it/calchic/pionieri2/dufay.html
Belangrijke uitvindingen in de periode tussen 1600 en 1800
Elektrische afstoting en aantrekking

7. 7Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Otto von Guericke (1602–1686)
Het opwekken van statische elektriciteit
Belangrijke uitvindingen in de periode tussen 1600 en 1800
De elektriseermachine

8. 8Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Belangrijke uitvindingen in de periode tussen 1600 en 1800
de Leidse fles
Hiermee is het mogelijk om relatief grote hoeveelheden elektriciteit te produceren en op te slaan

9. 9Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Eerste wetten van de elektriciteitsleer
De elektriciteitsleer verkrijgt een wiskundige formalisme.
De elektrostatica zal snel uitgroeien tot een belangrijke tak binnen de fysica.

10. 10Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Galvani besluit om de zenuwen van de achterpoten van kikkers open te leggen en merkt op dat de achterpoten plotseling
kunnen samentrekken wanneer ze in contact komen met elektrische ontladingen.
Een gravure van Galvani’s laboratoriummateriaal.
Uit "De viribus electricitatis in motu musculari commentarius" (1791)Luigi Galvani (1737–1798)
De kikkerbilletjes van Galvani (dierlijke elektriciteit)

11. 11Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Onderzoek naar elektrische verschijnselen in de 18e
en 19e
eeuw

12. 12Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Alessandro Volta (1745–1827)
In eerste instantie is Volta tegen de experimenten van Galvani, maar hij herneemt de experimenten en komt uiteindelijk op
het idee om zilveren en zinken schijven op elkaar te plaatsen.
‘Ik heb een wonderlijk toestel uitgevonden. Het bestaat uit een zuil van 30, 40 of 60 paren van telkens een zilveren en dan
een zinken schijf. Tussen elk paar bevindt zich een laagje vloeipapier dat in zout water gedrenkt werd.’
De zuil van Volta

13. 13Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Napoleon Bonaparte kwam op bezoek in het laboratorium van Volta omwille van het grote belang van zijn ontdekking.
Volta kreeg de gouden medaille van het Institut des Sciences.
De zuil van Volta

14. 14Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Verschillende afbeeldingen van zuilen van Volta.
Uit Philosophical Transactions of the Royal Society, 1800, p. 431.
Experimenten met de zuil van Volta

15. 15Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Telegraaf in Parijs Elektrische batterij in de Ecole Polytechnique
Grote batterijen in de 19e eeuw

16. 16Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
William Nicholson en Anthony Carlisle ontbinden water in waterstofgas en zuurstofgas door een waterkolommetje van 5 cm
hoog te verbinden via koperdraden aan de beide uiterste schijven van een batterij, bestaande uit 36 zilveren muntstukken van
een halve kroon en evenveel zinkschijven.
William Nicholson
(1753–1815)
Anthony Carlisle
(1768–1840)
‘Tot mijn verbazing stelde ik de ontwikkeling van een gas
vast dat, alhoewel het in zeer kleine hoeveelheden vrij
kwam aan zijn geur toch onmiskenbaar als waterstofgas te
herkennen was’
'Onmiddellijk ontstond er een stroom kleine belletjes en wel
steeds vanuit de plaats waar de draad, die met het zilver
verbonden was, in het water stak. De punt van de andere
draad werd zwart (door oxidatie van het koper)’
‘Hoe is het mogelijk dat waterstof- en zuurstofgas op zo grote afstand van elkaar kunnen ontstaan?’
De elektrolyse van water in 1800

17. 17Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Baron Theodor von Grotthuss (1785–1822) beschouwt de voltazuil als een soort elektrische magneet.
Deze theorie werd pas in 1887 toen Svante Arrhenius zijn werk over de dissociatie van in water opgeloste stoffen
publiceerde
Arrhenius, S., “Über die Dissociation der in Wasser gelösten Stoffe.” Zeitschrift für Physikalische Chemie 1 (1887): 631–648.
Eerste verklaring van elektrolyse in 1806
Zuurstof wordt uit het water onttrokken en, kan door zich met positieve elektriciteit te
verbinden, vrijkomen aan de positieve pool als zuurstofgas.
Via een kettingreactie recombineert het achtergebleven waterstof dan met zuurstof tot
aan de negatieve pool waar het waterstof dat geen zuurstofpartner meer vindt door
verbinding met negatieve elektriciteit kan vrijkomen als waterstofgas.

18. 18Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
De waterstof die achterblijft zet een kettingreactie in gang: ze onttrekt zuurstof aan een naburige watermolecule, waterstof
komt vrij, vormt water met zuurstof van een andere watermolecule waarbij opnieuw waterstof vrij komt.
Eerste verklaring van elektrolyse in 1806
De +-pool trekt de zuurstofzijde van de watermolecule aan en stoot de waterstofzijde af.
Bij stroomdoorgang geeft de molecule, die zich het dichtst bij de positieve pool bevindt, haar zuurstof aan deze pool af.
Deze zuurstof ontsnapt als zuurstofgas.
De –-pool oefent tegengestelde krachten uit.
Elk watermolecule wordt tussen beide polen op een bepaalde wijze georiënteerd.
Dit gaat zo verder tot we bij de negatieve pool belanden: de waterstof die hier ontstaat verbindt zich met de negatieve
elektriciteit van deze pool en verlaat de vloeistof als waterstof gas.
Dit proces kan ook bij de negatieve pool beginnen. De opeenvolging van ontbinding en recombinatie gaat verder tot al het
water ontleed is.

19. 19Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Davy, professor chemie aan de “Royal Institution in London”, bouwt een batterij met meer dan 250 metallische platen. Met
behulp van de elektrolytische methoden isoleert hij metallisch kalium en natrium in 1807. Bovendien isoleert hij barium,
magnesium, calcium en strontium.
In 1807 kende het Institut de France hem er de door Napoleon ingestelde Voltaprijs toe.
'Als we aannemen dat elke verbinding het gevolg is van een streven naar evenwicht tussen de natuurlijke elektrische
energieën van de componenten, dan zou de hoeveelheid en de intensiteit van de kunstmatige elektriciteit, die een voltazuil
moet leveren om dit evenwicht te verbreken, wel eens een maat voor de chemische affiniteit kunnen zijn.’
Sir Humphry Davy (1778–1829)

20. 20Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
William Hisinger
(1766 – 1852)
Berzelius integreerde de vele nieuwe kennis tot een samenhangend geheel. In 1802 leert hij Hisinger kennen,
de eigenaar van een metaalgieterij en een man met een grote belangstelling voor chemie.
Versuche betreffend die wirkung der elektrischen säule auf Salze und auf einige von ihren Basen
1. als elektriciteit doorheen een vloeistof gaat, dan worden de constituenten van deze
vloeistof van elkaar gescheiden;
2. de substanties die aan een bepaalde pool vrijkomen zijn gelijkaardig. Aan de negatieve
pool komen brandbare stoffen en basen vrij en aan de positieve pool zuurstofgas, zuren
en geoxideerde stoffen;
3. de relatieve hoeveelheid stof die ontleed wordt, hangt af van de affiniteit van de
constituenten van deze stof voor elkaar en van de grootte van het oppervlak van de
polen dat met de vloeistof in contact is; (Faraday zal 30 jaar later aantonen dat ze zich
hier vergisten);
4. de ontledingsverschijnselen worden o.m. bepaald door de affiniteit van de constituenten
voor de polen; (Faraday bewijst later dat de polen geen enkele actieve rol spelen in het
ontledingsproces);
5. de hoeveelheid ontlede stof is recht evenredig met de hoeveelheid elektriciteit die de
vloeistof doorlopen heeft; (eerste elektrolysewet van Faraday)
Jöns Jakob Berzelius (1779–1848)

21. 21Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Michael Faraday wordt assistent van Davy en volgt hem op. Tussen 1832 en 1834 voert hij een grondig en systematisch
onderzoek uit naar de invloed van elektriciteit op chemische verbindingen.
Michael Faraday
(1791–1867)
Er is een eenvoudig en kwantitatief uit te drukken verband tussen de hoeveelheid stof
die ontleed wordt en de hoeveelheid elektriciteit die er doorheen gegaan is. Faraday
neemt aan dat elektriciteit niet op zichzelf kan voorkomen. Hieruit volgt dat materiële
deeltjes slechts welbepaalde hoeveelheden ervan kunnen bezitten. In 1894 zullen de
pogingen om dit bedrag te meten, leidden tot een eerste definitie van de term 'elektron’
Eerste elektrolysewet
De hoeveelheid ontleed materiaal door elektrolyse is recht evenredig met de absolute
hoeveelheid elektriciteit die er door gestroomd is!
Tweede elektrolysewet
Voor een gegeven hoeveelheid elektriciteit is de massa van het gevormd materiaal
recht evenredig met de atoommassa van de betrokken elementen. (Het vermoeden van
het bestaan van elektronen werd hierdoor versterkt!)
De elektrolysewetten van Michael Faraday

22. 22Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
De elektrolysewetten van Michael Faraday
Faraday staat heel dicht bij de ontdekking van een ‘atoom van elektriciteit’, maar hij gelooft niet in atomen!

23. 23Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
James Clerk Maxwell (1831-1879) verenigde de elektrische, de magnetische en de optische verschijnselen in één grote
theorie
'Er zijn drie fundamentele fysische grootheden. Naast de lichtsnelheid en de gravitatieconstante confronteert de Natuur ons,
in het elektrolyseverschijnsel, met één welbepaalde minimale hoeveelheid elektriciteit die geheel onafhankelijk is van de
aard van de lichamen waarmee ze verbonden is.’
George Johnstone Stoney (1826-1911) voorspelt de term 'elektron' in 1874
‘Het is hoogst onwaarschijnlijk dat de theorie van de 'molecules of electricity’ in één of
andere vorm zou kunnen behouden worden, eens de ware natuur van de elektrolyse zal
begrepen zijn’
In 1894 noemt Stoney de kleinste lading die in chemische processen kan voorkomen een ‘elektron‘!
De elementaire lading

24. 24Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Inhoud
• Van Gilbert tot Stoney: Een molecule van elektriciteit
• Van Dalton tot Thomson: De ontdekking van het elektron

25. 25Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Wet van meervoudige verhoudingen
1. Alle materie bestaat uit vaste, ondeelbare en niet samendrukbare
atomen
2. Elementen blijven onveranderd in chemische reacties
3. Elk element heeft een eigen atoom
4. Elk atoom wordt gekenmerkt door een relatief atoomgewicht!
Het atoommodel van John Dalton
John Dalton
(1766–1844)
A New System of Chemical Philosophy (1808)

26. 26Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
William Prout
(1785 - 1850)
Prout, een geneesheer, stelt de hypothese dat alle elementen bestaan uit gehele
veelvouden van waterstofatomen.
Opmerking!
Jean Servais Stas
(1813 – 1891)
Stas is een autoriteit op het gebied van atoommassabepalingen. Hij noemt op grond
van zijn eigen experimenten de hypothese van Prout in 1860 een zuivere illusie.
De protè hulè van William Prout

27. 27Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Thomas Graham en de eenheid van de materie
Thomas Graham
(1803–1869)
Het is alsof de stoffen steeds meer op elkaar gaan gelijken naarmate ze
fijner over de ruimte verdeeld worden.
In een vierde aggregatietoestand zou de materie wel eens uniform
kunnen zijn en bestaan uit identieke atomen.

28. 28Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
De symbolische scheikunde van Benjamin Brodie
Sir Benjamin Brodie
(1783-1862)
Vroeger kwamen er op Aarde primitievere elementen voor
toen de temperatuur veel hoger was. Nadat de temperatuur
gedaald was, konden hun verbindingen stabieler worden
en werden de thans bekende elementen en stoffen gevormd.

29. 29Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Joseph von Fraunhofer
(1787–1826)
Ik ontdekte een ontelbaar aantal donkere lijnen waarvan sommige heel zwak zijn, maar andere zo donker dat ze haast zwart
lijken.
De donkere lijnen van Joseph von Fraunhofer

30. 30Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
De donkere lijnen van Joseph von Fraunhofer

31. 31Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Robert Wilhelm Bunsen
(1811-1899)
Gustav Robert Kirchhoff
(1824-1887)
“lk werk nu met Kirchhoff samen zodat we haast geen tijd meer
hebben om te slapen! Kirchhoff heeft een wonderlijke ontdekking
gedaan (...) Hij heeft aangetoond dat de heldere lijnen in een
spectrum, dat met een kleurloze vlam werd bekomen, precies
samenvallen met de Fraunhoferlijnen. Je begrijpt dat we nu de
samenstelling van de zon en van de sterren even nauwkeurig
kunnen bepalen als chloride of sulfaat in het lab. Natuurlijk werkt
onze methode ook voor de aardse elementen. Geef me één
milligram van een mengsel dat lithium, natrium, kalium, barium,
strontium en calcium kan bevatten. Gewoon door te kijken kan ik je
met mijn apparaat zeggen welke van deze elementen aanwezig
zijn”
Bunsen aan zijn vroegere medewerker Henry Roscoe
Spectroscopie: techniek en wetten

32. 32Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Spectroscopie: techniek en wetten
“Alle verbindingen van eenzelfde element leveren steeds dezelfde karakteristieke spectrale lijnen op als het
ongebonden element en dit ongeacht de temperatuur of het type van de gebruikte vlam.”

33. 33Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Norman Lockyer
(1836-1920)
“De opvatting dat elk chemisch element slechts één lijnenspectrum heeft is verkeerd. Elke verhoging van de temperatuur
blijkt een vereenvoudiging met zich mee te brengen. Terwijl bij laboratoriumtemperaturen stoffen niet verder kunnen
ontleed worden dan de Daltonatomen, heeft de spectroscoop aangetoond dat bij hogere temperatuur nog fijnere
constituenten van de materie voorkomen.”
Lockyer zegt dus dat een atoom een structuur heeft!
Het probleem van de multipele spectra

34. 34Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Wilhelm Eduard Weber
(1804-1891)
In 1826 had Gustav Theodor Fechner (1801-1887) een atoom voorgesteld als een
miniatuurzonnestelsel. Weber neemt deze gedachte over, maar hij kent de bestanddelen
van een atoom een elektrische lading toe.
“Zij ‘e’ het positief geladen deeltje en laten we het negatief geladen deeltje (dat een gelijke, maar tegengestelde lading
draagt) voorstellen door ‘-e’. Laten we verder aannemen dat de massa van het atoom in hoofdzaak toe te schrijven is
aan het negatief geladen deeltje en dat de massa van het positieve deeltje hiermee vergeleken dus verwaarloosbaar is.
Het deeltje ‘-e’ kan dan beschouwd worden als zijnde in rust, terwijl het andere deeltje er omheen draait.”
Deze hypothese werd door de theorie van Maxwell in de vergeethoek gedrongen!
Wat is elektriciteit?

35. 35Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Hendrik Antoon Lorentz
(1853–1928)
“Ik kon een formule bekomen waaruit de dispersie volgt als ik aanneem dat in een
atoom een beweegbaar deeltje voorkomt met lading e en massa u.”
Lorentz staat dus zeer dicht bij de theoretische ontdekking van het elektron!
Hendrik Antoon Lorentz en Pieter Zeeman

36. 36Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Zeeman neemt in 1896 waar dat het spectrum van de elementen
opgesplitst wordt wanneer de dampen aan het veld van een
krachtige elektromagneet onderworpen worden.
Pieter Zeeman
(1865–1943)
Hendrik Antoon Lorentz en Pieter Zeeman
Lorentz verklaart dit effect op grond van geladen massadeeltjes die
in een atoom rond een evenwichtstoestand aan het trillen gebracht
kunnen worden.
The Nobel Prize in Physics 1902 was awarded jointly to Hendrik Antoon Lorentz and Pieter Zeeman
“in recognition of the extraordinary service they rendered by their researches into the influence of magnetism upon
radiation phenomena”

37. 37Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Sir Joseph John Thomson
1856 - 1940
Op 29 april 1897 hield Joseph John Thomson (1852-1940) een ophefmakende lezing aan het Royal Institution te Londen.
“Ik heb ontdekt dat atomen niet ondeelbaar zijn, maar dat er elektrisch geladen deeltjes uit losgeslagen kunnen worden; dat
deze deeltjes voor alle atomen identiek zijn en dat hun massa meer dan duizend keer kleiner is dan de massa van het lichtste
atoom dat we kennen, nl. het waterstofatoom.”
De ontdekking van het elektron

38. 38Zaterdag, 2
april 2011
Dag van het Chemie-
onderwijs
Epiloog
Wat is de natuur van een elektron? Trilt het, draait het?
Enkele elektronenwaarschijnlijkheidsverdelingen voor het waterstofatoom.
De oplossing was de kwantumfysica