Elementaire Deeltjes

Elementaire Deeltjes, de serie boekjes van Amsterdam University Press (AUP), maakt kennis toegankelijk voor een breed publiek. Elementaire Deeltjes is dé manier om snel alles te weten te komen over de onderwerpen die je interesseren.

Experts nemen je mee op een ontdekkingsreis waarbij elk thema in de meest beknopte vorm volledig uitgediept wordt. Een serie handige en handzame boekjes, met altijd het antwoord op de vraag: ‘Hoe zit dat nou eigenlijk?’

Ga naar www.elementairedeeltjes.nl voor een overzicht van alle beschikbare Elementaire Deeltjes.

De elementen

Philip Ball

AUP

Oorspronkelijke uitgave: Philip Ball, The Elements: A Very Short Introduction, Oxford University Press, 2002 [isbn 978-0-19-284009-8]

© Philip Ball, 2002

Vertaling: Harm Ikink

Ontwerp omslag: Michel van Duyvenbode, Amsterdam

Ontwerp binnenwerk: Crius Group, Hulshout

isbn 978 94 6298 394 6

e-isbn 978 90 4853 441 8 (pdf)

e-isbn 978 90 4853 442 5 (ePub)

nur 913

© Philip Ball / Amsterdam University Press B.V., Amsterdam 2016

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16B Auteurswet 1912 jº het Besluit van 20 juni 1974, Stb. 351, zoals gewijzigd bij het Besluit van 23 augustus 1985, Stb. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan de Stichting Reprorecht (Postbus 3051, 2130 KB Hoofddorp). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet 1912) dient men zich tot de uitgever te wenden.

Inhoud

Voorwoord

1. Het kwartet van Aristoteles

de elementen in de oudheid

2. Revolutie

hoe zuurstof de wereld veranderde

3. Goud

het glorieuze en vervloekte element

4. De achtvoudige aanpak

het ordenen van de elementen

5. De atoomfabrieken

nieuwe elementen maken

6. Chemische broers en zussen

waarom isotopen nuttig zijn

7. Voor alle praktische doeleinden

technologie van de elementen

Noten

Lijst van afbeeldingen

Meer lezen

Index

Voorwoord

Toen mij werd gevraagd om een inleiding tot de elementen te schrijven bij mijn boek Stories of the Invisible, dat zelf een inleiding op moleculen is, had ik gemengde gevoelens. Per slot van rekening had ik in dat eerdere boek niet zo veel respect getoond voor het Periodiek Systeem, dat fameuze portret van alle bekende chemische elementen. Om preciezer te zijn, ik had beweerd dat chemici niet langer het idee koesteren dat alle chemie zijn oorsprong heeft in het Periodiek Systeem. Voor de basiskennis van de moleculaire wetenschappen heb je immers genoeg aan een zeer beperkte selectie uit de meer dan honderd elementen van het systeem. Er is geen pianoleraar die beginnende leerlingen ooit alle noten van het hele klavier zou laten bespelen. Het is veel beter te laten zien hoe een paar toetsen al genoeg zijn voor een heel scala aan melodieën. Zoals het bij muziek gaat om melodieën, akkoorden en harmonieën, niet om noten op zich, zo gaat het bij chemie om stoffen en moleculen, niet om elementen.

Maar wie in hart en nieren chemicus is kan de elementen niet weerstaan, en dat is bij mij ook zo. Het gold ook voor Oliver Sacks, die als jongen een verzameling elementen aanlegde terwijl de meeste andere jongens postzegels of munten verzamelden. Hij wilde ze allemaal in zijn bezit hebben. In de veertiger jaren van de vorige eeuw was het niet eens zo lastig om zo’n verzameling op te bouwen: Sacks kon naar Griffin & Tatlock gaan, ten noorden van Londen, om zijn zakgeld te besteden aan een brok natrium, dat hij vervolgens sissend en sputterend over het wateroppervlak van Highgate Ponds liet gaan, niet ver van zijn huis. Jaloersmakend is dat; ik moest me zelf beperken tot het smokkelen van brokjes zwavel en flesjes kwik uit het schoollaboratorium.

De elementen waren als zeldzame edelstenen of het lekkerste suikergoed. Ik wilde ze ruiken en aanraken, maar was voorzichtig genoeg om ze niet te willen proeven. De lijfelijke, sensuele ervaring werd nog sterker door de wetenschap dat deze stoffen puur waren, onvermengd, niet te vereenvoudigen. Het was het oerspul van de schepping dat ik in mijn hand hield.

Ik wist dus dat ik niet aan de verleiding zou kunnen weerstaan om over de elementen te mogen schrijven. Maar ik begon ook in te zien dat een inleiding op de elementen niet persé een rondleiding door het héle Periodiek Systeem zou hoeven zijn – dat hadden andere per slot van rekening al veel vakkundiger en uitputtender gedaan dan ik ooit voor mijn rekening zou kunnen nemen. Het verhaal van de elementen is het verhaal van onze relatie met de materie, iets dat vér voorafgaat aan welke notie van een Periodiek Systeem dan ook. Vertrouwdheid met materie is geen kwestie van detailkennis over silicium, fosfor en molybdeen; het volgt uit de plezierige zwaarte van een baar zilver, de koele zoetheid van water, de gladheid van gepolijst jade. Het is de bron van de fundamentele vraag: waar is de wereld van gemaakt?

In dit boek kom je daarom ‘elementen’ tegen die in geen enkel Periodiek Systeem te vinden zijn: water en lucht, zout, vernuftig flogiston. Het maakt niet uit dat de chemie ze inmiddels uit elkaar heeft gehaald of zelfs helemaal verbannen heeft; ze maken onderdeel uit van het erfgoed waartoe ook het Periodiek Systeem behoort en ze zijn onderdeel van ons repertoire aan culturele symbolen.

Ik ben bijzonder dankbaar voor het commentaar, advies en materiaal dat ik kreeg met betrekking tot de verschillende onderwerpen in dit boek, van Al Ghiorso, Darleane Hoffmann, Scott Lehman, Jens Nørskov en Jim White. Mijn dank gaat ook uit naar Shelley Cox voor haar enthousiasme en vertrouwen bij de opdracht voor dit boek.

Philip Ball

Londen, maart 2002

1. Het kwartet van Aristoteles

de elementen in de oudheid

In 1624 werd de Franse chemicus Étienne de Clave gearresteerd voor ketterij. Zijn ontoelaatbare ideeën hadden niets te maken met de interpretatie van de heilige schrift. Ze waren ook niet van politieke aard. Ze stelden niet eens de plaats van de mens in het heelal ter discussie, zoals Galilei zo brutaal deed.

De ketterij van Étienne de Clave betrof de elementen. Hij geloofde dat alle stoffen waren samengesteld uit twee elementen – water en aarde – en ‘mixts’ daarvan met drie andere fundamentele substanties of ‘principles’: kwik, zwavel en zout. Het was geen nieuw idee: de grote Franse apotheker Jean Béguin, die in 1610 een van de eerste leerboeken in de chemie had uitgegeven, Tyrocinium chymicum (De Chemische Beginner), had tot aan zijn dood een decennium later volgehouden dat alle materie in principe uit dezelfde vijf basisingrediënten bestond.

Maar een beroep op navolging kon Étienne de Clave niet helpen. Zijn idee was ketters omdat het in tegenspraak was met het systeem van elementen zoals dat was voorgesteld door de oude Grieken en de zegen had gekregen van Aristoteles, hun meest invloedrijke filosoof. Aristoteles nam het concept over van zijn leraar Plato, die het op zijn beurt van de filosoof Empedocles had, uit Athenes Gouden Tijdperk van Pericleaanse democratie, in de vijfde eeuw voor Christus. Volgens Empedocles waren er vier elementen: aarde, lucht, vuur en water.

Het Middeleeuwse Westen, dat door de schok van de val van Rome in culturele onzekerheid was geraakt, ontworstelde zich aan het trauma van de Donkere Eeuwen met een verering van de wijsgeren uit de oudheid, vermengd met de doctrines van het Christendom. Het woord van Aristoteles raakte doordrongen van de autoriteit van God, en eraan te twijfelen stond zo ongeveer gelijk aan godslastering. Het duurde tot aan het eind van de zeventiende eeuw tot de ontdekkingen van Galileo, Newton en Descartes de Westerse wereld in staat stelden voor zichzelf te bedenken hoe het heelal in elkaar zat.

Precies daarom maakte in augustus 1624 een parlementair bevel een eind aan het plan van Étienne de Clave en een handjevol andere Franse intellectuelen om in het huis van de Franse edelman François de Soucy over een niet-Aristotelische theorie van de elementen te gaan discussiëren. De oproerkraaier werd gearresteerd.

De controverse ging eigenlijk helemaal niet over wetenschap. Dat de autoriteiten de wet toepasten dwang gebruikten ter verdediging van een theorie was niet omdat ze zich zo om de aard van de elementen bekommerden, maar vooral omdat ze de status quo wilden handhaven. Net zoals bij Galileo’s proces voor de Inquisitie stond hier niet de ‘waarheid’ ter discussie, maar betrof het een strijd om de macht, een kenmerk van het religieuze dogmatisme van de contrareformatie.

Ongehinderd door dergelijke beperkingen waren de oude Grieken veel vrijer in hun discussies over de elementen. Het kwartet van Aristoteles was voorafgegaan door – en bestond in feit naast – allerlei andere elementaire indelingen. In de zestiende eeuw liet de Zwitserse geleerde Conrad Gesner zien dat er niet minder dan acht elementen-systemen waren voorgesteld in de periode tussen Thales (aan het begin van de zesde eeuw voor Christus) en Empedocles. In weerwil van de Condemnatie van 1624 maakte dit het moeilijker om een bijzondere status toe te kennen aan het kwartet van Aristoteles, en hielp het opnieuw de vraag op te werpen waarvan dingen eigenlijk gemaakt zijn.

Waar zíjn de dingen van gemaakt? Dit is een kort boek, maar het antwoord valt nog veel beknopter te geven. Het Periodiek Systeem der Elementen bevat alle bekende elementen, en het is – afgezien van een langzaam groeiende rij van door de mens gemaakte elementen – allesomvattend. Dit is het antwoord. Dit zijn de elementen: niet een, geen vier, geen vijf, maar zo’n tweeënnegentig exemplaren die in de natuur voorkomen.

Waar zijn de dingen van gemaakt? Hoewel het Periodiek Systeem een van de hoogtepunten is van de wetenschap, doet het die vraag niet helemaal recht. Ga even voorbij aan het feit dat er meer subtiele variatie is onder de atomaire bouwstenen dan de tabel impliceert (zoals we later zullen zien). Vergeet even dat deze atomen uiteindelijk toch niet fundamenteel en onveranderlijk zijn, maar zelf weer uit andere entiteiten bestaan. Laten we ons er geen zorgen over maken dat de meeste mensen van veel van deze elementen nog nooit gehoord hebben, laat staan dat ze een idee hebben hoe ze er uit zien en zich gedragen. En laten anderen maar discussiëren over het feit dat de atomen van de elementen vaker wel dan niet met elkaar verbonden zijn tot moleculen waarvan de eigenschappen zich niet makkelijk laten afleiden van de aarde van de elementen zelf. Zelfs dan kun je niet op basis van het Periodiek Systeem stellen dat Aristoteles het helemaal bij het verkeerde eind had – en met hem iedereen tot aan het eind van de achttiende eeuw. Door ons dingen af te vragen over de elementen krijgen we zicht op de aard van de materie. Niet alleen door de antwoorden van vandaag – de juiste – maar ook door de manier waarop in andere tijden over zulke vragen werd nagedacht. Daarbij hebben we meer aan een verkenning van die zoektocht, dan aan de lijst die er het resultaat van is.

Waar zijn de dingen van gemaakt? We zijn een maatschappij geobsedeerd door vragen over samenstelling, en niet zomaar. Lood uit benzine duikt op in Antarctica, kwik vergiftigt vissen in Zuid-Amerika. Radon uit de aarde brengt gezondheidsrisico’s met zich mee voor gebieden die op graniet zijn gebouwd, en natuurlijk arsenicum vergiftigt bronnen in Bangladesh. Calciumsupplementen bestrijden ziekten die bot aantasten; ijzer vermindert anemie. Er zijn elementen waar we gek op zijn, en elementen waar we ons beter niet mee kunnen inlaten.

Zo op het eerste gezicht is de wereld om ons heen niet echt rijk aan elementen. Er zijn er vier die we op allerlei manieren in de moleculen van ons lichaam tegenkomen: koolstof, stikstof, zuurstof en waterstof. Fosfor is onmisbaar, niet alleen voor ons bot maar ook voor de DNA moleculen die het leven in al zijn verschijningsvormen regisseren. Zwavel vormt een belangrijk onderdeel van eiwitten; het helpt hen om hun complexe vorm vast te houden. Toch is er naast deze sleutelspelers nog een hele reeks anderen waar het leven niet zonder kan. Veel zijn metalen: ijzer maakt ons bloed rood en helpt het om zuurstof naar onze cellen te transporteren; magnesium zorgt ervoor dat chlorofyl de energie van de zon kan vangen aan de basis van de voedselpyramide; natrium en kalium verzorgen de elektrische prikkels in onze zenuwen. Van alle in de natuur voorkomende elementen liggen er elf aan het leven ten grondslag en zo’n vijftien anderen zijn essentiële sporenelementen die vrijwel alle levende organismen in kleine hoeveelheden nodig hebben. (Daaronder ook ‘giftig’ arseen en ‘steriel’ broom, wat duidelijk maakt dat er geen duidelijke indeling is te maken van ‘goede’ en ‘slechte’ elementen.)

De ongelijke verdeling van elementen over het aardoppervlak heeft de geschiedenis gevormd – via het stimuleren van handel en het aanmoedigen van exploratie en culturele uitwisseling – maar het heeft ook geleid tot uitbuiting, oorlog en imperialisme. Zuid-Afrika heeft een hoge prijs betaald voor zijn goud, en voor het elementaire koolstof van zijn diamanten. Veel zeldzame, maar technologisch gezien belangrijke elementen, zoals tantaal en uranium, worden nog steeds gedolven in arme delen van de wereld, onder omstandigheden (en vanwege motieven) die als verderfelijk en gevaarlijk zijn te beschouwen.

Halverwege de twintigste eeuw waren alle natuurlijk voorkomende stabiele elementen bekend, en experimenten met kernenergie brachten toen een heel pantheon van zwaardere, kortlevende radioactieve elementen aan het licht. Pas met de beschikbaarheid van nieuwe, ultragevoelige chemische analysetechnieken is ons de complexiteit duidelijk geworden van de manier waarop elementen in de wereld vermengd zijn, als exquise kruiden in de oceanen en de lucht.

Op een fles mineraalwater vinden we nu de gehaltes van natrium, kalium, chloor en nog veel meer – waarmee het feit dat we eigenlijk gewoon H2O drinken op de achtergrond raakt. We weten dat elementen labiele dingen kunnen zijn, zodat we geen loden waterleidingen en loodhoudende verf meer produceren en zodat aluminium (terecht of onterecht) in het beklaagdenbankje staat voor het veroorzaken van dementie. De reputatie van de elementen wordt nog steeds gevormd door zowel overlevering en folklore als door daadwerkelijk begrip van hun kwantitatieve effecten. Zou aluminium dan wél goed zijn in de minerale optische witmakers in waspoeders, maar slecht in potten en pannen? Zo kunnen koperzouten giftig zijn, maar wordt gedacht dat koperen armbanden artritis kunnen genezen. We nemen selenium voedingssupplementen om vruchtbaarheid te stimuleren, terwijl het als verontreiniging in het oppervlaktewater hele Californische ecosystemen verwoest. Wie kan zeggen of 0,01 milligram kalium in fleswater te weinig of te veel is?

De terminologie van de elementen sluipt onze taal binnen, soms gescheiden van de kwestie waar het oorspronkelijk aan refereerde. Zo zit er geen lood in een potlood en betekent ‘cadmiumrood’ ter aanduiding van een verfkleur waarschijnlijk niet dat er daadwerkelijk cadmium in zit. De Amerikaanse stuiver heet ‘nickel’ maar er zit relatief weinig nikkel in. En wanneer zou de laatste keer zijn geweest dat het rinkelende ‘argent’ in de vestzak van een Fransman daadwerkelijk uit zilver was gemaakt?

Dit zijn redenen waarom het verhaal van de elementen niet zomaar het relaas is van een stuk of honderd verschillende soorten atomen, elk met zijn bijzondere eigenschappen en eigenaardigheden. Het is het verhaal van onze culturele interacties met de aard en samenstelling van materie. De Whigse opvatting van de chemische geschiedenis, als een soort voortschrijdende opheldering en indeling van de bouwstenen van de materie, verhult een diepere zoektocht naar de samenstelling van de wereld, en de veranderlijkheid van die samenstelling door menselijk of natuurlijk handelen.

Stukjes van de puzzel

Het concept van elementen is innig verstrengeld met het idee van atomen, maar beiden kunnen zonder de ander bestaan. Plato geloofde in de vier canonieke elementen van de oudheid, maar hij was het niet eens met de notie van atomen. Andere Griekse filosofen vertrouwden op atomen maar deelden niet alle materie op in een handvol basis-ingrediënten.

Thales van Milete (ca. 620-555 v.Chr.), een van de eerst bekende onderzoekers van de samenstelling van de fysieke wereld, poneerde slechts één fundamentele substantie: water. In mythes is meer dan genoeg rechtvaardiging voor deze zienswijze te vinden; de Hebreeuwse god was niet de enige die de wereld schiep uit een oer-oceaan. Maar de Milesische filosofenschool van Thales wist nauwelijks consensus te bereiken over de prote hyle, de ‘eerste materie’ waaruit alles zou zijn opgebouwd. Thales’ opvolger Anaximander (ca. 611-547 v.Chr.) vermeed de kwestie met zijn bewering dat dingen uiteindelijk zijn gemaakt van apeiron, de ‘onbepaalde’ en onkenbare eerste substantie. Anaximenes ( † ca. 500 v.Chr.) besloot dat lucht primair was, niet water. Voor Heraclitus († 460 v.Chr.) was vuur het materiaal van de oorsprong.

Waarom zou iemand überhaupt in een prote hyle geloven – of, wat dat betreft, in wat voor een soort achterliggende elementaire indeling dan ook? Waarom niet eenvoudigweg geconcludeerd dat steen steen is, en hout hout? Metaal, vlees, bot, gras … er waren allerlei verschillende stoffen in de oude wereld. Waarom werden deze niet geaccepteerd zoals ze waren, in plaats van als manifestaties van iets anders?

Sommige wetenschapshistorici betogen dat deze oude geleerden op zoek waren naar eenheid; dat ze de veelsoortige wereld wilden terugbrengen tot een eenvoudiger en minder verwarrend systeem. Die voorliefde voor ‘eerste beginselen’ is duidelijk aanwezig in de Griekse filosofie, maar er is ook een meer praktische reden om zoek te gaan naar fundamentele elementen: dingen veranderen. Water bevriest, of verdwijnt bij het koken. Hout brandt, waarbij een zware boomstam verandert in lichte, onaanzienlijke as. Metalen smelten en voedsel wordt verteerd, waarbij het meeste op de een of andere manier in de maag ‘verdwijnt’.

Als de ene stof is te transformeren in een andere, komt dat dan misschien omdat beiden verschillende verschijningsvormen zijn van dezelfde oorspronkelijke substantie? Het idee van de elementen ontstond niet omdat de filosofen op een soort antieke queeste waren naar de theorie van alles, zoals de natuurkundigen van vandaag. Het ontstond omdat ze de transformaties wilden begrijpen die ze dagelijks zagen gebeuren in de wereld om heen.

Anaximander geloofde dat veranderingen tot stand kwamen door toedoen van conflicterende tegengestelde eigenschappen: warm en koud, droog en nat. Ook toen Empedocles (ca. 490-430 v.Chr.) de vier elementen voorstelde die in de Westerse natuurfilosofie de overhand kregen, betoogde hij dat hun transformaties te maken hadden met conflict.

Empedocles voldoet niet helemaal aan het beeld van de sobere en waardige Griekse filosoof. Volgens de overlevering was hij een soort tovenaar en wonderdoener die de doden weer tot leven kon brengen. Naar verluidt kwam hij zelf aan zijn eind door in de vulkanische strot van de Etna te springen, ervan overtuigd dat hij een onsterfelijke god was. Geen wonder, misschien, dat hij veronderstelde dat door de werking van de kleurrijke beginselen Liefde en Haat de aarde, lucht, vuur en water tot verschillende melanges werden gesmeed – de materialen van de natuurlijke wereld. Liefde zorgt voor menging; Haat voor scheiding. Ze zijn in een eeuwig toe- en afnemende strijd verwikkeld: op het ene moment heerst de Liefde en mengen de dingen, maar dan krijgt de Haat de overhand en valt het weer uit elkaar. Dit geldt, stelde Empedocles, niet alleen voor de elementen maar ook voor de levens van mensen en culturen.

De vier elementen van Empedocles zijn geen vermenigvuldigingen van de prote hyle, maar meer een weerschijn die de complicaties verhult. Aristoteles was het er mee eens dat er een unieke oer-substantie zou zijn, maar dat die te ver weg en onkenbaar was om de basis te kunnen zijn voor een filosofie van de materie. Daarom accepteerde hij Empedocles’ elementen als een soort intermediairen tussen dat ongrijpbare spul en de tastbare wereld. Dit instinct om kosmische kwesties te reduceren tot hanteerbare vraagstukken is een van de redenen waarom Aristoteles zo invloedrijk was.

Aristoteles deelde Anaximanders inzicht dat in de eigenschappen warmte, koude, natheid en droogheid de sleutel ligt voor verandering, en ook voor de manier waarop we de elementen ervaren. Het is omdat water nat en koud is, dat we het kunnen ervaren. In Aristoteles’ ontologie krijgt ieder element twee van deze eigenschappen, waarbij inversie van één van de twee het ene element in het andere doet veranderen. Nat, koud water wordt droge, koude aarde door natheid in droogheid te veranderen (fig. 1).

Het is verleidelijk, en ook niet helemaal onrealistisch, om deze oude filosofen te beschouwen als de leden van een soort herenclub die voortdurend elkaars ideeën lenen, uitbundige lof of harde kritiek over elkaar uitstorten, maar vooral ‘leunstoel’ wetenschappers blijven die over het algemeen weigeren hun handen aan experimenten vuil te maken. Datzelfde geldt trouwens ook voor degenen die zich bezighielden met het wel en wee van atomen.

1. Aristoteles geloofde dat de vier elementen van Empedocles elk waren doordrongen van twee eigenschappen die het mogelijk maakten dat ze in elkaar overgingen.

Aan Leucippus van Milete (vijfde eeuw v.Chr.) wordt over het algemeen de introductie van het atoomconcept toegeschreven, maar veel meer dan dat weten we eigenlijk niet van hem. Hij stelde dat al deze kleine deeltjes uit dezelfde oersubstantie bestonden, maar voor verschillende materialen in verschillende vormen. Zijn leerling Demokritos (ca. 460-270 v.Chr.) noemde deze deeltjes atomos, dat ondeelbaar betekent. Demokritos verenigde de prille atoomtheorie met de klassieke elementen door te poneren dat de atomen van ieder element bepaalde vormen hebben die hun eigenschappen tot gevolg hebben. Vuur-atomen zijn niet mengbaar met de anderen, maar de atomen van de andere drie elementen raken met elkaar verstrikt zodat ze dichte, tastbare materie vormen.

Wat de atomisten van hun opponenten onderscheidde was niet zozeer het geloof in kleine deeltjes, als wel het antwoord op de vraag wat de deeltjes van elkaar onderscheidde. Demokritos veronderstelde dat de atomen in een leegte bewegen. Andere filosofen bespotten dit idee van ‘nietsheid’ en betoogden dat de elementen alle ruimte moesten opvullen. Anaxagoras (ca. 500-428 v.Chr.), de Atheense leraar van zowel Pericles als Euripides, beweerde dat er geen limiet was aan hoe klein de deeltjes konden zijn, zodat materie oneindig deelbaar was. Dit betekende dat kleine korreltjes de holtes tussen grotere korrels konden opvullen, zoals zand tussen stenen. Aristoteles betoogde – en wie kan het hem kwalijk nemen? – dat lucht alle leegtes tussen atomen zou opvullen. (Wat wel een probleem wordt als je in aanmerking neemt dat lucht zelf bestaat uit atomen.)

Plato had het allemaal netjes op een rijtje. Hij was geen atomist zoals Demokritos, maar hij veronderstelde wel atoom-achtige fundamentele deeltjes bij de vier elementen van Empedocles. Vanwege zijn voorkeur voor geometrie stelde Plato voor dat deze deeltjes regelmatige, mathematische vormen hadden: de veelvlakken die de Platonische lichamen worden genoemd. Aarde was een kubus, lucht een octaëder (achtvlak), vuur een tetraëder (viervlak) en water een icosaëder (twintigvlak). De vlakke zijden van deze vormen zijn te vormen uit twee soorten driehoeken die, volgens Plato, de werkelijk ‘fundamentele deeltjes’ van de natuur zijn, die alle ruimte doordringen. De elementen kunnen in elkaar overgaan door de driehoeken tot nieuwe geometrische vormen te herschikken.

Er is nog een vijfde Platonisch lichaam: de dodecaëder (twaalfvlak) die is opgebouwd uit pentagonale (vijfhoekige) vlakken. Dit veelvlak is niet samen te stellen uit de driehoeken van de andere vier en daarom wees Plato het toe aan de hemel. Er is dus een vijfde klassiek element, dat Aristoteles de ether noemde. Maar dat is buiten bereik voor ons stervelingen en speelt dus geen rol in de opbouw van alledaagse materie.

De poëtische elementen

De Westerse cultuurgeschiedenis is doordrongen van de vier elementen van de oudheid. Shakespeares King Lear rent hals over kop door ziedende regen, razende wind en vurige ‘eik-splijtende bliksemschichten’, de ‘grillige elementen’ van de natuur. Twee van zijn sonnetten zijn gepaard in hun lofzang op het kwartet: ‘zee en land … uit aarde en water gekneed’ en ‘zuiverend vuur en ijle lucht’. De literaire traditie heeft de vier oude elementen steeds in ere gehouden; zo vormen ze het ordenend principe in Quartets van T.S. Eliot.

De Griekse filosofen koppelden een vier-elementen theorie aan het idee van vier ‘primaire’ kleuren: voor Empedocles waren dit wit, zwart, rood en het vaag gedefinieerde ochron, in overeenstemming met de voorkeur van de klassieke Griekse schilders voor een vierkleurenpalet van wit, zwart, rood en geel. In de tweede eeuw n.Chr. kende de Atheense astroloog Anthiochos deze vier kleuren toe aan respectievelijk water, aarde, lucht en vuur.

Nog lang nadat de Griekse beginselen van de hand waren gedaan bleef de vastberadenheid om vier elementen aan kleuren te verbinden. De Renaissance kunstenaar Leon Battista Alberti kende rood toe aan vuur, blauw aan lucht, groen aan water en ‘askleur’ (cinereum) aan aarde; Leonardo da Vinci daarentegen maakte aarde geel. Deze associaties zullen zeker ten grondslag hebben gelegen aan de ideeën van hun tijdgenoten omtrent menging en gebruik van kleuren.

De viereenheid van fundamentele principes reikt nog verder, tot aan de vier punten van het kompas (de Chinese traditie erkent vijf elementen en vijf ‘richtingen’) en de vier ‘humeuren’ van de klassieke geneeskunde. Volgens de Griekse arts Galen (ca. 130-201 na Chr.) hangt onze gezondheid af van de balans tussen vier substanties: rood bloed, wit slijm en gele gal.

Zelfs als we ervan uitgaan dat men in de oudheid en de middeleeuwen was geobsedeerd door ‘correspondenties’ tussen de eigenschappen en de scheppingen van de natuur, is er duidelijk iets in de vier Aristotelische elementen dat sterk geworteld is in de menselijke ervaring. De Canadese schrijver Northrop Frye schrijft: ‘De notie van de vier elementen heeft niet veel nut voor de moderne scheikunde – het zijn niet de werkelijke elementen van de natuur. Maar … aarde, lucht, water en vuur zijn nog steeds de vier elementen van de verbeeldende ervaring, en zullen dat altijd blijven.’1

Dit is ook waarom de Franse filosoof Gaston Bachelard het toepasselijk vond de ‘psychoanalytische’ invloed te onderzoeken van deze elementen (met name water en vuur) in mythe en poëzie.

Ik geloof dat het mogelijk is [zei hij] om in het domein van de verbeelding een wet van de vier elementen op te stellen, die verschillende soorten van materiële verbeelding classificeert aan de hand van hun verbinding met vuur, lucht, water of aarde … Een materieel element moet in zijn eigen substantie voorzien, zijn speciale regels en poëzie. Het is niet toevallig dat primitieve filosofieën vaak beslissende keuzes maken langs deze lijnen. Ze associeerden hun formele beginselen met een van de vier fundamentele elementen, die zo de tekenen werden van filosofische dispositie.2

Bachelard suggereert dat deze dispositie voor ieder individu afhankelijk is van zijn of haar materiële omgeving:

Maar onze geboortestreek is minder een uitgestrektheid dan dat het materie is; het is graniet of aarde, wind of droogte, water of licht. Daarin materialiseren we onze mijmeringen, aan de hand daarvan krijgt onze droom zijn ware substantie. Daaraan ontlenen we onze fundamentele kleur. Dromend bij de rivier wijdde ik mijn verbeelding aan water, het heldere, groene water, het water dat de weilanden laat groenen.3

Ondanks de neiging om het belang van het vier-elementen systeem te overschatten – er waren, zoals we zagen, vele andere systemen – gaat dit idee in de richting van een verklaring waarom Empedocles’ elementen zo’n lang leven beschoren waren. Ze passen, ze sluiten aan bij onze ervaringen. Ze onderscheiden verschillende soorten materie.

Wat dit echt betekent is dat de klassieke elementen vertrouwde representanten zijn van de verschillende fysieke toestanden die materie kan aannemen. Aarde staat niet slechts voor grond of gesteente, maar voor alle vaste stoffen. Water is het archetype van alle vloeistoffen; lucht dat van alle gassen en dampen. Vuur is in dit opzicht wat merkwaardig, aangezien het een uniek en opvallend verschijnsel is. Vuur is feitelijk een dansend plasma van moleculen en moleculaire fragmenten, door hitte tot een gloeiende toestand aangeslagen. Het is niet een substantie als zodanig, maar een variabele combinatie van substanties in een bijzondere en ongewone toestand, veroorzaakt door een chemische reactie. In experimentele termen is vuur het perfecte symbool van dat andere, ongrijpbare aspect van de werkelijkheid: licht.

In de oudheid zag men dat ook zo: elementen waren typen, niet te nauw te vereenzelvigen met specifieke stoffen. Als Plato het heeft over het element water, doelt hij niet op het water dat door rivieren stroomt. Rivierwater is een manifestatie van elementair water, maar dat geldt ook voor gesmolten lood. Elementair water is ‘datgene dat stroomt’. Zo is elementaire aarde ook niet slechts het spul op de bodem, maar vlees, hout, metaal.

Plato’s elementen zijn in elkaar om te zetten vanwege de geometrische gemeenschappelijkheid van hun ‘atomen’. Voor Anaxagoras zijn alle materiële substanties mengsels van alle vier elementen, zodat de ene stof in de ander kan veranderen dankzij de procentuele groei van een of meer elementen en de corresponderende afname van de anderen. Deze opvatting van materie als intieme mengsels van elementen staat centraal in de verouderde elementaire theorieën en staat in schril contrast tot het moderne begrip van elementen als fundamentele substanties, die te isoleren en te zuiveren zijn.

Het tijdperk van metalen

Met Aristoteles’ goedkeuring gedijden de elementen van Empedocles tot aan de zeventiende eeuw. Zonder die zegen verdorde het atomisme. De Griekse filosoof Epicurus (341-270 v.Chr.) vestigde een atomistische traditie die in 56 v.Chr. nog eens werd verheerlijkt in het traktaat De rerum natura (Over de natuur der dingen) van de Romeinse dichter Lucretius. Dit atomistische gedicht werd in de middeleeuwen door religieuze zeloten veroordeeld en het ontliep ternauwernood volledige vernietiging. In de zeventiende eeuw dook het weer op als belangrijke inspiratiebron voor de Franse wetenschapper Pierre Gassendi (1592-1655). Zijn visie van een mechanische wereld van bewegende atomen was een van de vele ontluikende uitdagingen voor de Aristotelische orthodoxie.

Niet iedereen was klaar voor zulke radicale veranderingen. Gassendi’s collega-’mechanicus’ Marin Mersenne (1588-1648) was in veel opzichten een vooruitstrevend denker maar steunde niettemin de Condemnatie van 1624 waarbij Étienne de Clave werd gearresteerd, daarbij stellend dat dergelijke bijeenkomsten een aansporing waren voor de verspreiding van ‘alchemistische’ ideeën. De alchemie, echter, had nog veel meer te zeggen over de elementen.

Vanuit een hedendaags perspectief lijkt het misschien vreemd dat verschillende stoffen die vandaag de dag als elementen worden gezien – de metalen goud, zilver, ijzer, koper, lood, tin en kwik – in de oudheid niet als zodanig werden geclassificeerd, terwijl ze toch in een indrukwekkende zuivere toestand te bereiden waren. Metallurgie is een van de oudste technische vakgebieden en toch had het relatief weinig effect op de theorieën van de elementen, nog tot na de Renaissance. Metalen, met uitzondering van het vloeibare kwik, werden eenvoudigweg als verschijningsvormen van Aristotelische ‘aarde’ gezien.

De alchemie, die metallurgie een theoretische basis verschafte, bracht hier geleidelijk verandering in. Het vergrootte het raffinement van ideeën over de aard en de verandering van materie en sloeg een brug tussen oude en nieuwe opvattingen over de elementen.

Waar het idee van een enkele prote hyle al een soort doodlopende weg was voor een theorie over de materie, waren de elementen van Aristoteles eigenlijk nauwelijks een verbetering. In de samenleving waren de verschillen tussen lood en goud enorm belangrijk, maar de vier-elementen-theorie kon daar nauwelijks iets over zeggen. Om de metalen uit te kunnen leggen was een veel verfijnder systeem nodig.