Scheikundejongens » Lezersvraag

Een PWS-ideetje over resistente bacteriën

Aldo — Fri, 30 Sep 2011 15:08:39 +0000

Zo af en toe krijgen we vragen over een profielwerkstukidee. Ook omdat zoveel bezoekers ons vinden via Google met de zoekwoorden “profielwerkstuk”, “pws” en “scheikunde”, hebben we eens een Profielwerkstukpagina in elkaar gedraaid. Wordt veel bezocht. Deze week kregen we het het volgende mailtje.

Hallo,

Mijn vriendin en ik doen ons PWS over antibiotica resistentie. We willen hier ook graag iets praktisch bij doen, in de vorm van een proefje. Maar op internet hebben we tot nu toe nog niet iets gevonden wat we geschikt vonden. Nu vroegen wij ons af of jullie misschien een idee hebben.

Alvast bedankt!
Groeten Lisa

Na wat nadenken en rondvragen hebben we een lange mail teruggestuurd. Maar, omdat we vinden dat Lisa en haar vriendin zo’n goed idee hebben, willen we ons antwoord ook graag met de rest van de wereld delen. Hieronder de mail die we teruggestuurd hebben, die vooral gaat over veiligheid en het idee achter resistentie. Met een uitgebreid experiment. Enjoy.

Dag Lisa,

Leuk idee! In de eerste instantie dacht ik dacht het nog wel snel gevaarlijk kon worden, maar dat valt mee. Zoals je misschien al achterhaald hebt, zijn er een heleboel bacteriën die niet goed zijn voor mensen. Daarom was je altijd je handen als je naar de wc bent geweest. En als je een willekeurige stam bacteriën (die slecht of onschadelijk zijn voor mensen) resistent maakt, zijn ze mogelijk nóg gevaarlijker.

Een voorbeeld: stel, jullie hebben een petrischaaltje met een vieze E. Coli gevonden. De meeste E. Coli groeit het beste bij 37ºC (lichaamstemperatuur), en zal het niet zo goed overleven bij 49ºC. Wat jullie zouden kúnnen doen (maar wat ik afraad zonder dat jullie je laten begeleiden) is die bacteriën een tijdje laten groeien bij 38ºC, dan een tijdje bij 39ºC, enz… totdat je bij de 49ºC bent. Dit kan zo een week of wat duren. Wat nu gevaarlijk kán zijn, is dat als deze bacterie je ziek maakt, je hem nu sterker aan het maken bent, waardoor hij je nóg beter ziek kan maken. Ook kan hij in meer soorten milieus overleven, wat overdracht van de bacterie vereenvoudigt.

Maar goed, ik neem aan dat jullie slimme meiden zijn, en jullie je goed laten begeleiden. Wat ik denk, dat jullie goed moeten begrijpen, is het volgende: bacteriën hebben een bepaalde optimale set groeiomstandigheden. Een optimale temperatuur, pH, zoutconcentratie van de omgeving, en soort en hoeveelheid voedingsbodem. Als de bacteriën in een ander milieu komen, gaan ze meestal dood of stoppen ze met groeien. Het fijne aan bacteriën is dat ze zich snel vermenigvuldigen. Waar een generatie mensen ongeveer 20–35 jaar duurt (de meeste mensen krijgen dan kinderen), is dat bij bacteriën meestal minuten of uren (afhankelijk van de bacteriesoort en milieu). Belangrijkste factoren zijn hoeveelheid voeding en temperatuur.

En dan komen we nu eindelijk bij een antwoord op jullie vraag: wat jullie kúnnen doen (maar waarvan ik de gevaren slecht kan inschatten) is dat jullie wat bacteriën oogsten (haal een wattenstaafje langs een vieze wc-bril, een tweede langs je wangslijmvlies, een derde langs wat aarde, enz. In Yakult zitten ook superspeciale bacteriën) en die proberen te laten groeien in een petrischaaltje. Als jullie dat onder de knie hebben (en geen last hebben van schimmels in jullie petrischaaltjes), kunnen jullie gaan kijken waar ze dood van gaan. In het voorbeeld hierboven noemde ik al temperatuur, maar je kan ook denken aan bacteriedodende zeep (Dettol), Alcohol, heel hard tegen ze schreeuwen, weet ik veel. Stap drie is dan hele kleine hoeveelheden zeep aan de bacteriën geven, zodat ze tijd hebben om eraan te wennen. Ik laat het aan jullie over hoe dat wennen werkt. Daar kun je een prima hoofdstuk van je PWS over schrijven (hint hint hint!). Als de bacteriën gewend zijn, kun je de dosis (temperatuur, hoeveelheid zeep, enz) opvoeren, totdat je bij de dosis aankomt waarbij ze voorheen dood gingen. Als ze dan nog leven, hebben jullie met veel succes een bacteriestam resistent gemaakt.

Wat ik aan jullie overlaat is waarop je bacteriën het beste kan laten groeien (gewoon in een petrischaaltje gooien werkt niet), hoe je kan controleren hoeveel ze gegroeid zijn, en hoe het mechanisme van resistentie in elkaar zit. Ow, en vergeet ook niet uit te leggen wat bacteriën zijn en hoe ze zich voortplanten.

Misschien dat ik nu al een veel te groot gedeelte van jullie profielwerkstuk voor heb gekauwd, maar ik denk ook dat het experiment dat ik hierboven beschrijf misschien wel een grote uitdaging is voor leerlingen van een middelbare school. Ik denk wel dat als jullie dit uitgebreid uitwerken, dat jullie docent trots op jullie zal zijn. Laat het me weten als jullie over een jaar een cijfer hebben. Vind ik leuk.

Als jullie nog meer hulp nodig hebben, raad ik jullie aan om contact te zoeken met een universiteit in de buurt (of een hoge school). Die hebben meestal wel professionele hulp voor bij profielwerkstukken. Bijna elke universiteit heeft ook wel een gewoon lab waar jullie onder assistentie wat proeven zouden kunnen uitvoeren. Dan gebeurt alles in ieder geval wel veilig.

Zet’m op en ik hoor graag nog eens van jullie.

Groeten,

de Scheikundejongens

Ideetje voor het IYC2011

Aldo — Fri, 04 Jun 2010 07:00:22 +0000

We schreven al eerder over de aankondiging van het Internationale Jaar van de Chemie (IYC) in 2011. Wij riepen op tot een feestje. Twee weken later is de KNCV erg benieuwd naar uw inbreng. Ze verlangden een idee van een half A4, voor eind mei. De haalbaarheid willen ze graag overleggen met U.

Eigenwijs als we zijn, trekken we ons hier niks van aan. Een open verzoek naar jullie allemaal: ons idee.

Schilderij van Ilya Repin en shop door Christopher

Het ultieme toonbeeld van de scheikunde is natuurlijk het periodiek systeem der elementen. Iedereen weet dat de Russische natuur- en scheikundige Dmitri Mendeleev de vormgever van dit fantastische overzicht is. Maar wat niet iedereen weet, is het onderwerp van zijn promotieonderzoek. Ook die goeie ouwe Mendeleev is ooit doctor geworden.

Op 4 februari 1865 sprak hij een rede uit waarna hij werd gepromoveerd tot doctor in de (natuur)wetenschappen. De titel van de rede: “Рассуждение о соединении спирта с водой” (“Verhandeling over de Combinaties van Water met Alcohol”). Conclusie? Als vodka minder dan 38% alcohol bevat, smaakt het waterig; meer dan 38% geeft een branderige smaak. Hoe hij hierachter is gekomen? Het eigenvolume van watermoleculen en ethanolmoleculen, in combinatie met de hoeveelheid ethanolmoleculen die om een watermolecuul passen. Super dik!

Mijn idee is om op vrijdag 4 februari 2011 een feestje te bouwen ter ere van de geweldige Dmitri Mendeleev. We komen samen op een nog nader te bepalen locatie en zullen daar een ode brengen aan al het goede dat de chemie ons voortbracht. De gaafste experimenten zullen gedemonstreerd worden; optredens van bands als The Chemical Brothers en We Are Scientists; lezingen over de overgang van alchemie naar scheikunde; misschien een lezing van prof. dr. Martyn Poliakoff (uit Periodic Videos); een periodieke collectie der elementen; ijsjes maken met vloeibaar stikstof; en natuurlijk is er naderhand een borrel. Wat vinden jullie?

Met dank aan Andrei voor het vertalen van datum en titel van het proefschrift

Profielwerkstuk onderwerpen

Mark — Tue, 23 Jun 2009 19:42:42 +0000

We kregen de vraag “wat is nou een leuk onderwerp voor een profielwerkstuk over scheikunde?” Natuurlijk zijn wij de beroerdste niet, dus hier een lijstje met leuke experimenten — dat vinden wij in ieder geval — waar goed een profielwerkstuk omheen te bouwen is.

Synthese (maken)

Synthese van / onderzoek naar magnetische vloeistoffen
Synthese van kleurstoffen of luminescerende stoffen
Synthese van pijnstillers: aspirine, paracetamol, benzocaine
Synthese van geurstoffen / esters
Groeien van kristallen
Synthese van silly putty

Hoewel bovenstaande onderwerpen onder “maken” staan, betekent dat niet dat je helemaal niets hoeft te meten. Als je iets hebt gemaakt, wil je daarna ook weten hoe zuiver het is. Denk bijvoorbeeld aan analyses met infraroodspectroscopie, gaschromatografie, dunnelaagchromatografie of NMR.

Analyse (meten)

Oppervlaktespanning / kritische micel concentratie bepalen (denk ook aan dingen als zeep, teflon, speciale planten)
Chemiluminescentie: werking van luminol, katalysatoren hiervoor vergelijken
Bepalen aspartaamgehalte in frisdranken
Bepalen cafeïnegehalte in koffie, thee, cola, …
Bepalen theobromine/cafeïne in chocolade
Bepalen alcoholgehalte in zelfgebrouwen bier (of wijn)
Bepalen ijzer-, chroom-, aluminium-, koper-, nikkel-, calcium-, magnesium-, natriumgehaltes, etc in voeding, staal of leidingwater
Bepalen fosforzuurconcentratie in cola, fanta en andere dranken
Aantasting van tanden door cola of andere zure dranken
Bepalen nicotinegehalte in sigaretten(rook) of nicotinekauwgom
Bepalen capsaïcinegehalte in verschillende soorten rode peper
Bepalen kininegehalte in tonic
Bepalen fluoridegehalte in tandpasta
Maken van/onderzoek naar zonnebrandcreme
Kleuren in vuurwerk
Viscositeit

Bepalingen van biologisch actieve stoffen zoals cafeïne of aspartaam kun je ook goed combineren met een onderzoek naar de werking/bijwerkingen ervan, bijvoorbeeld als je je profielwerkstuk zowel over scheikunde als biologie doet. Dat geldt ook voor de synthese van pijnstillers.

Er zijn ook dingen die je vooral niet moet doen:

‘Onderzoek naar DNA’: te algemeen en te lastig
‘Onderzoek naar kanker’: idem
Ingewikkelde (meerstaps) syntheses
Onderzoek naar explosieven
Het Miller-Urey experiment
Onderzoek naar stamcellen

Zorg dat je jezelf gerichte vragen stelt. Een vraag zoals “wat zijn de effecten van feromonen?’’ is te algemeen. Het aantal feromonen is te groot om op te noemen, en ze hebben allemaal verschillende effecten. Hoe kun je zo’n vraag dan ooit beantwoorden?

Tot slot: wanneer je er niet uit komt, je toffe experiment niet op school kunt uitvoeren of je een analyse niet op school kunt doen, neem contact op met de profielwerkstukken hulp Scheikunde aan de Universiteit Utrecht of check google voor een universiteit in de buurt. Ze helpen graag!

edit: omdat dit bericht zo populair is, hebben we een speciale profielwerkstuk-pagina met meer en uitgebreidere suggesties aangemaakt.

Dansende deeltjes (deel 2)

Mark — Wed, 06 May 2009 13:09:31 +0000

In deze miniserie getiteld ‘Dansende deeltjes’ beschrijven we drie manieren waarop het getal van Avogadro is bepaald. In het eerste deel zagen we dat hele kleine stuifmeelkorreltjes in water zich net zo gedragen als de moleculen in de lucht: des te hoger je in zo’n suspensie komt, des te lager de concentratie van de stuifmeelkorreltjes wordt. Hetzelfde gebeurt met de concentraties van stikstof, zuurstof en dergelijke als je hoger in de lucht komt. Uit dit fenomeen kon Jean Baptiste Perrin in 1909 de constante van Boltzmann bepalen, en daarmee het getal van Avogadro: . In deze formule is R de gasconstante die wel bekend was.

Brownse beweging

In 1828 zag botanist Robert Brown dat er in de vacuoles (blaasjes gevuld met vloeistof) van stuifmeelkorrels iets zat, dat continu bewoog. Eerst dacht hij dat dit kwam doordat de stuifmeelkorrels op een of andere manier ‘levend’ waren. Echter, ook de stuifmeelkorrels van een plant die meer dan 100 jaar dood was, vertoonden dit vreemde gedrag. Ook niet-organisch materiaal zoals hele kleine glaskorreltjes vertoonde deze merkwaardige beweging. Met leven kon het dus niks te maken hebben. Maar waarmee dan wel?

Het duurde zeker nog tot 1905 voordat Einstein met een bewijs kwam. De beweging werd veroorzaakt door de moleculen van het oplosmiddel (bijvoorbeeld water) die tegen de deeltjes aanbotsen. Daardoor leggen de deeltjes een zogeheten ‘random walk’ af: ze zetten iedere keer een ‘stap’ in een willekeurige richting, net als een dronken student.

De simpelste random walk is in één dimensie, dus op een rechte lijn. Stel dat we met één deeltje op het punt beginnen, en we verplaatsen het steeds met een even grote stap naar links of rechts. We spreken af dat ‘-1′ een stap naar links is, en ‘+1′ een stap naar rechts. De kans op ‘-1′ of ‘+1′ is even groot. De nieuwe positie wordt , waarbij elk willekeurig +1 of -1 zijn. In onderstaande afbeelding zie je een random walk in 2 dimensies.

Als we een aantal stappen zetten met heel veel deeltjes, verwachten we dat we even vaak naar links en naar rechts stappen. Gemiddeld genomen verplaatsen de deeltjes zich dus niet. We kunnen schrijven: . De haakjes om de x geven aan dat het hier om een gemiddelde gaat. Dat zie je in onderstaand plaatje (1000 deeltjes die zich volgens een random walk verplaatsen, beginnende in de oorsprong): de vlek breidt zich steeds verder uit, maar het middelpunt blijft op zijn plek.

In bovenstaand plaatje zie je duidelijk dat de vlek steeds groter wordt: de random walk van moleculen is de basis voor diffusie! Een maat voor (het kwadraat van) de grootte van de vlek na een bepaald aantal stappen is . Omdat altijd positief is, is dit gemiddelde wél groter dan nul. Voor een random walk als hierboven kan men laten zien dat , of dat . N is hierin het aantal gezette stappen, en b is de stapgrootte (b = 1 in ons geval).

Als je nog steeds wakker bent, zul je je waarschijnlijk inmiddels wel afvragen: “wat heeft dit in hemelsnaam te maken met het getal van Avogadro?” Daar komen we nu. Voor ronde deeltjes in een oplosmiddel geldt een soortgelijke formule: (voor twee dimensies). In plaats van het aantal stappen N hebben we nu de tijd t, en op de plaats van de stapgrootte staat nu de Einstein diffusiecoefficient D. Einstein liet als eerste zien dat . Hierin staat weer de Boltzmannconstante k_B, samen met de absolute temperatuur T. η is de stroperigheid, of liever: de viscositeit van het oplosmiddel. r is de straal van het bolvormige deeltje.

Wat Jean Baptiste Perrin deed, kun je nu waarschijnlijk wel raden. Door van heel veel colloidale deeltjes onder een microscoop de afgelegde route/afstand te meten, kon hij bepalen.

Daaruit berekende hij de diffusiecoefficiënt, en daarmee de Boltzmannconstante k_B. Via de bekende gasconstante rekende hij het getal van Avogadro uit: . Hij kwam uit op . Ook niet slecht. Het is daarom zeker het vermelden waard dat Jean Baptiste Perrin voor zijn werk in 1926 de Nobelprijs heeft gekregen.

Dansende deeltjes (deel 1)

Mark — Thu, 30 Apr 2009 08:53:32 +0000

Een van onze vaste lezeressen vroeg zich af wat een mol is, en waar het getal van Avogadro vandaan komt.

Het is altijd goed om je af te vragen waar kennis vandaan komt. Hoe zijn we dingen, die nu voor ons heel normaal zijn, ooit te weten gekomen? Hoe zou je als 19e eeuwse chemicus kunnen aantonen dat water H₂O is en geen HO of H₂O₂? Waarom weten we dat er twee waterstofatomen in een water molecuul zitten? Hoe weten we eigenlijk hoeveel atomen er in een bepaald volume of bepaalde massa zitten?

De constante van Avogadro heb je nodig als je wilt weten hoeveel moleculen (of atomen) er in m gram stof zitten. Er is afgesproken dat er in exact 12 gram koolstof precies één mol koolstof atomen zitten. Een mol koolstof is dus net zoiets als een dozijn, gros of krat bier. Alleen wéét je dat er in een krat bier 24 flesjes zitten. Maar hoeveel atomen er in een mol zouden zitten, wist men lange tijd niet. Deze hoeveelheid (het aantal atomen in exact 1 mol) zou men later de constante van Avogadro noemen en werd pas bepaald rond 1909. Maar hoe?

In deze mini-serie worden in de eerste twee delen twee manieren beschreven die men in die tijd heeft uitgevoerd en in het laatste deel zal worden uitgelegd hoe dat tegenwoordig gaat.

De twee ‘ouderwetse’ methoden hebben één ding gemeen: de constante van Avogadro werd indirect bepaald — namelijk uit de gasconstante R — die wel bekend was. Het getal van Avogadro N_A maal de Boltzmannconstante k_B is gelijk aan de gasconstante: . Waarom? Dat is een heel ander verhaal. De Boltzmannconstante was echter destijds ook onbekend, net als de constante van Avogadro. De truc is dus om de constante van Boltzmann te bepalen, en als bonus weet je gelijk het getal van Avogadro! Dat is precies wat Jean Baptiste Perrin deed in 1909.

Manier 1: Barometrische verdeling

Als je wel eens hoog in de bergen bent geweest, weet je dat de lucht daar ijler is. De luchtdruk neemt af als je verder van het aardoppervlak verwijderd raakt: het aantal deeltjes per volume-eenheid neemt af, en daarmee ook de druk. Vlak op het aardoppervlak gaat er ongeveer 1 mol gas in 25 L. Op 5.5 kilometer hoogte zit er nog maar 0.5 mol gas in 25 L. Dit komt doordat een molecuul in de lucht last heeft van de zwaartekracht. Het kost zwaarte-energie (, waarbij m de massa van het molecuul in kg, g de valversnelling van en de hoogte h in meter is) om een molecuul op een bepaalde hoogte boven de aarde te brengen.

Als het aan de zwaartekracht zou liggen, zouden alle moleculen in de lucht direct neerstorten als een baksteen en niet ook op 10 km hoogte rondzweven. Toch gebeurt dat niet. Dat komt doordat de moleculen in de lucht wild ronddansen. Ze hebben thermische energie: energie als gevolg van de temperatuur. Temperatuur is dus niets anders dan de kinetische energie (en de bijbehorende snelheid) van moleculen. Die thermische energie is ongeveer gelijk aan , oftewel de Boltzmannconstante maal de temperatuur T (in Kelvin).

Waar (gas)moleculen zijn, hangt dus af van twee effecten: de zwaartekracht (die ze naar beneden willen trekken) en hun thermische energie (die ze overal heen laat bewegen). Grof gezegd bepaalt de verhouding tussen thermische energie en zwaarte-energie hoe moleculen zich in de atmosfeer ‘verdelen’. Dit wordt meer precies beschreven door de barometrische hoogteverdeling. De druk p op hoogte h wordt gegeven door een referentiedruk p₀ maal een statistische (Boltzmann) verdeling: . mgh is weer de zwaarte-energie van het molecuul en k_BT is de thermische energie van de moleculen. We kunnen nu dus berekenen wat de druk op een bepaalde hoogte is, ten opzichte van een referentiedruk. Omdat ‘druk’ en ‘aantal deeltjes per volume’ gekoppeld zijn door de ideale gaswet, weten we met een beetje omschrijven ook hoe deze formule eruit ziet voor het aantal deeltjes op een bepaalde hoogte:

Dit geldt niet alleen voor moleculen, maar ook voor objecten die groter zijn dan dat. Jean Baptiste Perrin nam hele kleine stuifmeelkorreltjes (0.21 µm) en deed deze in water. Door het aantal deeltjes op een verschillende hoogtes te tellen, kon hij de constante van Boltzmann berekenen (hij wist de massa van zijn deeltjes). Hij wist namelijk het aantal deeltjes N op een bepaalde hoogte h, het aantal deeltjes N₀ op zijn referentiehoogte, de temperatuur T, de massa van de deeltjes m en de valversnelling g. Samen met de berekende k_B en de bekende gasconstante R kwam hij uiteindelijk uit op . De huidige waarde is . Niet slecht, toch?