Scheikundejongens » profielwerkstuk

Een profielwerkstuk over reologie

Mark — Mon, 27 Feb 2012 08:00:24 +0000

Vorige week kwamen er twee scholieren langs bij ons op het lab. Ze wilden voor hun profielwerkstuk de reologische eigenschappen van mayonaise, ketchup en maïzena onderzoeken. Reologie is het vakgebied dat zich bezighoudt met hoe vloeistoffen stromen. Over de bijzondere reologische eigenschappen van maïzena hebben we al eens wat geschreven. Maïzena wordt meer stroperig wanneer het sneller stroomt. Zo kun je dus snel over een bak met maïzena lopen, maar zak je er in weg wanneer je te lang op één plek blijft staan. In de reologie wordt dat shear thickening genoemd. Bij pek en silly putty gebeurt hetzelfde, terwijl bij ketchup en mayonaise het tegenovergestelde gebeurt. Ketchup en mayonaise gaan juist steeds gemakkelijker bewegen wanneer ze sneller stromen. Dat heet shear thinning.

Het begrip “stroperigheid” wordt in de reologie viscositeit genoemd. De viscositeit van een vloeistof is niets meer dan de verhouding tussen de kracht die nodig is om een vloeistof te laten stromen, en de snelheid waarmee het stroomt. De viscositeit van een vloeistof heeft niet per sé één vaste waarde, maar kan dus afhangen van de snelheid waarmee de vloeistof stroomt.

Terug naar de scholieren. Zij wilden de reologische eigenschappen van een aantal stoffen bestuderen. Samen met een collega en de scholieren hebben we daarom een aantal van die stoffen met een reometer geanalyseerd. Dat is een apparaat dat een bepaalde kracht uitoefent op een stof, en dan meet hoe snel het beweegt (of omgekeerd). We hebben die metingen gedaan met mayonaise en ketchup. Maïzena hebben we ook geprobeerd, maar omdat dit snel uitzakt waren er geen betrouwbare metingen mogelijk. De resultaten zie je hieronder.

Bij een toenemende stroomsnelheid, neemt de benodigde kracht naar verhouding steeds minder toe. Mayonaise en ketchup zijn allebei dus inderdaad shear thinning, en we kunnen ook concluderen dat ketchup in algemeen een stuk gemakkelijker stroomt dan mayonaise. Omdat we de stroomsnelheid en kracht over een heel groot gebied hebben gemeten, is het echter nuttiger om deze resultaten op een dubbele log-schaal weer te geven, zoals hieronder, zodat je beter kunt zien wat er gebeurt. Uit de shear stress en shear rate kun je ook de viscositeit berekenen. Dat is wat er in onderstaande grafiek uitgezet staat. Zoals je kunt zien, neemt de viscositeit over het gemeten gebied met een factor honderdduizend af, zowel voor mayonaise als voor ketchup. Dit gedrag wordt veroorzaakt door de microscopische structuur van de producten. Daarmee bedoelen we niet uit welke atomen en moleculen het bestaat, maar juist hoe die moleculen zich op een schaal van micrometers ordenen. Mayonaise is bijvoorbeeld niet een homogene oplossing van water en olie (want water en olie lossen niet in elkaar op), maar bestaat juist uit kleine oliedruppeltjes die verspreid liggen in het water. Dat kun je op onderstaande microscopie-afbeelding goed zien. De bolletjes zijn enkele micrometers groot, bestaan uit olie, en zijn omgeven door water.

Zoals je hieronder kunt zien, ziet ketchup er juist weer heel anders uit onder een microscoop. Ook ketchup is geen homogeen mengsel, maar bestaat uit grote korrels van enkele tientallen micrometers (zetmeel), enkele stukjes celwand en vezels, samen met wat kleinere donkere spikkeltjes (onoplosbaar materiaal) en rode stukjes (lycopeen, de kleurstof afkomstig uit tomaat) in een waterige omgeving. Ketchup is een stuk minder geconcentreerd dan mayonaise en daarom waarschijnlijk minder viskeus. Ook is duidelijk dat we hier te maken hebben met goedkope ketchup: in kwalitatief goede ketchup zit namelijk vooral tomatenpuree en geen vulstoffen.

Tot slot hebben we nog de maïzena. Hoewel we daaraan geen reologische metingen hebben (kunnen) verrichten, konden we het wel onder een microscoop bekijken. Daarop is te zien dat het bestaat uit zetmeelkorrels van zo’n 10–20 µm.

De vraag is nu natuurlijk: hoe veroorzaakt een bepaalde microscopische structuur een specifieke reologie? Op die vraag is geen algemeen geldend antwoord te geven, want dat is afhankelijk van een groot aantal factoren: de vorm en afmetingen van de deeltjes, de concentratie ervan, de interacties tussen die deeltjes, en zo voort. De oliedruppeltjes uit de mayonaise zijn bijvoorbeeld in hoge concentratie aanwezig, maar de zetmeelkorrels in maïzena ook. Toch vertoont maïzena shear thickening en mayonaise shear thinning. Dat kan een aantal oorzaken hebben: het zou bijvoorbeeld zo kunnen zijn dat de oliedruppeltjes gemakkelijk vervormen. Als de vloeistof gaat stromen, zouden ze een beetje kunnen ‘uitrekken’ zodat het water er gemakkelijker langs kan stromen. Maïzena bestaat uit harde korrels, dus daarbij kan dat niet.

Reologie is van groot praktisch belang om ervoor te zorgen dat allerlei producten op de juiste manier (al dan niet) stromen, en door de microscopische structuur van producten te veranderen, kunnen de reologische eigenschappen naar wens worden aangepast. Reologie is zeer geschikt als onderwerp voor je profielwerkstuk. Als jij zelf van plan bent om je profielwerkstuk hierover te houden, zoek dan vooral contact met een universiteit. Niet alleen kun je dan mooie experimenten doen, maar je ziet ook nog eens hoe het eraan toegaat op een échte onderzoeksgroep.

Wil je meer ideeën voor je profielwerkstuk? We hebben er een hele pagina over.

Met dank aan Dzina Kleshchanok voor de metingen en Hans Tromp voor info over ketchup.

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

Imagine scholierenwedstrijd 2010

Aldo — Mon, 28 Jun 2010 07:00:05 +0000

Wereldverbeteraars verenigt u, want ook dit jaar houdt Imagine een wedstrijd voor middelbare scholieren. Vorig jaar schreven we er ook iets over. Die wedstrijd werd toen gewonnen door de Biozak. Een idee om in Guatemala houtkap te reduceren en de levensomstandigheden te verbeteren, door met een vergister gas uit afval te winnen. Met biochemie redt je de wereld.

Dit jaar is er weer een wedstrijd. Zit je op de middelbare school, doe je een NG of NT profiel en begin je vanaf september aan je profielwerkstuk? Imagine heeft een aantal projectvoorstellen waaraan je mee kan doen in groepjes van 2–5 scholieren. Die projecten hebben stuk voor stuk te maken met hoe je Life Science & Technology gebruikt om de bevolking van een ontwikkelingsland te helpen. Zo kun je denken aan brandstof maken voor auto’s met behulp van algen, of nieuwe geneesmiddelen halen uit planten. Je kunt overigens ook deelnemen zonder dat je het businessplan op school als profielwerkstuk inlevert.

Om de benodigde informatie te verzamelen, ga je met een wetenschapper het lab in om proefjes te doen. In de loop van februari moet je profielwerkstuk af zijn. Een jury selecteert op basis van de profielwerkstukken de finalisten. Tijdens de finale presenteer je je plan aan een expertjury, begeleid door een promotiefilmpje. Het groepje met de beste presentatie en het beste verslag wint Imagine en mag op bezoek in het land waar hun project wordt uitgevoerd.

Als scholier vind je hier meer informatie; als docent hier.

Maar wacht, er is meer. Ben je vakspecialist en lijkt dit je leuk? Stichting Imagine Life Sciences zoekt ook nog wetenschappers die hen kunnen steunen en enthousiasme voor hun vak willen uitdragen door middel van het indienen van een projectvoorstel. Als wetenschapper houd je o.a. een practicum voor de leerlingen, waarin ze kennis maken met de in het projectplan voorgestelde technologie. Meer informatie lees je hier.

Profielwerkstuk-onderwerpen verzameld

Aldo — Mon, 08 Feb 2010 08:00:35 +0000

Hèhè, eindelijk. Hij is af en online.

In antwoord op een lezersvraag gaf Mark al eens wat ideeën voor een scheikundig profielwerkstuk (PWS). Al snel kwamen we erachter dat dit enorm veel bezoekers (middelbare scholieren?) trok. Het blijkt dat veel bezoekers ons vinden met zoekwoorden als ‘profielwerkstuk’, ‘onderwerp’ en ‘scheikunde’.

¹H en ¹H is ²He — al is dat meer natuurkunde — dus dus deden wij de oproep om met ideeën te komen voor een profielwerkstuk over scheikunde. Dit hebben we allemaal verzameld tot één pagina: de Profielwerkstuk pagina. Sinds gisteravond is deze pagina ook bereikbaar via het menuutje bovenaan de pagina.

*applaus en gejuich*

Neemt niet weg dat we nog altijd graag ideeën binnen krijgen en ze met liefde toe zullen voegen aan de bestaande lijst. Als het maar naar chemie ruikt.

Verbeter de wereld met je profielwerkstuk

Mark — Wed, 14 Oct 2009 08:00:04 +0000

Ben je een scholier en heb je altijd al eens de wereld willen verbeteren? Dat kan, dankzij de Stichting Imagine Life Sciences. Zij verbinden onderzoek, onderwijs en ontwikkelingssamenwerking en ze organiseren elk jaar een scholierenwedstrijd. Wetenschappers komen met ideeën voor projectvoorstellen (met een bijbehorend ontwikkelingsland) en scholieren werken die uit in hun profielwerkstuk. Het beste voorstel wordt uiteindelijk door Imagine uitgevoerd in het betreffende land. Zo verbeteren ze niet alleen de wereld, maar brengen ze ook scholieren in aanraking met de levenswetenschappen.

De scholierenwedstrijd van dit jaar is op 5 oktober van start gegaan. Er zijn vijf onderwerpen in de Life Sciences gekozen die door scholieren in hun profielwerkstuk worden uitgewerkt. De onderwerpen van dit jaar zijn als volgt:

De biozak: een bioreactor waarin organische (afval)stromen worden omgezet in biogas;
Bio-noodwoningen: noodwoningen die in rampgebieden kunnen worden gemaakt van natuurlijke en herbruikbare materialen;
Afvalwaterbehandeling in goudmijnen Ghana: zoeken naar methoden om met lokale biologische materialen/planten de vervuiling van de goudmijnen (o.a. arsenicum, koper en cyanide) tegen te gaan;
Een waterkiosk als bedrijfje: met keramische filters water zuiveren en dit verkopen in lokale kiosken;
Drainagesysteem met een hoger rendement: in de landbouw gaat veel water verloren door het niet effectief irrigeren van landbouwgrond; betere drainage systemen kunnen helpen bij dit probleem.

Uiteindelijk selecteert een jury de beste voorstellen. De winnende scholieren zullen dan hun resultaten publiceren op een wetenschappelijk congres. Voorbeelden van winnende projecten zijn het maken van biodiesel met algen in Mozambique en het ontwerpen van biogasreactoren voor de energievoorziening van een school in Tanzania. Bekijk ook eens de onderwerpen en filmpjes van afgelopen jaar.

Wij vinden dit een erg mooi initiatief en zijn erg benieuwd naar de resultaten.

Profielwerkstukken

Aldo — Mon, 05 Oct 2009 08:00:15 +0000

Omdat we zoveel bezoekers krijgen die geïnteresseerd zijn in profielwerkstukken, hebben we besloten om een profielwerkstuk (PWS) pagina in te richten. We hebben genoeg ervaring met middelbare scholieren die naar onze universiteit mailen om begeleiding te vragen voor hun PWS. Niet alleen krijgen we hele leuke ideeën, maar ook hele slechte ideeën. Zoveel, dat we bijna een webpagina vol zouden kunnen schrijven met PWS ideeën.

Dus, aan jullie de vraag: hebben jullie nog goeie ideeën voor een scheikunde PWS? Reageer hieronder, of vul het contactformulier in. Natuurlijk zijn we ook geïnteresseerd in (zowel goeie als slechte) ervaringen en slechte plannen.

De thema’s waarin wij alle onderwerpen willen indelen zijn als volgt:

Anorganische chemie
Biochemie
Fysische chemie
Katalyse
Organische chemie
Theoretische chemie

Ook willen we elk thema weer onderverdelen in 3 typen:

Analyse
Literatuurstudie
Synthese

Natuurlijk zijn er onderwerpen die niet samen gaan met bepaalde typen (een synthese gaat niet met theoretische chemie). Verder zijn dit natuurlijk de belangrijkste thema’s. Andere thema’s kunnen zijn: astrochemie, geschiedenis van de scheikunde en pharmacologie. Die gaan we (misschien) indelen in bovenstaande thema’s.

Dus, aan jullie de vraag: hebben jullie nog leuke ideeën? Laat het ons weten!

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.