2010 – Pagina 22 – Scheikundejongens

Scheikundejongens bij RTL Autowereld

“Kun jij me eens uitleggen wat CO₂ precies is, waar we het tegenkomen en wat 129 g CO₂/km is?”

Die vragen kreeg ik een week geleden van Allard Kalff. Het tv-programma RTL Autowereld wilde graag een uitzending maken naar aanleiding van een nieuwe auto: de Fiat Punto Evo. De auto stoot 129 g CO₂ uit per (gestandaardiseerde) kilometer. En de makers van het programma wilden wel eens weten wat die 129 gram betekent.

Hiervoor hebben ze contact met ons gezocht. Vorige week woensdag (3 feb.) ben ik geïnterviewd door Allard Kalff in een laboratorium van de Universiteit Utrecht.

“We weten dat mensen zuurstof (O₂) inademen en koolstofdioxide (CO₂) uitademen. Bomen ‘eten’ CO₂ op en daar halen ze hun koolstof (C) vandaan om te groeien. Een boom ademt weer zuurstof uit en wij worden blij. Nu is het een kleine stap naar aardolie. Bomen gaan dood, komen onder een laag aarde te liggen, …(wacht een lange tijd)… en wat boom was is nu aardolie. Dat pompen mensen omhoog, maken er onder andere benzine van en dat verbranden wij. Bij verbranding van benzine komt diezelfde koolstof als CO₂ vrij die de boom ooit uit de lucht haalde.” Hier houden de feiten op en begint een enorme data-analyse en discussie over de hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer. Daar waag ik me niet aan.

Het verhaal hierboven heb ik ook aan Allard verteld. Ook heb ik hem een hoop interessant glaswerk laten zien dat ik had gevuld met water en voedingskleurstof. Ik heb daarbij verteld dat dit de manier is om in Hollywood een interessant chemisch lab na te bootsen. Terwijl ik dat zeg, stort ik een enorme berg vast CO₂ (aka ‘droogijs’) in het gekleurde water. Dat begint te borrelen (verdampend CO₂) en te roken (condenserend watergas).

Spannend! Ik ben benieuwd wat ze allemaal uitzenden, of wat nog interessanter is, wat ze eruit geknipt hebben. Het verhaal waarin ik uitleg wat CO₂ is en wat 129 gram is, zullen ze er natuurlijk wel ingezet hebben, dus dan zien jullie dan wel. Wanneer?

Datum: Zondag 14 februari 2010
Tijd: 17.30h
Zender: RTL 7
Programma: RTL Autowereld

Wel allemaal kijken he? Maandag zal ik een linkje plaatsen. Hieronder alvast een preview van de onzinnige opstelling met water, voedingskleurstof en droogijs.

De bovenste foto is een screenshot van het tv-programma RTL Autowereld en de onderste foto is genomen door Ko Tilman. Bedankt.

Het probleem met de kilogram

In de natuurwetenschappen worden een heleboel eenheden gebruikt. Vaak worden hiervoor SI-eenheden gebruikt, bijvoorbeeld Watt voor vermogen, Joule voor energie, Coulomb voor lading en Newton voor kracht. Andere voorbeelden zijn de mol voor een hoeveelheid stof, meter voor afstand, seconde voor tijd en natuurlijk de kilogram voor massa. Maar niet al die eenheden zijn ‘fundamentele’ eenheden, het merendeel van de eenheden zijn zogeheten afgeleide eenheden.

Het SI-stelsel kent zeven basiseenheden, de meter, seconde, kilogram, mol, kelvin, ampère en candela. Alle andere eenheden kunnen hiervan worden afgeleid. Een newton is bijvoorbeeld de kracht die nodig is om een object van één kilogram te versnellen met één m/s², oftewel 1 N = 1 kg m/s². Een joule is weer de energie die nodig is om met een kracht van 1 N een object 1 m te verplaatsen, dus in feite is 1 J = 1 N m = 1 kg m²/s². De watt is weer één joule per seconde, dus 1 W = 1 J/s = 1 kg m²/s³.

Zo zijn er nog veel meer voorbeelden te verzinnen. Allemaal leuk en aardig, maar je zult wel moeten afspreken wát nu precies een meter, seconde en kilogram is. Het handigste is om basiseenheden te definiëren aan de hand van natuurconstanten zoals de lichtsnelheid. Bij de meter en seconde is dit ook gedaan. Eén meter is exact gelijk aan de afstand die licht in 1/299.792.458 deel van een seconde aflegt. Met andere woorden, de lichtsnelheid is per definitie 299.792.458 m/s. De seconde is op haar beurt weer gedefinieerd als de duur van 9.192.631.770 perioden van elektromagnetische straling afkomstig van (een overgang tussen de twee hyperfijne energieniveau’s van de grondtoestand van) een cesium-133 atoom.

De IPK-replica (K48) van Denemarken — Deense replica van dè kilogram

Dit klinkt misschien een beetje ingewikkeld, maar zulke definities hebben een heel groot voordeel: je kunt ze overal en altijd reproduceren en gebruiken. Vroeger was de meter de lengte van een bepaalde platina-iridium staaf die ergens in Frankrijk lag, maar daar had de rest van de wereld natuurlijk weinig aan. De snelheid van het licht is daarentegen overal hetzelfde en ook cesium-133 atomen zijn overal identiek, dus iedereen kan deze definities gebruiken.

Maar dit geldt niet voor de kilogram. De kilogram is nog steeds gedefinieerd als de massa van die ene platina-iridium cilinder uit 1884 (!) in een kluis in Parijs, de IPK (International Prototype Kilogram). Er zijn een aantal replica’s van de IPK, maar dat helpt ook niet echt, vooral niet als blijkt dat de massa’s van deze replica’s en de IPK steeds meer beginnen te verschillen. Er wordt dus al een tijdje gesteggeld over wat nu een goede, reproduceerbare manier is om een kilogram te definiëren.

Er zijn een aantal opties, maar mijn favoriet, als chemicus, is dat we het getal van Avogadro vastzetten (in plaats van experimenteel bepalen). Je maakt gebruik van het feit dat één mol koolstofatomen exact 0,012 kg is, waardoor we atomen kunnen gaan tellen om tot een kilogram te komen.

Natuurlijk ga je niet één voor één atomen tellen. Een praktische uitwerking is bijvoorbeeld dat je een perfecte bol van silicium maakt. De straal van de bol is zeer nauwkeurig te meten, tot op 0,3 nm. Dankzij de halfgeleiderindustrie kan er super zuiver silicium worden gemaakt. Ook de relatieve atoommassa’s van de siliciumisotopen zijn nauwkeurig bekend. Verder heb je de afstand tussen de siliciumatomen in de bol nodig, dit kun je meten met rontgendiffractie. Samen met het volume van de bol (uit de straal) kun je dan het aantal atomen bepalen en dus de massa, zonder een weegschaal te gebruiken. De silicium bal kun je vervolgens als referentie gebruiken.

Het voordeel van zo’n definitie is dat iedereen zijn éigen kilogram kan maken en niet afhankelijk is van een kilogram in Parijs. Gaat het stuk, dan kun je weer een nieuwe maken zonder al te veel narigheid.

Jammer genoeg gaat er veel politiek achter het maken van een afspraak als deze. Het zal dus nog een tijdje duren voordat we een definitie van de kilogram hebben waar zelfs de exactste wetenschapper het mee eens is.

Profielwerkstuk-onderwerpen verzameld

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.

Chemische Vrijstaat

Een studiegenoot van mij wees me op een chemische landkaart die hij samen met Jasper Landman en Marte van der Linden heeft bedacht. Jasper heeft deze kaart later uitgewerkt, samen met Marte. Fantastisch werk. Veel woordgrappen en chemische verwijzingen. De enige inside joke die niet-Utrechtse scheikundestudenten er niet uit zullen halen is ‘PK’ (dat staat voor Proton Kamer, de studentenkamer voor mensen van mijn studentenvereniging).

Het copyright van deze afbeelding ligt bij Jasper Landman, Marte van der Linden en Roel Baars. Klik op de afbeelding voor een vergroting. Klik hier voor super groot.

Kunnen jullie alle woordgrappen en verwijzingen eruit halen?

Assepoester en de vloeibare kristallen

De wereld van de vloeibare kristallen stond kort geleden even op zijn kop. De “Assepoester van de vloeibare kristallen” was eindelijk, veertig jaar nadat deze theoretisch was voorspeld, onomstotelijk experimenteel gevonden. Voordat ik ga uitleggen wat er nu precies is gevonden, zal ik eerst vertellen wat een vloeibaar kristal eigenlijk is.

Veel stoffen komen voor in drie fasen: als vaste stof, vloeistof en gas. Van de vaste stoffen hebben er veel een kristalstructuur, de atomen, moleculen of ionen zijn in alle richtingen netjes gerangschikt. Je kunt ook zeggen dat er in een kristal orde is in alle drie de dimensies.

Ga je een kristal verwarmen zodat het smelt, dan verdwijnt die orde tegelijk in alle drie de dimensies, zo zou je denken. Bij de meeste stoffen in ons dagelijks leven is dit ook zo, maar dat is alleen maar zo omdat de atomen/moleculen/ionen waaruit die stof bestaat, ongeveer bolvormig (of erg flexibel) zijn.

Wanneer de moleculen niet ongeveer bolvormig zijn, gebeurt het soms dat de wanorde niet tegelijk in alle richtingen toeslaat. Je krijgt dan iets dat tussen een kristal en een vloeistof in zit, vandaar de naam vloeibaar kristal. Voor staafvormige deeltjes krijg je bijvoorbeeld een vloeibaar kristal waarin alle staafjes dezelfde kant op wijzen, terwijl ze wel vrij alle kanten op kunnen bewegen, zoals in het plaatje hiernaast. Dit heet met een duur woord een nematische fase.

Vloeibare kristallen kun je niet alleen krijgen met niet-bolvormige moleculen, maar ook met colloïden. Colloïden zijn deeltjes tussen de 1 nm en 1 µm. Ze kunnen van allerlei materialen (zoals plastic en silica) en in allerlei vormen worden gemaakt. Wanneer je staafvormige colloïden in een oplosmiddel stopt, kun je net als bij de staafvormige moleculen een nematische fase krijgen. Dit gebeurt puur doordat de afmetingen van de deeltjes in één richting (de lengte) duidelijk anders zijn dan in de andere twee richtingen.

Maar wat gebeurt er als we colloïden maken waarvan de afmetingen in alle drie de dimensies anders zijn? Dit is bijvoorbeeld het geval voor plaatvormige deeltjes met lengte L, breedte B en dikte D die alledrie van elkaar verschillen, zoals in de afbeelding hiernaast. Uit theoretische voorspellingen is gebleken dat wanneer de verhouding van lengte en breedte ongeveer gelijk is aan de verhouding van breedte en dikte $\left(\frac{L}{B}\simeq \frac{B}{D}\right)$ er een zogeheten biaxiale nematische fase zou moeten vormen.

Met een biaxiale nematische fase wordt bedoeld dat deeltjes oplijnen langs twee assen (bi-axiaal). De deeltjes wijzen dus niet alleen dezelfde kant op, ze staan ook nog eens met dezelfde kant naar elkaar toe, zoals in onderstaand plaatje is geschetst.

Het spannende is nu dat dit type vloeibaar kristal al veertig jaar geleden was voorspeld. Tot nu was echter nog nooit onomstotelijk experimenteel bewezen dat het ook écht bestond. Promovenda Esther van den Pol aan de Universiteit Utrecht is er in geslaagd om deze fase aan te tonen. Dit is gedaan met plaatvormige goethiet (α-FeOOH) colloïden met afmetingen van 254 x 83 x 28 nm, oftewel L/B = 3,1 en B/D = 3,0. Zoals je ziet zijn L/B en B/D inderdaad ongeveer gelijk aan elkaar, zoals de theorie voorspelde.