Vast of vloeibaar?

Iets meer dan een jaar geleden schreven we onder de noemer “Over water lopen? Het kan!” al over het beroemde experiment waarbij je maïzena mengt met water. Er ontstaat dan een niet-newtoniaanse vloeistof: een vloeistof waarvan de viscositeit (‘stroperigheid’) afhangt van de snelheid waarmee het stroomt. In het geval van maïzena en water neemt de viscositeit toe bij toenemende stroomsnelheid; dit heet dilatantie of shear thickening. Bij andere materialen zal de viscositeit juist afnemen, denk aan ketchup of verf. Dit noemen we shear thinning. (Een correcte Nederlandse vertaling van deze term is mij overigens onbekend, heeft iemand een suggestie?)

Of je dergelijke niet-newtoniaanse materialen nu moet beschouwen als vloeibaar of vast hangt vooral af van de tijdsschaal waarop je kijkt en van de grootte van de krachten die erop worden uitgeoefend. Het bekende Silly Putty stroomt langzaam op een tijdsschaal van minuten als er maar kleine krachten op worden uitgeoefend en lijkt dan het meest op een vloeistof. Trek je echter even stevig aan een stukje Silly Putty, dan breekt het. Je kunt er natuurlijk ook een grote bal van maken en deze van hoog gebouw gooien (zie onderstaand filmpje). Dit laat zien dat Silly Putty bij het uitoefenen van grote krachten op korte tijdsschaal ineens het meest doet denken aan een vaste stof.

De overtreffende trap van Silly Putty is wat mij betreft pek, een verzamelnaam voor allerlei zeer visceuze ‘vloeistoffen’ zoals teer en bitumen. Pek is op het eerste gezicht een bros materiaal. Wanneer je er met een hamer op slaat, zal het in vele stukken opbreken zoals een vaste stof dat doet. Dit is op het plaatje hiernaast te zien.

Een beroemd experiment genaamd het pekdruppelexperiment (of Pitch Drop Experiment) aan de Universiteit van Queensland in Australië laat zien dat pek wel degelijk vloeibaar is. In 1927 heeft Professor Thomas Parnell verwarmde, vloeibare pek in een afgesloten trechter geschonken. Dit heeft hij rustig laten afkoelen. Drie jaar later is de trechter geopend en sindsdien valt er ongeveer eens in de tien jaar een druppel pek uit de trechter. Hiermee hebben ze kunnen uitrekenen dat de viscositeit van pek ongeveer 100 miljard (1011) keer groter is dan die van water. Het experiment loopt nog steeds door en heeft daarmee niet alleen een plek in het Guinness Book of Records veroverd als langstlopende experiment, maar ook nog een Ig Nobelprijs opgeleverd.

Sinds 1927 zijn er acht druppels gevallen en de laatste druppel viel op 28 november 2000. Nog nooit heeft iemand echter de druppel daadwerkelijk zien vallen. Ook zijn er geen videobeelden van: door een technisch probleem is het niet gelukt om het vallen van de laatste druppel op te nemen. Aangezien de laatste druppel bijna tien jaar geleden is gevallen, valt het te verwachten dat het niet al te lang meer duurt voordat de volgende druppel valt. Voor degenen die hun geluk willen uittesten: er is ook live beeld (pas op, raar Windows Media Player linkje).

Hoewel pek ten onrechte als vaste stof wordt aangemerkt, wordt van glas juist vaak gedacht dat het vloeibaar is. Er wordt dan gezegd dat bij oude gebouwen te zien is dat het glas in de ramen aan de onderkant wat dikker is. Glas is echter, op enige observeerbare tijdschaal, niet vloeibaar. Wel was men vroeger niet zo goed in het maken van glas dat overal even dik was. Slim als men destijds was, werd gewoon de dikste (en zwaarste) kant van het glas onder geplaatst. Of, om een quote uit een artikel hierover te gebruiken:

(…) window glass will only flow appreciably at room temperature if one waits until the “Second Coming”!

Er wordt geschat dat de tijdsschaal waarop glas vloeibaar is, 1023 tot 1032 jaar bedraagt. Ter vergelijk: de leeftijd van het universum bedraagt ongeveer 1010 jaar, dus voor alle praktische doeleinden is glas, in tegenstelling tot pek, écht een vaste stof.

Raad de elementen

Op de middelbare school kom je al vroeg in aanraking met het periodiek systeem der elementen: de belangrijkste bron van informatie over de elementen. Veel mensen zien het periodiek systeem daarnaast als hét icoon van de scheikunde. Wanneer iets met scheikunde te maken heeft, kan een periodiek systeem nooit ver uit de buurt zijn.

Maar hoe goed ken je het periodiek systeem nu eigenlijk? Op sporcle.com staat, naast vele andere mentally stimulating diversions, een aantal leuke quizzen over het periodiek systeem. Zo is er een quiz waarbij je elementen moet noemen die dezelfde afkorting hebben als Amerikaanse staten, waarbij je alle alkalimetalen moet opnoemen of waarbij je elementen moet noemen die niet eindigen met de letter n of m. En voor alle fans van What The Movie is er ook nog een quiz waarbij je films moet raden aan de hand van de symbolen van elementen.

Mijn favoriet is echter degene waarbij je simpelweg zo veel mogelijk namen van elementen uit het periodiek systeem moet opnoemen. Ik kwam tot 66. Hoe ver komen jullie? Niet spieken hè!

Met dank aan Freddy en Roel voor de tip.

Luchtdruk en een blikje

De moleculen in de lucht om ons heen botsen constant tegen ons aan, maar vreemd genoeg merken we daar in de praktijk weinig van. Toch is de kracht die de lucht op ons uitoefent gigantisch. Normaal is de luchtdruk ongeveer 1 atmosfeer, oftewel 105 N/m2. Om een indruk te geven van hoeveel dat is: dat is gelijk aan het gewicht van 10.000 kilogram en dat op élke vierkante meter, of 1 kg op elke cm2.

Om te laten zien wat voor een enorme kracht dit eigenlijk is, kun je thuis met een leeg frisdrankblikje, water, een tang en een fornuis een leuk experiment doen. Doe het volgende:

  • Vul een bak met water. De bak moet diep/groot genoeg zijn om het colablikje in te kunnen zetten. Een gootsteen werkt ook prima.
  • Neem een leeg blikje en spoel het goed om. Doe er een bodempje water in.
  • Verwarm het blikje met bijvoorbeeld een gasfornuis totdat het water in het blikje goed kookt. Zorg ervoor dat het blikje niet droogkookt.
  • Pak het blikje met een tang op en zet het omgekeerd in de bak met water. Schrik niet.

Wat is hier gaande? Wanneer je het water in het blikje kookt, wordt het blikje gevuld met stoom in plaats van lucht. Koel je die stoom af, dan zal het weer condenseren tot water waarbij het volume ruim duizend keer kleiner wordt. Het blikje deukt razendsnel in.

Door het blikje omgekeerd in het water te zetten, zorg je er niet alleen voor dat het condenseren van de stoom enorm snel gaat, ook voorkom je dat het blikje snel lucht van buiten zou kunnen aanzuigen. Het blikje zou wel water kunnen opzuigen, maar dit gaat relatief traag. Daardoor neemt de druk in het blikje sterk af, terwijl de buitenlucht nog wél met 105 N/m2 op het blikje aan het drukken is. Met andere woorden: de buitenlucht drukt nog steeds op het blikje, maar er zit niets meer in het blikje dat terugduwt. Het arme blikje is niet bestand tegen dit drukverschil en zakt in elkaar. Wie had gedacht dat lucht zo gewelddadig kon zijn?

Heb je niet de mogelijkheid, zin of tijd heeft om het experiment zelf uit te voeren, dan kun je in onderstaand filmpje het experiment ook duidelijk zien.

Schietkatoen

Katoen komen we in het dagelijks leven erg veel tegen, bijvoorbeeld in bankbiljetten en kleding (spijkerbroeken, T-shirts en labjassen). Het heeft namelijk erg prettige eigenschappen: het gaat lang mee, brandt slecht en kan goed tegen allerlei chemicaliën.

Katoen bestaat voor een groot deel (>90%) uit cellulose. Dit is een polymeer dat bestaat uit aan elkaar gekoppelde glucosemoleculen. Dit soort polymeren worden ook wel polysacharides genoemd. In onderstaande afbeelding zie je hoe twee van die glucosemoleculen aan elkaar zijn gekoppeld. In één cellulose-molecuul kunnen meer dan tienduizend glucose-eenheden aan elkaar geknoopt zitten.

Cellulose bevat OH-groepen en daar kunnen organisch chemici veel leuke dingen mee. Zulke functionele groepen kunnen namelijk gemakkelijk allerlei reacties aangaan, zoals veresteringen. Een voorbeeld van zo’n verestering is het aanbrengen van nitraatgroepen (R-O-NO2). Wat dan ontstaat, ziet er als volgt uit:

Bovenstaande stof heet schietkatoen. Ook de term nitrocellulose kom je vaak tegen, maar deze is eigenlijk fout: in het molecuul zitten geen nitrogroepen, alleen nitraatgroepen. Een betere naam is dan ook cellulosenitraat.

In tegenstelling tot gewoon katoen brandt schietkatoen super snel. Dat komt omdat de nitraatgroepen als inwendige zuurstofleverancier functioneren: er hoeft daardoor minder zuurstof uit de lucht te worden gehaald. Dat kun je heel mooi zien in onderstaand filmpje. Hierin zie je eerst gewoon katoen branden en daarna schietkatoen.

Zelf schietkatoen maken is vrij eenvoudig, maar niet zonder gevaar. Doe dit dus onder professionele begeleiding, bijvoorbeeld met je docent scheikunde.

Voor het maken schietkatoen heb je het volgende nodig:

  • 100 mL bekerglas;
  • 1 L bekerglas;
  • pincet;
  • glazen roerstaaf;
  • watten (van 100% katoen, staat op de verpakking);
  • geconcentreerd salpeterzuur;
  • geconcentreerd zwavelzuur;
  • wat papieren doekjes zoals keukenpapier (optioneel).

Schietkatoen maak je als volgt. Voer onderstaande altijd uit in een zuurkast. Er komen nogal nare dampen bij vrij.

  • Begin met het maken van nitreerzuur. Breng hiertoe 25 mL salpeterzuur in het 100 mL bekerglas. Schenk vervolgens, terwijl je roert, langzaam 50 mL zwavelzuur bij het salpeterzuur. De oplossing wordt heet. Let op: schenk altijd zwavelzuur bij salpeterzuur en doe nooit het omgekeerde! Als je knoeit met nitreerzuur, ruim dit dan niet op met papier, want dan nitreer je het papier. Spoel het weg met veel water.
  • Laat de oplossing afkoelen tot ongeveer kamertemperatuur.
  • Wanneer de oplossing is afgekoeld, leg je er een paar katoenen watjes in. Gebruik hiervoor het pincet.
  • Vul het 1 L bekerglas met water. Breng de watten, nadat ze een kwartier in het nitreerzuur hebben gelegen, over  in het bekerglas met water en roer eventjes om het nitreerzuur grotendeels weg te spoelen.
  • Haal de watten uit het water leg ze op een doekje. Leeg het bekerglas in het afvalvat ‘anorganisch/zuur’ en vul het weer met water. Maak de watten opnieuw schoon. Herhaal dit een aantal keer totdat het water niet meer zuur is. Dit kun je controleren met een pH papiertje of door het toevoegen van wat natriumwaterstofcarbonaat (zie je gasontwikkeling, dan is het nog zuur).
  • Maak de watten zo droog als mogelijk door ze uit te persen tussen twee papieren doekjes.
  • Laat de watten enige tijd drogen aan de lucht, totdat ze droog aanvoelen. Het is af te raden om het schietkatoen te drogen in een droogstoof, omdat het dan spontaan kan ontbranden.

Om het gedroogde schietkatoen te testen, leg je een klein plukje op iets dat vuurvast is. Steek het aan met een lange keukenaansteker, gloeiende houtspaander of (mijn favoriet) een hete glazen staaf. Als alles goed is gegaan, zie je iets soortgelijks als op onderstaande foto.

Tot slot een profielwerkstuktip: als je dit een interessant onderwerp vindt, zou je voor je profielwerkstuk kunnen kijken hoe de brandsnelheid wordt beïnvloed door samenstelling van het nitreerzuur (verhouding salpeterzuur/zwavelzuur) en de tijd die het katoen in het nitreerzuur doorbracht.

Het broertje van Periodic Videos

Regelmatig schrijven we over de filmpjes van Periodic Videos, gemaakt door een stel scheikundigen van de Universiteit van Nottingham. Periodic Videos heeft ook een natuurkundig broertje genaamd Sixty Symbols. Het oorspronkelijke plan was om bij zestig natuurkundige symbolen een video te maken. In middels hebben ze die zestig symbolen gehad en zijn ze aan een tweede serie van zestig begonnen.

Hoewel de video’s strikt genomen over natuurkunde gaan, zijn ze vaak genoeg ook leuk voor scheikundigen. Zo hebben ze een mooie video die laat zien waar druk vandaan komt, eentje over de Brownse beweging en over nanotechnologie. En recentelijk kwamen ze met een video over het verwarmen van elastiekjes. Bedenk voor het bekijken van de video eens wat er met een elastiekje gebeurt als je het verwarmt: wordt ‘ie langer of wordt ‘ie korter?

Bekijk de video voor het antwoord en uitleg. Had je het goed?

P.S. Iedereen die zich ergert aan mensen die ‘disorder’ gebruiken in plaats van ‘entropie’, krijgt een bonuspunt.