Mark – Pagina 14 – Scheikundejongens

SJs.nl in je broekzak

De Scheikundejongens gaan met hun tijd mee. Een tijdje terug was daar ineens een twitteraccount en sinds vorige week kun je hartjes uitdelen aan de Scheikundejongens; zelfs als het geen valentijnsdag is. En vandaag introduceren we weer iets nieuws!

Als je een Android telefoon, BlackBerry, iPhone of iPod touch hebt, dan kun je de Scheikundejongens nu overal lezen. Bezoek je vanaf nu deze site met één van de genoemde apparaten, dan krijg je vanzelf een compacte versie te zien die geoptimaliseerd is voor mobiel gebruik en bediening met je vingers. Je kunt de site ook nog toevoegen aan je beginscherm, zodat je altijd een beetje van ²Sj op je iPhone hebt.

De meeste features die onze normale site heeft, vind je ook terug op de mobiele site. Je kunt berichten lezen en reacties lezen én plaatsen. Ook kun je berichten zoeken op tag en categorie. Daarnaast kun je inloggen met je account (als je die hebt). Dit doe je via het ‘driehoekje’ rechtsboven. Vooralsnog zijn er twee dingen die niet werken: het “ik vind dit leuk” knopje is afwezig en ingevoegde YouTube filmpjes doen het ook niet. Het laatste is gelukkig een bug in onze YouTube-plugin, dus dat lossen we hopelijk snel op. Met koningswater, natuurlijk. Als jullie nog andere gekke dingen tegen komen, horen we dat natuurlijk graag.

Zodra één van de Scheikundejongens rijk genoeg is om een iPad te kunnen betalen, zullen we daar natuurlijk ook compatibele versie voor gaan maken. Laat die donaties maar komen!

Een kaars in de ruimte

Een boel dingen die voor ons in het dagelijks leven vanzelfsprekend zijn, worden compleet anders wanneer de zwaartekracht weg zou zijn. We hebben allemaal wel eens gewichtloze astronauten in de ruimte zien spelen met waterdruppels: die worden perfect rond als gevolg van de oppervlaktespanning. Drinken bijvoorbeeld wordt dus al lastig, want water blijft niet meer in een bekertje zitten.

Maar ook chemische processen worden beïnvloed door zwaartekracht. Neem nou het branden van een kaars. Wanneer je dit op aarde doet, zie je een gele, langwerpige vlam. Door de hoge temperatuur is de dichtheid van de vlam lager dan de lucht eromheen. Je krijgt dus convectie: de gassen in de vlam, zoals nog onverbrand kaarsvet, koolstofdioxide, water en allerlei tussenproducten, stijgen op en daardoor wordt lucht aangezogen aan de onderkant. Dit geeft de vlam zijn langwerpige vorm. Ook krijg je hierdoor onvolledige verbranding: hoger in de vlam is de temperatuur lager. Er ontstaan dan roetdeeltjes die (als een zwarte straler) oplichten in de vlam. Dit geeft de vlam zijn gelige kleur.

Zónder zwaartekracht maakt het niet meer uit dat de dichtheid van warme lucht lager is. Warme lucht stijgt niet meer op, dus wordt er geen verse lucht aangezogen. De vraag is dus: kan een kaars dan nog wel branden in de ruimte? En waarom wel of niet?

Ook de ruimtevaartorganisatie NASA stelde zichzelf deze vraag. Het antwoord zie je op het plaatje hiernaast. Kaarsen branden dus prima in de ruimte, maar doen dat wel heel anders dan op aarde. De vlam is niet meer langgerekt en geel, maar bolvormig en blauw. Er is geen convectie, dus de vlam blijft bolvormig en moet door middel van diffusie aan zuurstof komen. Dit is een traag proces, maar het betekent tegelijk dat er volledige verbranding plaats kan vinden. Allerlei tussenproducten worden niet meer te snel weggevoerd, dus er ontstaat geen roet en de vlam is dus niet meer geel.

Als je goed kijkt — en in onderstaand plaatje is dat nog iets beter te zien — zie je ook dat de verbranding alleen plaatsvindt aan het ‘oppervlak’ van de bol. Dat kan ook niet anders: binnen de bol is er geen zuurstof, buiten de bol geen brandstof.

Tot slot vond ik ook nog een artikel van de NASA over het verbranden van waterstof in bij gewichtloosheid. Het waterstof vormt dan brandende bolletjes. Bolbliksem kende ik wel, maar bolvlammen waren nieuw voor me. Gaaf!

Chemie volgens de BBC

Afgelopen maandag heeft Aldo al geprobeerd om de vraag “Wat is chemie?” te beantwoorden. Een paar honderd jaar geleden wist men het antwoord op die vraag helemaal niet: scheikunde bestond nog niet eens, hoogstens alchemie. Men dacht nog dacht dat de vier elementen waren — lucht, aarde, water en vuur — en deed verwoede pogingen om lood in goud te veranderen. Aan dit lijstje voegen wij graag nog dingen toe als ether, energie en flogiston.

In een driedelige serie getiteld “Chemistry: A Volatile History” gaat de BBC terug naar die periode. In de serie wordt uit de doeken gedaan hoe de pioniers van de scheikunde de elementen ontdekten en hoe ze daarmee een nieuwe tak van wetenschap creëerden.

httpvp://www.youtube.com/view_play_list?p=B1A8EFA970A903AF

De presentator, prof. Jim Al-Khalili, is grappig genoeg een theoretisch fysicus, maar geeft wel direct toe dat zijn kennis van de sub-atomaire wereld nooit had bestaan zonder scheikunde. Dat is natuurlijk waar, maar het omgekeerde is naar mijn mening natuurlijk net zo waar: zonder natuurkunde (en laten we ook de wiskunde niet vergeten) was de scheikunde nooit zo ver gekomen en was er nooit zoveel begrip geweest.

Maar eigenlijk vind ik het denken in termen als ‘natuurkunde’, ‘wiskunde’, ‘biologie’ en ‘scheikunde’ een beetje onzinnig. Er is maar één natuur en die trekt zich niets aan van de labeltjes die wij verzonnen hebben. Maar dat is weer een hele andere discussie…

Een oliedruppel door een doolhof

Het zoeken naar de kortste weg door een doolhof is iets dat we allemaal vrijwel dagelijks doen, waarschijnlijk zelfs zonder er bij na te denken. Bijvoorbeeld als je naar je school of werk fietst. Of als je door de supermarkt loopt op zoek naar al je boodschappen. Ook computers worden regelmatig ingezet voor de wat moeilijkere doolhof-problemen, bijvoorbeeld als je een route via de bus of trein plant via 9292ov.nl.

Maar wat heeft dat in vredesnaam met scheikunde te maken? In eerste instantie niets, zou je zeggen. Maar niets is minder waar, want op Ars Technica las ik dat wetenschappers van de Northwestern University (Illinois, USA) er in zijn geslaagd om een oliedruppeltje zelfstandig de kortste route door een doolhof te laten vinden door slim gebruik te maken van zuren en basen in een doolhofje zoals in onderstaand figuur. Het doolhofje werd gevuld met een waterige kaliumhydroxide (KOH) oplossing met een pH tussen de 12,0 en 12,3.

Bij de ‘uitgang’ van het doolhof zetten ze een stukje agarose-gel dat een tijdje in zoutzuur (pH van 1,2) had gelegen. Hierdoor ontstond er na korte tijd een gradiënt in de pH in het doolhof: de pH was laag vlakbij het blokje en liep op naarmate je er verder uit de buurt was. Bij de ‘ingang’ (hoge pH) van het doolhof werd een oliedruppeltje neergezet dat op het water bleef drijven. Dit oliedruppeltje bestond verder nog voor 20–60% uit een organisch zuur, namelijk 2-hexyldecaanzuur (afgekort HDA), en een beetje rode kleurstof voor de zichtbaarheid.

HDA is oppervlakte-actief. Dat wil zeggen dat het graag aan een oppervlak tussen twee fasen gaat zitten (een grensvlak), bijvoorbeeld aan het olie-lucht of olie-water grensvlak. Hiermee verlaagt het de oppervlaktespanning en daarmee de energie die het kost om zo’n grensvlak te maken. De slimmigheid is nu dat HDA vooral oppervlakte-actief is als de zuurgroep van dit molecuul nog geprotoneerd is. Oftewel, HDA is vooral oppervlakte-actief in een zure omgeving en niet in de basische omgeving waar het druppeltje start.

Hierdoor heeft het druppeltje in een basische veel oppervlakte energie en in een zure omgeving minder. Het druppeltje kan zijn energie dus verlagen door naar de zure kant te bewegen en dit zal hij ook zeker doen. Omdat de pH gradiënt het grootste is langs de kortste route door het doolhof, neemt het druppeltje ook nog eens automatisch de kortste route door het doolhof met het zure blokje met agarose-gel als het lokaas. En dat zonder ook maar iets te rekenen. Dus de volgende keer als je in een doolhof zit opgesloten en de Minotaurus zit achter je aan, zorg dat je genoeg water en gootsteenontstopper bij je hebt om een doolhof mee te vullen.

De wetenschappers hebben hun resultaten gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society (JACS). Op de website van het JACS zijn ook een aantal gave filmpjes te vinden van de bewegende oliedruppels. Zeker het bekijken waard.

Chemisch stoplicht

Op de site van Periodic Videos verscheen enkele dagen terug onderstaand filmpje van een chemisch stoplicht. Er wordt een oplossing van glucose, natriumhydroxide en indigokarmijn gemaakt die de kleuren blauw, groen, rood en geel krijgt. Alsof het magie is, wordt de oplossing weer rood als je even flink schudt. Super vet natuurlijk, maar hoe werkt dit? Dat leggen ze niet uit!

Na diep nadenken, vermoed ik dat het volgende aan de gang is. In het filmpje worden eerst oplossingen van glucose en van natriumhydroxide (NaOH) gemaakt. Bij de glucoseoplossing wordt indigokarmijn gedaan, een zuur-base indicator. Heeft een oplossing een pH lager dan 11,5, dan geeft de indicator de oplossing een blauwe kleur. Is de pH hoger dan 14, dan wordt de oplossing geel. Tussen een pH van 11,5 en 14 is de indicator groen.

De glucoseoplossing heeft een pH van ongeveer 7, dus indigokarmijn is dan blauw. Dit is ook te zien in het filmpje. Vervolgens wordt hierbij een natriumhydroxide oplossing gedaan en de oplossing wordt groen. Natriumhydroxide is een base en de oplossing heeft nu dus een pH groter dan 7. De NaOH concentratie is zo gekozen dat de pH tussen de 11,5 en 14 ligt, waardoor een groene oplossing ontstaat. Een publicatie uit School Science Review bevestigt dit (pagina 6).

Maar dan wordt de oplossing ineens rood en daarna geel! Wat hier gebeurt is niet helemaal duidelijk, maar mijn gok is het volgende. Glucose is in basisch milieu een reductor, wat betekent dat het elektronen kan afstaan. (Dit wordt ook gebruikt bij bijvoorbeeld de ‘blue bottle reaction’.) Glucose gaat een redoxreactie aan met indigokarmijn. Hierbij wordt de glucose omgezet in gluconzuur en het indigokarmijn wordt blijkbaar eerst gereduceerd tot een rode stof en daarna tot een gele, maar wat hier precies gebeurt is mij onbekend.

Wat ik wel weet, is dat zuurstof uit de lucht een oxidator is. Het kan dus elektronen opnemen. Bubbel je zuurstof door de oplossing zoals in het filmpje wordt gedaan, dan gaat de reactie dus weer terug. Je maakt dus weer de (mij onbekende) rode verbinding. Stop je met bubbelen en wacht je weer eventjes, dan neemt de reductie door glucose weer de overhand en wordt de oplossing weer geel.

Verder dan dit komen wij ook niet. Wie kan ons hier meer over kan vertellen?