Het beeld van de chemische industrie (of scheikunde in het algemeen) is bij de gemiddelde Nederlander niet echt positief. Chemie stinkt, is vies, slecht voor het milieu en nergens goed voor. Om dit beeld te verbeteren is het imagotrajectChemie is overal in het leven geroepen door de Regiegroep Chemie. Samen met de industrie, scholen en universiteiten willen ze de samenleving duidelijk maken wat chemie is en waarom het belangrijk is. Dit doen ze met opvallendeposters, filmpjes, straatinterviews, workshops en dergelijke.
Op de website van Chemie is overal is ook het spel Mijn Chemie te spelen. Er is net een nieuwe ronde van start gegaan met 21 vragen binnen het thema “Chemie in het dagelijks leven.” Door het goed beantwoorden van de vragen scoor je niet alleen punten, ook krijg je elementen. Die elementen kun je gebruiken om producten te maken. Wil je een product maken, maar mis je hiervoor een element, dan zit er in het spel ook de mogelijkheid om elementen met andere spelers te ruilen.
Zo leer je dat je voor het maken van een laptop o.a. de elementen silicium en lithium nodig hebt, voor de computerchips respectievelijk accu. Helaas wordt ook vermeld dat silicium wordt gebruikt in LEDs, maar dit is onjuist: silicium is een indirecte halfgeleider en kan daarom niet (zomaar) gebruikt worden voor LEDs.
Op 16 april wordt bekeken wie de hoogste score heeft. Diegene wint een mooie prijs, maar dat is natuurlijk volledig ondergeschikt aan het bemachtigen van de felbegeerde titel Chemie Genie.
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.
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 vanexperimenteelbepalen). 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.
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 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.
Nu de helden van de Periodic Table of Videos het periodieke systeem compleet hebben, zijn ze begonnen met het maken van video’s over moleculen. Ging hun eerste video nog over koningswater, nu praten ze in een tweedelige video over een minder exotisch, maar wel problematisch molecuul: CO2. In deel één laten ze koolstofdioxide niet alleen in haar normale verschijningsvormen als gas en vaste stof (droogijs) zien, maar laten ze ook zien dat bij hoge druk koolstofdioxide vloeibaar kan worden.
Dat we in normale omstandigheden alleen vast en gasvormig CO2 tegenkomen, kunnen we zien als we naar het fasediagram ervan kijken. In een fasediagram kun je vinden in wat voor fase (vast, vloeibaar, gas) je een stof tegenkomt bij een bepaalde druk en temperatuur. In onderstaand fasediagram zie je dat CO2 bij standaard temperatuur en druk (aangegeven met “STP” van “Standard Temperature and Pressure”, 25 ºC en 1 atm) een gas is. Ga je naar lagere temperaturen —in het fasediagram ga je dan naar links— dan zie je dat je direct van een gas naar een vaste stof gaat. Wil je CO2 in haar vloeibare fase krijgen, dan zul je de druk flink moeten verhogen; minimaal tot de druk die hoort bij het tripelpunt. Het tripelpunt is als een drielandenpunt. Op exact de druk en temperatuur van het tripelpunt is een stof tegelijk in de vaste, vloeibare en gasfase. Bij bijvoorbeeld water is de druk van het tripelpunt lager dan de atmosferische druk. Daarom zien we vast water —ijs— eerst smelten en daarna pas koken. Dat kooldioxide hierin afwijkend is, ligt dus alleen maar aan de ligging van het tripelpunt.
Terug naar de video. Al eerder schreven we dat je een metaalbrand echt niet moet blussen met een CO2 blusser, tenzij je een pyromaan bent natuurlijk. Dit laten ze mooi zien in deel twee van hun video:
Een periodiek systeem dat bestaat uit échte elementen. Het bestaat echt, maar het kost je wel een serieuze zak geld. Op een onderwijsbeurs vlakbij de Universiteit van Nottingham was zo’n periodieke collectie te zien en De Professor van Periodic Videos nam een kijkje.
Dergelijke displays zijn te koop vanaf zo’n 4000 euro. Dus, hierbij een voorstel. We houden een inzamelingsactie. Iedereen doneert minimaal 10 euro en bij 4000 euro kopen we zo’n ding. Natuurlijk zal onze universiteit een grote donatie geven. We zetten hem neer op een mooie plek waar veel mensen (en natuurlijk ook aankomende studenten) er van kunnen genieten.
Terug naar de realiteit. Ik zie het niet snel gebeuren dat de universiteit dit zou aanschaffen, maar het zou natuurlijk wel super gaaf zijn om alle elementen bij elkaar te hebben. Want zeg nou zelf: hoeveel elementen heb jij in elementaire vorm in je handen gehad? Ik kom niet veel verder dan 26 elementen, waaronder maar een paar exotische, zoals silicium, argon, palladium, platina, kwik, en bismut. Dit terwijl er 92 elementen zijn die van nature voorkomen. Dat betekent dat ik dus zo’n 70% nog nooit in elementaire vorm heb gezien. Stiekem best wel jammer. Misschien moet ik maar eens een verzameling beginnen.
Ik kijk nu al een tijdje naar het periodiek systeem en ik denk dat bismut mijn favoriete element is. Waarom? Kijk maar naar onderstaand plaatje. Dat ziet er toch prachtig uit!
er een zogeheten biaxiale nematische fase zou moeten vormen.
