Doe het jezelf – Pagina 6 – Scheikundejongens

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.

Liesegang ringen: ons resultaat

Een maand geleden schreven we over Liesegang ringen. Toen beloofden we om het maken van deze ringen zelf ook uit te proberen. Dat hebben we diezelfde dag nog gedaan, maar de eerste ringen waren pas begin deze week zichtbaar: diffusie is super traag. Super sorry.

Onze ingrediënten:

Dit is het recept dat wij gevolgd hebben:

Doe 1.5 g gelatine en 2.5 g cobalt(II)chloride hexahydraat in een 100 mL bekerglas.
Voeg 50 mL water toe.
Roer en verwarm tot alles is opgelost.
Giet de oplossing, terwijl deze nog warm is, over in een lange buis. Een reageerbuis is een goede optie.
Dek de oplossing af en laat de gel rustig afkoelen totdat deze mooi stevig is en niet meer vloeit.
Breng 1 mL geconcentreerde ammonia bovenop de gel
Sluit het mengsel goed af, zodat het water en de ammonia niet verdampen.
Laat de buis rustig staan.

Hieronder zie je onze mooie lichtrode gel voordat we de ammonia toevoegden.

Na het toevoegen van de ammonia zagen we al snel een mooie groenblauwe neerslag, maar voor lange tijd zagen we geen ringen ontstaan. Totdat we begin deze week dus het volgende zagen. Hadden wij even mazzel dat we zo’n lange buis hebben gebruikt!

In onderstaande afbeelding zie je de ringen een stuk duidelijker. Tussen de ringen is de oplossing volledig helder en lijkt deze ook kleurloos te zijn. We zullen het experiment nog een tijd laten doorlopen, dus als we nog spectaculaire dingen zien, zullen we dat zeker laten weten.

Voor degenen die dit zelf willen gaan uitvoeren, lijkt het handig om eens te proberen om een stuk minder ammonia toe te voegen, bijvoorbeeld slechts 0.2 mL. We hopen/denken/verwachten dat de Liesegang ringen dan eerder zichtbaar zullen zijn. Dat zou mooi zijn, want een maand is wel een erg lange duur voor een vrijdagmiddagexperiment.

Tot slot werden we er op gewezen dat er 14 december een artikel is verschenen over het ontstaan van Liesegang ringen in dispersies van nanodeeltjes met tegengestelde ladingen (UU studenten: PDF hier). Gaaf om te lezen dat er nog steeds onderzoek naar dit fenomeen wordt gedaan. Daniela, bedankt voor de tip!

Chemische tuin deel 1

Praktisch iedereen die scheikunde leuk vindt, houdt van kleurtjes en proefjes. Omdat er zoveel van onze bezoekers op zoek zijn naar kristallen, gaan we in deze tweedelige serie het hebben over kristallen. Dit is de gaafste soort doe-het-jezelf-kristallisatie die ik ken. De ‘chemische tuin’.

chemische_tuin

In deze serie van twee zullen we eerst vertellen hoe je zelf een chemische tuin kan maken. Later wat we weten en wat we vooral nog niet weten over de (fysische) chemie van een chemische tuin. We zullen hier vertellen hoe je aan de materialen komt en een (lange) opsomming maken van chemicaliën die je wel en beter niet kunt gebruiken.

Benodigdheden

Aquarium
Natuurlijk wil je je tuin ergens in kwijt. Je kunt een aquarium van een liter gebruiken, maar natuurlijk ook van 60 L. Let op dat als je een groot aquarium gebruikt, je ook veel waterglas nodig zal hebben om het op te vullen.
Waterglas
Waterglas is een oplossing van natriumsilicaat in water en dus een kleurloze en visceuze vloeistof. De stof is een sterke base, dus reageert heftig met zuren en is corrosief ten opzichte van o.a. aluminium en zink. Irriterend voor de ogen, de huid en ademhalingsorganen, dus draag een bril en let op je hygiëne.
Gedestilleerd water (‘demiwater’)
Dit kun je meestal wel kopen bij een doe-het-zelf-winkel. Dit is heel zuiver water, dus met minder zouten erin opgelost dan in kraanwater.
(Zilver)zand (optioneel)
Spoel het zand een aantal keren met water om eventuele verontreinigingen uit te wassen en laat het daarna een paar dagen drogen.

Chemicaliën

IJzer(III)chloride: FeCl₃
Bruingele hygroscopische kristallen of amorfe brokken. De oplossing in water is een matig sterk zuur en tast vele metalen aan onder vorming van waterstofgas. Veroorzaakt brandwonden! Luchtdichte verpakking toepassen. IJzer(III)chloride wordt o.a. gebruikt als etsmiddel voor printplaten. Veiligheidsbril.
Calciumchloride: CaCl₂
Witte sterk hygroscopische kristallen, tast vele metalen en andere bouwmaterialen aan. Kan huidirritatie veroorzaken. Schadelijk bij inslikken en inademen. De watervrije vorm (zonder kristalwater) is te koop als ‘vochtvreter’.
IJzer(II)sulfaat: FeSO₄.7H₂O
Lichtgroene kristallen. De oplossing in water is een matig sterk zuur. Oxideert met zuurstof uit de lucht tot bruin ijzer(III)sulfaat.
Kobaltchloride: CoCl₂.6H₂O
Donkerrode kristallen, werken irriterend op de ogen, huid en ademhalingsorganen. Blootstelling vermijden. Kan kanker veroorzaken bij inademing.
Koper(II)chloride: CuCl₂
Lichtgroene hygroscopische kristallen. De stof irriteert de ogen, de ademhalingswegen en de huid. Schadelijk bij opname door de mond.
Kopersulfaat: CuSO₄.5H₂O
Helderblauwe kristallen of lichtblauw poeder. Schadelijk bij opname door de mond, irriterend voor ogen en huid. Watervrij kopersulfaat is wit gekleurd.
Nikkelnitraat: Ni(NO₃)₂.6H₂O
Blauwgroene kristallen, ontleden bij verhitting boven 200°C in o.a. stikstofoxiden en zuurstof wat brandbevorderend werkt. Schadelijk bij opname door de mond, mogelijk carcinogeen.

Uitvoering

Gebruik tijdens de uitvoering van dit experiment handschoenen en zet een (veiligheids)bril op. Voer dit experiment uit in het bijzijn van iemand die er verstand van heeft, zoals je docent scheikunde, omdat de chemicaliën die je gebruikt, vaak kankerverwekkend kunnen zijn.

Als je een zandlaag onderin je tuin wil, moet je dat eerst gewassen hebben. Klinkt raar, maar wel nodig. Let op dat er geen zand mag rondwervelen in de waterglas oplossing, dus wacht totdat alles is bezonken.

Verdun 250 ml waterglas met gedestilleerd water tot 750 mL, dus 1 deel waterglas op 2 delen water. Roer totdat de oplossing volkomen homogeen is. Het soortelijk gewicht na verdunnen is ongeveer 1.2 g/mL.

Als je alles klaar hebt staan, voeg je brokken zout toe. Het is belangrijk dat je geen poedervormig zout toevoegt, omdat dit geen fancy effecten geeft. Zoek dus mooie brokjes uit die tussen de 2-10 mm groot zijn.

Met dank voor de beschrijving van de chemicaliën en de afbeelding aan Experimenten Online!

Een magnetron en de lichtsnelheid

Het meten van de lichtsnelheid klinkt misschien als een lastige klus, maar wist je dat je dit met wat huis, tuin en vooral keuken apparatuur gewoon thuis kunt doen? Een magnetron verwarmt namelijk voedsel met microgolven, een vorm van elektromagnetische straling — net als licht. Deze microgolven hebben, net als geluidsgolven en licht, een bepaalde golflengte (λ), frequentie (f) en snelheid (v). Microgolven bewegen zich voort met de lichtsnelheid c (ongeveer 3·10⁸ m/s).

In de magnetron vormen deze microgolven een staande golf. Dit houdt in dat de amplitude van de golf op sommige plaatsen altijd nul is, zoals te zien is in onderstaand plaatje. Die plaatsen noemen we knopen. Op deze plaatsen warmt de magnetron je voedsel dus niet op. Omdat het nogal vervelend zou zijn als je pannenkoek op één plek nog koud was, terwijl die op een ander plek al was aangebrand, heeft de fabrikant zo’n mooie ronddraaiende schijf in de magnetron gebouwd waar je je shizzle op kunt zetten. Op die manier wordt je pannenkoek overal mooi warm.

Wat je op bovenstaand plaatje ook kunt zien, is dat de afstand tussen twee knopen (d) gelijk is aan de helft van de golflengte. Omdat voor alle soorten golven geldt dat hun snelheid het product is van hun golflengte en frequentie, v = λf, zou je dus de snelheid van de microgolven in de magnetron kunnen bepalen als je de golflengte zou weten; de frequentie kun je vinden op de achterkant van de magnetron. Mocht je de frequentie van jouw magnetron niet kunnen vinden, dan is 2,45 GHz een goede schatting.

En nu komt de grote truc: verwijder de draaischijf uit de magnetron en zet iets in de magnetron dat gemakkelijk smelt en een groot oppervlak heeft. Goede suggesties zijn grote plakken kaas (eventueel gecombineerd met een pannenkoek), boterhammen met een flinke laag boter, een plak chocolade of een bord hagelslag. Zet de magnetron aan totdat je lokaal smeltplekken ziet. De afstand tussen de smeltplekken is gelijk aan de halve golflengte en daarmee kun je de lichtsnelheid uitrekenen: v = λ·f = 2d·f.

Zie ook dit filmpje van YouTube, waarbij opgemerkt moet worden dat boterhammen smeren en filmpjes monteren een hele kunst is.

Tot slot wil ik, om te voorkomen dat ik gelyncht word door de imaginaire natuurkundekerels, nog vermelden dat bovenstaande berekening eigenlijk totale onzin is. De lichtsnelheid is namelijk een afgesproken constante, die exact gelijk is aan c = 299 792 458 m/s. Uit de lichtsnelheid wordt de meter weer bepaald, dus in feite ben je niet de lichtsnelheid aan het meten, maar je liniaal aan het ijken.