Maar waaróm nou? – Pagina 9 – Scheikundejongens

Gemalen fietswrakken in cornflakes?

In de aflevering van de Keuringsdienst van Waarde (KvW) van 15 oktober wordt onderzoek gedaan naar ijzer in cornflakes. Wij zijn van mening dat er in deze uitzending een aantal fouten worden gemaakt en halve waarheden worden verteld, of dat er in elk geval bij de KvW redactie een ernstig gebrek is aan mensen met scheikundekennis.

Wat is er aan de hand? In de uitzending komt men tot de ontdekking dat cornflakes aangetrokken worden door een magneet. Wanneer men de cornflakes fijnmaalt, blijft er zelfs een zwart poeder aan de magneet hangen. Ze komen tot de conclusie dat dit ijzer moet zijn. Geheel correct.

Iets eerder in de uitzending loopt men over een spinazieveld met een metaaldetector, op zoek naar het ijzer in de spinazie. Dat vinden ze niet; zie onderstaand fragment. Zoals de boer aan het einde van dit filmpje correct opmerkt: het ijzer in spinazie is niet hetzelfde als het ijzer van je fiets. Wat ze jammerlijk genoeg niet uitleggen, is waarin het verschil dan zit. Gelukkig kan iedere middelbare scholier met scheikunde in zijn/haar vakkenpakket je dit wél vertellen. Het ijzer uit je fiets is metallisch ijzer, terwijl in spinazie ijzer ionen zitten, te weten Fe²⁺ en/of Fe³⁺. Over de telefonist die suggereert dat er ook nog zoiets bestaat als “plantaardig ijzer”, ga ik het niet hebben.

In de rest van de uitzending wordt de indruk gewekt dat het fijngemalen ijzer alleen maar in de cornflakes wordt gestopt uit winstoverwegingen, zodat mensen denken dat ze iets gezonds kopen/eten. Het ijzer zou in die vorm ook niet worden opgenomen (want: niet oplosbaar in water) en dus nutteloos zijn.

Als je echter de literatuur doorzoekt, vind je dat metallisch ijzer ten eerste weldegelijk wordt opgenomen, en dat het bovendien wordt toegevoegd juist omdat het niet oplost. Het probleem van het toevoegen van ijzer aan voedingsmiddelen, is namelijk dat het ijzer kan reageren met het voedingsmiddel. Dit leidt vaak tot bijvoorbeeld onwenselijke verkleuringen van het product. Dat gebeurt vooral wanneer het ijzer (in de vorm van een ijzerzout) goed oplosbaar is in water: elk product bevat namelijk wel wat water (zelfs cornflakes), en dat geeft het ijzer de kans om te reageren.

Gebruik je dus metallisch ijzer (in poedervorm), dan heb je dit probleem niet. Desondanks wordt het wel (gedeeltelijk) opgenomen door je lichaam, omdat het door je maagzuur wordt geoxideerd tot ijzerionen. Omdat niet alles wordt geoxideerd, wordt ook niet alles opgenomen, maar dat is nog altijd meer dan wanneer je géén ijzer toevoegt. Als je het filmpje goed bekijkt, zie je ook dat er “extra vitaminen” in sommige cornflakes zitten. De reden daarvoor is ook eenvoudig: die zorgen ervoor dat het ijzer beter wordt opgenomen. Al met al een hoop ophef om niets dus.

Bekijk de uitzending van de KvW op hun site of op uitzendinggemist. Stella, dank je voor de tip!

Blus een magnesiumbrand

Er bestaan verschillende soorten brandblussers: poederblussers, schuimblussers en koolzuursneeuw blussers. Dat laatste is gewoon een fancy naam voor een blusser waaruit CO₂ komt. Je kunt niet zomaar elke brand met elk type brandblusser blussen. Kijk maar eens wat er gebeurt als je brandend magnesium in droogijs (vast CO₂, -78.5 ºC) doet:

Verder lezen Blus een magnesiumbrand

Check je eigen genoom

Yes, eindelijk! Ik kan mijn eigen genoom decoderen. Vorige maand berichtte The New York Times over dr. Stephen R. Quake (Stanford University) die een manier had om voor het luttele bedrag van $5.000 een menselijk genoom te ontrafelen.

Even een opfrissertje: het genoom is de complete set genen waarin alle biologische informatie zit die we bij onze geboorte (lees: verwekking) mee hebben gekregen. Ofwel, dit dachten we tot een paar jaar geleden. Genen bestaan uit DNA. DNA komt in 4 soorten puzzelstukjes (A, T, G en C) die achter elkaar een code vormen. Een stuk code dat voor één eiwit codeert noemen wij een gen. Bij de mens is DNA opgewikkeld in 46 unieke chromosomen. Hoe zijn die enorme strengen DNA (die wel 0,7 cm lang kunnen zijn) opgerold, zo dat ze niet in de knoop raken? Om te beginnen zijn ze gedraaid tot een dubbele helix, daardoor draaien ze ook nog eens tot een wikkel en die worden weer om grote eiwitten gedraaid. Die eiwitten heten histonen. Nu is het leuke dat er sinds een jaar of 10 het vermoeden is dat die histonen een grotere rol spelen bij de (overdracht van) genetische informatie dan we altijd dachten. Men dacht altijd dat die rol er niet was en dat DNA het enige was dat belangrijk was. Histonen spelen ook een rol, maar misschien later daar meer over.

Stephen Quake, PhD

Dr. Quake heeft nu een machine, de Heliscope Single Molecule Sequencer, die het genoom van een mens in vier weken kan ontrafelen (met hulp van drie mensen). Het apparaat kost nu nog een miljoen dollar en “het sequencen van een genoom kost over twee of drie jaar nog maar $1.000”, zegt dr. Quake. Over een tijdje zal ik dus nóg goedkoper uit zijn!

Voordelen van een uitdraai van je genoom? Je verzekeraar zou je uit kunnen sluiten van bepaalde verzekeringen. Dat is vooral mijn grootste bezwaar tegen medische tests voor andere doeleinden gebruiken dan je eigen gezondheid. Onderzoekers daarentegen proberen al decennia complexe aandoeningen als kanker, Alzheimer en diabetes te lijf te gaan.

Het is nu niet alsof dit fantastisch vernieuwend onderzoek is. Er zijn al een aantal fatsoenlijke methodes om een streng DNA af te lezen, maar dat vergde veel tijd en geld. Nu, met de komst van Quake’s machine, worden beiden minder. Met meer informatie zouden we ook veel sneller en beter op zoek kunnen gaan naar kwaadaardige genen.

Van nog maar zeven mensen is het menselijk genoom compleet ontrafelt. Ofwel, alle mensen die mee hebben gedaan aan het Human Genome Project niet meegeteld. Die mensen zijn wel anoniem, en niet compleet. De mensen wiens genoom gedecodeerd is, zijn dr. J. Craig Venter (een pionier in het decoderen van DNA); dr. James D. Watson (de mede-ontdekker van de dubbele helix van DNA); twee Koreanen; een Chinees; een Nigeriaan en een slachtoffer van leukemie. Het genoom van dr. Quake is dus het achtste complete genoom. Wie wordt nummer negen?

Nuttige wiskunde

Wat vind ik van wiskunde? Dat is als aan een Brit vragen “Wat vindt u van de Engelse taal?”. Ik vind het enorm belangrijk om foutloos vanuit volzinnen een stuk proza op papier te zetten en om vanuit ideeën, wetten en formules te ontwikkelen. Het deel van de wiskunde dat ik daarvoor gebruik heet analyse. Isaac Newton is niet voor niks mijn favoriete wiskundige. Of zoals de Nederlandse Wikipedia zo mooi schrijft:

Analyse is een tak van de wiskunde, ontwikkeld uit de rekenkunde en de meetkunde. De analyse houdt zich bezig met het bestuderen van functies van reële en complexe getallen. Het gaat hierbij met name om de mate van verandering binnen functies, zoals hellingen en krommingen. De uitvinding van de analyse wordt toegeschreven aan Leibniz en Newton, die geweldig ruzie hebben gemaakt over wie de eerste was. Ook Barrow, Descartes, De Fermat en Huygens hebben eraan gewerkt. Het middelpunt van de analyse vormen de afgeleiden, integralen en limieten. Een van de belangrijkste redenen om analyse te ontwikkelen was om het raaklijnprobleem op te lossen.

Maar wie gebruikt analyse nou? Wetenschappers. Natuurwetenschappers, wiskundigen en andere bèta-lieden. Laat dat nou net een enorm kleine fractie van de geschoolde wereldbevolking zijn. Dus waarom zou iedereen het moeten leren? Waarom niet iets nuttigs?

De Amerikaanse wiskundige en goochelaar Arthur Benjamin heeft hier een goed-geformuleerde mening over. Een betoog over waarom we de verkeerde wiskunde leren. Misschien dat minister Plasterk (gelauwerd bioloog) hier eens over na kan denken. Veel vervolgopleidingen die hier een mening over zullen hebben.

Dansende deeltjes (deel 3)

In deze miniserie beschrijven we drie manieren waarop het getal van Avogadro kan worden bepaald. In het eerste deel beschreven we hoe de barometrische hoogteverdeling het Jean Baptiste Perrin mogelijk maakte om de constante van Boltzmann te bepalen, en daaruit het getal van Avogadro via $N_\mathrm{A}=R/k_\mathrm{B}$ . Het tweede deel legt uit hoe de Brownse beweging eveneens de Boltzmannconstante kan worden bepaald en wederom daaruit het getal van Avogadro. Dit zijn echter betrekkelijk indirecte manieren om het getal van Avogadro te bepalen. Nu zullen we naar een directere manier gaan kijken.

Deeltjes die niet dansen

Bij deze directere manier kijken we niet naar de wanorde van dansende deeltjes, maar juist naar kristallen. In een kristal zijn de atomen (of moleculen) netjes geordend in een steeds terugkerend patroon. Dit noemen we het kristalrooster. De kleinste bouwsteen waaruit we zo’n rooster door puur te stapelen kunnen opbouwen, noemen we de eenheidscel. In het plaatje rechts zie je de eenheidscel van silicium. Het is een kubus met op de hoekpunten, op de middens van de vlakken en in de kubus siliciumatomen.

Effectief zitten er in deze eenheidscel acht silicium atomen. De acht atomen op de hoekpunten worden gedeeld door acht eenheidscellen, de zes op de vlakken door twee eenheidscellen en de vier binnen de eenheidscel horen bij maar één eenheidscel ( $8\times \frac{1}{8}+6\times\frac{1}{2} +4 = 8$ ).

De lengte van de ribbe van deze kubus heet de celribbe en heeft lengte a. Deze celribbe is (met behulp van röntgendiffractie) heel nauwkeurig en direct te meten. Zo’n eenheidscel heeft ook een volume, namelijk $V_\mathrm{cel} = a^3$ . Als je bedenkt dat er in een eenheidscel acht siliciumatomen zitten, is het volume dat één atoom inneemt dus $V_\mathrm{atoom} = \frac{1}{8} V_\mathrm{cel} = \frac{1}{8} a^3$ .

Het volume dat één mol siliciumatomen inneemt is het volume van één atoom keer het aantal atomen in een mol, oftewel het volume van één atoom keer de constante van Avogadro: $V_\mathrm{mol}=N_\mathrm{A} \times V_\mathrm{atoom}$ . Andersom: het getal van Avogadro is het volume van een mol gedeeld door het volume van één atoom: $N_\mathrm{A}=V_\mathrm{mol}/V_\mathrm{atoom}$ $=V_\mathrm{mol}/\frac{1}{8} a^3$ $= \frac{8 V_\mathrm{mol}}{a^3}$ . Als we nu het volume van één mol zouden weten en de celribbe a zouden meten, zouden we de constante van Avogadro kunnen berekenen.

Om het volume van één mol silicium te weten moet je het gewicht van een mol kennen en de dichtheid: $V_\mathrm{mol} = \frac{m_\mathrm{mol}}{\rho}$ . Dat lijkt misschien een probleem, maar dat is het niet. De relatieve massa’s van atomen zijn erg nauwkeurig bekend. De massa van een silicium atoom is 28.0855 u. De molaire massa is daardoor per definitie 28.0855 g/mol. Samen met de dichtheid van 2.3290 g/cm³ kom je op $V_\mathrm{mol} = 12.059 \textrm{ cm}^3/\textrm{mol}$ $=1.2059\times 10^{-5} \textrm{ m}^3/\mathrm{mol}$ .

Nu we het molaire volume kennen, hoeven we alleen nog de celribbe te weten. Voor silicum is deze ongeveer 0.543102 nm. Dit brengt ons het getal van Avogadro: $N_\mathrm{A} = \frac{8 V_\mathrm{mol}}{a^3}$ $= \frac{8\times 1.2059\times 10^{-5}} {(0.543102 \times 10^{-9})^3} = 6.022 \times 10^{23}\textrm{ mol}^{-1}$ . De meest nauwkeurige waarde van dit moment is $6.02214179\times 10^{23} \textrm{ mol}^{-1}$ , waarmee deze schatting heel goed in de buurt komt!

In deze miniserie heb je verschillende constanten voorbij zien komen: het getal van Avogadro, de constante van Boltzmann en de gasconstante. Je vraagt je nu misschien wel af: waar komen al die constanten vandaan? En hoe komt het dat ze nou die ene precieze waarde hebben? Het antwoord op die vraag is in feite heel simpel: die constantes verzinnen we zelf. Meneer Celsius en lord Kelvin hebben ooit een temperatuursschaal bedacht, zonder dat ze wisten wat er precies op de moleculaire schaal gebeurde. Nu weten we dat temperatuur te maken heeft met de (kinetische) energie van moleculen. De Boltzmannconstante is niets meer dan een getal om van het ene naar het andere te gaan. Door onze keuze voor een bepaalde temperatuursschaal, leggen we de Boltzmannconstante vast. En met onze definitie van een mol, leggen we het getal van Avogadro vast. En de gasconstante? Die ligt weer vast doordat laatstgenoemden vastliggen. En zo zijn een heleboel eenheden en constanten met elkaar verbonden.