Nieuwe sheit – Pagina 12 – Scheikundejongens

Assepoester en de vloeibare kristallen

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 $\left(\frac{L}{B}\simeq \frac{B}{D}\right)$ 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.

Vloeibare koolstofdioxide

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:

Wie weet waar ik zo’n droogijskanon kan kopen?

TROS Radar en wasmiddelen

Het is toch wat met die televisieprogramma’s. Eerder schreven we al over de Keuringsdienst van Waarde. Zij beweerden dat er gemalen fietswrakken in cornflakes zaten. Maar ook op het consumentenprogramma TROS Radar moet je niet blindelings vertrouwen, als we emeritus hoogleraar consumententechnologie Paul Terpstra mogen geloven, zo bericht de Telegraaf.

Radar voerde begin 2009 een wasmiddelentest uit (uitzending, uitslag). De test werd uitgevoerd door studenten en docenten van het Hoger Laboratorium Onderwijs Leiden. Een wasmiddel genaamd ‘Formil’ van de Lidl kwam als beste uit de test en hier wordt nog steeds mee geadverteerd. Helaas, volgens Terpstra is de test niet goed uitgevoerd. Alle tests zijn maar één keer uitgevoerd, er is geen gebruik gemaakt van gestandaardiseerde vuil- en vlekkendoeken, de resultaten zijn niet objectief genoeg bekeken en de resultaten zijn niet statistisch getoetst, aldus Terpstra.

Terpstra heeft de resultaten van Radar vergeleken met resultaten van onderzoeksinstituut Sohit. Dit instituut voert vergelijkingsonderzoeken uit voor consumentenorganisaties volgens internationaal erkende normen. De tests van Sohit geven een ander beeld en Formil is volgens Sohit zeker niet de beste. Radar doet de kritiek af met: “Wij hebben echter niet het budget om het onderzoek bij een dergelijk instituut te laten doen.” Doe goed onderzoek of doe het niet!

Waar ik zelf nog twijfels bij heb, is de zetmeeltest die wordt uitgevoerd. Bij een oplossing van zetmeel in water wordt wat jood (I₂) gevoegd. Er wordt een complex tussen het jood en het zetmeel gevormd wat voor een diepblauwe kleur zorgt. Vervolgens wordt er wasmiddel toegevoegd en wordt er gekeken hoe snel de blauwe kleur verdwijnt. Dit zou een maat zijn voor de hoeveelheid zetmeel die door het wasmiddel wordt afgebroken. Ze vergeten dat de blauwe kleur ook verdwijnt als het jood wordt gereduceerd tot jodide (I^–). Dit is niet onwaarschijnlijk: het op deze manier laten verdwijnen van de kleur wordt in de praktijk zelfs veel gebruikt, bijvoorbeeld bij jodometrie. Hierbij is zetmeel dus de indicator voor de aanwezigheid van jood.

Sterker nog, de reductie van jood (dit keer in afwezigheid van zetmeel als indicator) wordt ook gebruikt in reclames! Zie bijvoorbeeld onderstaande, hele oude, reclame voor Vanish Oxi Action.

Er wordt gezegd: “…zelfs als je de was extra vies maakt met jodium, verwijdert Vanish moeiteloos de meest lastige vlekken.” Jodium is een oplossing van jood (I₂) en natriumjodide (NaI) in een mengsel van water en ethanol. De vieze bruine kleur is afkomstig van jood; natriumjodide is kleurloos. Je ziet in het filmpje inderdaad de kleur snel verdwijnen, maar waardoor komt dit? Simpel: het jood wordt gereduceerd tot het kleurloze jodide door een reductor. Hier wordt vaak een milde reductor zoals natriumthiosulfaat (Na₂S₂O₃) voor gebruikt. Deze reactie is middelbare school redoxchemie en is als volgt (Binas tabel 48):

Ox:	I₂ + 2 e^–	→	2 I^–
Red:	2 S₂O₃^2-	→	S₄O₆^2- + 2 e^–
Totaal:	I₂ + 2 S₂O₃^2-	→	2 I^– + S₄O₆^2-

Het jood is dus zeker niet weg. Je ziet het alleen niet meer.

Terug naar de wasmiddelentest van Radar. Het is op basis van de tests van Radar niet te zeggen of de kleur verdwijnt omdat het zetmeel wordt afgebroken of omdat het jood wordt omgezet tot jodide door de aanwezigheid van een reductor zoals thiosulfaat in het wasmiddel.

Hoe zou je wel kunnen aantonen welke van de twee wordt afgebroken? Simpel, door opnieuw een beetje zetmeeloplossing toe te voegen aan de ontkleurde oplossing. Blijft de oplossing dan kleurloos, dan was het jood gereduceerd. De oplossing zou dan opnieuw kleur moeten krijgen door het toevoegen van wat joodoplossing. Deze controle is niet gedaan, dus aan deze test zou ik dus maar niet teveel waarde hechten.

Zwaartekracht en Verlinde

De Wiskundemeisjes hadden het gister al over Newton. Maar er is meer. Dit is wel zulk gaaf nieuws, dit kán ik jullie niet onthouden. Het is stiekem keiharde natuurkunde, maar zo spannend dat iedere bèta dit opwindt.

Ik weet het precieze er nog niet van, maar een Nederlandse theoretisch fysicus schijnt een afleiding te hebben gegeven waaruit de zwaartekracht volgt. We hebben het over prof. dr. Erik Verlinde (de identieke tweelingbroer van Herman). M’n prof wist direct een aantal anakdotes uit z’n mouw te schudden. We hebben het namelijk over een Utrecht alumnus (gepromoveerd bij onze Nobelprijswinnaar Van’t Hooft) die nu aan de UvA werkt. Hij doet daar onderzoek naar een mooie unificatietheorie voor de kwantumtheorie en de algemene relativiteitstheorie.

Prof. dr. Erik Verlinde

Zoals de Volkskrant (edit: volledige artikel) zaterdag al zo mooi schreef: “In zijn theorie leidt Verlinde op een relatief eenvoudige manier de klassieke wetten van Newton af, als een natuurlijke aantrekking tussen massa’s”. Wat ik nu zo eng vind is het woord ‘eenvoudige’. Nu kun je er donderop tegen zeggen dat dit een doorbraak (met bijbehorende Nobelprijs) wordt.

Zwaartekracht is de zwakste kracht die we kennen en over enorm grote afstanden nog voelbaar. We kunnen met ons kleine lichaam best tegen de kracht van de aarde in werken, terwijl de massa van de aarde gigantisch is. <vul hier je favoriete zwaartekrachtweetje in>

Ik heb begrepen dat volgens Verlindes theorie, er met wat (quantummechanische) aannames en wat statistiek de zwaartekracht niet zo heel lastig af te leiden is. In zijn theorie bestaat zwaartekracht door een verschil in concentratie van de informatie in vacuüm tussen twee massa’s en de omgeving. Ik las zelfs dat zwaartekracht vergelijkbaar is met druk, in de zin dat het niet goed op gaat op kleine schaal. Één molecuul heeft geen druk, maar een kist vol wel. Zo gaat het ook met zwaartekracht. Wat Verlinde precies met deze metafoor bedoelde, begrijp ik niet helemaal, maar ik krijg wel een goed idee. Als iemand me dit kan uitleggen, of een linkje kan sturen naar een fatsoenlijke site, zou ik erg dankbaar zijn.

Als nu ook nog iemand uitlegt waar massa vandaan komt, zijn we klaar.

Science Café Zeist

Science Cafés zijn een wereldwijd initiatief om mensen in contact te brengen met wetenschap. Het is een ontmoetingsplek voor iedereen die geïnteresseerd is in wetenschap. Er worden (meestal maandelijks) lezingen gehouden door wetenschappers waarna er gelegenheid is voor vragen en discussie.

In andere steden en landen bestonden al enige tijd Science Cafés, maar sinds kort hebben we er ook dus ook eentje in Zeist. Het Science Café Zeist wordt gehouden in het Natuurcafé op station Driebergen-Zeist en het is elke tweede donderdag van de maand geopend. De eerstvolgende bijeenkomst is morgen en gaat over nanotechnologie. De Scheikundejongens zijn erg benieuwd en gaan zeker een kijkje nemen. Als je ons de hand weet te schudden én ons kunt uitleggen wat soxhletten is, krijg je een spetterende, niet gedestilleerde prijs.