Scheikundejongens

Profielwerkstuk-onderwerpen verzameld

Hèhè, eindelijk. Hij is af en online.

In antwoord op een lezersvraag gaf Mark al eens wat ideeën voor een scheikundig profielwerkstuk (PWS). Al snel kwamen we erachter dat dit enorm veel bezoekers (middelbare scholieren?) trok. Het blijkt dat veel bezoekers ons vinden met zoekwoorden als ‘profielwerkstuk’, ‘onderwerp’ en ‘scheikunde’.

¹H en ¹H is ²He — al is dat meer natuurkunde — dus dus deden wij de oproep om met ideeën te komen voor een profielwerkstuk over scheikunde. Dit hebben we allemaal verzameld tot één pagina: de Profielwerkstuk pagina. Sinds gisteravond is deze pagina ook bereikbaar via het menuutje bovenaan de pagina.

*applaus en gejuich*

Neemt niet weg dat we nog altijd graag ideeën binnen krijgen en ze met liefde toe zullen voegen aan de bestaande lijst. Als het maar naar chemie ruikt.

Chemische Vrijstaat

Een studiegenoot van mij wees me op een chemische landkaart die hij samen met Jasper Landman en Marte van der Linden heeft bedacht. Jasper heeft deze kaart later uitgewerkt, samen met Marte. Fantastisch werk. Veel woordgrappen en chemische verwijzingen. De enige inside joke die niet-Utrechtse scheikundestudenten er niet uit zullen halen is ‘PK’ (dat staat voor Proton Kamer, de studentenkamer voor mensen van mijn studentenvereniging).

Het copyright van deze afbeelding ligt bij Jasper Landman, Marte van der Linden en Roel Baars. Klik op de afbeelding voor een vergroting. Klik hier voor super groot.

Kunnen jullie alle woordgrappen en verwijzingen eruit halen?

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.

Waterstof familiefoto

Wat is dit? Waarom? Wat is het idee hierachter? Is opa één geworden? Of is er één iemand bij gekomen? Heet deze familie ‘Hydrogen’ van achteren? De foto heet ‘james.jpg’. Is dat een hint? Waarom heeft deze familie (?) dit gedaan? Zit er een logica achter de kleur van de shirts, of hebben ze zelf een kleur uit mogen kiezen? WAT IS DEEZ?

Hydrogen familiefoto Foto gevonden op Awkward Family Photos, bedankt voor de tip Ionica

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?