Scheikundejongens

Deze eerste ‘doe het jezelf’ zal niet zo heel ingewikkeld zijn. Ik moest wel heel erg lachen toen ik de uitvoering zag. Nooit aan gedacht.

Wat gaan we doen? IJs maken. Eigenlijk onderkoeld water laten uitkristalliseren. Natuurlijk leggen we uit wanneer een kristal ontstaat en wanneer niet.

Koop een flesje water. Leg dat in de diepvries en wacht totdat het ijskoud is. Let op: laat het flesje stil liggen! Het water zal niet uitkristalliseren tot ijs en ‘onderkoeld’ raken. Je begrijpt dat dit een ‘metastabiele’ fase is: een keer hard schudden en er zal een kristal ontstaan, maar zolang je niks doet, zal er niks gebeuren.

Leg in een schaaltje water (het liefst iets waar een halve liter in past) een ijsblokje klaar. Als het flesje vloeibaar (!) water koud genoeg is, haal je het uit de vriezer, open je het voorzichtig en schenk je het over langzaam over het ijsblokje heen.

Je zal zien dat, op het moment dat het vloeibare water het ijs raakt, het water uit zal kristalliseren. Je groeit nu een standbeeldje van ijs. Niet heel speciaal, maar wel lachen. Op school krijg je te horen dat chemische reacties een bepaalde tijd nodig hebben en dat faseovergangen (in dit geval van vloeistof naar vast) ‘instantaan’ zijn. Ik kon me daar niet veel bij voorstellen. Dit is de manier om te zien hoe snel die faseovergang gaat.

Natuurlijk is er op de JijBuis genoeg te vinden over dit effect. Mensen die flessen onderkoeld water schudden, en mensen die een ‘beeldje’ groeien.

In deze eerste video is te zien dat ijs niet zomaar groeit. In principe gaat het volgende over alle soorten van kristallisatie.

Bij het groeien van kristallen (ijs, nanomaterialen, colloïden, enzovoorts) zijn er twee soorten interacties belangrijk: de energie van het bulkmateriaal en de energie van het oppervlak. Je kan je voorstellen dat moleculen (maar ook atomen in een metaal) graag middenin een kristal zitten, omdat ze dan omgeven worden door soortgenoten. Alle moleculen zitten op dezelfde manier netjes geordend en dat scheelt enorm in energie. Moleculen die aan de rand van de bulk zitten, zitten net ietsjes anders. Ze worden verschoven, hebben niet aan alle kanten buren en zijn erg ongelukkig. Dit verlies in energie per oppervlakte heet oppervlaktespanning. Weinig oppervlakte geeft weinig energieverlies. Een kristal zou dus het liefst zo min mogelijk oppervlak willen hebben in verhouding tot (zoveel mogelijk) bulk.

Nu gaan we dit toepassen op water (vloeibaar) en ijs (vast, kristallijn). De watermoleculen in water zijn erg blij: ze hebben weinig oppervlakte (weinig energieverlies) en veel bulk (ze zijn allemaal hetzelfde). We weten allemaal dat water stabiel is tussen 0 en 100 graden Celcius en ijs onder de 0 graden. Maar wat nu als we water koelen tot onder de nul graden? Blijkbaar gaat het niet altijd zomaar over in ijs bij 0 graden. Alleen als we energie toevoegen door schudden.

De clue zit hem in de oppervlaktespannig. Stel je 2 watermoleculen voor: als die dicht tegen elkaar aan zitten (in een ‘kristal’) hebben die enorm veel oppervlakte en heel weinig bulk. Als je 10 watermoleculen netjes orden, zie je dat nu al niet alle moleculen meer aan het oppervlak van het kristal zitten: nog veel oppervlak, maar al een paar in de bulk. Neem nu 500 watermoleculen. Er ontstaat steeds meer bulk in verhouding tot oppervlakte.

Het verlies in energie door de oppervlaktespanning moet overwonnen worden door het verdienen van energie door de bulk. Deze energie kan door schudden vrij komen (als jij schudt, verricht je arbeid) en dat is net genoeg om ergens een klein kristalletje te laten ontstaan. Verderop in de video zie je dat een klein ‘entkristal’ ook al genoeg kan zijn. Alle andere onderkoelde watermoleculen willen naar de ijsfase en kunnen dat lekker doen aan het entkristal. Ze zorgen ervoor dat het ijskristal minder oppervlakte krijgt en meer bulk.

Als entkristal kun je natuurlijk ook een compleet ijsklontje gebruiken. Als je een vuil flesje of een plastic bakje met krasjes gebruikt om water in te bevriezen, zal er altijd wel een plaats zijn waar het water tegen de zijkant kan kristalliseren. Gebruik daarom altijd enorm schone flesjes en zuiver water. Ik heb nog niet geprobeerd of je dit met een nieuw flesje en zeep voor elkaar kan krijgen maar ik schat de kans klein in.

Ik heb ook nog even gezocht naar een mooie video waarin iemand een ijsbeeldje maakt. Verwacht er niet teveel van maar probeer vooral zelf iets moois te kleien. Wees alleen niet zo’n klungel als die jongen in het filmpje en leg het ijsblokje niet op de bolle kant maar op de vlakke.

Have fun,

Aldo