Vorige week belde een journalist van de Volkskrant, Bard van de Weijer ons met een vreemde vraag: Is het mogelijk om een Elfstedentocht te forceren? Wij maakten een sommetje op de achterkant van een bierviltje en afgelopen zaterdag, 23 november, verscheen het onderstaande stuk in de Volkskrant.
Een Elfstedentocht op kunstijs, kan dat?
door BARD VAN DE WEIJER
Het was met stip het merkwaardigste nieuws van de vorige week: het plan van de Friese afdeling van de PVV om de Elfstedentocht op kunstijs te houden. Als het klimaat dan toch opwarmt, moeten we de winterse schaatstocht maar uit handen van Moeder Natuur nemen, moet fractievoorzitter Otto van der Galiën hebben gedacht. Het idee: 200 kilometer natuurijs aanleggen, waarover de tocht der tochten gereden kan worden. Leuk voor 2018, als Leeuwarden Culturele Hoofdstad van Europa is.
De route van de Elfstedentocht is 200 km lang. Als de schaatsbaan minimaal 4 meter breed is, en het ijs 15 cm dik, dan moet er 120 miljoen liter water afgekoeld worden. Afbeelding via Wintergek.
Een vraag van een lezer: waarom zijn de takken van een sneeuwvlokje onderling identiek? Met andere woorden, waarom vertakken ze op dezelfde plaatsen?
Ik dacht dat ik een goed idee had, en dat heb ik gechecked bij een prof ‘vaste stof chemie’. Water in de wolken is ijskoud, maar gasvormig. Op het moment dat de concentratie water hoog genoeg wordt vallen ze als ijsklontjes naar beneden en op een warme dag zullen ze smelten tot hele kleine druppels. Deze druppels willen een klein oppervlak ten opzichte van hun inhoud en groeien (clusteren) tot volwaardige druppels. Dit noemen wij ‘regen’.
Ik weet niet precies waar in de lucht, en bij welke omstandigheden, maar het blijkt dat sneeuvlokjes op soortgelijke manier ontstaan. Op een koude dag zullen de kleine ijsklontjes naar beneden vallen en niet smelten tot kleine druppels. Ze zullen ijskoude watermoleculen tegenkomen. Die moleculen zullen aan het ijsklontje vast groeien. Onder bepaalde omstandigheden zullen die moleculen op een bepaalde manier aangroeien, maar omdat de druk, temperatuur en nog wat andere dingen varieren tijdens de ‘val’, zullen ze anders aangroeien.
Dit vergt wat inbeeldingsvermogen: een ‘perfect’ zeshoekig (prisma-vormig) waterkristalletje groeit aan. Eerst groeien er 6 gelijke puntjes op de grensvlakken aan, de omstandigheden (temperatuur) verandert iets, er groeien op de 6 puntjes 6 gelijke vriemeltjes aan. Aan die vriemeltjes groeien weer 6 identieke andere vriemeltjes aan en zo groeit het sneeuwvlokje.
Natuurlijk valt het ijsblokje c.q. sneeuwvlokje niet de hele tijd, maar waait wat opzij en omhoog en krijgt zo genoeg tijd om aan te groeien. Dit verklaart dat geen enkel sneeuwvlokje op een ander vlokje lijkt en dat ze allemaal in grootte verschillen, maar dat de 6 takken van een vlokje onderling identiek zijn.
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.
