scheikunde

Natrium reageert erg heftig met water. Bron: Wikimedia Commons

Natrium uit zout vervangt lithium – lithiumschaarste voorbij?

Laat een reactie achter / Ideeën en techniek, Techniek / Door / 27 januari 2021

Lithium, dat geheel gevormd werd tijdens de eerste paar seconden dat het heelal bestond, wordt steeds schaarser. Maar we zwemmen letterlijk in natrium, uit keukenzout. Is dit de oplossing voor het steeds grotere tekort?

Licht en schaars metaal

Lithium is het lichtste metaal dat in dit universum bestaat. Een blokje van het metaal blijft op water drijven, terwijl het borrelend en fel sissend reageert met het water. Ook met de zuurstof in de lucht reageert het snel. Daarom moet je dit metaal onder olie bewaren.

Tot einde van vorige eeuw was lithium vooral bekend (in de vorm van lithium carbonaat) als geneesmiddel bij patiënten met een bipolaire stoornis. Tot de lithium-ion batterij uitgevonden werd. Het gevolg: de vraag naar het vrij zeldzame alkalimetaal explodeerde. En daarmee de prijs.

Nu is er een probleem. Makkelijk winbare lithium begint schaars te worden. Dat geldt ook voor kobalt, een onmisbaar onderdeel van lithium-ion batterijen. Dus als we elke aardbewoner van een oplaadbare stekkerauto willen voorzien, moeten we een nieuwe bron van deze metalen zien te vinden. Of… een vervanger.

Natrium vervangt lithium

In een batterij of accu springen elektronen over naar een atoom, waaraan ze sterker binden. Als bijvoorbeeld een elektron overspringt van een lithiumatoom naar een chlooratoom, levert dit ongeveer twee volt op. 3,15 volt (chloor) min 0,98 volt (lithium) geeft 2,17 volt spanning. We kunnen die elektronen weer terug geven aan lithium, door er 2,17 of meer volt spanning op te zetten. Zo laad je de accu weer op. Chloor is niet zo praktisch. Het is immers een gas. Daarom werken de meeste lithium ion accu’s met vaste stoffen, zoals kobaltoxide.

– Werkingsprincipe lithium-ion batterij

Als we een stapje omlaag gaan in het periodiek systeem, staat direct onder lithium, het metaal natrium. Weliswaar is natrium veel zwaarder dan lithium, maar chemisch gezien lijken de twee metalen erg op elkaar. Het goede nieuws is: we zwemmen in dit metaal. Letterlijk. Want elke liter zeewater bevat twaalf gram puur natrium. Het zout in onze keuken zelfs 2/5 deel.

Natrium reageert erg heftig met water. Bron: Wikimedia Commons
Natrium reageert erg heftig met water. Bron: Wikimedia Commons

Grotere massa niet zo erg

Nadeel is, dat een kilo natrium meer dan drie keer zo weinig atomen bevat als een kilo lithium. Dus, in theorie, kan er veel minder energie uitgehaald kan worden. Gelukkig blijkt dit in de praktijk mee te vallen. De anionen, dat wil zeggen: de negatieve ionen waarmee lithium en natrium zijn verbonden, zijn dezelfde. En deze anionen zijn zwaarder dan het lithium, of natrium. In totaal maakt het natrium maar hooguit 20 procent uit van de totale massa van het ontwerp. De elektrolyt (dat is het medium waar de ionen door heen reizen van de ene pool naar de andere pool), het materiaal van de polen en de negatieve ionen (anionen), zijn qua gewicht samen belangrijker.

Ook is natrium nog actiever dan lithium, waardoor 0,93 volt al genoeg is om een elektron los te wrikken. Bij lithium is veel meer nodig: 0,98 volt[1]. Dit maakt veel goed. Dit verhoogt namelijk de energie van de reactie. Natrium batterijen zijn ook veiliger dan die van lithium, kunnen tegen veel lagere en hogere temperaturen en geven hun vermogen veel sneller af. Waarom dan nog lithium, en geen natrium, in onze smartphones en laptops?

Voornaamste technische bottleneck nu opgelost

Een probleem is dat natriumatomen (en dus natriumionen) veel groter, en dus logger, zijn dan lithiumatomen. En dus moeilijker door de accu kunnen reizen. Het materiaal van de elektrode moet dus een soort “snelwegen” voor natriumionen bevatten. Twee ontdekkingen, in 2014 door een groep Japanners en in 2020 door een Zwitsers team, maken dit nu mogelijk. Beide teams hielden zich bezig met natrium-hydroboraten als elektrolyt. De Japanners slaagden er in 2014 in, dit goedje zo te verbeteren dat het Na+-ionen soepel door laat. [2] Helaas werkte dit mengsel alleen bij een zeer hete 250 graden C (523 K). Wat minder handig op je schoot, natuurlijk. Tenzij je Chuck Norris heet.

Gelukkig slaagde het Zwitserse team er in om het bereik op te rekken tot 100-700 kelvin. Dat wil zeggen, deze accu werkt zowel op de ijskoude grootste maan van Jupiter, Ganymedes, als op Mercurius. Dag en nacht. De temperatuur in huis is hiermee zeker geen probleem [3]. Nog meer goed nieuws is dat zowel boor, waterstof als natrium op aarde niet schaars zijn. Dus hebben we eenmaal een goede manier , dan kunnen we deze accu’s voor bijna niets maken.

Op dit moment werken twee Zwitserse instituten samen om een prototype van deze accu te ontwikkelen. Gaat dit lukken? En vinden zij en hun collega-onderzoekers een goedkoop productieproces uit? Dan betekent dit een grote doorbraak voor de goedkope opslag van zonne- en windenergie.

Bronnen
1. Elektronegativiteiten (tabel) – Wikipedia
2. Terrence A., Udovic et al., Sodium superionic conduction in Na2B12H12, Chemical Communications, 2014, DOI: 10.1039/c3cc49805k
3. Matteo Brighi et al., Closo-Hydroborate Sodium Salts as an Emerging Class of Room-Temperature Solid Electrolytes, Cell Reports Physical Science, 2020, DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100217

Vrijwel alle benzineauto's kunnen op E85 (mengsel van 85% ethanol en 15% benzine) rijden. Met dit nieuwe procédé is er nu echt een alternatief voor benzine.

Uit kooldioxide autobrandstof ethanol maken nu mogelijk

5 reacties / Ideeën, Maatschappij, Wetenschap / Door / 20 oktober 2016

De groep onderzoekers was  op zoek naar een methode om met behulp van een nanomembraan kooldioxide in methanol om te zetten. Ze ontdekten iets dat veel  interessanter is. Hebben we de missing link gevonden om alternatieve energiebronnen definitief door te laten breken?

Energie  goedkoop, batterijen niet
Op dit moment bevinden in het grootste deel van de wereld de kosten voor zonne-energie zich al onder de kostprijs van fossiele brandstoffen. Het bewijs zie je  in China. Het autocratische regime in Beijing staat niet bepaald bekend om het onnodig geld weggooien, idealisme of milieubewustzijn, maar de hoeveelheid geïnstalleerde zonnepanelen in China overtreft de rest van de wereld nu met stukken. De reden hierachter is simpel. Duurzame energiebronnen zijn goedkoper.

Er is nog één belangrijk probleem met de alternatieve energiebronnen zon en wind. Ze zijn niet op te slaan en kunnen geen energie on demand leveren. Onze batterijen en andere opslagmethoden zijn gebrekkig – de beste, pumped hydro (opslaan in stuwmeren), neemt 99% van alle opslagcapaciteit in de VS voor zijn rekening. Hier in Nederland en België proberen we ons te redden met gascentrales die bij piekvraag aangeschakeld worden. Daarom kunnen we voorlopig nog niet om fossiele brandstoffen heen.

Daar lijkt nu verandering in te komen.

Nano-spike catalysts convert carbon dioxide directly into ethanol

Alcohol uit kooldioxide
Ethanol is de scheikundige term voor de harddrug die wij als alcohol kennen. Er zijn meer alkanolen (het verzamelbegrip voor alle koolwaterstoffen met een extra -OH-groep) dan alleen ethanol. De eenvoudigste alkanol is de stof methanol: H3C-OH. Ethanol is langer: H3C-CH2-OH. Chemisch gezien is het makkelijker om uit CO2 methanol te maken. Je voegt waterstof toe. Eén zuurstofatoom wordt van dekooldioxide afgetrokken en verbindt zich met een waterstofmolecuul tot water. Het andere zuurstofatoom blijft aan de koolstof vastzitten; beide atomen verbinden zich met twee waterstofmoleculen zodat zich naast water, het methanolmolecuul vormt. Ethanol is veel lastiger te vormen en wordt dan ook meestal  uit biomassa geproduceerd. Er zijn minimaal twee stappen nodig voor de productie van ethanol.

Vrijwel alle benzineauto's kunnen op E85 (mengsel van 85% ethanol en 15% benzine) rijden. Met dit nieuwe procédé is er nu echt een alternatief voor benzine.
Vrijwel alle benzineauto’s kunnen op E85 (mengsel van 85% ethanol en 15% benzine) rijden. Met dit nieuwe procédé is er nu echt een alternatief voor benzine.

De scheikundig onderzoekers van Oak Ridge National Laboratory onderzochten de omzetting van kooldioxide en water (géén waterstof) in methanol, met behulp van elektriciteit. Als katalysator gebruikten ze koperen nanodeeltjes en grafeen nanodraadjes. Er gebeurde vervolgens iets geheel onverwachts. Er vormde zich geen methanol, maar ethanol. De verklaring, volgens de onderzoekers: op de spits toelopende toppen van de koolstof nanodraadjes, de ‘spikes’,  vormt zich een extreem sterk lokaal elektrisch veld. Klaarblijkelijk wrikt dit de C=O bindingen los, waardoor zich in twee stappen ethanol vormt. In de eerste stap, denken ze, het instabiele dimeer van koolmonoxide, O=C=C=O. In de tweede stap verandert dit in ethanol. De brutoreactie is display math.  m.a.w. kooldioxide en water worden verbruikt en er vormt zich ethanol en loog.

Na enig prutswerk bleek de opbrengst erg hoog.  Maar liefst 60-70% van de toegevoerde elektrische energie wordt omgezet in ethanol. Ter vergelijking: lithium-ion batterijen, op dit moment de standaard, halen 80-90%. Loodaccu’s nog minder.

Olie niet meer nodig
Als dit systeem massaal geproduceerd kan worden (en volgens de onderzoekers is dat in principe vrij eenvoudig, al hebben ze nog niet door hoe het precies werkt), kan dit wel eens de doorbraak betekenen van zonne- en windenergie. Het complete wagenpark kan met een minimale aanpassing overschakelen op ethanol in plaats van benzine. Ook particulieren zouden met  hun eigen zonnepanelen alcohol kunnen produceren voor eigen gebruik. Piekvermogens door windmolens en zonnepanelen kunnen direct worden omgezet in de chemische energie van ethanol.

Is dit alleen maar goed nieuws? Er is een klein minpuntje. Zolang de alcohol maar niet gedronken wordt. Er zitten namelijk de nodige giftige stoffen in. Die zullen er eerst uit moeten worden gedestilleerd voor het goedje gedronken kan worden. Gelukkig zijn daar al wél goede alternatieven voor…

Bron
Dr.Yang Song et al., High-Selectivity Electrochemical Conversion of CO2 to Ethanol using a Copper Nanoparticle/N-Doped Graphene Electrode, ChemSubPop Europe, 2016

De chemputer in actie: een 3D printer print een miniatuur chemische reactor, die de gewenste stof produceert.

Chemputer: 3D geprinte medicijnen

4 reacties / biologie, Ideeën, Ideeën en techniek, Scheikunde, Techniek, Visionaire projecten, Wetenschap / Door / 4 januari 2016

De gedachte achter de chemputer is even revolutionair als geniaal. Download het ‘recept’ voor een bepaalde chemische stof en 3D-print de reactor om die stof mee te maken. Dit is vooral interessant voor medicijnen (en, uiteraard, recreatieve drugs).
Dit is wat Lee Cronin van de Universiteit van Glasgow (Schotland) deed. Hieronder een TED presentatie.

Lee Cronin: Print your own medicine

Het belang hiervan kan niet worden overschat. Als een klein, compact apparaat in staat is elke gewenste chemische verbinding te maken, maakt dit in feite apotheken overbodig en kunnen zelfs in de armste gebieden up-to-date medicijnen worden verstrekt. Voor astronauten is het ontbreken van een goede ziekenboeg mogelijk dodelijk. Met een chemputer kunnen ook voor de meest exotische aandoeningen (als die optreden bij astronauten) medicijnen worden geprint. Dit geldt ook voor andere nuttige chemische stoffen.

Een uitzondering zijn enkele chemische stoffen die extreme reacties vereisen om te fabriceren.

Meer informatie
Reactionware (Cronin Research Group)

De chemputer in actie: een 3D printer print een miniatuur chemische reactor, die de gewenste stof produceert.
De chemputer in actie: een 3D printer print een miniatuur chemische reactor, die de gewenste stof produceert. Bron: Cronin Group

Diamant nanodraad, de nieuwste hit onder materiaalkundigen. Bron: {1}

Diamant nanodraad interessanter dan koolstofnanovezels?

3 reacties / Scheikunde, Techniek, Wetenschap / Door / 23 december 2015

Het lijkt erop dat er een eendimensionale tegenhanger van grafeen is ontdekt. Diamantnanodraad heeft een aantal zeer interessante, zeg maar gerust bizarre eigenschappen.

Wat is diamant nanodraad?
Diamantnanodraad, in de herfst van 2015 ontdekt door een groepje van Pennsylvania State University, ziet op op atoomschaal uit als doorgeknipt kippengaas.  Elke rij bestaat uit een zeshoeken  koolstofatomen. De losse eindjes aan de rand worden bezet door waterstofatomen.

Diamant nanodraad, de nieuwste hit onder materiaalkundigen. Bron: {1}
Diamant nanodraad, de nieuwste hit onder materiaalkundigen. Bron: {1}

Sindsdien heeft de nanodiamantdraad-koorts veel materiaalkundigen in de greep. Wat voor merkwaardige eigenachappen zou dit opmerkelijke goedje hebben? Het is plat, dus veel buigzamer dan koolstofnanovezels. Dat maakt het als materiaal voor nanodraden veel interessanter dan dit extreem sterke materiaal. Veel onderzoekers vreesden echter dat de nieuwste ontdekking zo bros zou zijn dat de draad net als glas in fragmenten uit elkaar zou spatten als er mechanische spanning op zou komen te staan.

Een nieuwe groep, geleid door Haifei Zhan van Queensland University of Technology in Australie, heeft deze bezwaren nu weggenomen. Sterker nog: het materiaal blijkt veel  veelzijdiger dan iedereen dacht. Gaat diamant nanodraad een zelfde toekomst als wondermateriaal tegemoet als grafeen?

Hoe maak je diamant nanodraad?
Het Penn State University team gebruikte benzeen, een zeshoek van koolstofatomen met zes waterstofatomen er omheen, als basis[1]. Ze plaatsten de benzeenmoleculen in een rij, verhoogden de druk zodat de moleculen aan elkaar gingen klikken (polymeriseerden) en daar was de diamant nanodraad.

Tot zover de theorie. In de praktijk is het erg belangrijk hoe precies de benzeenmoleculen aan elkaar gingen zitten. Er zijn verschillende configuraties mogelijk. Naar blijkt, verschillen de eigenschappen van nanodiamantdraden enorm per configuratie.

Zhan en zijn team keken naar de meest voor de hand liggende configuraties. De simpelste is polybenzeen. Hierbij zitten de zeshoeken van benzeen aan elkaar zoals linksonder op het plaatje. Dit is een stijf molecuul, dat steeds breekbaarder wordt naarmate het langer wordt. Kortom: echt grote dingen kan je hiervan niet bouwen. Daarvoor is dit molecuul te breekbaar. Als er zogeheten Stone-Wales defecten tussen zitten, verandert dit sterk. Deze defecten werken als scharnierpunten tussen de rechte stukken polybenzeen. Hoe meer Stone-Wales defecten, hoe buigzamer (maar, uiteraard: hoe zwakker de keten). Zodra het aantal Stone-Wales defecten een bepaald percentage overschrijdt, gebeurt er iets opmerkelijks. De keten verandert van breekbaar in zeer buigzaam, het verschil tussen rauwe en gekookte spaghetti.

Dat maakt het mogelijk om sommige delen van de draad buigzaam, en andere juist star te maken. Nanodiamantdraden hebben een hoge Young-modulus (treksterkte), vergelijkbaar met die van aluminium. De allersterkste zijn  Ook zijn ze erg licht. Dit opent heel veel toepassingen, vooral bij het bouwen van extreem sterke drie-dimensionale nanostructuren, aldus de groep-Zhan. Het molecuul kan zowel de functie van een kabel als van draagstructuur vervullen, afhankelijk van het aantal defecten.

Tot zover de theorie, nu de praktijk
Dit werk was slechts een computersimulatie. Hoewel onze kennis van de moleculaire wereld bijna perfect is, de onderliggende kwantumelektrodynamica is tot op dertien decimalen nauwkeurig te berekenen, kan de praktische toepassingen nog verrassingen opleveren. Experimentele materiaalkundigen moeten dus nu aan de bak en gaan meten aan het molecuul. Gezien de zeer veelbelovende eigenschappen van dit materiaal, en de enorme onderzoeksbudgetten die aan grafeen een dergelijke worden verspijkerd- zal het niet lang meer duren voor de eerste diamantnanodraden opduiken in gadgets van de toekomst.

Bronnen
1. T.C. Fitzgibbons, Benzene-derived ​carbon nanothreads, Nature Communications, 2014
2. Zhan et al., From Brittle to Ductile: A Structure Dependent Ductility of Diamond Nanothread, ArXiv preprint server (2015)

Vlammen van ijzer, aluminium, methaan en een ijzer-boormengsel. Bron: [1]

Metaalpoeder: de nieuwe brandstof?

14 reacties / Ideeën, Scheikunde, Techniek, Wetenschap / Door / 26 januari 2021

In een studie onderzochten chemici van McGill wat de mogelijkheden zijn om in plaats van koolwaterstoffen als benzine of diesel, metaalpoeder te gebruiken als brandstof. Er blijkt veel meer mogelijk dan gedacht. Hebben we eindelijk het ei van Columbus gevonden?

Metaalpoeder als brandstof, zo gek nog niet
Het is niet erg slim om ons voort te bewegen door middel van een stroperig goedje dat het klimaat verpest, wereldwijde oorlogen veroorzaakt en bovendien aan het opraken is. Dat beseffen steeds meer mensen. Dus moeten we op zoek naar een alternatief. Helaas is de meest compacte energiebron, kernenergie, met de techniek van nu, alleen te gebruiken in een grote centrale. Anders hadden we met een kilo uranium zo’n miljoen km kunnen rijden. Dat is vijf keer zoveel als een goede auto haalt. Dus moeten we op zoek naar andere alternatieven als energiedrager in voertuigen. Op dit moment wordt er veel onderzoek gedaan naar batterijen, waterstofgas en de weinig zinnige biobrandstof. Of minder bekende, maar goede alternatieven, zoals ammoniak. Maar wat, als we metaalpoeder gebruiken als brandstof?

Clean energy, off the grid. Made for tomorrow.

Metaalpoeder en boor verslaan benzine wat energiedichtheid betreft in veel opzichten met stukken.
Metaalpoeder en boor verslaan benzine wat energiedichtheid betreft in veel opzichten met stukken.

De voordelen van metaalpoeder
In het dagelijks leven kennen we metalen als robuust materiaal dat vlamwerend is. Schijn bedriegt echter. Dit komt alleen omdat het reactieoppervlak zo klein is. Als een onedel metaal als ijzer of aluminium fijn is verpoederd, dan brandt het als een fakkel. Sterretjes bijvoorbeeld, bestaan uit een mengsel van ijzerpoeder en klei. Prettig aan metaalpoeder is verder dat het geen uitstoot geeft. Wat je overhoudt is roest, of aluminiumoxide, magnesiumoxide en dergelijke. Dit zijn poeders, die je in een hoogoven weer kan omzetten in het metaal.

De energiedichtheid van metaalpoeder is ook hoog. Een liter metaalpoeder geeft meer energie dan een liter benzine. Boor, bovendien ook qua gewicht. Metalen als magnesium binden zo actief met zuurstof, dat ze zelfs zuurstof kunnen onttrekken aan kooldioxide. Het vaakst genoemd is poeder van ijzer. IJzer komt op aarde in enorme hoeveelheden voor, is erg goedkoop en is het meest gebruikte metaal. Aluminium is veel lichter dan ijzer, maar duurder. Ook het element boor is interessant. Boor is weliswaar geen metaal, maar erg licht en driewaardig. De reactie van boor met zuurstof (2 B (s) + 3 O2 (g) => B2O3(s) ) levert per kilogram 30% meer energie op dan benzine. Het afvalproduct, booroxide-poeder, kan je weer eenvoudig recyclen tot boor. Dat is met uitlaatgassen helaas wel anders.

Vlammen van metaalpoeder: ijzer, aluminium, methaan en een ijzer-boormengsel. Bron: [1]
Vlammen van metaalpoeder: ijzer, aluminium, methaan en een ijzer-boormengsel. Bron: [1]
Een concept voor een verbrandingsmotor. Klik voor een vergroting.
Een concept voor een verbrandingsmotor. Klik voor een vergroting.[2]
Hoe werkt een metaalmotor?
Een zeer fijn metaalpoeder (denk dan aan deeltjes van nanometers groot) wordt verneveld in de brandstoftoevoer. Zo ontstaat er een explosief mengsel. Dit ontbrandt, waarna de vrijkomende hitte het gas laat uitzetten en de zuigers aandrijft. Metaal nanodeeltjes branden al rond de 250 graden, of na een vonkontlading. Omdat de deeltjes zo fijn zijn, verstoppen ze de motor niet. Het poeder kan daarna worden hergebruikt door er waterstofgas overheen te leiden. Bij het tanken wordt de volle cartridge met roestpoeder afgeleverd en vervangen door een verse cartridge met metaalpoeder.

Wanneer kan ik metaalpoeder tanken?
Dat duurt helaas nog even. Eerst moet iemand een bruikbaar prototype voor een metaalpoeder verbrandingsmotor ontwikkelen. Vervolgens moet dit klaar worden voor productie. En, er moeten stations komen waar je het roestpoeder kan omwisselen voor metaal. Reken daarom zeker op vijf tot tien jaar. Als het al van de grond komt. Batterijbouwers en de ontwikkelaars van andere technieken zitten natuurlijk ook niet stil.

Bron
J.M. Bergthorson et al. Direct combustion of recyclable metal fuels for zero-carbon heat and power, Applied Energy (2015). DOI: 10.1016/j.apenergy.2015.09.037
Could metal powders be the clean fuel of the future? McGill University, 2015

TED-Video: De route tussen leven en niet-leven

5 reacties / Filosofie, Ideeën, Scheikunde, Visionaire vragen, Wetenschap / Door / 21 februari 2014

De grenzen tussen leven en niet-leven waren tot ver in de twintigste eeuw duidelijk. Nu is dat anders. Projecten als OpenWorm en kunstmatige cellen vertonen gedrag als levende organismen. Ook hedendaagse techniek lijkt steeds meer weg te hebben van levende organismen door de snel toenemende mogelijkheden en complexiteit. Waar ligt de grens tussen levend en dood?

Volgens denkers in het veld, zoals Martin Hanczyk die deze TED-lezing verzorgt, moet er iets als auto-assemblage plaats hebben gevonden. Hij slaagde er inderdaad al in cel-achtige structuren te produceren, uitgaande van ‘dode’  chemicaliën. Deze vertonen enkele gedragingen die griezelig veel overeenkomen met die van levende organismen zoals bacteriën. Kunnen we met deze inzichten kunstmatig leven scheppen en leven-achtige eigenschappen aan onze techniek geven?

Eiland van stabiliteit

Voorbij Element 118…

5 reacties / Analyses, Scheikunde / Door / 21 februari 2013

De afgelopen maanden zijn door medevisionair Douwe alle atoomelementen behandeld, vanaf het allerlichtste element, waterstof, tot het zeer instabiele ununoctium, dat slechts fracties van seconden bestaat. Is het in theorie mogelijk dat er nóg zwaardere atoomelementen bestaan?

Eiland van stabiliteit
Eiland van stabiliteit

Twee tegengestelde natuurkrachten
Atoomkernen bestaan uit positief geladen protonen en ongeladen neutronen. Atoomkernen zoals wij die kennen, met uitzondering van de kern van waterstof-1 die uit slechts één deeltje bestaat, zijn het resultaat van twee natuurkrachten: een restje van de sterke kernkracht, die uit protonen en neutronen ‘lekt’ en deze kerndeeltjes uit elkaar houdt, en de elektromagnetische kracht, die protonen elkaar laat afstoten. De derde natuurkracht is de zwakke kernkracht, die maakt dat neutronen uiteenvallen in protonen en elektronen. In een atoomkern  met relatief veel neutronen  is het energiegunstiger voor een neutron om uiteen te vallen, dan om intact te blijven. Er hoeven immers minder protonen “opzij te worden geduwd” door het nieuwe proton.

Maximum grootte aan atoomkernen?
Omdat de hoeveelheid “lijm” per kerndeeltje gelijk blijft, maar de elektrische lading steeds meer toeneemt naarmate er meer kerndeeltjes zijn, is er een maximale grootte aan atoomkernen. Deze wordt bereikt op het punt waarbij de “lijm” niet meer in staat is de protonen bij elkaar te houden. Dit punt wordt bereikt voorbij lood. Alle atoomkernen van elementen zwaarder dan lood vallen spontaan uit elkaar. Deze tijd varieert van vele miljarden jaren, bij bismut, tot fracties van miljoensten van seconden, zoals de nieuw ontdekte elementen die de afgelopen weken aan de orde kwamen. Over het algemeen zijn zwaardere elementen radioactiever dan lichte, hoewel er enkel uitzonderingen bestaan. Zo ligt het radioactieve technetium tussen stabiele elementen in.

Bestaat er een eiland van stabiliteit?
Volgens sommige kernfysici moet er ergens hoog in het periodieke systeem, verborgen voor ons, een soort “eiland van stabiliteit” bestaan waarin zich, relatief, stabiele atoomkernen kunnen vormen. Zin of onzin? Feit is wel dat de tot nu toe ontdekte zwaarste isotopen van deze elementen ook de langstlevende isotopen zijn. het is dus waarschijnlijk dat er nog zwaardere isotopen bestaan met een veel langee levensduur. Zitten we het “eiland van stabiliteit” op de hielen? Veel insiders denken van wel…

The Island of Stability in Nuclear Physics

Lees ook:
Geheimzinnig eiland van stabiliteit steeds dichter genaderd

Video: De grootste ontdekkingen van de scheikunde

1 reactie / Scheikunde / Door / 22 oktober 2012

Chemie is de studie van de structuur en transformatie van materie. Aristoteles schreef in de 4e eeuw voor Christus al het een en ander over chemie, maar zijn ideeën waren behoorlijk primitief. Tegenwoordig is chemie (scheikunde) de grootste (natuur-)wetenschappelijke discipline geworden met meer dan een half miljoen publicaties per jaar. In dit filmpje een overzicht van de grootste ontdekkingen ooit binnen deze discipline.

Het periodiek systeem Neon (Ne)

7 reacties / Scheikunde, Wetenschap / Door / 20 september 2012

Een serie artikelen over de verschillende elementen. De legoblokjes waarmee wijzelf, onze aarde en de materie van het universum is opgebouwd hebben allemaal hun eigen specifieke eigenschappen. In deze serie gaan we stap voor stap langs elk element en kijken we wat voor zinvolle zaken de wikipedia erover te zeggen heeft, met daarnaast een interessant filmpje van de universteit van Nottingham waarmee verschillende experimenten met het betreffende element worden gedaan.

Vandaag nummer 10 van de 118 elementen, Neon (Ne).

Klik hierop om naar de wikipedia versie te gaan waarbij je gemakkelijk naar de verschillende elementen kunt doorklikken

Neon - Periodic Table of Videos

 

Toepassingen

Neon wordt vaak als warmtetransportmedium in koelinstallaties gebruikt. Naast de goede thermische eigenschappen vindt neon om z’n oranje uitstraling in ontladingsbuizen ook veel toepassing in reclameverlichting; in natriumlampen W.L. (gele straatlantaarns) wordt het gebruikt om bij het starten de gasontlading op gang te helpen tot de lamp warm genoeg is om het gele natriumlicht te gaan verspreiden. De reclameverlichtingen die vaak als groep neonlicht worden genoemd bevatten soms neon maar ook andere gassen zoals argon worden gebruikt.

Het periodiek systeem Fluor (F)

7 reacties / Scheikunde, Wetenschap / Door / 22 september 2012

Een serie artikelen over de verschillende elementen. De legoblokjes waarmee wijzelf, onze aarde en de materie van het universum is opgebouwd hebben allemaal hun eigen specifieke eigenschappen. In deze serie gaan we stap voor stap langs elk element en kijken we wat voor zinvolle zaken de wikipedia erover te zeggen heeft, met daarnaast een interessant filmpje van de universteit van Nottingham waarmee verschillende experimenten met het betreffende element worden gedaan.

Vandaag nummer 9 van de 118 elementen, Fluor (F)

Klik hierop om naar de wikipedia versie te gaan waarbij je gemakkelijk naar de verschillende elementen kunt doorklikken

Waar komt veel fluor voor?
Fluor is het meest reactieve element bekend en komt daarom nergens in zuivere vorm voor. Fluor is een relatief zeldzaam element en komt zowel in sterren als op aarde maar weinig voor. In het zonnestelsel is er één fluoratoom op elke 8800 zuurstofatomen. Op aarde word fluor gewonnen uit de mineralen fluoriet, fluoroapatiet en cryoliet, waarbij fluoriet verreweg de belangrijkste bron is. China produceert de grote meerderheid van alle fluoriet.

Wat zijn de eigenschappen van fluor?
Fluor is bij kamertemperatuur een bleek-geel gas (F2). Omdat de elektronenconfiguratie van fluor slechts één elektron mist om die van het zeer stabiele edelgas neon te vormen, trekt het fluoratoom zeer sterk elektronen aan. Fluor is daarom verreweg de meest agressieve oxidator die bekend is onder de elementen en tast vrijwel alles aan; zelfs materialen als glas of asbest branden in fluorgas op kamertemperatuur.  Chemici gebruiken daarom fluor vaak als breekijzer om weerbarstige elementen als de edelgassen argon, xenon en krypton te oxideren. Een aantal vroege onderzoekers heeft de extreme agressiviteit van fluor met blindheid of andere verminkingen moeten bekopen. Fluorgas is alleen te bewaren in een container van een materiaal dat een beschermend fluoridelaagje omtwikkelt, zoals nikkel. In feite zijn er maar twee elementen die geen verbinding met fluor vormen: de edelgassen helium en neon.

 

Fluorine - Periodic Table of Videos

 

Toepassingen
In de organische chemie kan een fluoratoom voor vrijwel ieder waterstofatoom gesubstitueerd worden. Dat wil zeggen dat het aantal potentiële organische fluorverbindingen gigantisch groot is. Wanneer alle waterstof atomen door fluor vervangen worden (per-fluoridering) ontstaan verbindingen die bijzonder inert zijn. Sommige daarvan vinden wijdverspreid toepassing. Een goed voorbeeld is teflon, het per-fluor equivalent van polyetheen. Ook kleinere moleculen zoals chloorfluorkoolwaterstoffen zoals freon of Gehalogeneerde fluorkoolwaterstoffen worden veel toegepast als koelmiddel, reinigingsmiddel of drijfgas. Vanwege de aantasting van de ozonlaag verschuift het gebruik van de chloorhoudende verbindingen meer naar de verbindingen zonder chloor, dus met fluor en waterstof.

Vloeizuur of waterstoffluoride (HF) is een matig sterk zuur, maar wel uiterst reactief. Het tast glas snel aan en wordt gebruikt voor het etsen ervan. Broompentafluoride BrF5 is zo reactief dat het de zuurstof uit silicaten vrijmaakt. De grote reactiviteit wordt veroorzaakt door het feit dat fluor de grootste elektronegativiteit heeft van alle elementen. Het wordt gebruikt in de analyse van de zuurstof isotoop verhoudingen in geologische materialen (klei bijvoorbeeld). Het kan in nikkel bewaard worden omdat dit metaal een beschermende fluoridehuid ontwikkelt.

Fluoride is giftig, maar in kleine hoeveelheden ook een noodzakelijk sporen-element. Het emaille van de tand bestaat uit hydroxyapatiet kristallen met een schroefdislocatie in het midden. Deze kristallen zijn dus schroefvormig gegroeid. De as van de schroef is een zwakke plek waar door bacteriële werking tandbederf kan optreden. Wanneer fluoride ionen worden aangeboden in het drinkwater of in de tandpasta, hechten die zich op de zwakke plek en blokkeren die. Het gevolg is minder tandbederf. Er werd echter (onder andere) door de Belgische overheid een studie uitgevoerd naar de relevantie en giftigheid van fluoride in water en tandpasta. Over het algemeen wordt het afgeraden om gefluorideerde producten te gebruiken.[1]