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 8 van de 118 elementen, Zuurstof (O)
Klik hierop om naar de wikipedia versie te gaan waarbij je gemakkelijk naar de verschillende elementen kunt doorklikken
Waar komt zuurstof veel voor?
Zuurstof is na waterstof en helium het meest voorkomende element in het heelal. Ook op aarde is het moeilijk een plaats te vinden waar zich geen zuurstof in de een of andere vorm bevindt: onze atmosfeer bestaat voor 21% uit moleculaire zuurstof, de gesteenten in de aardkorst bestaan uit metaaloxiden, silicaten (SiO2 en metaal-SiO4 verbindingen) en carbonaten (zouten van metaalionen en CO32-)en ook water is een verbinding van zuurstof en waterstof. Zuurstof is extreem reactief en komt in zuivere vorm alleen op aarde voor, hoewel enkele verre ijsmanen, zoals de Saturnusmaan Rhea, ook over een extreem dunne zuurstofatmosfeer beschikken.
Wat zijn de eigenschappen van zuurstof?
Zuivere zuurstof is bij kamertemperatuur een behoorlijk reactief gas. Antioxidanten, stoffen die door zuurstofradicalen beschadigde moleculen (vrije radicalen) wegvangen zijn voor levensvormen in een agressieve zuurstofatmosfeer dan ook van levensbelang: twee vitamines, vitamines C en E, zijn antioxidanten. De sterke reactiviteit komt omdat zuurstof een klein atoom is waarvan de tweede elektronenschil bijna geheel gevuld is (op twee elektronen na). Dit maakt zuurstof ook sterk elektronegatief: de kern van zuurstof trekt gedeelde elektronenparen sterk aan. Daarom zijn zuurstofgroepen in een molecuul vrijwel altijd negatief geladen. De reden dat zich zogeheten waterstofbruggen kunnen vormen in bijvoorbeeld water en water geen gas is, maar een vloeistof. Zuurstof kan twee bindingen vormen.
Toepassingen
Zuurstofgas in zuivere vorm wordt veel toegepast in lasapparatuur en in de medische wereld voor de behandeling van mensen met ademhalingsproblemen. Ook in de luchtvaart en bij het (diep)duiken is het niet meer weg te denken (zie nitrox en trimix).
Vloeibaar O2 vindt toepassing in de ruimtevaart en bij grootverbuikers. Als chemische grondstof is het ook bijzonder belangrijk, bijvoorbeeld voor de gecontroleerde oxidatie van ethyleen naar ethyleenoxide (over een zilverkatalysator). Dit industriële proces levert een belangrijke grondstof voor de polymeerindustrie
Zuurstofgas is onmisbaar voor vele organismen op aarde, immers zonder O2 zou er nergens op aarde aerobe dissimilatie plaats kunnen vinden. Op zeeniveau bestaat de lucht voor ongeveer 21% uit zuurstofgas. Vermits het biochemisch proces van levende wezens hierop is aangepast, is dit een optimale hoeveelheid voor het lichaam in goede conditie te houden. Zodra men zich echter naar de bergen verplaatst, zal de luchtdruk, en de hoeveelheid zuurstofgas in eenzelfde volume lucht, iets dalen. Het kan dan gebeuren dat levende wezens ademhalingsproblemen krijgen.
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 7 van de 118 elementen, Stikstof (N)
Klik hierop om naar de wikipedia versie te gaan waarbij je gemakkelijk naar de verschillende elementen kunt doorklikken
Waar is stikstof te vinden?
Stikstof komt veel voor in het universum, zij het niet zoveel als koolstof of zuurstof: op elk stikstofatoom zijn er tien zuurstofatomen en vijf koolstofatomen. Op aarde bestaat onze atmosfeer voor 78% uit moleculaire stikstof (N2). Erg veel moeite hoeven we dus niet te doen om stikstof te winnen: het koelen van lucht en fractionele distillatie is voldoende.Verder komt stikstof veel voor in levende wezens: stikstof is een essentieel onderdeel van aminozuren, de bouwstenen van eiwitten. Buiten de aarde is de atmosfeer van Venus en interessante stikstofbron. De atmosfeer van onze zusterplaneet bestaat voor plm. 2% uit stikstof, maar omdat de gasdruk op Venus zo’n 95 atmosfeer is, vertegenwoordigt dit toch ruim twee keer zoveel stikstof als op aarde. Verder zijn de gas- en ijsreuzen interessante stikstofbronnen. Stikstofgeisers op de Neptunusmaan Triton verraadden een zee van vloeibaar stikstof.
Wat zijn de eigenschappen van stikstof?
Bij kamertemperatuur is moleculaire stikstof een gas. Pas bij temperaturen onder de 77 kelvin (bijna 200 graden onder nul dus) verandert stikstof in een vloeistof. De (drievoudige) binding tussen twee stikstofatomen is extreem sterk. Stikstof heeft drie ongepaarde elektronen, waarmee het drie covalente bindingen kan vormen, maar gezien de sterkte van de N≡N binding reageert moleculaire stikstof moeilijk op kamertemperatuur. Organismen zoals Rhizobium bacteriën en mensen moeten dan ook erg veel moeite doen om deze binding los te wrikken. Met metalen vormt stikstof bij hoge temperatuur nitriden. Met zuurstof stikstofoxiden, nitrieten en nitraten. In combinatie met koolstof en waterstof ontstaan amines, als er aan de koolwaterstof ook een zuurgroep (COOH) komt te hangen, ontstaan aminozuren, die essentieel zijn voor de vorming van aards leven.
Toepassingen
De toepassing van stikstofverbindingen is bijzonder groot. Ammoniumverbindingen en nitraten zijn belangrijke kunstmeststoffen. Ammoniumnitraat zelf is naast een kunstmeststof in combinatie met een koolwaterstof zoals dieselolie of kerosine als koolstofbron een veelgebruikt, goedkoop explosief. Nitraten zijn ook een onderdeel van buskruit en nitroglycerine, het product van de reactie tussen glycerine en nitreerzuur (salpeterzuur plus zwavelzuur) is een bekend explosief. Cyanides worden gebruikt in de mijnbouw voor het uitlogen van goud. Ammonia is bekend als schoonmaakmiddel. Ammoniak is de basis voor de productie van salpeterzuur. Aniline, een organische verbinding met een -NH2 groep, is de basis voor de chemie van veel kleurstoffen. Stikstofoxide NO speelt een grote rol als neurotransmitter, dat wil zeggen in het doorgeven van signalen van de ene zenuwcel naar de andere. Bovendien wordt vloeibare stikstof ook gebruikt in de computerwereld om zeer extreme overklok-resultaten te behalen.
Ook in de vorm distikstof of N2 is stikstof erg interessant voor de industrie.
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 6 van de 118 elementen, Koolstof (C).
Klik hierop om naar de wikipedia versie te gaan waarbij je gemakkelijk naar de verschillende elementen kunt doorklikken
Waar komt veel koolstof voor?
Koolstof is na waterstof, helium en zuurstof het meest voorkomende element in het heelal, omdat in zware sterren door kernfusie aan het einde van hun leven enorme hoeveelheden koolstof (uit helium) worden gemaakt. Bij supernova’s komen dan ook enorme wolken koolstofrijk stof vrij, die volgens de laatste theorieën de bouwstenen leverden voor het ontstaan van leven. Ook op aarde komt veel koolstof voor, vooral in de vorm van carbonaten, gesteenten waarin het CO32- ion voorkomt. Ook in de oceanen komen veel carbonaationen voor, waar ze verantwoordelijk zijn voor het stabiliseren van de zuurgraad van het zeewater. Daarnaast kent de aarde ook de nodige zuivere koolstof in de vorm van steenkool, grafiet en diamant. Fossiele brandstoffen bestaan uit koolwaterstoffen, zoals methaan (aardgas; CH4) en ingewikkelder ketens. Ook de lucht bevat koolstof in de vorm van CO2, kooldioxide. Buiten de aarde zijn de veel voorkomende chondrieten, koolstofrijke asteroïden een interessante koolstofbron. De atmosfeer van Venus bestaat vrijwel geheel uit een dikke mantel kooldioxide; ook gasreuzen als Jupiter en Saturnus bevatten het nodige koolstof in de vorm van methaan. De Saturnusmaan Titan kent een in het zonnestelsel unieke methaankringloop, met methaanmeren en methaanregens.
Wat zijn de eigenschappen van koolstof?
Koolstof is een klein en licht atoom met in de kern 6 protonen en 6 (12C, plm. 99%) of 7 (13C; 1,1% van alle koolstof op aarde) neutronen. Omdat van de zes elektronen van koolstof maar liefst vier bindingen vormen en het atoom zo klein en licht is, vormen zuivere koolstofmaterialen de sterkste materialen die ons bekend zijn. Grafeen, moleculair kippengaas, en diamant bestaan uit zuiver koolstof en hebben treksterktes die uit science fictionboeken lijken te komen. Om een grafeen- of diamantvezel met een doorsnede van 1 mm2 te breken, is een kracht van 1 050 000 N nodig (het gewicht van twintig volwassen Afrikaanse mannetjesolifanten van 5 ton elk). Dankzij koolstof kunnen we daarom in theorie een ruimtelift bouwen. Koolstof kan zowel elektronen afstaan als opnemen, waardoor de koolstofchemie (beter bekend als organische chemie) extreem rijk en complex is. De reden overigens waarom de scheikunde is onderverdeeld in organische chemie (waaronder biochemie) en anorganische chemie(de rest; chemie dus waarbij koolstof niet betrokken is). Koolstof verdampt direct als vaste stof (sublimatiepunt boven de 4000 graden) en vormt alleen onder hoge druk en temperatuur een vloeistof. Koolstof is een halfgeleider, maar uit recente ontdekkingen blijkt dat koolstofnanobuisjes ongeveer even goed stroom geleiden als koper en aluminium en deze metalen dus kunnen vervangen.
De chemische en structurele eigenschappen van fullerenen maken dat voor deze koolstofcomplexen misschien een veelbelovende rol is weggelegd in de nanotechnologie.
In fijnverdeelde toestand (actieve kool) heeft kool een hoog specifiek oppervlak en kan gebruikt worden als adsorbeermiddel. Het wordt wel gebruikt als filtermateriaal om vloeistoffen te ontkleuren en zelfs ingeslikt om gifstoffen uit het maag-darmkanaal te verwijderen (‘Norit’).
Elektronica weerstanden (grafietweerstand); koolstof is een zeer goede stroomgeleider maar als een redelijk grote stroom door in een tot verhouding zeer dun staafje grafiet moet lopen ontstaat een hogere weerstand. Grafiet heeft daarbij als voordeel dat deze niet snel doorsmelt. (Hoe hoger de stroom, hoe groter de temperatuur, en hoe groter de weerstand.)
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.
Klik hierop om naar de wikipedia versie te gaan waarbij je gemakkelijk naar de verschillende elementen kunt doorklikken
Waar komt boor veel voor?
Boor is een vrij zeldzaam element: de aardkorst bestaat slechts voor ongeveer een honderdduizendste deel uit boor. Boor komt op aarde niet in zuivere vorm voor, maar opgelost in water of in mineralen zoals boraten. 63 procent van de gemakkelijk winbare boorreserves bevinden zich in één land: Turkije, om precies te zijn in de provincies EskiÅŸehir, Kütahya en Balıkesir. In de Amerikaanse Mojavewoestijn bevindt zich een grote dagbouwmijn die meer dan de helft van alle boor ter wereld produceert. Hoewel boor één van de eenvoudigste kernen heeft, wordt het element alleen gevormd onder invloed van kosmische straling en niet in sterren, waardoor het ook in dit heelal zeldzaam is.
Wat zijn de eigenschappen van boor?
Boor is een licht atoom met vijf protonen en zes (11B) resp. vijf (10B) neutronen in de kern. In zuivere vorm is boor een extreem hard, zwart halfmetaal dat pas boven de 2000 graden smelt. De isotoop boor-10, die 19,9% van alle aardse boor uitmaakt, is zeer effectief in het vangen van neutronen. Boor-11, verantwoordelijk voor de rest, kan in theorie voor neutronloze kernfusie gebruikt worden. Als een proton op een boor-11 kern af wordt gevuurd met een voldoend hoge energie (500 keV, de energie dus die een proton krijgt door 500 000 volt spanningsverschil), ontstaat koolstof-12 dat bij deze energie direct uiteenvalt in drie relatief ongevaarlijke alfadeeltjes oftewel heliumkernen, zonder dat neutronen vrijkomen die andere atomen radioactief kunnen maken. Helaas zijn de technische uitdagingen enorm. Boor kan net als stikstof drie (in bepaalde gevallen zelfs vijf) atoombindingen vormen met andere atomen. Omdat het booratoom maar klein is, dus ladingen dicht bij elkaar liggen en er veel atoombindingen per centimeter zijn, doen veel borides (zoals het extreem harde stikstofboride, BN, waarvan de kubische vorm bekend staat als borazon) qua hardheid maar weinig tot niets onder voor koolstofverbindingen zoals diamant.
Toepassingen
Boorzuur wordt veel gebruikt in de textielindustrie. Boorsilicaatglazen zijn technisch erg belangrijk. In vuurwerk geeft toevoeging van het element in amorfe vorm een groene kleur. Boorverbindingen worden onderzocht en toegepast in een breed spectrum van biochemische toepassingen zoals suikerdoorlatende membranen, sensors voor koolhydraten, bestrijding van artritis en in neutronentherapie. 10B heeft een grote werkzame doorsnede voor neutroneninvangst en wordt daarom ook in de nucleaire industrie toegepast, bijvoorbeeld in regelstaven in kernreactoren. Boranen zijn wel voorgesteld als raketbrandstof omdat bij verbranding een grote hoeveelheid energie vrijkomt.
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.
Klik hierop om naar de wikipedia versie te gaan waarbij je gemakkelijk naar de verschillende elementen kunt doorklikken
Waar wordt veel beryllium aangetroffen?
Beryllium is een vrij zeldzaam element dat vooral in de aardkorst wordt teruggevonden. In zeewater is de concentratie extreem laag. Mineralen waarin veel beryllium voorkomt zijn o.a. beryl (w.o. smaragd) en bertrandiet. Deze komen voor in onder meer Madagascar, Rusland, de VS en Brazilië.
Wat zijn de eigenschappen van beryllium?
Beryllium is ongeveer twee maal zo dicht als water (dus vijf maal zo licht als staal) en in enkele opzichten (elasticiteitsmodulus, buigresistentie) qua sterkte superieur aan staal, wat het tot een gewild constructiemateriaal maakt. Beryllium is in combinatie met een alfadeeltjes afgevende bron als radium een sterke neutronenbron, waardoor het materiaal ook voor nucleaire toepassingen wordt gebruikt. Een uitermate naar trekje van het element is echter de extreme giftigheid. Blootstelling aan berylliumdamp of berylliumstof leidt tot berylliose, een bij zware vergiftiging dodelijke ziekte.
Toepassingen
Het is een goed materiaal om röntgenvensters van te maken omdat deze straling gezien de lage massadichtheid van beryllium niet sterk wordt geabsorbeerd en het metaal aan de andere kant sterk genoeg is om een vacuümsysteem te kunnen afsluiten.
Wanneer het blootgesteld wordt aan α-straling, heeft het de eigenschap neutronen vrij te geven. Het wordt dus wel als een zwakke neutronenbron gebruikt.
Vooral in legeringen met koper wordt het element veel toegepast omdat deze materialen goede eigenschappen vertonen. Ze zijn goede geleiders van zowel elektriciteit als warmte, ze zijn licht, sterk, stijf en hard en weerstaan corrosie en vermoeiing. Ze worden toegepast in puntlaselektroden, veren en elektrische contacten. Ze worden veel in de luchtvaart-, ruimte- en defensie-industrie toegepast.
Ook in de nucleaire industrie vindt het element toepassing, het heeft een lage doorsnede voor het invangen van thermische neutronen. Beryllium vormt ook een essentieel onderdeel voor een nieuw type zuiniger en veiliger brandstofstaven voor kernreactoren.
Berylliumoxide (BeO) wordt wel toegepast vanwege zijn goede warmtegeleiding, sterkte, hardheid en zijn bijzonder hoge smeltpunt. Het is in tegenstelling tot het metaal een isolator.
Berylliumoxide wordt steeds vaker als materiaal voor luidsprekerconussen toegepast.
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 3 van de 118 elementen, Lithium (Li).
Klik hierop om naar de wikipedia versie te gaan waarbij je gemakkelijk naar de verschillende elementen kunt doorklikken
Waar kan lithium worden gevonden?
Het meeste lithium die in het heelal wordt aangetroffen is volgens de tegenwoordige inzichten ontstaan tijdens de Big Bang, hoewel ook jonge sterren een beetje lithium maken. Lithium is extreem reactief door het ene ‘extra’ elektron en komt op aarde dan ook alleen in de vorm van lithiumzouten voor. Omdat lithium beter in water oplost dan het zwaardere natrium, wordt in een pekeloplossing onder een zoutvlakte het lithium geconcentreerd in de pekel onder de zoutlaag: de reden waarom veel lithium wordt gevonden onder bijvoorbeeld het opgedroogde zoutmeer Salar del Uyuni in Bolivia. In oudere sterren komt lithium veel minder voor dan in aardachtige planeten, gaswolken en gasreuzen omdat het lithium in de kern wordt afgebroken: in tegenstelling tot helium is de kern van lithium veel minder stabiel.
Eigenschappen van lithium
Lithium is het lichtst bekende metaal en kan met een dichtheid van 0,53 maal die van water zelfs op water drijven. Als alkalimetaal is het zeer reactief: lithium reageert heftig met water en oxideert in de lucht spontaan. De meest voorkomende lithiumisotoop, Li-7 (92,5%), heeft in de kern 3 protonen en 4 neutronen. Het iets lichtere Li-6 (7,5%) een gelijk aantal protonen en neutronen.
Toepassingen
Lithiumcarbonaat en lithiumcitraat worden als medicijn gebruikt bij de onderdrukking van manie en depressie. In de volksmond worden deze medicijnen slechts aangeduid met de naam van de werkzame component (het Li+-ion) Lithium.
Lithium-6 en Li-7 worden veel gebruikt in waterstofbommen. Als lithium-6 wordt bestraald met neutronen, ontstaat het radioactieve tritium (waterstof-3), dat de explosie in waterstofbommen veel zwaarder maakt. Dit maakt lithium ook interessant voor kernfusie.
Lithium wordt toegepast in oplossingen voor warmteuitwisseling. Het heeft een grote specifieke warmte.
Het Li+ ion is bijzonder klein. Er zijn enkele vaste stoffen met een gelaagde structuur waar het tussen de lagen kan indringen. Deze interkalaten zijn interessante materialen voor droge batterijen.
Lithium heeft een hoge elektrochemische potentiaal. Het metaal wordt gebruikt in de organische synthese.
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 2 van de 118 elementen, Helium (He)
Klik hierop om naar de wikipedia versie te gaan waarbij je gemakkelijk naar de verschillende elementen kunt doorklikken
Waar is veel helium te vinden? Helium is na waterstof het meest voorkomende element in het heelal. Ongeveer een kwart van alle uit atomen bestaande materie bestaat uit helium. Helium komt veel voor in de zon – het element werd voor het eerst ontdekt op de zon, door de spectraallijnen van helium in het zonlicht. Ook de gasreuzen bevatten veel helium. Op aarde is helium erg schaars omdat het aardse zwaartekrachtsveld veel te zwak is om helium bij aardse temperaturen vast te kunnen houden. Alleen in aardgas uit bepaalde bronnen bevindt zich veel helium, dat vrij is gekomen door radioactiviteit. Het dunne laagje maanstof op de maan heeft het nodige helium geabsorbeerd uit de zonnewind.
Eigenschappen van helium Vrijwel alle helium bestaat uit helium-4, met in de atoomkern 2 protonen en 2 neutronen. Bij veel radioactieve processen zenden atoomkernen een alfadeeltje uit, m.a.w. een helium-4 kern. Verder is er het zeldzame helium-3, met slechts één neutron in de kern. Er zijn geen chemische verbindingen bekend: helium is het meest volmaakte edelgas dat we kennen. Het atoom is zo evenwichtig, dat de ladingsverschillen pas 4 graden boven het absolute nulpunt sterk genoeg zijn om helium vloeibaar te maken. Een unieke en bizarre eigenschap van vloeibaar helium is dat het een supervloeistof vormt. Een beker met supervloeibaar helium stroomt over de randen leeg. Ook is de stroperigheid nul: als de aardse oceanen gevuld zouden zijn met supervloeibaar helium, zou een schip zonder motor maar met een bepaalde beginsnelheid, de oceaan over kunnen steken.
Toepassingen Ballonnen
Helium wordt vaak gebruikt als vulmiddel voor ballonnen en luchtschepen, die immers lichter dan lucht moeten zijn. Men kan dan denken aan reclametoepassingen, maar ook atmosferisch en militair onderzoek zijn belangrijke toepassingen. Helium verdient de voorkeur boven waterstof omdat het niet brandbaar is, en daarmee veiliger.
Het stijgvermogen van helium is 93% van dat van waterstof, een goede vervanging dus. Wel is helium veel kostbaarder dan waterstof, want het is moeilijker te winnen. Bovendien kan het niet met de cascademethode vloeibaar gemaakt worden, waardoor het duur in het gebruik is, bijvoorbeeld bij transport en ook bij toepassing als koelmiddel, vergeleken met vloeibare stikstof.
De vooroorlogse zeppelins konden niet met helium gevuld worden, omdat alleen de Amerikanen in grote hoeveelheden over dit kostbare gas beschikten en het niet aan Duitsland wilden leveren. Duitsland was officieel nog een bevriende staat, maar men was er niet zeker van dat het land van Adolf Hitler het gas alleen voor vredelievende doeleinden zou gebruiken. De zeppelins werden dus met waterstof gevuld, wat in1937 resulteerde in de ramp met de kolossale Hindenburg, waarna voor de zeppelins het doek viel.
Koelmiddel
Doordat helium het laagste smelt- en kookpunt heeft van alle elementen is het een zeer geschikt koelmiddel voor veel toepassingen die extreem lage temperaturen behoeven, zoals supergeleidende magneten en cryogene research en kernreactoren. In vloeibare vorm wordt het gebruikt bij MRI-scans in de medische sector, als koeling voor de supergeleidende elektromagneten.
Diepzeeduiken
Diepzeeduikers ademen vaak een mengsel van helium en zuurstof in, mede omdat zuurstof bij hogere omgevingsdruk giftig is en stikstof onder hoge druk kan leiden tot stikstofnarcose en caissonziekte. Door een deel van de zuurstof en stikstof te vervangen worden deze effecten beperkt. De lage dichtheid van helium zorgt verder voor een afname van de viscositeit van het ademmengsel waardoor het makkelijker adembaar is bij hoge omgevingsdruk.
Tot het scala van toepassingen behoort ook het gebruik in gasontladingslampen waar het voor een goudgeel licht zorgt. Vanwege het kleine molecuul wordt het gebruikt voor lektesten, bijvoorbeeld van drukvaten. Het vat wordt dan onder druk gezet met helium, waarna in een stikstof-omgeving het aantal heliumatomen wordt gemeten; zijn die er niet, dan is het vat lekdicht. Voor raketaandrijving wordt afdampend gas gebruikt, dat vrijgelaten wordt uit een houder met vloeibaar helium onder hoge druk. Verder wordt het gas toegepast in supersonische windtunnels.
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.
Om de spits af te bijten het eerste element van de 118, Waterstof (H)
Klik hierop om naar de wikipedia versie te gaan waarbij je gemakkelijk naar de verschillende elementen kunt doorklikken
Waar komt waterstof voor?
Waterstof is het lichtste en meest voorkomende element. Zuiver waterstof, H2, is een brandbaar, zelfs explosief gas en komt op aarde alleen in zeer kleine hoeveelheden in aardgas voor. Vrijwel alle waterstof op aarde komt gebonden, in de vorm van water en koolwaterstoffen, voor. De zon en de gasreuzen Jupiter en Saturnus bestaan voor het grootste deel uit waterstof. Ongeveer driekwart van alle uit atomen ogebouwde materie in het heelal bestaat uit waterstof.
Eigenschappen van waterstof
De verreweg meest voorkomende soort, protium, bestaat uit slechts één proton met daarom heen een elektron. Deuterium heeft naast een proton ook een neutron in de kern, het radioactieve tritium zelfs twee neutronen. Waterstof kan slechts een enkelvoudige chemische binding vormen omdat het maar één elektron heeft. Je vindt waterstofatomen daarom altijd aan de uiteinden van moleculen waar het deel van uitmaakt. Wel kan waterstof zogeheten waterstofbruggen vormen, het gevolg van de aantrekkingskracht tussen de positief geladen waterstofatomen en de negatief geladen zuurstofatomen in bijvoorbeeld water. Deze zijn ongeveer 10% zo sterk als een normale atoombinding. Bestonden deze niet, dan was water een gas, net als kooldioxide.
Onder zeer hoge druk verandert waterstof in een metaal (de reden dat Jupiter een zo sterk magnetisch veld heeft).
Als waterstofkernen samensmelten tot helium komen zeer grote hoeveelheden energie vrij, per kilogram waterstof rond de 330 000 megajoule (iets minder dan 100 000 kWh, voldoende om een Nederlandse familie levenslang van stroom te voorzien).
Vloeibaar waterstof wordt gebruikt bij cryogeen onderzoek
Waterstof weegt slechts 1/14 van een gelijk volume aan lucht. Om die reden werd het in het verleden veel toegepast als vulling in ballonnen en zeppelins. Vanwege de brandbaarheid wordt dit tegenwoordig veel minder gedaan.
Waterstof wordt gebruikt voor het koelen van generatoren met een vermogen groter dan 200 MW.
Het waterstofisotoop deuterium wordt in nucleaire toepassingen gebruikt als moderator om neutronen te vertragen. Deuteriumverbindingen vinden ook toepassingen in de chemie en biologie bij studies naar isotoopeffecten op reacties, en voor gebruik in NMR-experimenten en neutronenverstrooiing waar gewoon waterstof de meting zou verstoren.
Het waterstofisotoop tritium wordt geproduceerd in kernreactoren en is nodig voor de fabricage van een waterstofbom, in biologische en biomedische wetenschappen gebruikt als isotooplabel, en als stralingsbron in lichtgevende verf.
Deuterium en tritium worden ook gebruikt als brandstof in experimentele kernfusie reactoren zoals ITER.
Tot nu toe duurde het ongeveer een jaar voordat een productielijn van een medicijn gereed was. Met een nieuwe combinatie technieken van farmagigant Novartis is deze tijd nu ingekort tot enkele uren. En net op tijd…
Een jaar wachten op een medicijn
Er worden voortdurend nieuwe medicijnen ontwikkeld. Dit gebeurt in fases: na de initiële screening van veelbelovende compounds, waarbij er enkele honderden overblijven, worden deze aan dierproeven en proeven bij mensen onderworpen. Pas als hierbij geen al te ernstige bijwerkingen worden vastgesteld, komt het medicijn in massaproductie. Deze laatste fase duurt ongeveer een jaar. Slecht nieuws voor een medicijnfabrikant, die zo zijn patent een jaar minder lang uit kan melken, maar uiteraard ook voor patiënten, die een jaar moeten wachten op een effectief medicijn.
Novartis claimt nu in staat te zijn het medicijn Diovan in een paar uur te produceren, waar dat eerst een jaar was. Dit nieuws komt als geroepen voor het geplaagde bedrijf
Op de tweede dag van een conferentie over fabricagetechnieken op de campus van MIT, meldde de bestuursvoorzitter van Novartis, Joseph Jimenez, dat er grote veranderingen op til zijn wat betreft de manier waarop zijn bedrijf (en mogelijk ook andere farmabedrijven) medicijnen produceren. Door een nieuwe, experimentele methode om pillen te fabriceren kunnen de productietijden drastisch worden verkort. Ook gaat de kwaliteit van de medicijnen vooruit en, uiteraard de voornaamste beweegreden voor multinationals, stijgen de inkomsten, aldus Jimenez.
Batchproductie
Tot nu toe worden medicijnen via een batchprocedé geproduceerd. Dit is te vergelijken met het koken van een eenpansmaaltijd: alle ingrediënten worden in een vat met elkaar gemengd (of achtereenvolgens in verschillende stappen gemengd, het gebruik bij ingewikkelde chemicaliën). Het eindproduct wordt vervolgens gezuiverd en op een andere locatie in pillen omgezet. Met een nieuwe methode kunnen Novartis – en mogelijk ook andere farmafabrikanten – medicijnen radicaal anders fabriceren: via een continuproces op één locatie, waarbij de ingrediënten toe worden gevoegd zoals benodigd. Ook kunnen er nu andere chemische reacties worden toegepast dan in de batch-methode. Volgens de CEO heeft zijn bedrijf in samenwerking met MIT vijf jaar aan deze methode gewerkt.
Uit de presentatie van Jimenez bleek dat de samenwerking behoorlijk succesvol is verlopen. Door de traditionele batchmethode te gebruiken kon het bedrijf zijn medicijn Diovan (tegen hoge bloeddruk en hartstoornissen) in twaalf maanden uit de grondstoffen gebruiksklaar bereiden. Met de continue fabricagemethode kan Novartis dit bereiken in slechts zes uur, aldus Jimenez. Hiermee bespaart het bedrijf dus een jaar. Een jaar waarin kostbaar medicijnonderzoek extra terugverdiend kan worden. Uiteraard zijn ze daarom bij Novartis erg blij met deze techniek. “Dit zal de manier veranderen waarop medicijnen worden gemaakt in de wereld,” aldus Jimenez. De ontwikkeling komt als geroepen, want het bedrijf maakt minder winst en Jimenez ligt stevig onder vuur. In 2015 wil Novartis de productiefaciliteit op commerciële schaal gereed hebben. Als tegen die tijd de huisprinters Novartis niet voor zijn…
Welk techniek zouden Novartis en MIT gebruikt hebben?
MIT doet heel veel onderzoek naar 3D-printers. Zo werken MIT-onderzoeksgroepen aan printbare organen en zelfs voedselprinters. Ook is het idee van een printbare chemische fabriek al langer bekend. Al eerder beschreven we de uitvinding van een Schotse prof, waarin met behulp van een 3D-printer een chemische reactor is te printen. Het is daarom niet onmogelijk dat het Novartis-systeem een vergelijkbare werking kent. Door chemische reactoren een andere vorm te geven, kan uit een beperkte hoeveelheid basischemicaliën werkelijk elk molecuul worden gemaakt. Hoe dan ook, medicijntekorten zullen iets van het verleden worden.
Cocaïne en antibiotica uit de printer? Uit de enkele tientallen chemische elementen worden er misschien zes of zeven zeer vaak gebruikt in de scheikunde: waterstof, zuurstof, koolstof, stikstof, zwavel, fosfor en wellicht chloor (een omstreden element vanwege de milieuproblemen met chloorverbindingen). In principe kan je daarom met een beperkt aantal basischemicaliën iedere denkbare verbinding maken, als je het reactieproces maar verandert. Dit is precies wat chemicus Leroy Cronin van de universiteit van het Schotse Glasgow gedaan heeft. Downloaden we straks van The Pirate Bay illegale bootlegs van dure medicijnen?
Chemische fabriek uit de 3D printer
Het idee van Cronins team is even visionair als simpel. Een 3D printer van nog geen 1600 euro print een chemische productielijn en spuit de chemicaliën op de juiste plaats in het circuit. Handig voor chemici die willen experimenteren met een nieuwe verbinding, maar uiteindelijk wordt zo iedereen met een computer en een 3D printer een chemicus. Scheikunde voor de massa. Kortom: je hoeft wellicht strakt niet meer naar de apotheek voor bepaalde medicijnen, maar kan ze zelf printen. Ideaal voor bijvoorbeeld astronauten, ruimtekolonisten of mensen die ver van de bewoonde wereld aan het werk zijn. Aan de andere kant, ook weer een totaal nieuw terrein voor de politie om in de gaten te houden. Wat als zieke geesten het ontwerp voor een LSD reactor, of nog erger, uploaden en dat aan de man brengen als een circuit voor een hoofdpijnpil?
De printer in actie plus schema van de reactiekamers. Bron: Nature Chemistry (zie bronnenlijst; er is nog meer)
Chemische inkt
Cronin en zijn collega’s gebruikten de open source 3D printer van het Fab@Home project, dat tot doel heeft zelffabricage in de huiskamer te brengen. Ze ontdekten dat een polymeergel die vaak in badkamers wordt gebruikt, kan worden gebruikt om reactiekamers en verbindingsbuisjes van alle denkbare groottes en vormen te printen. Nadat de kit hard is geworden, spuiten de printkoppen de chemicaliën, ‘chemische inkten’, in de reactiekamers. In principe kunnen de afmetingen van de reactor en de chemische ingrediënten om een bepaald product te maken, alle worden ontworpen en in dezelfde software blauwdruk worden opgenomen. Alles wat de gebruiker hoeft te doen is het te downloaden en naar de printer te sturen. De onderzoekers denken aan een online winkel waar je een chemische app voor een bepaalde pil kan downloaden en vervolgens in je eigen 3D-printer uit kan laten printen. Hier kan je ook een standaardset van chemische inkten bestellen. Potentiële gezondheidsgevaren omdat mensen in staat zijn hun eigen medicijnen of drugs te printen kunnen volgens Cronin worden geminimaliseerd. Zijn team schrijft alleen software voor specifieke eindproducten die lastig in andere reacties zijn om te zetten. “We zouden de reacties in het lab hebben uitgetest zodat niemand in staat is ze te hacken.”
Uiteraard is het wel mogelijk met enige chemische kennis zelf je eigen reactor voor bijvoorbeeld cocaïne te ontwerpen en uit te printen. Hier een chemische handleiding van erowid.org (Duits; 1923). U begrijpt, waarde lezer: hiervan beginnen de vingers van een droogstaande chemiegek flink te jeuken.
Reacties controleren door geometrie
Wie wel eens in new-age kringen heeft vertoefd wordt doodgegooid met Heilige Geometrie van een zekere Drunvalo Melchizedek en dergelijke. Welnu, ook reacties kunnen geometrisch beïnvloed worden. Cronin heeft om het principe aan te tonen een eenvoudig blok geprint, bestaande uit twee reactiekamers die met een centrale mengreactor zijn verbonden. Dit was voldoende voor eenvoudige anorganische en organische chemische reacties en om totaal nieuwe (overigens nutteloze) stoffen, complexe anorganische metaalverbindingen, te produceren. De onderzoekers voerden ook de (onder chemici) welbekende katalytische reductie van styreen (waar o.a. piepschuim van wordt gemaakt) uit. Hiervoor werden de katalysatoren op de wand van de reactiekamer geprint. Ook dit bleek aardig te gaan en nadat de geprinte reactiekamer wordt schoongemaakt, kan deze weer worden gebruikt. Door de chemicaliën in een verschillende volgorde met elkaar te mengen, en door de grootte en vorm van reactievaten aan te passen, kunnen totaal andere stoffen worden geproduceerd.
Fundamentele verandering
Cronin wijst er – terecht – op dat dit een radicale verandering betekent wat betreft de manier waarop scheikunde plaatsvindt. Niet langer zijn reageerbuisjes, erlenmeyers en bekerglazen passief, maar worden actieve onderdelen van de chemische reactie. Voor een chemisch technoloog waren ze dat uiteraard al – reactorontwerp is uiterst belangrijk in een chemisch productieproces. Nu komt dit dus ook naar het lab. Dit omdat de uitkomsten van een chemische reactie niet alleen afhangen van de beginingrediënten, maar ook hun onderlinge verhouding en de snelheid waarmee ze worden gemengd. Dit kan worden veranderd door de grootte van de reactiekamers en de afstanden die de chemicaliën moeten reizen te veranderen. Cronin denkt dat hierdoor totaal nieuwe chemische stoffen mogelijk worden: “Als je reactie niet loopt zoals de bedoeling is, dan verander je gewoon de reactor.”
Cronin toonde dit aan door een reactie te herhalen. Hij gebruikte dezelfde hoeveelheid beginmateriaal, maar programmeerde de printer zo dat deze de afmeting van de centrale mengkamer verkleinde. Alleen de reactanten die in de mengkamer terecht kwamen voordat deze vol raakte, namen deel aan de reactie. Voldoende om de producten van de reactie te veranderen. Kortom: geen ouderwets geknoei meer met flesjes en retorten. De mengkamers kunnen ook worden uitgerust met gloeispiralen (die kunnen worden geprint met elektrisch geleidende koolstofinkt) om ze te verwarmen.
Dierproeven niet meer nodig, reactiecontrole met een smartphone en brandgevaar
De mogelijkheid om organen te printen met een 3D printer bestaat al wat langer. Dit biedt een fascinerende mogelijkheid: de effecten van nieuwe medicijnen, bijvoorbeeld eiwitten, uittesten op geprinte organen. Cronin heeft nog meer plannen. Ook een ander onmisbaar accessoire uit de negentiende eeuw, de Bunsenbrander, kan worden vervangen door geprinte gloeispiralen van koolstof- of metaalinkt op bepaalde plekken, die in een magnetron (of door inductie uiteraard) verhit kunnen worden. Met doorzichtig materiaal kan er ook een venster in de reactiekamer geprint worden, waardoor de gebruiker – of een smartphone, waarin een app de camerabeelden analyseert – de voortgang van de reactie kan volgen. Er is wel een nadeel met de huidige opzet. Veel chemicaliën zijn explosief in combinatie met de zuurstof uit de lucht. Cronin had al te kampen met enkele explosies. HIj werkt nu aan een meer inert materiaal voor de reactiekamers, dat de reactiekamers goed afdicht.
Ontwerpen delen
Op dit moment werkt Cronins team aan een kit om de pijnstiller ibuprofen te printen. Immers, zelfs in de landen met de allerbelabberdste medische voorzieningen zijn mobieltjes wijdverspreid. 3D-printers zijn dat uiteraard wat minder, maar er zijn nu al projecten actief om 3D-printers te verspreiden in de derde wereld. Hierdoor kunnen mensen dingen als fietsonderdelen uitprinten, of zelfs complete fietsen, zie hier. De meeste medicijnen en schoonmaakmiddelen bestaan uit koolstof, waterstof en zuurstof, die ook in huid- tuin- en keukenmiddelen als maissiroop, glycerine en paraffine voorkomen. Ook kunnen niet-chemici zelf ontwerpen ontwikkelen en delen met chemici, bijvoorbeeld voor stoffen waar bedrijven nog niet aan hebben gedacht of die niet interessant voor ze zijn. Dit kan ok een uitkomst zijn voor de zogeheten orphan drugs. Dit zijn medicijnen die voor zeer zeldzame ziekten worden gemaakt. Patiënten kunnen straks deze medicijnen zelf produceren. Sommige chemici noemen dit een veelbelovende doorbraak, andere reageren sceptischer. Cronin zelf gelooft in ieder geval rotsvast in zijn idee: “Ik zie voor me dat jaren na nu, mensen medicijnen in hun 3D-printer thuis zullen fabriceren.”
Inderdaad. Deze doorbraak is een essentieel technisch hulpmiddel voor een gemeenschap van zelfvoorzienende mensen.
