Archief
van de vorige bijdragen van Elementair
4 feb. '20
Koolstof en allotropie
Het element koolstof bevindt zich op de 6de plaats in de tabel van Mendeljev. Het heeft als symbool C, afgeleid van “carbonium”, steenkool in het Latijn. De volledige elektronenconfiguratie van koolstof is: 1s2 2s2 2p2. Koolstof heeft omwille van de 4 elektronen op zijn buitenste schil (L-schil) valentie 4. Het tetravalente koolstof kan dus 4 chemische bindingen aangaan met elementen.
Koolstof is een niet-metaal dat bestaat onder verschillende vormen van hetzelfde chemisch element, of zogenaamde allotropen. Van koolstof bestaan de volgende allotrope vormen:
-
amorfe koolstof, dat geen kristalstructuur bezit
-
grafiet, waarin de koolstofatomen geordend zijn in een hexagonale structuur (in de vorm van een honingraat). Deze laagjes “grafeen” kunnen gemakkelijk over elkaar glijden. Grafiet is daardoor een zachte vaste stof, wel bekend als de zwarte kern van potlood.
-
diamant, een zeer harde kristallijne vorm van koolstof die gevormd wordt onder hoge temperatuur en druk, het is het hardste materiaal dat in de natuur voorkomt. Onder geslepen vorm is diamant bekend als juweel. Diamonds are a girl's best friend!
-
Lonsdaleïet, een zeldzame allotrope vorm die ontstaat wanneer grafiet onder hoge druk wordt samengeperst, zoals dat het geval is bij meteorietinslagen.
-
de fullerenen, allotropen waarbij de koolstof geordend is in ronde structuren, de zogenaamde “buckyballs” of bestaat onder de vorm van koolstofnanobuizen, de zogenaamde “buckytubes”. Het bekendste fullereen is C60 of buckminsterfullereen, een allotrope vorm met 60 koolstofatomen in de vorm van een afgeknotte icosaëder (voetbalvorm). Deze vorm werd genoemd naar een zelfdragende koepelvormige contructie ontworpen door de architect Richard Buckminster Fuller. Fullerenen zijn het onderwerp van uitgebreid wetenschappelijk onderzoek. Aangezien het vrij inerte koolstofstructuren zijn blijken ze bijzonder nuttig voor nanotechnologische toepassingen.
10 feb. '20
BENZEEN en metamerie
Koolstof ligt aan de basis van de koolstofchemie of organische scheikunde. Een van de meest eenvoudige organische verbindingen is benzeen, met structuurformule C6H6. Benzeen is een vloeistof met een zoete geur, vandaar de term aromatische verbinding.
Het was lang een raadsel hoe de 6 koolstofatomen en de 6 waterstofatomen aan elkaar verbonden waren en verschillende min of meer bizarre structuren werden destijds als mogelijkheid naar voren geschoven. Het was de Duitse chemicus Kekulé die uiteindelijk de chemische structuur van benzeen correct beschreef als een toestand waarbij de elektronen, betrokken in de 3 dubbele bindingen (de p-elektronen) kunnen verspringen. Schertsend werd deze structuur vergeleken met drie apen die elkaar de hand reiken en met hun staarten de dubbele bindingen vormen. Maar Kekulé had het bij het rechte eind…
Mesomerie of chemische resonantie is het bestaan van eenzelfde molecule onder verschillende structuren of resonantievormen, met gelijkaardige energie-inhoud. Twee mogelijke Lewisstructuren (waarbij elke koolstof de octetstructuur bekomt) kunnen voor benzeen worden geschreven. Deze Kekuléstructuren of mesomere vormen gaan constant in elkaar over en eigenlijk beschrijft een tussenvorm, de zogenaamde resonantiehybride beter de eigenlijke structuur. Benzeen heeft een vlakke zeshoekige (planaire hexagonale) structuur. De elektronen betrokken in de dubbele binding van benzeen zijn niet vast maar vormen een elektronenwolk waarbinnen ze kunnen bewegen; deze elektronen zijn gedelokaliseerd over de zesring.
De 6 C-C bindingen van bezeen zijn volledig equivalent, d.w.z. ze hebben allen dezelfde bindingslengte, namelijk 139 pm (pm: picometer= E-12 m). Deze bindingslengte ligt tussen die van een enkelvoudige C-C binding (154 pm) en die van een dubbele binding (134 pm). Dit duidt er weer op dat de elektronen verspreid worden over de zesring en dus delocalisatie ondergaan. Vandaar dat men een benzeenring weergeeft door een zeshoek met binnenin een cirkel. Hierbij worden de waterstofatomen gewoonlijk weggelaten.
20 feb. '20
WAT zit ER in DAT water ?
Water, met als chemische formule H20, is de bron van alle leven op aarde. Water is tussen 0°C en 100°C een vloeistof. Water is bovendien een heel goed polair oplosmiddel. Het watermolecule is gepolariseerd: de kant van het zuurstofatoom heeft een gedeeltelijk negatieve lading, terwijl de zijde van de waterstofatomen gedeeltelijk positief geladen is. De meeste zouten zijn daarom in water redelijk goed oplosbaar en vallen uiteen in ionen, geladen deeltjes. De watermoleculen zullen zich hierbij in een laag rond de kationen (positief geladen ionen) en de anionen (negatief geladen ionen) plaatsen.
De moleculen van water vormen in de vloeibare fase zogenaamde waterstofbruggen. Hierbij wordt een deel van de elektronenlading van de H-O binding overgedragen naar een van de twee vrije elektronenparen van het zuurstofatoom van een naburig watermolecuul. Elk watermolecule kan zo 4 waterstofbruggen vormen met naburige watermoleculen. Dit netwerk van waterstofbruggen wordt, in tegenstelling tot de waterstofbruggen die in de vaste fase voor ijs worden gevormd, in fracties van een seconde verbroken en terug gevormd met nieuwe aangrenzende watermoleculen. Biomoleculen, zoals suikers, vormen ook gemakkelijk waterstofbruggen met water en kunnen daarom in dit netwerk van waterstofbruggen als afzonderlijke moleculen worden opgenomen: ze lossen op in water.
De intermoleculaire krachten, zoals de dipool-dipool interacties en de waterstofbruggen, zijn verantwoordelijk voor het grote temperatuursbereik waarbinnen water vloeibaar is.
.jpg)
Water is ook het oplosmiddel waarin voedingsstoffen uit de bodem opgelost zitten en op deze wijze door de wortels van planten worden opgenomen. Ook de mens bestaat voor 60% uit water, het hoofdbestanddeel van bijvoorbeeld het serum van bloed.
Water uit de natuur is een complexe oplossing waarin opgeloste zouten en verbindingen, maar ook opgeloste gassen aanwezig zijn.
Het kraantjeswater of flessenwater dat we drinken is afkomstig van regenwater dat door de grondlagen en gesteenten loopt en uiteindelijk uitmondt in een bron. Daardoor bestaat bronwater niet uitsluitend uit H20. Het is een complex mengsel van opgeloste zouten, afkomstig uit de bodem. In water kunnen ook opgeloste gassen aanwezig zijn zoals zuurstof en stikstof en sommige mineraalwater bevat van nature koolzuurgas (CO2). Ook kan het tal van opgeloste verbindingen en biologisch leven, zoals bacteriën bevatten.
.jpg)
Ik bekeek in de winkel een 20-tal natuurlijke mineraalwaters, natuurlijk bruisende mineraalwaters en bruisend water waar CO2 werd aan toegevoegd en noteerde de analysegegevens op het etiket van de fles. Een samenvattende tabel wordt op het einde van deze tekst gegeven.
Bij de analyse van drinkbaar water worden een groot aantal parameters bepaald waarvan hier de volgende zullen besproken worden:
-
de concentratie van de belangrijkste anionen
-
de concentratie aan de belangrijkste kationen
-
de droogrest
-
de zuurtegraad
-
de hardheid
Anionen
De belangrijkste anionen aanwezig in drinkbaar water zijn bicarbonaat of HCO3(-), sulfaat of SO4(2-), nitraat of NO3(-) en chloride of Cl(-). Hun concentratie wordt uitgedrukt in mg/L (milligram per liter water), wat hetzelfde is als ppm (parts per million) aangezien 1 L water = 1 miljoen mg.
Bicarbonaat ontstaat in de natuur door de inwerking van water en CO2 uit de lucht op kalk (calciumcarbonaat, CaCO3). Sulfaat ontstaat door erosie en oplossen van gips (calciumsulfaat, CaSO4).
Een kleine hoeveelheid nitraten is steeds aanwezig in water. Grotere hoeveelheden zijn mogelijk afkomstig van overbemesting van landbouwgronden.
Kationen
De belangrijkste kationen aanwezig in drinkbaar water zijn calcium of Ca(2+), magnesium of Mg(2+), natrium of Na(+) en kalium of K(+). Hun concentratie wordt uitgedrukt in mg/L (milligram per liter water).
Ze zijn afkomstig van de natuurlijke zouten die oplossen in het grondwater. Deze kationen worden in de voedingsleer ook wel mineralen genoemd. Mineralen zijn nodig voor de goede werking van al je lichaamsfuncties.
Zowel calcium- als magnesiumionen zijn nodig voor de opbouw van je beenderen en je gebit. Magnesium is bovendien ook nodig voor de goede werking van je spieren en zenuwen, voor de werking van enzymen en het reguleert de hartslag.
Natrium en kaliumionen zijn nodig voor de waterhuishouding, maar een teveel aan natriumionen veroorzaakt een verhoogde bloeddruk (hypertensie). Zo is een dieet dat rijk is aan kalium- en magnesiumionen en arm aan natriumionen gunstig in geval van een te hoge bloeddruk.
Droogrest
Wat er in het water zit is grotendeels afhankelijk van de bron waaruit het water wordt gewonnen. Sommige natuurlijke waters bevatten van nature meer mineralen dan andere. De droogrest is het gewicht na uitdampen bij 180°C en wordt weergegeven in mg/L (milligram per liter). Drinkwater wordt ingedeeld in:
-
zeer licht mineraalhoudend water (droogrest tot 50 mg/L), zoals Spa Reine
-
licht mineraalhoudend water (droogrest van 50-500 mg/L), zoals Evian
-
gemiddeld mineraalhoudend water (droogrest tussen 500 en 1000 mg/L), zoals San Pellegrino
-
sterk mineraalhoudend water (droogrest van meer dan 1000 mg/L), zoals Contrex.
Zuurtegraad
Zuiver water is ook voor een klein gedeelte gesplitst in ionen: H(+) of H30(+) en OH(-). De zuurtegraad of pH van zuiver water is neutraal, d.w.z. pH= 7. Dit is noch zuur, noch basisch. Koolzuurhoudend water is licht zuur omwille van de vorming van bicarbonaat en waterstofionen H(+). De zuurtegraad van de waters in de tabel ligt tussen pH 6 (licht zuur) en pH 7,6 (licht basisch).
Hardheid
De hardheid van water wordt grotendeels bepaald door de hoeveelheid carbonaat-, bicarbonaat- en sulfaationen. Hard water bevat verder ook veel calcium- en magnesiumionen en zal bij verwarmen gemakkelijk neerslaan als een grijs-witte neerslag, wat kalkaanslag of ketelsteen genoemd wordt. Deze bestaat grotendeels uit kalk (calciumcarbonaat of CaCO3), magnesiumcarbonaat en in mindere mate uit gips (calciumsulfaat of CaSO4). De kalkaanslag verhindert de geleiding van warmte en het gebruik van onthard water is dus voor verwarmingstoestellen van belang. Een ander aspect is dat hard water de schuimvorming van zepen tegengaat.
Besluit
Er is dus flessenwater natuurlijk mineraal water, natuurlijk bruisend (koolzuurhoudend) water en mineraal water met toegevoegd koolzuurgas. Hiernaast heb je ook leidingwater. Voor dit drinkwater zijn normen opgesteld, waarin voor veel bestanddelen maximum toelaatbare hoeveelheden werden bepaald.
Zeg dus nooit meer: “Water is water.” Afhankelijk van de plaats waar het drinkwater wordt gewonnen, is de samenstelling totaal verschillend en dus kan ook de smaak verschillen. Sommige waters zoals Vichy smaken zelfs heel zout omwille van het hoog natriumgehalte.
27 feb. '20
Ik ben afkomstig van het Pajottenland waar in mijn jeugd nog veel hopvelden waren. Hop is één van de vele ingrediënten bij het bierbrouwen. Maar wat zit er nog allemaal in je pint?
WAT zit ER in DAT BIEr ?
Bier wordt gebrouwen met water, mout, hop(extracten) en kruiden. Mout is een ontkiemd en gedroogd graan, waarvan gerst de meest gebruikte graansoort is voor de bierbrouwerij – vandaar de term gerstenat. De mout wordt gefermenteerd, d.w.z. onder anaerobe omstandigheden (zonder zuurstof) gebeurt door gistcellen zoals Saccharomyces een alcoholische gisting. Hierbij wordt glucosesuiker door enzymen eerst omgezet in pyrodruivenzuur. Dit biochemisch proces vindt plaats onder gecontroleerde temperatuur en zuurtegraad en wordt glycolyse genoemd. Pyrodruivenzuur wordt op zijn beurt verder omgezet in ethanol en koolzuurgas (CO2). De schuimkraag in je bier is afkomstig van de vrijgave van koolzuurgas tijdens de fermentatie. Dit gas neemt hydrofobe eiwitfragmenten (polypeptiden) van de mout, ontstaan in het brouwproces, mee naar de oppervlakte.
Bitterstoffen
De vrouwelijke bellen van de hopplant worden gekookt in het bierbrouwproces. Ze dienen terzelfdertijd voor de smaak als voor bewaringsmiddel. Tijdens het fermentatieproces worden de alfa-zuren aanwezig in hop omgezet in iso-alfa-zuren, zoals de verbinding myrceen. Het zijn deze stoffen die het bier zijn bittere smaak geven.
Fruitige smaak
Esters worden gevormd door reactie van de in hop aanwezige organische zuren en ethanol, onder toedoen van de enzymen. Voornamelijk in donkere bieren zijn er veel esters aanwezig. Esters zijn vluchtige en dus geurige stoffen die aan het bier een fruitige smaak geven. Enkele belangrijke esters in bier zijn ethylacetaat (de geur van nagellak en fruitsnoepjes), isoamylacetaat (bananengeur), ethylbutanoaat (ananasgeur) en ethylhexanoaat (appelgeur).
Andere smaakstoffen
Tannines (ook aanwezig in wijn) zijn polyfenolen met een complexe chemische structuur. Zij veroorzaken de “droge afdronk” doordat ze met de eiwitten in de mond binden. In sommige bieren, zoals lambiek, wordt tijdens het gistingsproces zuren, zoals melkzuur en azijnzuur gevormd.
Butaandion is een ongewensd bijprodukt van het brouwproces. Het heeft de smaak van ranzige boter. Butaandion wordt door de menselijke smaak reeds bij zeer lage concentraties geproefd.
Verder worden ook nog kruiden en soms ongemoute granen toegevoegd die ook specifieke smaakstoffen leveren.
Wat zit er dus allemaal in je bier?
Bier is een zeer complexe waterige oplossing. Het bestaat voor minstens 90% van zijn volume uit water. De kwaliteit van het water, zoals het gehalte aan mineralen en de zuurtegraad (zie vorige bijdrage van Elementair), is dus voor de bierbrouwerij van zeer groot belang! Het alcoholgehalte bedraagt 5 tot 10% vol. ethanol, afhankelijk van het type bier. Het schuim wordt gevormd door koolzuurgas (CO2), afkomstig van het gistingsproces, dat hydrofobe eiwitfragmenten uit de mout naar de oppervlakte brengt. De bittere smaak van bier wordt bepaald door iso-alfa-zuren, zijn fruitige smaak door de aanwezige esters, tannines zijn verantwoordelijk voor de droge afdronk, en toegevoegde kruiden of ongemout graan zorgen voor een nog complexere smaak.
In de figuur hiernaast worden de hoeveelheden schematisch weergegeven. UIteraard zijn alcohol en de smaakstoffen volledig in het water opgelost.
Zeg dus nooit zomaar “een pint” tegen bier. En bier drinken mag, maar … enkel met mate(n)! ;@)
10 maart '20
Drink jij ook je dagelijkse kopje koffie of thee? Of drink je er meerdere? Dan moet je deze bijdrage zeker eens lezen. Want ... wat zit daar eigenlijk allemaal in?
IEMAND KOFFIE OF THEE ?
Koffie wordt bereid vanaf koffiebonen, de zaden van de koffieplant (Coffea arabica en Coffea canephora) die gedroogd en geroosterd worden. Door gemalen koffiebonen in contact te brengen met kokend water worden de wateroplosbare bestanddelen onttrokken. In koffie zitten honderden chemische bestanddelen, maar één van de belangrijkste chemische verbindingen is cafeïne. Cafeïne is afgeleid van xanthine (zie structuurformules), waarin alle NH groepen gemethyleerd zijn (d.i. de waterstofatomen van de 3 N-H bindingen zijn vervangen door methylgroepen).
Thee wordt bereid door het inwerken van heet water op van de blaadjes van de theeplant Camellia sinensis. Er bestaan verschillende soorten thee. Witte thee wordt verkregen vanaf de zeer jonge blaadjes van de theeplant die verder, buiten een droogproces weinig bewerkingen ondergaan. Bij groene thee worden de blaadjes behandeld met stoom zodat de plantenenzymen inaktief worden. Zwarte thee ondergaat veel bewerkingen, waaronder een droogproces en een zogenaamde oxidatie waar de blaadjes in een zeer vochtige omgeving op 25°C worden behandeld. De zakjesthee die we kennen is een mengeling van zwarte thee met verschillende kruiden. Ook thee bevat twee xanthinederivaten: theobromine en theofylline, die soms ook met de verzamelnaam theïne benoemd worden. In deze chemische verbindingen zijn slechts 2 van de 3 NH groepen gemethyleerd.
Een ander bestanddeel van thee is theanine. Dit aminozuur is aanwezig in zwarte thee, maar nog meer in groene en voornamelijk in witte thee. Theanine heeft een ontspannende werking en zou ook stressreducerend, focusverhogend en bloeddrukregulerend zijn.
Verder bevatten voornamelijk groene en witte theesoorten ook catechines, dit zijn complexe polyfenolen die de gezondheid kunnen bevorderen door hun antibiotische werking en mogelijk kankerremmend vermogen.
Cafeïne, theobromine en theofylline hebben voor de mens een licht stimulerende werking. Ze behoren tot de zogenaamde alkaloïden. Dit zijn chemische verbindingen uit planten die basische eigenschappen hebben. Alkaloïden zijn over het algemeen psycho-actieve stoffen. Men neemt aan dat deze stoffen de plant te beschermen tegen insectenvraat en vraat van andere plantenetende diersoorten. Deze stoffen komen ook nog voor in andere planten zoals maté, guaraná, cacao en coca. Cafeïne zit dus ook in dranken zoals cola en energiedrankjes (smart drinks) en ook in chocolade.
In een kopje koffie van 125 mL zit ongeveer 80 mg cafeïne. De Hoge Gezondheidsraad heeft de maximaal dagelijkse hoeveelheid aan cafeïne voor een gezonde volwassen man vastgesteld op 5,7 mg/kg. Een man van 70 kg mag dus maximaal 400 mg of 0,4 g cafeïne per dag opnemen. Dit komt overeen met 5 gewone kopjes koffie per dag. Voor een vrouw wordt een dagelijkse maximale dosis van 300 mg per dag aangeraden.
https://www.health.belgium.be/nl/advies-8689-cafeine#anchor-20368
Ter vergelijking: een blikje energiedrank van 250 ml bevat evenveel cafeïne als een kopje koffie, terwijl een blikje cola van 330 mL slechts 35 mg cafeïne bevat. Een kopje zwarte thee bevat ongeveer 40 mg theïne. Voor een kopje groene thee is het theïnegehalte 20 mg en een kopje witte thee bevat slechts 10 mg theïne.
https://www.gezondleven.be/themas/voeding/voedingsstoffen/cafe%C3%AFne
Gezond indien met mate gebruikt
Zowel koffie als thee worden gemaakt met kokend of heet water. Het hoofdbestanddeel is dus water en de smaak zal dus ook afhankelijk zijn van de kwaliteit van het water (zie vorige bijdragen). Zowel koffie als thee zijn gezonde dranken als ze met mate gedronken worden. De opname van een kleine hoeveelheid cafeïne en theïne kan het gevoel van vermoeidheid wegnemen en zo de concentratie en het prestatievermogen verbeteren. Maar pas op: een verhoogde opname van deze stoffen kan hartkloppingen, hoofpijn, angst en slapeloosheid veroorzaken.
24 maart '20
In deze ongewone tijden van de corona-pandemie is het goed om eens stil te staan bij de natuur op onze Aarde. We kijken deze keer naar de grootte van de materie en van de levende wezens, van klein naar groot.
De grootte van de dingen kunnen we het best beschrijven in machten van 10. De meeste wetenschappelijke machten verspringen in stappen van duizend: 1000 keer kleiner of 1000 keer groter.
VAN MINUSCUUL TOT GIGANTISCH
Extreem klein
Quarks, waaruit de kerndeeltjes van een atoom opgebouwd zijn van de grootte-orde van een attometer (E-18 m = 10-18 m). De grootte van de kerndeeltjes en het electron is naar schatting enkele femtometer (1 fm = E-15 m). Het kleinste atoom, helium (He) heeft een diameter van 25 pm (1 pm = E-12). De meeste atomen hebben een grootte rond 1 ångstrom (Å) = 100 pm = E-10 m. De grootte van moleculen ligt tussen 0,2 en 10 nanometer (1 nm = 1 miljardste van een meter of E-9 m).
Hoe groot zijn virussen dan?
De grootte van virussen ligt tussen 20 nm (parovirus) en 120 nm (Herpes simplex). Het corona-virus heeft een grootte van circa 0,1 µm of 100 nm.
Virussen worden in strikte zin niet tot de levende organismes gerekend, aangezien ze geen eigen stofwisseling hebben. Ze bevatten enkel DNA of RNA en een eiwitmantel maar zijn voor hun voortplanting aangewezen op een gastheer.
Het kleinste en het grootste levend organisme op Aarde
Het kleinste levende organisme op aarde is een in de oceanen levende bacterie, slechts 0,3 µm groot. Over het grootste levende organisme is nog wat discussie. Tot voor kort werd een kustmammoetboom in het Redwood Nationaal Park van Californië met een hoogte van 155 m door velen beschouwd als het grootste levend organisme. Tot in 1998 een bos in Oregon afstierf door een infectie van een honingschimmel van de familie Armillaria. De ondergrondse myceliumdraden staan met elkaar in verbinding en hebben hetzelfde genetisch materiaal. Daarom werd dit als één organisme beschouwd met een oppervlakte van 965 hectare. (1 hectare = 100 m x 100 m = 10’000 m2)
https://www.ivn.nl/word-paddenstoelexpert/nieuws/het-grootste-levende-organisme-op-aarde
Het allergrootste
Om grote afstanden binnen ons zonnestelsel aan te geven, hebben de astronomen de astronomische eenheid (AU) gedefinieerd als de gemiddelde afstand Aarde – Zon : 1 AU = 1,4960 E11 m of ongeveer 0,15 terameter (Tm).
Om hele grote afstanden te kunnen aangeven wordt de parsec (pc) of het lichtjaar (Ljr) gebruikt, de afstand door het licht in 1 jaar afgelegd : 1 pc = 3,0856 E16 m = 3,2615 Ljr of ongeveer 30 petameter (Pm).
Zo bedraagt de afstand van de Aarde tot de eerst dichtbijzijde ster buiten ons zonnestelsel, Proxima Centauri 40 Pm. De doorsnede van de Melkweg is meer dan duizend exameter (Em) of E21 m ofwel ....
1’000’000’000’000’000’000’000 meter!
Interessante feiten over de grootte van de dingen ontdek je op deze YouTube filmpjes :
