Hoe werkt klimaatverandering: basischemie, warmteleer en trillingsleer voor broeikasgassen

Dit artikel is deel 5 uit de 8-delige serie Klimaatverandering
Play

De wetenschappelijke bewijzen dat het klimaat opwarmt als gevolg van menselijke uitstoot van CO2 stapelen zich op. Toch lopen er nog te veel mensen rond die deze feiten ontkennen. Daarom heb ik er hier een reeks over opgestart. Vorige keer legde ik uit wat een open systeem is en waarom dat belangrijk is om te begrijpen hoe het klimaat werkt. In de volgende aflevering bekijken we hoe broeikasgassen werken, maar voor we daarmee beginnen is het nodig om eerst enkele chemische en fysische concepten uit te leggen. Volgens de klimaatontkenners zijn de testen van Tyndall nooit bevestigd en is het dus hoogst discutabel of het broeikaseffect van CO2 wel echt bestaat. In de volgende aflevering zal ik aantonen dat deze bewering onterecht is, maar voor we zover zijn moet ik eerst enkele zaken over chemie en trillingsleer uitleggen.

Inleiding
Goeiedag, het is vandaag zondag 17 mei 2020, ik ben Jozef Van Giel en dit is de 402de aflevering van deze podcast.
De wetenschappelijke bewijzen dat het klimaat opwarmt als gevolg van menselijke uitstoot van CO2 stapelen zich op. Toch lopen er nog steeds te veel mensen rond die deze feiten ontkennen. Daarom heb ik er hier een reeks over opgestart. Dit is ondertussen al de vierde aflevering in deze reeks.
Vorige keer legde ik uit wat een open systeem is en waarom dat belangrijk is om te begrijpen hoe het klimaat werkt. Ik dacht toen dat we klaar waren om het mechanisme van het broeikaseffect uit te leggen, maar toen ik die aflevering schreef kwam ik voortdurend zaken tegen waarvan ik dacht: vooraleer ik verder ga, moet ik eerst nog dit en dat uitleggen. Zo werd de aflevering nogal lang. Ik besloot om ze op te splitsen in twee afleveringen. Vandaag geef ik jullie eerst nog wat uitleg over een aantal basisbegrippen uit de chemie en fysica die noodzakelijk zijn om de werking van broeikasgassen te begrijpen.
Hoe werkt klimaatverandering: basischemie, warmteleer en trillingsleer voor broeikasgassen

De chemie en fysica achter broeikasgassen

Basisbegrippen uit de trillingsleer

Beeld je even een snaar in die opgespannen is op, bijvoorbeeld, een gitaar. Die snaar heeft een eigenfrequentie. Dat betekent dat als je die snaar aanslaat, ze zal trillen bij een specifieke frequentie en daarbij de luchtdeeltjes doen trillen waardoor je geluid hoort.

Maar omgekeerd kan ook. Als je een geluid maakt dat exact gelijk is aan de eigenfrequentie van die snaar zal de snaar zelf spontaan gaan trillen. Opnieuw bij diezelfde frequentie. De frequentie van zo’n snaar hangt af van zijn lengte, de trekspanning waarmee ze is opgespannen en haar massa per eenheid lengte. Hoe langer de snaar, hoe hoger de specifieke massa en hoe lager de spanning, hoe lager de frequentie.

Als ik koffie drink, volg ik steeds een specifiek ritueel. Ik steek een lepeltje in mijn koffie om de melk te roeren. Aan het einde haal ik het lepeltje uit de koffie en klop de druppeltjes eraf door met het lepeltje op de rand van de tas te kloppen. De toon van de klank die je daar bij hoort stijgt bij elke klop. Hoe komt dat? De reden is dat het lepeltje warm uit de tas komt. Uit de koffie koelt het af. Het gevolg daarvan is dat de elasticiteit van het staal waarvan het lepeltje gemaakt is door af te koelen daalt. Het lepeltje wordt harder. Daardoor wordt de spanning waarmee de trilling van het lepeltje wordt veroorzaakt hoger zodat de frequentie stijgt, op dezelfde manier als dat de frequentie van een snaar stijgt naarmate je ze meer aanspant.

Iedereen die ooit muziekles volgde, kent wel een stemvork. Tegenwoordig hebben we elektronische ‘stemvorken’ en kan je de frequentie precies instellen op de frequentie van het te stemmen instrument. Die toestellen kunnen zelfs aangeven of het instrument nog te laag, te hoog of juist goed gestemd is.

Maar vroeger gebruikte men een stemvork. Die zag eruit als een stalen vork met twee benen. Een kort staafje onderaan dat als handvat diende eindigde op een stallen bolletje. Aan de andere kant was er een gebogen staaf in een langgerekte U-vorm aan vast gelast. Die vormde de twee benen van de stemvork. Je gebruikte het toestel door lichtjes op een hard oppervlak te kloppen met de vorken en dan de vork met het stalen bolletje te laten rusten op een hol volume, bijvoorbeeld een kast, die dienst deed als klankkast. De lengte, dikte en elasticiteitscoëfficiënt van de benen van de vork waren zo ingesteld dat ze op precies 400 Hertz trilden, de frequentie van de muzieknoot ‘la’. Tijdens de zangles begon de leraar met zo’n stemvork aan te slaan en dan moest iedereen zijn stem afstellen op de frequentie van de stemvork door ‘la’ te zingen.

Maar je kon de stemvork op een lagere frequentie laten trillen door gewichtjes aan de benen van de vork te hangen. Dat is hetzelfde effect als een dikkere snaar gebruiken op een gitaar.

Basisbegrippen uit de warmteleer

Stoffen bestaan uit één of meerdere atoomsoorten (chemische elementen). Eigenlijk is alle materie een chemische stof.

Zoals we al in de aflevering over energie zagen, is warmte niets anders dan bewegingsenergie van deeltjes.

Bij een vaste stof is dat de trilling van de atomen of moleculen in hun roosterstructuur of de beweging van elektronen door het kristalrooster. Bij gassen en vloeistoffen is dat de bewegingssnelheid van de deeltjes door het gas of de vloeistof. Bij vloeistoffen botsen de deeltjes regelmatig tegen elkaar en beïnvloeden ze elkaar wat door de wederzijdse aantrekking of afstoting. Bij gassen is dat veel minder het geval.

Merk op dat het hier gaat over willekeurige beweging. De deeltjes bewegen in alle richtingen en hun gemiddelde snelheid is nul omdat er gemiddeld evenveel deeltjes in de ene als in de andere richting bewegen. Dat is het grote verschil met een lucht- of vloeistofstroom, waarbij er een gecoördineerde, resulterende beweging is in een bepaalde richting. Dit laatste noemen we bijvoorbeeld wind of stroming. Beide komen natuurlijk tegelijk voor, maar de absolute waarde van de snelheid waarmee de deeltjes bewegen omwille van de warmte is bij kamertemperatuur gemiddeld veel groter dan de snelheid van alle deeltjes samen in één richting als gevolg van bijvoorbeeld de wind. Bij het absolute nulpunt, 0 Kelvin, of min 273° Celsius valt die beweging stil, daarom is dat het absolute nulpunt en is het onmogelijk oom een temperatuur te hebben die nog lager is. De absolute waarde van een beweging kan niet trager zijn dan nul.

Bij een gas heb je dan een molecule dat als een op zich staand deeltje vrij rondzweeft tussen de andere gasdeeltjes zonder directe interactie en eerder zeldzame botsingen tussen gasmoleculen. Nu en dan botst een deeltje tegen de rand van zijn omgeving. Bij zo’n botsing wordt dan warmte uitgewisseld met het deeltje waarmee gebotst wordt. Een gasdeeltje dat met een grotere snelheid botst met een deeltje met een lagere snelheid, zal een deel van zijn kinetische energie overdragen aan dat andere deeltje waardoor dat sneller gaat bewegen. Lees: warmer worden. Bij het botsen met een wand, bvb een rotswand of een glazen venster, zal de kinetische energie van het gasdeeltje gedeeltelijk worden omgezet in trillingsenergie van die vaste stof. Het kan ook omgekeerd, namelijk dat een traag, dus koud, gasdeeltje tegen een warme wand botst en door de trilling van de deeltjes van die wand een versnelling krijgt, lees warmer wordt. Dat soort dingen gebeuren totdat alles ongeveer even snel beweegt of trilt, en dat brengt ons terug tot de tweede hoofdwet die we vorige keer zagen.

De term warmte is eigenlijk foutief gebruikt als je over slechts één deeltje spreekt. Het is namelijk een maat voor de gemiddelde snelheid van alle deeltjes binnen een systeem, maar dat zou ons te ver leiden.

Basisbegrippen uit de chemie

Het periodiek systeem is de basis van de chemie. Het werd voor het eerst uitgewerkt door Dmitri Mendelejev. Toen Mendelejev zijn tabel voorstelde was deze alles behalve volledig. Ook de structuur was niet compleet.

Om iets van chemie te begrijpen is een begrip van deze tabel noodzakelijk.

De tabel is zo opgebouwd dat de chemische elementen geordend zijn volgens het aantal protonen die ze in hun kern bevatten. Het is het aantal protonen dat de chemische eigenschappen van een element bepaalt. Protonen zijn deeltjes met een positieve lading en aangezien een atoom een neutrale lading heeft, betekent dat dat die positieve lading exact gecompenseerd wordt door een negatieve lading. Die wordt geleverd door de elektronen die zich rond de kern bewegen. Let erop dat ik niet schreef dat ze rond de kern draaien. Dat zou onmogelijk zijn want aangezien ze negatief geladen zijn zouden ze daardoor een elektromagnetische golf uitstralen waardoor ze energie zouden verliezen en bijgevolg op de kern zouden vallen. Het was lang een mysterie voor fysici waarom dat niet gebeurde, maar de kwantummechanica gaf daar een antwoord op. Een elektron bevindt zich in een waarschijnlijkheidswolk rond de kern. Dat betekent dat het onmogelijk is om de positie van dat elektron te kennen. Je kan alleen een gebied aangeven waarin het elektron zich bevindt. Dat heeft niets te maken met het feit dat onze apparatuur niet nauwkeurig genoeg is om de positie van het elektron te bepalen, het is een fundamentele natuurwet, het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Die elektronen bevinden zich als het ware voortdurend tegelijk overal in die wolk, met een zekere waarschijnlijkheid… Probeer dat niet te begrijpen, wiskundig klopt het als een bus, maar onze hersenen zijn geëvolueerd om inzicht te hebben in de middenwereld, niet voor het zeer kleine en het zeer grote. Wat je ook mag onthouden is dat er een woord bestaat voor zo’n wolk waarin een elektron zich bevindt: een orbitaal. In zo’n orbitaal kunnen zich telkens twee elektronen bevinden. Orbitalen zijn op hun beurt georganiseerd in schillen.

Maar dus, zoals ik zei, als je het periodiek systeem van links boven naar rechtsonder leest, kom je elementen tegen met telkens één proton meer in de kern, of, met één elektron meer in de schil, want dat komt altijd overeen in stabiele toestand. Helemaal links boven staat waterstof, met slechts één proton en één elektron. Daarnaast heb je helium met 2 protonen. Daarna moet je naar de volgende rij. Waarom leg ik straks uit. Daar heb je lithium met 3 elektronen, dan berillium met 4, boor met 5, koolstof met 6 protonen en zo voort.

De massa van een atoom wordt zo goed als volledig bepaald door de kern. Het gewicht van een elektron is namelijk te verwaarlozen ten opzichte van dat van een proton. Als je naar het periodieke systeem kijkt, dan zie je dat die massa niet overeenkomt met het aantal protonen, maar steeds groter is. De reden is dat er zich in de kern ook neutronen bevinden. Die wegen ongeveer evenveel als een proton. Een klein beetje meer. Een element kan bestaan uit verschillende versies met een verschillend aantal neutronen. Dat noemen we isotopen. Dikwijls bevat een kern ongeveer evenveel neutronen als protonen, maar dat is geen fysische wet. Zo bevat een waterstofatoom normaal gezien geen neutronen, maar een heel klein deel heeft één neutron en nog een kleiner deel twee neutronen. Dat heeft voor de chemie geen belang, maar voor de kernfysica des te meer. Koolstof heeft meestal 6 neutronen en dit isotoop wordt dan ook koostof-12 genoemd omdat er 12 kerndeeltjes zijn. Er bestaat ook koolstof-14, maar dat is radioactief of onstabiel, de helft ervan vervalt op ongeveer 5700 jaar. Dit isotoop ontstaat in de atmosfeer als gevolg van kosmische straling. Daarom kan je de leeftijd van afgestorven levende materie berekenen door de hoeveelheid koolstof-14 te meten. We zullen het daar nog over hebben in een latere aflevering over hoe we weten dat de stijging van CO2 in de atmosfeer van de mens komt.

Dus: hoe meer we naar rechts en naar beneden in de tabel gaan, hoe zwaarder de elementen worden.

Verder wordt de tabel op nog een manier georganiseerd:

Als we even de overgangsmetalen, de lanthaniden en de actiniden, vergeten, dan kan je zeggen dat de tabel bestaat uit acht kolommen. In de rechtse kolom staan de edelgassen.

Stoffen die onder elkaar staan in dezelfde rij hebben gelijkaardige chemische eigenschappen en hier is een goede reden voor.

Ik sprak daarstraks over de orbitalen en schillen waar de elektronen zich in bevinden. De eerste twee soorten orbitalen zijn de s- en de p-orbitalen. In een schil zit er één s-orbitaal en 3 p-orbitalen. Aangezien er telkens 2 elektronen in een orbitaal kunnen zitten, kunnen er in totaal 8 elektronen in een schil en dat verklaart de structuur van het periodiek systeem.

In elke rij wordt telkens een nieuwe schil met elektronen gevuld. De eerste schil heeft enkel een s-orbitaal, daarom passen daar slechts twee elektronen in en heb je in die rij enkel de elementen waterstof en helium.

Atomen met een onvolledig gevulde schil hebben nog plaats voor elektronen, maar alle atoomsoorten houden hun buitenste atomen niet even stevig vast. Daardoor zullen de atomen met een grotere in eenzelfde rij in het voordeel zijn. Zo kan chloor makkelijk een elektron afpakken van natrium, waarbij energie vrijkomt. Hoe meer energie vrijkomt, hoe steviger de binding. Zo ontstaan chemische bindingen. Twee of meerdere atomen delen elektronen met elkaar waardoor ze bij elkaar blijven om een molecule te vormen.

Aangezien een edelgas reeds alle plaatsen in zijn schillen gevuld heeft met elektronen, reageren edelgassen met geen enkele andere stof. Ook niet met zichzelf. Om die reden zijn het ook gassen, er zijn geen krachten aanwezig om de atomen van een edelgas naar elkaar toe aan te trekken waardoor ze vrij van elkaar blijven rond hangen, zoals gassen doen. Bovendien zal je zien dat een edelgas éénatomig is. Zo worden helium en argon voorgesteld als He en Ar, terwijl er bij andere enkelvoudige gassen een index 2 bij staat, bijvoorbeeld waterstof: H2 of zuurstof O2. De reden is dat die zuurstof- en waterstofatomen gaan samenklitten om met elkaar elektronen te delen, edelgassen hebben die elektronen niet nodig.

Tenslotte die overgangsmetalen: vanaf schil vier zijn er ook nog 5 d-orbitalen die moeten gevuld worden en vanaf de lanthaniden zijn er ook nog de f-orbitalen die moeten worden gevuld, maar dat deel is minder belangrijk voor onze aflevering over broeikasgassen.

Even alles samen brengen

Een watermolecule bestaat uit een zuurstofatoom en twee waterstofatomen. Stel je dat even voor: het zuurstofatoom staat tussen de waterstofatomen en is chemisch gebonden met elk van deze twee waterstofatomen. We zagen net dat ‘gebonden’ betekent dat beide atomen elektronen met elkaar delen. Het zuurstofatoom heeft 6 elektronen op zijn buitenste schil, maar zou graag 8 elektronen hebben om zijn schil te vullen tot de configuratie van neon. Waterstof heeft één elektron op zijn buitenste schil en zou er graag twee hebben om te lijken op helium, of geen enkel.

Daarom dat het zuurstofatoom een elektron zal lenen van het ene waterstofatoom en één van het andere waterstofatoom. Beeld je dat een beetje in. Het lijkt op een Mickey-Mouse-kop. De kop is het zuurstofatoom en de twee oren zijn de waterstofatomen. De elektronen in de binding worden meer naar het zuurstofatoom aangetrokken waardoor de waterstofatomen beide positief geladen zijn en elkaar afstoten. Deze ganse constructie is niet star, maar een beetje elastisch. Het hangt allemaal aan elkaar met behulp van elektrostatische krachten. Het gevolg is dat het wat kan bewegen. Die twee waterstofatomen kunnen langs het zuurstofatoom heen en weer bewegen. Deze molecule kan dus trillen. Trillen zoals een snaar.

Als je een waterstofatoom in een elektromagnetisch veld brengt met de juiste frequentie, dan zal het trillen met dezelfde frequentie als die golf.

 

Goed zo. We zijn klaar om uit te leggen hoe een broeikasgas werkt.

Het citaat
Het citaat van vandaag komt van Etienne Vermeersch.
Vermeersch zei:

Geniet van je successen, maar draag ook je tegenslagen.

Bronnen

2 reacties

  1. Han Michgelsen zei:

    Beste Jozef,

    Dank je voor je bericht. Op de een of andere manier komt deze laatste aflevering van je podcast niet op de gebruikelijke kanalen: niet op Apple en niet op Google. Bij vorige afleveringen had ik nooit een probleem.

    20 mei 2020
    Beantwoorden
    • Jozef zei:

      Dag Han,
      Bedankt om me erop te wijzen.
      Ik had het al gezien. Het probleem zat in het feit dat ik de checkbox “podcast” was vergeten aan te klikken in wordpress.
      Groetjes
      Jozef

      21 mei 2020
      Beantwoorden

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.