Bronvermelding
Instituut voor Didactiek en Onderwijsontwikkeling Faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen is de beheerder van de rechten van dit arrangement.
Nijenborgh 9, 9747 AG Groningen
tel. 0503634365 / fax 0503634500
Inleiding
Vloeibare kristallen werden voor het eerst waargenomen in 1888. Pas na 1960 kwamen er toepassingen zoals Liquid Crystal Thermometers en L.C.D. horloges. Vloeibare kristallen vertonen een spectrum van kleuren als ze vanuit de vloeibare fase worden afgekoeld. Daarbij geven ze bij dezelfde temperatuur altijd dezelfde kleur. Hierop berust het gebruik van deze kristallen in thermometers. Mengsels van vloeibare kristallen worden gebruikt om de temperaturen te meten tussen -200 C en 250o C.
In de vloeibare fase bestaat in tegenstelling tot een gewone vloeistof nog een gedeeltelijke ordening van de moleculen. Optisch bezitten vloeibare kristallen vele eigenschappen van de kristallen (bv. een vloeibaar kristal verstrooit licht in symmetrische patronen en weerkaatst verschillende kleuren afhankelijk van de hoek waaronder het wordt bekeken). De ordening van de vloeibare fase kan verstoord worden door het aanleggen van een elektrisch veld. Daardoor wordt de vloeistof minder doorzichtig.
Dit vindt plaats bij het gebruik in horloges.
Het demonstreren van vloeibare kristallen kan het best gebeuren met behulp van cholesterische vloeibare kristallen. Deze derivaten van cholesterol geven mooie kleurverschijnselen onder verschillende omstandigheden. Er is dan ook weinig apparatuur voor nodig om ze aan te tonen.
De cholesterolesters zijn te koop, maar cholesterylacetaat en cholesterylbenzoaat zijn ook eenvoudig te maken.
Cholesterol zelf kan ook geëxtraheerd worden uit galstenen.
Cholesterylacetaat bereiden
Benodigdheden Chemicaliën
rondkolf 100 mL cholesterol
bolkoeler azijnzuuranhydride
maatcilinder 10 mL ijs
isomantel voor rondkolf 100 mL gedestilleerd water
balans blauw lakmoespapier
bekerglas van 250 mL
büchnertrechter
afzuigkolf 250 mL
Uitvoering
Voeg in een rondkolf van 100 mL 5,0 gram cholesterol en 7,5 mL azijnzuuranhydride bij elkaar. Dit komt overeen met 3 mmol cholesterol en 79 mmol azijnzuuranhydride.
Zet een bolkoeler op de rondkolf en verwarm met een isomantel tot het mengsel kookt. Giet het mengsel af in een bekerglas dat in ijs staat en laat het mengsel afkoelen. Zuig de gevormde kristallen af met een Büchnertrechter en spoel na met ijskoud gedestilleerd water tot al het zuur er uit is. Controleer dit met blauw lakmoespapier. Droog de kristallen minimaal 2 uur bij 70 tot 800 C.
De opbrengst is 5,1 gram (90 %).
Het smelttraject is 109 – 113o C (lit. 115- 116o C).
Opmerkingen
1. De overmaat azijnzuuranhydride fungeert als oplosmiddel.
2. Andere bereidingswijzen gaan uit van equimolaire hoeveelheden cholesterol en azijnzuuranhydride3. De stoffen worden dan opgelost in pyridine.
Cholesterylbenzoaat bereiden
Benodigdheden Chemicaliën
driehalskolf 100 mL cholesterol
bolkoeler benzoylchloride
maatcilinder 10 mL ijs
isomantel voor driehalskolf 100 mL gedestilleerd water
balans blauw lakmoespapier
bekerglas van 250 mL ethoxyethaan (ether)
thermometer ethanol
maatcilinder 50 mL
büchnertrechter
afzuigkolf 500 mL
droogstoof
Uitvoering
Voer de onderstaande proef uit in de zuurkast!
Voeg in een driehalskolf van 100 mL 5 mL benzoylchloride (zie opmerking 4) en 5,0 gram cholesterol bij elkaar. Plaats op de kolf een bolkoeler en een thermometer die in het reactiemengsel steekt en verwarm met een isomantel tot de temperatuur van het reactiemengsel 170o C is. Er ontstaat HCl dat is aan te tonen door een vochtig blauw lakmoespapiertje boven de koeler te houden. Haal de isomantel weg en laat de kolf afkoelen. Het reactiemengsel is dan harsachtig.
Voeg 50 mL van een ether/alcoholmengsel (volumeverhouding 2:3) toe en wrijf het reactiemengsel hierin goed fijn. Zuig de gevormde kristallen af op een Büchnertrechter en spoel na met 100 mL van het ether/alcoholmengsel. Droog de kristallen een half uur bij 100o C.
De opbrengst is 4,4 gram (70 %).
Tussen 140o en 144o C gaat de vaste stof over in een troebele vloeistof die bij 173o C helder wordt. Dit komt overeen met de resultaten van K. Obermüller2, die twee smeltpunten vond bij 145,5 en bij 178,5o C. Het Handbook of Chemistry and Physics geeft als smelttraject 152 – 153o C.
Opmerking 1.
Voor de bereiding van het benzoaat kan ook 5 gram benzoëzuuranhydride gebruikt worden. Dit gaf een vergelijkbare opbrengst, maar het smelttraject lag lager (137 – 140o C) dan bij de bereiding met benzoylchloride. Er ontstond ook geen troebele vloeistof. Wel vertoonde het de kleurovergangen bij stolling.
Opmerking 2.
De overmaat benzoylchloride of benzoëzuuranhydride fungeert als oplosmiddel. Benzoëzuuranhydride is weliswaar een vaste stof, maar het heeft een laag smeltpunt (ca. 40o C).
Opmerking 3.
Andere bereidingswijzen gaan uit van equimolaire hoeveelheden cholesterol en benzoylchloride4. De stoffen worden dan opgelost in pyridine.
Opmerking 4.
Benzoylchloride geeft bij verhitting een damp die irriterend Is voor de ademhalingswegen. Er moet daarom in de zuurkast gewerkt worden Ook het schoonmaken van het glaswerk moet bij voorkeur in de zuurkast.
Kristallijn gedrag
Op een microscoopobjectglaasje wordt een spatelpunt van de te onderzoeken ester gebracht Dit wordt weer afgedekt met een afdekglaasje. Met een hete föhn of een verwarmingsplaatje, wordt de ester gesmolten tot deze zich in de isotrope vloeistoffase bevindt. Daarna wordt het objectglaasje op een niet te koud donker oppervlak gelegd (bureau, bank, stuk hout etc.). Door het afkoelen zal de ester de vloeibare kristallijne fase bereiken. In de meeste gevallen zien we dan verschillende kleuren verschijnen.
Bij cholesterylacetaat wordt tijdens het afkoelen eerst een groene kleur zichtbaar die bij verdere afkoelde overgaat in geel en oranje. Als men van opzij tegen de objectglaasjes aankijkt, wordt de groene kleur blauw en de oranje kleur groen.
Cholesterylbenzoaat wordt eerst paars en vervolgens blauw en groen. In beide gevallen zijn de kleuren na een paar minuten verdwenen.
Door het maken van mengsels van cholesterol esters kunnen we andere kleuren, maar ook andere trajecten van de vloeibare kristallen krijgen.
Bekijk de kleuren die ontstaan bij het afkoelen. Bij deze mengsels zien we vaak meerdere kleuren verschijnen ten gevolge van temperatuurverschillen op het objectglaasje.
De resultaten zijn zeer fraai als een mengsel van bijvoorbeeld cholesterylacetaat en -benzoaat gebruikt wordt. Als men bovenop de objectglaasjes kijkt, ziet met achtereenvolgens de kleuren indigo, blauw, groen, geel, oranje, en rood verschijnen. Als men meer van opzij naar de glaasjes kijkt, gaat het rood over in oranje, het oranje in geel, het geel in groen, het groen in blauw en het blauw in indigo. Als men van nog meer opzij kijkt, schuiven de kleuren nog een kleur op. De kleuren blijven verscheidene uren aanwezig bij een mengsel van het acetaat en het benzoaat.
Het zou te ver voeren om een thermometer te maken maar deze resultaten geven toch een inzicht in de werkwijze van de vloeibare kristalthermometer. Het maken van L.C.D.’s is te geavanceerd om zelf te doen. Het eenvoudigst is deze L.C.D.'s te bestuderen aan een oud exemplaar.
Literatuur
- Streitwieser: “Introduction to organic chemistry” (1976), 481.
- K. Obermüller, Zeitschrift für Physiologische Chemie 15, (189 1), 37
- Beilstein 6-4 (1966), 2630
- H.Bretschneider e.a., Berichte 74 B ( 1941), 1451
W.G. Perdok, Archimedes 13, nr 2 1976/1977) 25 42; Archimedes 20. nr 3, 4 (1983/1984),46
P.J. de Rijke en W. van der Veer m.m.v. A.G. Talma en J.H. Vermaat, RIS-publicatie XXXI
