De antwoorden van de Nationale Wetenschapsquiz 2010

Het juiste antwoord is c. In champagne, maar ook frisdranken, zit koolzuur(H2CO3). Dit reageert weg tot koolstofdioxide(CO2) en water. De koolstofdioxide is een gas dat omhoog borrelt uit de champagne en creëert de bubbels.

In onze tong zitten verschillende soorten zenuwuiteinden die gespecialiseerd zijn in het waarnemen van omgevingsfactoren die een schadelijke invloed op het organisme kunnen hebben, zoals druk, temperatuur of chemische stoffen. Deze receptoren, ook wel nociceptoren genoemd, geven bij stimulering een kleine prikkel af naar de zenuwcellen in het ruggenmerg, die de prikkels weer doorgeven aan de hersenstam. Hier worden de prikkels waargenomen als pijn. Koolzuur is een chemische stof waarop Chemosensitieve Nociceptoren reageren. De kleine bellen, waaruit het koolzuur vrijkomt, veroorzaken dus allemaal kleine pijnprikkels.

Door een experiment met het drinken van priklimonade in een hogedrukkamer (3,4 atmosfeer, in plaats van 1 atmosfeer) is bewezen dat het echt gaat om het koolzuur, en niet het uit elkaar klappen van de bellen. In de hogedrukkamer wordt belvorming namelijk voorkomen, maar de proefpersonen voelden nog steeds dezelfde prikkelsensatie op hun tong. Ook de temperatuur van de bellen heeft niks te maken met de prikkelsensatie in je mond.

De reactie achter de bubbels
Aan champagne, maar ook aan frisdrank, wordt koolstofdioxide (CO2) toegevoegd. Dit reageert met water(H2O) tot koolzuur (H2CO3). Alleen koolzuur is niet heel stabiel. Het chemische evenwicht ligt erg dicht bij koolstofdioxide. Voor elke gram koolzuur die je hebt, wilt de stof in evenwicht ongeveer 417 gram koolstofdioxide in de buurt hebben. Dit is meer dan 200 liter. Om naar dit punt te komen is echter een langzaam proces. Vooral gekoeld blijft de koolzuur er nog vrij lang in zitten, maar zal uiteindelijk wel al het gas ontsnappen waardoor het evenwicht nooit bereikt zal worden en het gas langzaamaan weg reageert.

Het juiste antwoord is b. Metaalbranden zijn branden waarbij magnesium, zirkonium, lithium, kalium of natrium betrokken is. Laten we magnesium als voorbeeld nemen: magnesiumbranden zijn extreem fel en moeilijk te blussen. Kooldioxide als blusmiddel gebruiken is een heel slecht idee. Magnesium en kooldioxide reageren heel heftig met elkaar volgens de reactie 2Mg + CO2 > 2MgO + C. Dit is een exotherme reactie die zeer hoge temperaturen oplevert, boven de 2000 graden Celsius.

Water werkt overigens ook niet omdat magnesium met water reageert tot magnesiumoxide en het zeer explosieve waterstofgas. De enige manier om dit type brand te blussen is door het magnesium te smoren onder zand of door een droge chemische brandblusser te gebruiken. Vanwege deze eigenschap is magnesium gebruikt bij het bombarderen van steden in de Tweede Wereldoorlog.

Oxidatie
De redactie tussen magnesium en koolstofdioxide is een oxidatie- of redoxredactie. Het magnesium verliest twee elektronen aan koolstof waardoor deze zijn orbitalen vol kan krijgen. Magnesium laat daarentegen heel makkelijk zijn elektronen los. Magnesium heeft 2 elektronen teveel heeft om al zijn orbitalen te vullen. Mede daarom reageert magnesium heel heftig met zuurstof in de lucht en nog heftiger met koolstofdioxide.

Thermiet
Een andere chemische reactie tussen metalen is de reactie van thermiet. Er zijn verschillende soorten thermiet, maar de basis is bij al deze reacties hetzelfde. Een geoxideerd metaal(bijvoorbeeld ijzeroxide of roest) wordt in een bepaalde verhouding vermengt met aluminiumpoeder. Als dit poeder wordt aangestoken, vormt er een onomkeerbare reactie waarbij gesmolten metalen vrijkomen. Temperaturen van boven de 2500°C zijn daarbij niet heel ongewoon.
 

Bij het Britse programma Braniac werkten zij regelmatig met thermiet. Het is uitermate geschikt om dingen mee te verwoesten.
 

Het juiste antwoord is a. Hoewel er in het donker geen fotosynthese kan plaatsvinden, gaan andere chemische processen in de cellen wel door. De plant neemt nog steeds water op, de cellen blijven groeien en delen. De temperatuur moet dan wel boven de 6 graden Celsius zijn, anders is het te koud en stoppen alle groeiprocessen in de plant. Dan groeit gras niet in het donker, maar ook niet in het licht.
 

Fotosynthese
Planten genereren dus energie aan de hand van fotosynthese. Basaal gezegd is dit het proces waarbij een plant door middel van zonne-energie water en koolzuur omzet in glucose, zuurstof en andere energierijke voedingsstoffen. Deze stoffen zullen uiteindelijk ATP worden, de algemene energiebron van alle levende cellen.

Fotosynthese staat grofweg uit twee reacties: de lichtreactie en de donkerreactie. Bij de lichtreactie wordt water omgezet in waterstof, zuurstof en elektronen. Hieruit wordt het NADP+ opgeladen tot NADPH en wordt daarnaast ook ATP gevormd uit ADP
Bij de donkerreactie, of Calvincyclus, wordt het NADPH gebruikt om samen met het ATP glucose en andere plantaardige voedingsstoffen te creëren. Dit doet de plant met behulp van ribulose-1,5-bifosfaat. Dit reageert in meerdere stappen met water en koolstofdioxide tot glucose. Hiervoor wordt het ATP en NADPH gebruikt.
Een plant kan zijn lichtreactie niet doen in het donker, maar zijn donkerreactie wel.
 

Het juiste antwoord is c. Als je de situatie tekent, krijg je de schematische voorstelling hier links.
Hierin is R de straal van de aarde, ε de helft van het ingelaste stukje (een halve meter dus) en h de gevraagde hoogte. De boog d verbindt de punten waar het touw los komt van het aardoppervlak.
Pas de stelling van Pythagoras toe:
(R+h)2=R2+(d+ε)2

Hierin is d nog onbekend. Hiervoor geldt
D= αR waarom voor α geldt:
tan α = (d+ε)/R = α +( ε/R)

Met een beetje slim rekenmachientje, en het invullen van de omtrek van de aarde van 40.000 kilometer, kom je op een hoogte van 121 meter. Hoe kan dat nu? De grap zit hem in de grootte van d, de afstand die het touwtje niet plat over het aardoppervlak hoeft te liggen. Deze is maar liefst 39 kilometer. In dit hele eind win je uit het gebrek aan kromming genoeg touw om het op één punt meer dan 100 meter op te tillen.

Uitgebreide berekening:
Pas de stelling van Pythagoras toe:
(R+h)2=R2+(d+ε)2
en dus h+ R = ±√(R2+(d+ε)2), ofwel h= -R ±√(R2+(d+ε)2).
Omdat h positief is moeten we h= √(R2+(d+ε)2) - R, hebben.
Hierin kunnen we R buiten de haakjes halen, zodat we h=R(√(1+((d+ε)/R)2)-1) krijgen. Hierin is d nog onbekend. Nu geldt d=αR of d/R=α
(we werken in radialen) en het blijkt wat makkelijker te zijn een vergelijking voor op te stellen. Uit de schets kunnen we aflezen dat tan α= (d+ε)/R en dus tan α=α+ε/R ofwel tan α – α = ε/R
We krijgen α dus als oplossing van de vergelijking.
Nu wordt het tijd de getallen in te gaan vullen. De omtrek van de Aarde is, per definitie, 40.000 km, zodat R = 40.000.000/(2π) m verder ε = ½m.
We moeten dus tan α – α = π/40.000.000 oplossen. Je kunt dit zó door de Solver van de TI-83 laten doen (X=1 als beginvoorwaarde gebruiken): α≈0,006176 = 6,176 x 10-3 en daarmee d≈247,040 km
Hoewel het interessant is te zien hoe ver van de noordpool het touw recht wordt hebben we dniet echt nodig voor de berekening; in de formule vervangen we d/R door α: h=R(√(1+((α+ε/R)2)-1)
Rekenmachientje geeft, na alles invullen: h≈121,4 m
 

Het juiste antwoord is a. Alle melk bevat melkzuur, vetten, eiwitten, aminozuren en vitaminen. Melkzuur zorgt ervoor dat dode huidcellen makkelijker loslaten, wat de huid gladder maakt. De vetten in de melk slaan neer op de huid, wat de huid mooi laat glimmen en zachter maakt. Melk werkt ook kalmerend bij verbranding, eczeem en andere huidirritaties. Overigens hoef je helemaal niet een heel bad vol te laten lopen met melk om je huid een oppepper te geven: een in melk gedoopte doek over je huid halen werkt ook.

Verzuurde spieren
Melkzuur is ook verantwoordelijk voor het verzuren van je spieren. Dit komt omdat bij de reactie om glucose af te breken voor energie er pyrodruivenzuur omgezet wordt in melkzuur. Als dit niet snel genoeg wordt afgevoerd, treed er verzuring op.
 

Het juiste antwoord is a. Bloed buiten het lichaam is rood. Dat komt doordat het vooral blauwgroen licht absorbeert en rood licht reflecteert. Wanneer een bloeduitstorting vlak onder het huidoppervlak zit, lijkt die plek nog steeds rood. Als de bloeding iets dieper zit, geeft die een blauwige vlek. Dit komt doordat blauw licht veel sterker verstrooid wordt dan rood licht. Licht dat op de huid valt, wordt voor een deel direct gereflecteerd. Een ander deel dringt de huid in.
Het rode licht komt dieper in het weefsel en wordt geabsorbeerd. Het blauwe licht kan niet zo diep het weefsel in en wordt verstrooid. Dat laatste zien we als een blauwe vlek. We kijken dus eigenlijk niet naar de bloeduitstorting zelf, maar naar een blauwe schaduw van het licht dat de bloeding nooit heeft bereikt.

Het juiste antwoord is a.
Het staal dat voor de schepen werd gebruikt, kon slecht tegen kou. Staal kan op twee manieren scheuren: bij hoge temperaturen met een taaie breuk, die maar langzaam verder scheurt en waarbij het staal sterk wordt vervormd, en bij lage temperaturen met een brosse breuk. Bij brosse breuken kan weinig kracht al zorgen voor heel grote scheuren, waarin het staal niet vervormt maar desastreus breekt. Het staal dat voor de liberty-schepen werd gebruikt, brak al bij normale zeewatertemperaturen op een brosse manier. Het staal bevatte veel koolstof en de liberty-schepen waren gelast in plaats van geklonken. Bij het lassen van staal met een te hoog koolstofgehalte vormt zich een zone rond de las die minder taai is dan het oorspronkelijke staal, een zone die zich bovendien tot hogere temperaturen nog bros gedraagt. Daarnaast heeft een scheur die in een volledig gelaste constructie ontstaat grotere gevolgen, omdat de scheur door de las niet gestopt wordt. Dit alles leidde in een aantal gevallen tot het volledig doorscheuren van complete schepen, en dat gebeurde vaker in de Atlantische Oceaan dan in de warmere Pacific.

Het juiste antwoord is c. De staafjes in je oog zijn van belang voor het zien in duisternis (de zogenaamde zwart-wit- of licht-donkerperceptie) en voor het zien van beweging. Staafjes zitten vooral aan de randen van het netvlies. De kegeltjes zijn van belang voor het zien van details en kleur. Ze zijn vooral aanwezig in het centrum van het netvlies.
Als alle kegeltjes in je oog kapot zijn, zie je dus geen kleur en herken je geen details. Je kunt dus niet meer lezen of gezichten herkennen. Wel zie je dingen aankomen, doordat je nog beweging detecteert in de periferie van je gezichtsveld. Als je iets wilt zien, moet je je blik naast het object richten, zodat de staafjes aan de randen van het netvlies nog iets kunnen waarnemen.
Als de staafjes kapot zouden zijn, zie je slecht in het donker en heb je last van ‘tunnelvisie’; je ziet alleen dat wat recht voor je gebeurt.

Het juiste antwoord is a. Alcohol heeft een dichtheid van 800 gram per liter, water van 1000 gram per liter. Een liter alcohol zal dus zolang die in het bakje zit 0,8 liter water omhoogduwen. Als je het bakje leeg laat lopen, loopt er 1 liter vocht het waterbad in. Dat is 0,2 liter meer dan er werd weggeduwd, dus het vloeistofpeil stijgt. Complicerende factor is echter dat 1 liter water plus 1 liter alcohol niet leidt tot 2 liter vocht. Water- en alcoholmoleculen gaan extra verbindingen vormen, zogeheten waterstofbruggen. Door deze verbindingen worden de intermoleculaire ruimten opgevuld. De vloeistofmoleculen gaan dichter op elkaar zitten, met als gevolg dat het totale volume kleiner wordt. Een liter water plus een liter alcohol leidt zo tot 1,95 liter vloeistof. Doordat deze volumeverkleining als gevolg van menging echter kleiner is dan de volumevergroting door het dichtheidsverschil (namelijk 0,05 liter ten opzichte van 0,2 liter), zal het vloeistofpeil netto alsnog stijgen.

Het juiste antwoord is c. De kans op een geldige sinterklaasloting - niemand van de deelnemers trekt zichzelf - is voor alle aantallen (n) groter dan 3 afgerond op gehele percentages constant, namelijk 37 procent. Dit betekent dat je voor alle groepen van 4 en meer personen gemiddeld 3 keer moet trekken voordat iedereen iemand anders dan zichzelf heeft getrokken. Om dit uit te rekenen, moet je het aantal geldige rangschikkingen van n namen delen door het totaal aantal mogelijke rangschikkingen van n namen. Voor 5 personen kun je 44 verschillende geldige rangschikkingen verzinnen als je ze uitschrijft. In totaal zijn er 5*4*3*2*1= 120 mogelijkheden. De kans op een geldige loting is dus 44/120=0,37*100=37 procent. Voor 10 personen bestaan er 1334961 geldige mogelijkheden, op een totaal aantal mogelijkheden van 3628800, dus een kans van… 37 procent!

Het aantal geldige rangschikkingen reken je uit als volgt: noem het aantal rangschikkingen voor n getallen a(n), dan geldt a(2)=1 (AB kan alleen BA trekken), en voor alle volgende a(n) geldt, dat a(n)=n.*a(n-1)-1 voor alle oneven n en a(n)=n*a(n–1)+1 voor alle even n. Daarmee kom je op a(5)=5*[4(3-1)=1]-1=44

Het juiste antwoord is a. Zowel Tibetanen als mollen hebben zich evolutionair aangepast aan een zuurstofarme levensomgeving: Tibetanen wonen op grote hoogte waar minder zuurstof in de lucht zit, en mollen leven onder de grond waar zuurstof schaars is. Mollen hebben naar verhouding de zwaarste longen ten opzichte van het lichaamsgewicht. Ook hebben ze anders-werkend hemoglobine in hun bloed dan andere zoogdieren. Hemoglobine is een eiwit dat in het bloed van zoogdieren voorkomt en verantwoordelijk is voor de transport van zuurstof en koolstofdioxide door het lichaam. De hemoglobine van mollen kan op twee manieren aangepast zijn: Europese mollen hebben hemoglobine met een grotere affiniteit voor zuurstof, waardoor ze meer zuurstof kunnen binden dan andere zoogdieren. Oost-Amerikaanse mollen hebben hemoglobine met een grotere affiniteit voor koolstofdioxide, waardoor ze langer in een CO2-rijke omgeving kunnen overleven. Tibetanen hebben een grotere ademhalingsfrequentie dan andere mensen en bloedvaten die kunnen uitzetten voor beter zuurstof transport. Onlangs is een gen ontdekt dat het hemoglobine gehalte van Tibetanen laag houdt. Dit voorkomt dat zij ziektes krijgen die andere mensen op hoge hoogte krijgen, veroorzaakt door een toename in de hemoglobine concentratie.

Het juiste antwoord is c. Als je handdoeken vlakliggend of binnen of buiten aan de waslijn droogt, ontstaat door het verdampen van water een korstje van in het water opgeloste zouten. Hierdoor gaat de handdoek hard aanvoelen. In een wasdroger worden de handdoeken voldoende bewogen waardoor de zouten niet als korst kunnen opdrogen en ook deels worden uitgeklopt. Handdoeken uit de droger voelen daardoor zachter aan. Bij zeer harde wind kan bij het drogen aan de waslijn soms een verschil in hardheid worden waargenomen tussen de bovenkant (weinig beweging) en onderkant (veel beweging) van de handdoek.

Het juist antwoord is c. Als je een stap zet, zet je een kracht op de onderste trede. Je gewicht op de roltrap neemt daardoor even toe. Daarna verplaats je je gewicht, waardoor je even wat minder zwaar op de roltrap duwt. Netto blijft je gewicht gelijk. Het vermogen (= energie per seconde) dat de roltrap moet leveren om een persoon met gewicht massa maal zwaartekrachtsconstante omhoog te transporteren is m maal g maal v, waarbij v de opwaartse snelheid van de roltrap is. Het maakt hiervoor niet uit of de persoon stilstaat of loopt.
De energie per seconde blijft gelijk, maar de totale energie die de roltrap verbruikt om de persoon één verdieping hoger te brengen is wel kleiner als de persoon omhoog loopt. Dat komt gewoon doordat de roltrap die persoon dan minder lang hoeft te tillen.

Het juiste antwoord is b. Op deze route wordt zeeziekte vooral veroorzaakt door de slingerbeweging van een schip. De lading, hout of staal, is hiervoor bepalend want de beweging hangt af van de massaverdeling over de hoogte en breedte van het schip. Het gewichtszwaartepunt van het schip met staal ligt lager dan dat met hout, en heeft daardoor een grotere stabiliteit. Het gevolg is dat de eigenperiode van de slingerbeweging korter is. Daar waar de (vrije) slingerbeweging van het schip beladen met hout 13~15 seconden duurt, zal die bij het schip beladen met staal slechts 5~6 seconden duren. Een typische periode van de golfbeweging op de route van Zweden naar Nederland is 5~6 seconden. Hierdoor zal het schip beladen met staal dus worden aangestoten in zijn ‘eigenperiode’ en heftig gaan slingeren (resonantie), terwijl het andere schip weinig last heeft van de golven. Het gevolg van de resonantie is dat er grote slingerhoeken optreden met een korte periode. Met andere woorden, de slingerbeweging is op de terugweg duidelijk veel heftiger. Dit kan zeeziekte veroorzaken.

Het juiste antwoord is b. Wat gebeurt er met het esdoornzaadje als het van de boom valt? De val brengt een luchtstroom op gang rondom het zaadje. Deze luchtstroom brengt het zaadje aan het draaien om het zwaartepunt (bij de vrucht). De luchtstroom drijft dus de rotatie aan: er wordt energie uit de luchtstroom gehaald en die gaat in het draaien zitten. Dat is precies wat de windmolen ook doet, de wind drijft de draaibeweging van de molenwieken aan. De windmolen haalt zo energie uit de luchtstroom.
Een helikopter doet precies het omgekeerde. De motor drijft de wieken aan en brengt zo een luchtstroom omlaag op gang die ervoor zorgt dat de helikopter in de lucht wordt gehouden. Een esdoornzaadje draait rondom het zwaartepunt bij de vrucht, het vliegprincipe van het vliegtuig valt daarom af. Daarnaast is er een groot verschil tussen de aerodynamica van een esdoornzaadje en die van een vliegtuig: bij een vliegtuigvleugel is deze vrijwel overal gelijk, en bij het esdoornzaadje neemt de snelheid langs de vleugel sterk toe door de rondraaiende beweging.