6V 2425 H14 herhaling slimme materialen en metalen

• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 6

H14 (uit 5V) slimme materialen

SK @ LPM

Leerdoel

Je leert om eigenschappen van diverse materialen te verklaren op microniveau en mesoniveau

Deze les

• Herhaling stoffen en bindingstypen
• metalen en legeringen
• keramische materialen
• composieten

Periodiek systeem 

• Metalen (Binas 99: geel)
• Niet-metalen (Binas 99: rood)
• Metalloïden: kunnen eigenschappen vertonen van metalen en van niet-metalen

Typen stoffen

• Metalen: uitsluitend metaal atomen
• Zouten: combi metaal (+) en niet-metaal (-) ionen
• Moleculaire stoffen: uitsluitend niet-metaal atomen

Materialen

• Een natuurlijke of kunstmatige stof of mengsel van stoffen dat voldoet aan bepaalde eisen om te worden toegepast in gebouwen of gebruiksvoorwerpen.

• Voorbeelden: metalen, keramiek, macromoleculaire materialen, composieten.

Metalen

• Hoog smeltpunt
• Sterk materiaal
• Buigzaam
• Goede geleider

Hoe verklaar je de elektrische geleiding van metalen op
micro-niveau?

1. De positieve kernen kunnen bewegen.
2. De vrije elektronen bewegen door het metaal.
3. Stroom gaat tussen de atomen door het rooster.
4. Ionen geven elektronen af aan het volgende ion.

Metaalrooster

• Positieve atoomkernen netjes gerangschikt.
  
• Vrije (valentie-)elektronen bewegen vrij er doorheen.
• Aantrekking tussen atoomresten (+ kernen met overige e^-)  en vrije elektronen = metaalbinding.

Wat voor soort rooster is hiernaast afgebeeld?

1. ion rooster
2. metaalrooster
3. molecuulrooster

Op welk niveau is het geordende water (ijs) hiernaast afgebeeld?

1. micro
2. meso
3. macro

Mesoniveau

• Mesoniveau geeft aan hoe deeltjes (microniveau) zijn geordend tot grotere structuren.
  Deze ordening is nodig om  eigenschappen
  op macroniveau te verklaren.

• Een bekend voorbeeld is de ordening van
  polymeerketens (amorf/kristallijn of
  wel/geen crosslinks).

Zouten

• Hoog smeltpunt
• Bros materiaal
• Geleiden in gesmolten en opgeloste toestand

• Ionen in ionrooster d.m.v. ionbinding.

Moleculaire stoffen

• Zeer diverse eigenschappen
• Meestal slechte geleiders
• Hydrofiel (waterstofbruggen, dipolen) en hydrofoob (apolaire stoffen)
• Relatief lage smelt- en kookpunten (waterstofbruggen zijn zwakker dan ionbinding of metaalbinding)

• Bindingstypen: atoombinding (in moleculen), Vanderwaalsbinding, waterstofbrug, dipool-dipool binding en ion-dipool binding (tussen moleculen)

slimme vragen

nu volgen een aantal vragen over metalen, zouten en moleculaire stoffen en slimme toepassingen

Legering?

1. 
2. 
3. 
4. 

legering

een legering is een mengsel van twee metalen.

De metalen worden gesmolten, goed gemengd en afgekoeld. 

Zo wordt een materiaal geproduceerd dat meer gewenste (betere) eigenschappen heeft dan de individuele metalen.

In de wand van een fusiereactor wordt op een slimme manier wolfraam en tin gebruikt.
Wat kun je zeggen over de kook- en smeltpunten van deze metalen, als je bedenkt dat vloeibaar tin beschadigingen in de wolframen wand kan herstellen bij afkoelen?

1. het kookpunt van wolfraam is hoger dan het kookpunt van tin
2. het kookpunt van wolfraam is hoger dan het smeltpunt van tin
3. het smeltpunt van wolfraam is hoger dan het kookpunt van tin
4. het smeltpunt van wolfraam is lager dan het kookpunt van tin

hiernaast een modeltekening van een zelfherstellende aluminium-koper legering. Bij verwarming kunnen de koper-atomen (rood) door het materiaal bewegen.
Wat gebeurt er?

1. herstel doordat bewegende Cu atomen alle andere atomen weer in elkaar duwt
2. herstel doordat Cu en Al meer bewegingsenergie hebben en zo het gat vullen
3. herstel doordat bewegende Cu atomen het gat vullen

hitte

Doordat koperatomen door de aluminium atomen heen kunnen bewegen bij verwarming, kunnen de koper-atomen naar de 'open plekken'.

Zo worden de gaatjes en dus de zwakke plekken gevuld.

Waarom maken roosterfouten een metaal meestal harder?

1. De metaalbinding is dan sterker.
2. Atoomlagen bewegen slechter over elkaar.
3. Dan zijn de elektronen niet meer vrij.

Hoe edeler een metaal,
des te reactiever het metaal is.

1. juist
2. onjuist

Niet alle reductoren zijn even sterk.
In welke volgorde neemt de reductorsterkte af?

1. Cu > Zn > Mg
2. Mg > Zn > Cu
3. Zn > Mg > Cu
4. Cu > Mg > Zn

Keramische materialen:

Wat zijn keramische materialen?

Geen metaal en geen polymeer.
Oorspronkelijk van "keramos":  drinkvat of aardewerkvat.

Woord keramisch is afkomstig van de materialen die ontstaan na bakken

Gebakken klei, meestal silicaten (zandachtige stoffen), maar ook zouten. Bij keramische materialen zitten de bouwstenen in een geordende vorm (rooster), hierdoor is keramisch materiaal hard, sterk en vormvast.

keramische materialen zijn NIET

1. hard
2. brandbaar
3. vervormbaar
4. bros

keramische materialen (1)

Diamant

C (s)

keramische materialen (2)

Keramische materialen met een atoomrooster

• Het atoomrooster zorgt dat diamant (van koolstofatomen) zo hard is
• Siliciumcarbide (SiC) is net als diamant maar de helft van de atomen is Silicium
• Meest voorkomende is siliciumdioxide (kwarts, graniet en zand)

keramische materialen met een ionrooster

waarom is een zout (keramisch materiaal met ionrooster) bros?

1. ionen trekken elkaar niet zo hard aan als atomen
2. ionen met dezelfde lading stoten elkaar af

Keramische materialen met een ionrooster

• ionen hebben onderling sterke aantrekkingskracht
• Breken als je teveel kracht op uitoefent = bros
• de ionen met dezelfde lading komen dan naast elkaar te liggen
• door afstoting van dezelfde ladingen ontstaan zwaktes 

Keramische materialen hebben een....

1. Ionrooster
2. Atoomrooster
3. Atoomrooster of ionrooster
4. Geen atoomrooster en geen ionrooster

composieten

Materialen die bestaan uit een combinatie van: 

Metalen en legeringen

en/of

Polymeren 

en/of

Keramische materialen

Wie is hier gemaakt van een composiet?

1. stopcontact
2. koffielepeltje
3. plastic vork
4. surfplank

Welke bewering(en) zijn waar:
1. Een materiaal opgebouwd uit
koolstofvezels en glasvezels is een composiet.
2. Vezels in een composiet zorgen ervoor dat
het materiaal goed is bestand tegen drukkrachten.

1. Alleen 1
2. Alleen 2
3. beide opmerkingen
4. geen van beide

Glare, een bijzondere composiet

een airbus bestaat voor een groot deel uit de composiet Glare: een combinatie van laagjes aluminium (licht, buigzaam) en glasvezel (sterk) in polymeer. Hierdoor is de dichtheid lager dan van Aluminium en het is 1,5x zo sterk als staal.

composieten: synergie

Twee (of meer) stoffen maken één idealer materiaal

Materialen die bestaan uit een combinatie van a en/of b en/of c om de eigenschappen van meer stoffen te combineren:

a) Metalen en legeringen

Geleidend vermogen / vervormbaarheid / hardheid (corrosiegevoeligheid )

b) Polymeren 

Vervormbaarheid / hardheid / uv-lichtgevoeligheid / geleidend vermogen 

c) Keramische materialen

Hardheid / brosheid

toetsvragen

gaan over de eigenschappen van de individuele stoffen en de combi-materialen

leg uit wat de toegevoegde waarde van de combinatie is

gaan over micro-meso-macro beredeneringen

betreffen vaak deelvragen over polymeren

denk ook aan rekenvragen zoals over massa% en polymerisatiegraad

einde 😀

je weet nu weer alles over metalen, zouten, moleculaire en atomaire stoffen, hun bindingen, roosters en belangrijkste eigenschappen! En dat combinaties in composieten nieuwe materialen opleveren met extra ideale eigenschappen!

Oefen met de afsluitende paragraaf (1 tm 4) van H14