H14.1 Nieuwe Materialen 6V 2425 Metalen -HAY

• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 6

H14 Nieuwe Materialen

Inhoud H14

• H14.1 Metalen
• H14.2 Slimme polymeren
• H14.3 Keramische materialen
• H14.4 Nanotechnologie

Leerdoel H14.1

• Je leert  een verband leggen tussen contexten en concepten in relatie met metalen
• Eigenschapen van metalen op micro- en mesoniveau verklaren
• De invloed van roosterfouten op de eigenschappen van metalen

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.

Herhaling:

Indeling stoffen

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

Zouten

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

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

Moleculaire stoffen

• Zeer diverse eigenschappen
• Meestal slechte geleiders
• Hydrofiel en hydrofoob
• Zeer wisselende smelt- en kookpunten

• Bindingstypen: vanderwaalsbinding, atoombinding, waterstofbrug, dipool-dipool binding.

Metalen

Niet-metalen

Zet de elementen in de juiste groep.

Lood

Pb

Zilver

Ag

Broom

Br

Fluor

F

Stikstof

N

Koper

Cu

Magnesium

Mg

Jood

I

Zuurstof

O

Waterstof

H

Chloor

Cl

Kalium

K

Welke EIGENSCHAPPEN van metalen ken je?

Metalen

Eigenschappen: Macroniveau

• Hoog smeltpunt
• Sterk materiaal
• Buigzaam
• Goede geleider van stroom en warmte

Geef de definitie van een metaalbinding

1. Aantrekking tussen de kern en alle elektronen
2. Aantrekking tussen het metaal ion en een elektron
3. Aantrekking tussen positief geladen metaalrestionen en negatief geladen vrije elektronen
4. Geen van de antwoorden is juist

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 ionen netjes gerangschikt.
  
• Vrije elektronen bewegen  
• Aantrekking tussen ionen en vrije elektronen = metaalbinding.

In de wand van een fusiereactor wordt wolfraam en tin gebruikt. Wat kun je zeggen over de kook- en smeltpunten van deze metalen, als je bedenkt dat vloeibaar tin 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

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

Edelheid van metalen

• De edelheid van metalen heeft alles te maken met de reactiviteit.  
• De standaard elektrodepotentialen geven informatie over de edelheid van  metalen (Binas-tabel 48).

Chroom en aluminium zijn onedeler dan ijzer, toch hoeven ze niet extra beschermd te worden, waarom?

1. Chroom en aluminium vormen een oxide laagje en ijzer niet
2. In ijzer zit altijd een beetje koolstof in chroom en aluminium niet
3. IJzer vormt een poreuse oxide laag en chroom en aluminium niet
4. Geen van de antwoorden is juist

Beschermen van metalen

- afdekken met verflaag

- afdekken met een laagje van een ander metaal dat een beschermend laagje kan vormen (Al, Zn en Cr)

- poedercoaten

Wat voor soort rooster is hiernaast afgebeeld?

1. ion rooster
2. metaalrooster
3. molecuulrooster

Welke TOEPASSINGEN van metalen ken je?

Vervormbaarheid metalen

https://javalab.org/en/ductile_and_malleable_properties_of_pure_metal_en/

Wat is een legering?

Legering

• Gestold mengsel van metalen

Legeringen

• Om bepaalde eigenschappen van het metaal te veranderen voegen we een ander metaal toe, 
•  Metaalrooster vervormd (kleiner of groter atoom ingebouwd)
• Roosterfouten inbouwen  (MESO)
• Het verschuiven van de lagen in metaalkristallen moeilijker
• Verklaring voor het ‘harder’ zijn van legering

Huiswerk

Lees H14.1

Maak H14.1 som 6 en 11 blz 228

Wat moet je doen om roosterfouten in metalen te verminderen

1. Afkoelen
2. Walsen
3. Smeden
4. Voorzichtig verhitten

Een gietijzeren rooster voor de open haard is een legering van 94 massa% ijzer, 2,5 massa% silicium en 3,5 massa% koolstof. Het rooster heeft een massa van 3,0 kg. Hoeveel gram silicium bevat het rooster?
... gram

Waarom worden metalen harder door vervormen?

•  Het buigen van een zuiver metaal gaat gemakkelijk zolang de beweging door verschuivin­gen in de metaalkristallen wordt doorgegeven. 
• Op het grensvlak van de metaalkristallen is het rooster echter niet perfect geordend en kunnen de verschuivingen niet goed worden doorgegeven. 

Waarom worden metalen harder door vervormen? vervolg

• Als je een metaal walst of smeedt met een hamer, 
• ontstaan er steeds meer kleinere kristallen 
• en steeds meer grensvlakken.
• Daarnaast wordt door deze bewerkingen ook in de kristallen zelf het metaalrooster verstoord.
• Er ontstaan roosterfouten in het kristal

Waarom worden metalen harder door vervormen? vervolg 2

• Door de toename van het aantal grensvlakken en roosterfouten
• kunnen de lagen metaalionen steeds minder goed langs elkaar schuiven en 
• wordt het metaal harder en moeilijker te buigen. 

Hoe kan je dit weer veranderen

•  Door het metaal vervolgens voorzichtig te verhitten
•  smelt een deel van de kleine kristallen weer samen tot grote kristallen met minder roosterfouten.
• Het metaal heeft weer minder grensvlakken en wordt daardoor minder hard

Voorbeelden van legeringen

Voorbeelden:

Brons: mengsel van koper en tin

Messing: mengsel van koper en zink

Staal: ijzer, koolstof, chroom, kobalt, silicium en mangaan

Roestvast staal: staalsoort met veel chroom (voorkomt

Legering?

1. 
2. 
3. 
4. 

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.

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.

Smart materials

Een "smart material" is een stof waarvan je een of meer eigenschappen kunt veranderen onder invloeden van buitenaf. 

Voorbeeld is het materiaal: Nitinol 

Nitinol