14.1 + 14.2 Metalen en Slimme Polymeren

• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 5

14.1 + 14.2

14.1 Metalen en legeringen

Verband tussen contexten en concepten in relatie met metalen

Eigenschappen verklaren met mbv micro- en mesoniveau

Invloed van roosterfouten op eigenschappen van metalen

Dit hoofdstuk

• Over nieuwe materialen: polymeren, metalen, keramische materialen, nanotechnologie
• Veel onderwerpen komen samen: polymeerchemie, redox, zuur/base
• Veel tekst per paragraaf: lees zelf de paragraaf door, niet alles zal besproken worden! 

Kernfusie

• In de zon gebeuren dit soort reacties bij druk van 10 miljard bar en temperatuur van 15 miljoen kelvin.
• Op aarde kan H-2 reageren met H-3, waarbij energie vrijkomt
• Hele hoge temperatuur nodig: 150 miljoen kelvinkernfusie: geen materiaal kan daar tegen

Kernfusie

• Botsingen zijn zo heftig dat H-2 en H-3 hun elektron verliezen en er een mengsel ontstaat van positief geladen kernen en losse elektronen.
• Bij voldoende geïoniseerde atomen is het geen gas meer maar een plasma: geleidt wel stroom en reageert op magneetvelden

Kernfusie

• Botsingen zijn zo heftig dat H-2 en H-3 hun elektron verliezen en er een mengsel ontstaat van positief geladen kernen en losse elektronen.
• Bij voldoende geïoniseerde atomen is het geen gas meer maar een plasma: geleidt wel stroom en reageert op magneetvelden

Kernfusie

• Kan plasma in bedwang houden met magneten
• Moet de reactorwand nog steeds tegen ong. 6000 K kunnen.
• Wolfraam heeft een smeltpunt van 3695 K.

Edelheid van metalen

• Standaardelektrodepotentiaal (SEP) geeft informatie over de edelheid van metalen.
• Hoe groter het SEP, hoe edeler het metaal is
• Hoe onedeler, hoe gevoeliger voor corrosie: sommige metalen moet je beschermen

Edelheid van metalen

• Chroom, aluminium en wolfraam hoef je niet te beschermen: die vormen een afsluitend oxidelaagje
• IJzer kan zo'n laagje niet goed vormen

Geleiding en buig-zaamheid van metalen

• Metaal bestaat uit positief geladen metaalionen, omringd door vrij bewegende, negatief geladen valentie-elektronen
• Aantrekkingskracht tussen geladen deeltjes, de metaalbinding, is heel sterk: hoog smeltpunt

Geleiding en buig-zaamheid van metalen

• Op mesoniveau vormen er metaalkristallen
• Als je kracht uitoefent (buigen) verschuift een laag positief geladen metaalionen in het rooster van een kristal
• Buigen gaat alleen zolang de beweging wordt doorgegeven

Geleiding en buig-zaamheid van metalen

• Bij metaal smeden ontstaan er steeds meer grensvlakken en kleinere kristallen. Op die grensvlakken schuift het steeds minder goed: metaal wordt harder

Legeringen

• Zuivere metalen zijn dus makkelijk te vervormen
• Legeringen zijn dat minder door roosterfouten
• Een deel van de metaalatomen is vervangen door een ander atoom dat groter of kleiner is
• Maakt verschuiven lastiger

14.2 Slimme polymeren

Hoe geleiden polymeren?

Eigenschappen van polymeren verklaren met micro- en mesoniveau

Structuur en eigenschappen van composieten

Smart Materials

Materialen die grote veranderingen in hun vorm (en eigenschappen) ondergaan door externe invloeden.

In de volgend filmpjes zie je daar voorbeelden van!

Zelfherstellend rubber

• Als je het rubber doorknipt en daarna tegen elkaar aan doet, herstelt het rubber weer
• Doorknippen: op microniveau worden bindingen verbroken
• Herstellen: nieuwe bindingen worden gevormd 

Zelfherstellend rubber

• Bijv. door een polymeer waarbij zijgroepen zijn met positieve ladingen en negatieve ladingen

Zelfherstellend rubber

• Kan dus door ionbindingen te vormen, maar kan ook door een netwerkpolymeer te vormen met vrije reactieve groepen (zuur- en aminogroepen), maar ook veel N-H en C=O voor H-brug vorming

Zelfherstellend rubber

• Stap 1: vorming van het rubber is reactie tussen bijv. dodecaan-1,12-diamine en propeenzuur
• 12 uur lang bij ong 50 C.

Zelfherstellend rubber

• Stap 2: Nu reageren de moleculen met elkaar waarbij amidebindingen ontstaan (reactie tussen het zuur en de aminogroep)
• Er zaten 4 N-H groepen, dus het kan door reageren voor netwerkpolymeer

Zelfherstellend rubber

• Zwarte bolletjes: N
• Rode rondjes: vrije reactieve groepen
• Wordt 32 uur verhit tot 160 C: meer vrije reactieve groepen reageren en de stof wordt vast.

Zelfherstellend rubber

• Zwarte bolletjes: N
• Rode rondjes: vrije reactieve groepen
• De groepen die nog vrij zijn zorgen voor het herstellende vermogen

Oled TV's

• Oleds:  organische licht emitterende diodes.
• Lcd-schermen hebben achtergrondverlichting nodig
• Oled-schermen zenden zelf licht uit en kunnen dus veel dunner zijn (dikte van een muntstuk)

Oled TV's: lichtgevend polymeer

• Gebruik van polymeren die kunnen geleiden en polymeren die licht kunnen afgeven
• Je hebt een metaalelektrode met daaraan een lichtgevend polymeer. Dit polymeer neemt elektronen aan de onderkant op en er ontstaat een negatieve lading

Oled TV's: lichtgevend polymeer

• Aan de bovenkant staan ze elektronen af en ontstaan er 'gaten' met een positieve lading.
• Als de elektronen het positief geladen gat opvullen komt de opgenomen elektrische energie vrij in de vorm van licht die door de bovenste laag schijnt

Oled TV's

• Gebeurt 10¹⁵ keer per seconde per cm²
• Door de zijketens van de lichtgevende polymeren te veranderen, maak je oleds met verschillende kleuren

Oled TV's: geleidend polymeer

• Moleculaire stoffen geleiden meestal nauwelijks en polymeren zijn meestal moleculaire stoffen
• Er zijn geen vrije elektronen om te bewegen, want de elektronen zitten vast in covalente bindingen
• Toch kan het soms geleiden, zoals bij polyethyn

Oled TV's: geleidend polymeer

• De drievoudige binding van ethyn wordt omgezet in een dubbele binding en vormt een keten waarin dubbele en enkele bindingen elkaar afwisselen.
• Dat noem je een geconjugeerd systeem
• Elektronen kunnen opschuiven: geringe geleiding

Oled TV's: geleidend polymeer

• Bij toevoegen van beetje oxidator, zoals I2, verdwijnt er een elektron, waardoor er een positieve lading overblijft
• Dit geleidt beter, want de dubbele binding kan gemakkelijk omklappen

Glare (GLAss REinforced aluminium)

• Materiaal waarin meerdere stoffen elkaar afwisselen noem je een composiet.
• Laagjes aluminium van 0,3-0,4 mm, vastgelijmd aan matjes van glasvezels in epoxyhars.
• Matjes liggen om en om tussen de aluminiumlagen in

Glare (GLAss REinforced aluminium)

• Goed bestand tegen beschadiging
• Door de verschillende lagen wordt een scheurtje niet groter

En nu?

Paragraaf goed doorlezen!

Opdrachten: 13, 14, 15, 16