SAMENVATTING SCHEIKUNDE HOOFDSTUK 14
§14.1: Metalen en legeringen
Een kernfusiereactor maakt energie vrij bij het samensmelten van atoomkernen.
Als de activeringsenergie hoog is, is er een hoge temperatuur nodig waarbij de
botsingen tussen de beginstoffen zo heftig zijn dat de atomen hun elektronen
verliezen en er een mengsel ontstaat van positief geladen kernen en losse
elektronen. Als er voldoende atomen geïoniseerd zijn, veranderen de
eigenschappen van het gas en spreek je van plasma. Een plasma geleidt
elektrische stroom en reageert op magneet-velden. In de ring bevindt
zich het plasma dat door de sterke koperen magneetringen in bedwang
wordt gehouden. De wand van de reactor moet bestand zijn tegen zeer
hoge temperaturen. Wolfraam heeft een wand die aan de kant van het
plasma een sponsachtige structuur heeft waarin vloeibaar tin zit. Door
deze structuur kan vloeibaar tin naar buiten stromen. Als gevolg van de
hitte verdampt het tin en vormt het een damplaag voor de wand. De damp
absorbeert en verdeelt de warmte van het plasma. Naarmate de temperatuur stijgt,
wordt de wand vanzelf dikker doordat er meer tin verdampt. De
standaardelektrodepotentiaal geeft informatie over de edelheid van metalen.
Hoe groter die potentiaal, des te edeler is het metaal. Als een metaal minder edel
is, is het ook gevoeliger voor corrosie. Chroom en aluminium vormen een zuur dun
laagje chroomoxide en aluminiumoxide, die het materiaal afsluiten voor invloeden
van buiten en voor verdere aantasting. De vrij bewegende valentie-elektronen
spelen een rol bij het geleiden van elektriciteit en warmte. De aantrekkingskracht
tussen de geladen deeltjes (= metaalbinding) is heel sterk. Op mesoniveau kijk
je naar de wijze waarop de deeltjes van het microniveau zijn gegroepeerd. Op
mesoniveau vormen metalen kleine kristallen, groepjes van metaalionen. Deze
hebben een metaalrooster, maar de roosters sluiten niet precies op elkaar aan. Als
je voldoende kracht uitoefent op een stukje metaal, verschuift een laag positief
geladen metaalionen in het metaalrooster van een kristal. De negatief geladen
valentie-elektronen bewegen hier tussendoor en houden de metaalionen op hun
nieuwe plaats bij elkaar. 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 niet perfect geordend en kunnen de
verschuivingen niet goed worden doorgegeven. Tussen de kristallen ontstaat
weerstand tegen het verbuigen. Als je een metaal walst of smeedt, ontstaan er
steeds meer kleinere kristallen en steeds meer grensvlakken. Het metaalrooster
wordt verstoord en ontstaat er roosterfouten in het kristal. 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. Door het metaal vervolgens 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. Legeringen zijn
minder gemakkelijk te vervormen en te beschadigen. Bij een legering is een deel
van de metaalatomen vervangen door andere atomen die iets groter of kleiner zijn.
Ze veroorzaken roosterfouten en hierdoor wordt het verschuiven van de lagen in
het metaalkristallen moeilijker. Dit verklaart waardoor legeringen meestal harder
zijn dan zuivere metalen. Als een metaal zo hard wordt dat je het nauwelijks kunt
vervormen, is het bros (het zal barsten wanneer je het bewerkt). Je kunt het alleen
in de gewenste vorm krijgen door het te gieten in een vorm (mal). Legeringen
kunnen een mengsel van twee metalen zijn (bijv. messing), maar ook een mengsel
van meerdere metalen. Door te variëren met
de hoeveelheden van de metalen kun je de
goede eigenschappen verkrijgen.
§14.2: Slimme polymeren
, Ionbindingen zorgen voor het zelfherstellend vermogen. De draden waarvan de
zijgroepen positieve ladingen bevatten, worden bij elkaar gehouden door vrije
negatieve ladingen. Tijdens het herstellen kunnen nieuwe atoombindingen en
waterstofbruggen gevormd worden. Het netwerkpolymeer wordt bij elkaar
gehouden door atoombindingen (amide) en waterstofbruggen
(tussen de amidebindingen). Het
polymeer op mesoniveau is hiernaast
weergeven. Het bevat nog steeds vrije
reactieve groepen (rode rondjes) en groepen die geen
waterstofbruggen hebben gevormd (groene niet-
gearceerde vormpjes). Beide soorten groepen zorgen
voor het herstellend vermogen van deze soort. Oleds maken gebruik van slimme
polymeren die onder invloed van elektrische stroom kunnen geleiden en van
polymeren die onder invloed van stroom licht kunnen geven. Een oled is
opgebouwd uit drie lagen. De onderste laag is hier een metaalelektrode, de
negatieve pool en de bovenste laag is een transparante elektrode met daaraan vast
een geleidend polymeer. Dit is de positieve pool. Hiertussen bevindt zich een
laag met lichtgevende polymeren. Als er een spanningsbron wordt aangesloten
nemen deze polymeren aan de onderkant elektronen uit het metaal op en er
ontstaat een negatieve lading. Aan de bovenkant staan ze elektronen af en daar
ontstaan gaten met een positieve lading. Als de negatieve geladen elektronen het
positieve geladen gat opvullen komt de opgenomen elektrische energie vrij in de
vorm van licht dat door de bovenste laag heen schijnt. Door de zijketens van de
lichtgevende polymeren te veranderen, kun je oleds maken met verschillende
kleuren licht. Blauw heeft de meeste energie en de elektronen beschadigen het
polymeer daardoor sneller als ze licht uitstralen. Slechte geleiding komt doordat de
elektronen vastzitten in de covalente bindingen tussen de atomen. Een keten
waarin dubbele en enkele bindingen om en om zitten, noem je een geconjugeerd
systeem. Een materiaal waarin meerdere stoffen elkaar regelmatig afwisselen
noem je een composiet. Glare is hierop een uitzondering. Het is een mengsel van
een metaal en een polymeer en is sterker dan staal. Glare bestaat uit laagjes
aluminium van 0,3 tot 0,4 mm, vastgelijmd aan matjes van glasvezels in epoxyhars.
De matjes met glasvezels liggen om en om tussen de aluminiumlagen in. De
glasvezel-epoxylagen voorkomen dat een optredend scheurtje groter wordt.
Epoxyhars is een verzamelnaam voor polymeren die een epoxide als monomeer
hebben.
§14.3: Keramische materialen
Gaatjes kunnen gevuld worden met zilveramalgaam. Dit is een legering van een
metaalpoeder dat uit tin, zilver en koper bestaat en gemengd wordt met vloeibaar
kwik. Het zachte mengsel hardt uit in een gaatje. Het is slijtvast, hard, bestand
tegen vocht en warmte en heeft een lage uitzettingscoëfficiënt. Bij het maken van
de vulling zijn de kwikdampen giftig. Er zijn ook vulmaterialen die bestaan uit
kunststoffen gemengd met keramische materialen. Dit samengesteld materiaal is
een composiet. Keramische stoffen zijn vaste stoffen die meestal harder zijn (=
hardheid) dan polymeren en metalen en ook beter bestand zijn tegen zeer hoge
temperaturen. Ze reageren niet of nauwelijks met andere stoffen, alleen een nadeel
is dat ze moeilijk te verwerken zijn. Door hun hoge smeltpunt zijn ze alleen te
verwerken bij zeer hoge temperaturen. Een ander nadeel is de brosheid, bij
een kleine vervorming ontstaan er al scheuren. Er zijn keramische materialen
met een atoomrooster en er zijn er met een ionrooster. In een atoomrooster
zijn atomen via covalente bindingen verbonden in een driedimensionaal
netwerk. Het rooster zorgt ervoor dat het keramisch materiaal hard is. Om een
diamant te vervormen, moet je een groot aantal van deze sterke covalente
§14.1: Metalen en legeringen
Een kernfusiereactor maakt energie vrij bij het samensmelten van atoomkernen.
Als de activeringsenergie hoog is, is er een hoge temperatuur nodig waarbij de
botsingen tussen de beginstoffen zo heftig zijn dat de atomen hun elektronen
verliezen en er een mengsel ontstaat van positief geladen kernen en losse
elektronen. Als er voldoende atomen geïoniseerd zijn, veranderen de
eigenschappen van het gas en spreek je van plasma. Een plasma geleidt
elektrische stroom en reageert op magneet-velden. In de ring bevindt
zich het plasma dat door de sterke koperen magneetringen in bedwang
wordt gehouden. De wand van de reactor moet bestand zijn tegen zeer
hoge temperaturen. Wolfraam heeft een wand die aan de kant van het
plasma een sponsachtige structuur heeft waarin vloeibaar tin zit. Door
deze structuur kan vloeibaar tin naar buiten stromen. Als gevolg van de
hitte verdampt het tin en vormt het een damplaag voor de wand. De damp
absorbeert en verdeelt de warmte van het plasma. Naarmate de temperatuur stijgt,
wordt de wand vanzelf dikker doordat er meer tin verdampt. De
standaardelektrodepotentiaal geeft informatie over de edelheid van metalen.
Hoe groter die potentiaal, des te edeler is het metaal. Als een metaal minder edel
is, is het ook gevoeliger voor corrosie. Chroom en aluminium vormen een zuur dun
laagje chroomoxide en aluminiumoxide, die het materiaal afsluiten voor invloeden
van buiten en voor verdere aantasting. De vrij bewegende valentie-elektronen
spelen een rol bij het geleiden van elektriciteit en warmte. De aantrekkingskracht
tussen de geladen deeltjes (= metaalbinding) is heel sterk. Op mesoniveau kijk
je naar de wijze waarop de deeltjes van het microniveau zijn gegroepeerd. Op
mesoniveau vormen metalen kleine kristallen, groepjes van metaalionen. Deze
hebben een metaalrooster, maar de roosters sluiten niet precies op elkaar aan. Als
je voldoende kracht uitoefent op een stukje metaal, verschuift een laag positief
geladen metaalionen in het metaalrooster van een kristal. De negatief geladen
valentie-elektronen bewegen hier tussendoor en houden de metaalionen op hun
nieuwe plaats bij elkaar. 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 niet perfect geordend en kunnen de
verschuivingen niet goed worden doorgegeven. Tussen de kristallen ontstaat
weerstand tegen het verbuigen. Als je een metaal walst of smeedt, ontstaan er
steeds meer kleinere kristallen en steeds meer grensvlakken. Het metaalrooster
wordt verstoord en ontstaat er roosterfouten in het kristal. 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. Door het metaal vervolgens 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. Legeringen zijn
minder gemakkelijk te vervormen en te beschadigen. Bij een legering is een deel
van de metaalatomen vervangen door andere atomen die iets groter of kleiner zijn.
Ze veroorzaken roosterfouten en hierdoor wordt het verschuiven van de lagen in
het metaalkristallen moeilijker. Dit verklaart waardoor legeringen meestal harder
zijn dan zuivere metalen. Als een metaal zo hard wordt dat je het nauwelijks kunt
vervormen, is het bros (het zal barsten wanneer je het bewerkt). Je kunt het alleen
in de gewenste vorm krijgen door het te gieten in een vorm (mal). Legeringen
kunnen een mengsel van twee metalen zijn (bijv. messing), maar ook een mengsel
van meerdere metalen. Door te variëren met
de hoeveelheden van de metalen kun je de
goede eigenschappen verkrijgen.
§14.2: Slimme polymeren
, Ionbindingen zorgen voor het zelfherstellend vermogen. De draden waarvan de
zijgroepen positieve ladingen bevatten, worden bij elkaar gehouden door vrije
negatieve ladingen. Tijdens het herstellen kunnen nieuwe atoombindingen en
waterstofbruggen gevormd worden. Het netwerkpolymeer wordt bij elkaar
gehouden door atoombindingen (amide) en waterstofbruggen
(tussen de amidebindingen). Het
polymeer op mesoniveau is hiernaast
weergeven. Het bevat nog steeds vrije
reactieve groepen (rode rondjes) en groepen die geen
waterstofbruggen hebben gevormd (groene niet-
gearceerde vormpjes). Beide soorten groepen zorgen
voor het herstellend vermogen van deze soort. Oleds maken gebruik van slimme
polymeren die onder invloed van elektrische stroom kunnen geleiden en van
polymeren die onder invloed van stroom licht kunnen geven. Een oled is
opgebouwd uit drie lagen. De onderste laag is hier een metaalelektrode, de
negatieve pool en de bovenste laag is een transparante elektrode met daaraan vast
een geleidend polymeer. Dit is de positieve pool. Hiertussen bevindt zich een
laag met lichtgevende polymeren. Als er een spanningsbron wordt aangesloten
nemen deze polymeren aan de onderkant elektronen uit het metaal op en er
ontstaat een negatieve lading. Aan de bovenkant staan ze elektronen af en daar
ontstaan gaten met een positieve lading. Als de negatieve geladen elektronen het
positieve geladen gat opvullen komt de opgenomen elektrische energie vrij in de
vorm van licht dat door de bovenste laag heen schijnt. Door de zijketens van de
lichtgevende polymeren te veranderen, kun je oleds maken met verschillende
kleuren licht. Blauw heeft de meeste energie en de elektronen beschadigen het
polymeer daardoor sneller als ze licht uitstralen. Slechte geleiding komt doordat de
elektronen vastzitten in de covalente bindingen tussen de atomen. Een keten
waarin dubbele en enkele bindingen om en om zitten, noem je een geconjugeerd
systeem. Een materiaal waarin meerdere stoffen elkaar regelmatig afwisselen
noem je een composiet. Glare is hierop een uitzondering. Het is een mengsel van
een metaal en een polymeer en is sterker dan staal. Glare bestaat uit laagjes
aluminium van 0,3 tot 0,4 mm, vastgelijmd aan matjes van glasvezels in epoxyhars.
De matjes met glasvezels liggen om en om tussen de aluminiumlagen in. De
glasvezel-epoxylagen voorkomen dat een optredend scheurtje groter wordt.
Epoxyhars is een verzamelnaam voor polymeren die een epoxide als monomeer
hebben.
§14.3: Keramische materialen
Gaatjes kunnen gevuld worden met zilveramalgaam. Dit is een legering van een
metaalpoeder dat uit tin, zilver en koper bestaat en gemengd wordt met vloeibaar
kwik. Het zachte mengsel hardt uit in een gaatje. Het is slijtvast, hard, bestand
tegen vocht en warmte en heeft een lage uitzettingscoëfficiënt. Bij het maken van
de vulling zijn de kwikdampen giftig. Er zijn ook vulmaterialen die bestaan uit
kunststoffen gemengd met keramische materialen. Dit samengesteld materiaal is
een composiet. Keramische stoffen zijn vaste stoffen die meestal harder zijn (=
hardheid) dan polymeren en metalen en ook beter bestand zijn tegen zeer hoge
temperaturen. Ze reageren niet of nauwelijks met andere stoffen, alleen een nadeel
is dat ze moeilijk te verwerken zijn. Door hun hoge smeltpunt zijn ze alleen te
verwerken bij zeer hoge temperaturen. Een ander nadeel is de brosheid, bij
een kleine vervorming ontstaan er al scheuren. Er zijn keramische materialen
met een atoomrooster en er zijn er met een ionrooster. In een atoomrooster
zijn atomen via covalente bindingen verbonden in een driedimensionaal
netwerk. Het rooster zorgt ervoor dat het keramisch materiaal hard is. Om een
diamant te vervormen, moet je een groot aantal van deze sterke covalente
