Chemie Overal 5 VWO ||| Samenvatting H14: Nieuwe materialen
H14 | Nieuwe materialen
14.1 Metalen en legeringen
Metalen in extreme omstandigheden
In het centrum van de zon bij een druk van 109 bar en 15 · 106 Kelvin vinden fusiereacties plaats,
waarbij grote hoeveelheden energie vrijkomen.
Op aarde vinden dit soort fusiereacties in extreme omstandigheden niet voor. Een kernfusiereactie
die wel op aarde kan verlopen is de reactie van deuterium (H-2) met tritium (H-3).
De vergelijking van deze reactie is:
2 3 4 1
1
H + 1H → 1He + 0n
Deze fusiereactie heeft een zeer hoge activeringsenergie. De botsingen zijn zo heftig dat atomen
hun elektronen verliezen en er een mengsel ontstaat van positief geladen kernen en losse
elektronen. Zijn er genoeg atomen geïoniseerd spreek je niet meer van een gas, maar een plasma.
Een plasma geleidt in tegenstelling tot gassen elektrische stroom en reageert op magneetvelden.
Plasma wordt ook wel de vierde toestand genoemd.
Een kernfusiereactor heeft de vorm van een donut. In de ring bevindt zich het
plasma, dat door koperen magneetringen in bedwang wordt gehouden. De buiten-
wand moet bestand zijn tegen zeer hoge temperaturen.
Edelheid van metalen
Het standaardelektrodepotentiaal geeft informatie over de edelheid van metalen. Hoe groter het
standaardelektrodepotentiaal, des te edeler is het metaal. Als een metaal minder edel is, is het
ook gevoeliger voor corrosie. Bij het toepassen van een metaal moet je vaak rekening houden met
de corrosiegevoeligheid.
De meeste metalen die gevoelig zijn voor corrosie moeten vaak beschermd worden. Maar niet alle
metalen hoeven dat, zo vormen chroom en aluminium een laagje chroom/aluminiumoxide. IJzer
vormt ook een laagje ijzeroxide, maar kan nog steeds verder aangetast worden.
Een aantal mogelijkheden om metalen te beschermen zijn:
● Afdekken met een verflaag;
● Het afdekken van een metaal met een laagje van een ander metaal;
● Poedercoaten: het te beschermen voorwerp wordt elektrisch geaard.
Geleiding en buigzaamheid van metalen
Metalen kennen veel toepassingen door het goede geleidingsvermogen. Een metaal bestaat uit
positief geladen metaalionen, omringd door negatief geladen, vrij bewegende valentie-elektronen.
De aantrekkingskracht tussen de geladen deeltjes, de metaalbinding, is heel sterk.
Een andere macroscopische eigenschap van metalen is buigzaamheid. Op mesoniveau vormen
metalen kleine kristallen, groepjes van metaalionen. Deze hebben een metaalrooster, maar deze
roosters van kristallen 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.
Op een grensvlak van metaalkristallen is het rooster niet perfect geordend en
ontstaat er tussen kristallen weerstand tegen het verbuigen.
Als je het metaal walst of smeedt, ontstaan er steeds kleinere kristallen en meer
grensvlakken. In de kristallen zelf wordt het metaalrooster ook verstoord en er
ontstaan roosterfouten in het kristal. Door een metaal te verhitten smelten kleine
kristallen weer tot grotere kristallen en zijn er ook minder roosterfouten.
Legeringen
Zuivere metalen zijn vaak vrij zacht en daardoor ongeschikt om zo te gebruiken. Daarom worden
legeringen gebruikt die minder gemakkelijk vervormen en beschadigen.
1
, Chemie Overal 5 VWO ||| Samenvatting H14: Nieuwe materialen
Bij een legering is een deel van de metaalatomen vervangen door andere atomen die iets groter of
kleiner zijn. Op mesoniveau gezien zorgen deze atomen voor verstoringen van het metaalrooster, ze
veroorzaken dus roosterfouten. Hierdoor wordt het verschuiven van de lagen in de metaalkristallen
veel moeilijker en zijn ze dus vaak harder dan zuivere metalen.
Je hebt ook hele harde legeringen. De legering wordt zo hard dat je het nauwelijks kunt
vervormen. Het wordt zelfs bros, het zal barsten als je het met een hamer bewerkt. Je kunt de
gewenste vorm alleen krijgen door het te gieten in een mal.
Legeringen kunnen een mengsel van twee metalen, maar ook een mengsel van meerdere metalen.
Door te variëren in verhoudingen in een legering kun je de eigenschappen verkrijgen die je nodig
hebt voor een bepaalde toepassing.
Bijzondere legeringen
Sommige materialen met bijzondere eigenschappen worden ‘smart materials’ genoemd. Nitinol is
zo een ‘smart metal’. Dit geheugenmetaal kan je bij hoge temperatuur de gewenste vorm geven
en daarna verbuigen. Als je het weer
verwarmt, zal de legering nitinol terug-
schieten in zijn originele vorm.
Er zijn twee mogelijke kristalroosters, die je
martensiet en austeniet noemt. Bij flink
verwarmen gaan de atomen in het
austenietrooster zitten en koel je het
materiaal af, gaat het over naar het
martensiet.
14.2 Slimme polymeren
Zelfherstellend rubber
Zelfherstellend rubber is een voorbeeld van een slim polymeer. Bij rubber kunnen er na het
verbreken van bindingen, nieuwe bindingen
gevormd worden als ze tegen elkaar worden
gehouden. Afhankelijk van het soort rubber
kunnen dat atoombindingen zijn, maar ook
waterstofbruggen of ionbindingen.
De draden zijn polymeerketens en de zijgroepen
bevatten positieve ladingen die bij elkaar worden
gehouden door ‘vrije’ negatieve ladingen.
Het rubber in het plaatje hiernaast herstelt zich door de vorming van ionbindingen. Maar er zijn dus
ook zelfherstellende rubbers als netwerkpolymeer met vrije reactieve groepen: zuurgroepen en
aminogroepen, maar ook veel N—H- en C=O-groepen die waterstofbruggen kunnen vormen en
ontvangen. Bij dit soort rubbersoorten worden dus tijdens het herstellen nieuwe atoombindingen en
waterstofbruggen gevormd.
Oled
Een ander soort slimmer polymeer is verwerkt in oleds (organische licht emitterende diodes). Het
oledmateriaal zendt zelf licht uit en zo kunnen beeldschermen en displays ook bij grote formaten
zeer dun worden uitgevoerd.
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. Wordt er een spanningsbron
aangesloten, nemen deze polymeren aan de onderkant
elektronen op uit het metaal. Aan de bovenkant staan
ze elektronen af en daar ontstaan ‘gaten’ met een positieve lading. Als de negatieve geladen
2
H14 | Nieuwe materialen
14.1 Metalen en legeringen
Metalen in extreme omstandigheden
In het centrum van de zon bij een druk van 109 bar en 15 · 106 Kelvin vinden fusiereacties plaats,
waarbij grote hoeveelheden energie vrijkomen.
Op aarde vinden dit soort fusiereacties in extreme omstandigheden niet voor. Een kernfusiereactie
die wel op aarde kan verlopen is de reactie van deuterium (H-2) met tritium (H-3).
De vergelijking van deze reactie is:
2 3 4 1
1
H + 1H → 1He + 0n
Deze fusiereactie heeft een zeer hoge activeringsenergie. De botsingen zijn zo heftig dat atomen
hun elektronen verliezen en er een mengsel ontstaat van positief geladen kernen en losse
elektronen. Zijn er genoeg atomen geïoniseerd spreek je niet meer van een gas, maar een plasma.
Een plasma geleidt in tegenstelling tot gassen elektrische stroom en reageert op magneetvelden.
Plasma wordt ook wel de vierde toestand genoemd.
Een kernfusiereactor heeft de vorm van een donut. In de ring bevindt zich het
plasma, dat door koperen magneetringen in bedwang wordt gehouden. De buiten-
wand moet bestand zijn tegen zeer hoge temperaturen.
Edelheid van metalen
Het standaardelektrodepotentiaal geeft informatie over de edelheid van metalen. Hoe groter het
standaardelektrodepotentiaal, des te edeler is het metaal. Als een metaal minder edel is, is het
ook gevoeliger voor corrosie. Bij het toepassen van een metaal moet je vaak rekening houden met
de corrosiegevoeligheid.
De meeste metalen die gevoelig zijn voor corrosie moeten vaak beschermd worden. Maar niet alle
metalen hoeven dat, zo vormen chroom en aluminium een laagje chroom/aluminiumoxide. IJzer
vormt ook een laagje ijzeroxide, maar kan nog steeds verder aangetast worden.
Een aantal mogelijkheden om metalen te beschermen zijn:
● Afdekken met een verflaag;
● Het afdekken van een metaal met een laagje van een ander metaal;
● Poedercoaten: het te beschermen voorwerp wordt elektrisch geaard.
Geleiding en buigzaamheid van metalen
Metalen kennen veel toepassingen door het goede geleidingsvermogen. Een metaal bestaat uit
positief geladen metaalionen, omringd door negatief geladen, vrij bewegende valentie-elektronen.
De aantrekkingskracht tussen de geladen deeltjes, de metaalbinding, is heel sterk.
Een andere macroscopische eigenschap van metalen is buigzaamheid. Op mesoniveau vormen
metalen kleine kristallen, groepjes van metaalionen. Deze hebben een metaalrooster, maar deze
roosters van kristallen 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.
Op een grensvlak van metaalkristallen is het rooster niet perfect geordend en
ontstaat er tussen kristallen weerstand tegen het verbuigen.
Als je het metaal walst of smeedt, ontstaan er steeds kleinere kristallen en meer
grensvlakken. In de kristallen zelf wordt het metaalrooster ook verstoord en er
ontstaan roosterfouten in het kristal. Door een metaal te verhitten smelten kleine
kristallen weer tot grotere kristallen en zijn er ook minder roosterfouten.
Legeringen
Zuivere metalen zijn vaak vrij zacht en daardoor ongeschikt om zo te gebruiken. Daarom worden
legeringen gebruikt die minder gemakkelijk vervormen en beschadigen.
1
, Chemie Overal 5 VWO ||| Samenvatting H14: Nieuwe materialen
Bij een legering is een deel van de metaalatomen vervangen door andere atomen die iets groter of
kleiner zijn. Op mesoniveau gezien zorgen deze atomen voor verstoringen van het metaalrooster, ze
veroorzaken dus roosterfouten. Hierdoor wordt het verschuiven van de lagen in de metaalkristallen
veel moeilijker en zijn ze dus vaak harder dan zuivere metalen.
Je hebt ook hele harde legeringen. De legering wordt zo hard dat je het nauwelijks kunt
vervormen. Het wordt zelfs bros, het zal barsten als je het met een hamer bewerkt. Je kunt de
gewenste vorm alleen krijgen door het te gieten in een mal.
Legeringen kunnen een mengsel van twee metalen, maar ook een mengsel van meerdere metalen.
Door te variëren in verhoudingen in een legering kun je de eigenschappen verkrijgen die je nodig
hebt voor een bepaalde toepassing.
Bijzondere legeringen
Sommige materialen met bijzondere eigenschappen worden ‘smart materials’ genoemd. Nitinol is
zo een ‘smart metal’. Dit geheugenmetaal kan je bij hoge temperatuur de gewenste vorm geven
en daarna verbuigen. Als je het weer
verwarmt, zal de legering nitinol terug-
schieten in zijn originele vorm.
Er zijn twee mogelijke kristalroosters, die je
martensiet en austeniet noemt. Bij flink
verwarmen gaan de atomen in het
austenietrooster zitten en koel je het
materiaal af, gaat het over naar het
martensiet.
14.2 Slimme polymeren
Zelfherstellend rubber
Zelfherstellend rubber is een voorbeeld van een slim polymeer. Bij rubber kunnen er na het
verbreken van bindingen, nieuwe bindingen
gevormd worden als ze tegen elkaar worden
gehouden. Afhankelijk van het soort rubber
kunnen dat atoombindingen zijn, maar ook
waterstofbruggen of ionbindingen.
De draden zijn polymeerketens en de zijgroepen
bevatten positieve ladingen die bij elkaar worden
gehouden door ‘vrije’ negatieve ladingen.
Het rubber in het plaatje hiernaast herstelt zich door de vorming van ionbindingen. Maar er zijn dus
ook zelfherstellende rubbers als netwerkpolymeer met vrije reactieve groepen: zuurgroepen en
aminogroepen, maar ook veel N—H- en C=O-groepen die waterstofbruggen kunnen vormen en
ontvangen. Bij dit soort rubbersoorten worden dus tijdens het herstellen nieuwe atoombindingen en
waterstofbruggen gevormd.
Oled
Een ander soort slimmer polymeer is verwerkt in oleds (organische licht emitterende diodes). Het
oledmateriaal zendt zelf licht uit en zo kunnen beeldschermen en displays ook bij grote formaten
zeer dun worden uitgevoerd.
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. Wordt er een spanningsbron
aangesloten, nemen deze polymeren aan de onderkant
elektronen op uit het metaal. Aan de bovenkant staan
ze elektronen af en daar ontstaan ‘gaten’ met een positieve lading. Als de negatieve geladen
2
