Polymeren en materialen (Scheikunde vwo), les 1: Uitleg

• newEditor
• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 4-6

Introduction

Uitleg over polymeren en materialen: additiepolymerisatie met initiatie, propagatie en terminatie, polymerisatiegraad, condensatiepolymeren, crosslinks, weekmakers, uv-gevoeligheid, hydrofiel en hydrofoob, legeringen, keramiek en composieten. Met 12 dia's, 2 animaties, 5 controlevragen en een exit. Docent: polymeren en materialen op micro-, meso- en macroniveau.

PET-preforms, de voorvormen van drankflessen (foto: CC0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Polymeren en materialen

Examenstof scheikunde vwo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: R2.1-R2.3, M4.1, M4.2, M5.1, M6.1. Image credit: 01x07x2022000 / Wikimedia Commons, CC0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Wat ga je kunnen?

Ik kan monomeren en polymeren aan elkaar koppelen, het mechanisme van additiepolymerisatie beschrijven en eigenschappen van polymeren en andere materialen verklaren uit hun structuur.

Welke kunststoffen en materialen ken je, en wat maakt ze zo verschillend?

Verwachte woorden: plastic, nylon, pvc, rubber, brons, keramiek, glas, koolstofvezel, hard, buigzaam, bros, brandbaar, waterafstotend. Laat leerlingen de woorden sorteren op eigenschap en daarna vragen: ligt het verschil in de atomen, in de bindingen of in de manier waarop de ketens of roosters geordend zijn? Dat is de lijn van de les: micro-, meso- en macroniveau (syllabus M6.1). Veelgemaakte misvatting: plastic is geen stof, maar een familie polymeren met verschillende structuur.

Monomeer afleiden uit polystyreen (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Van monomeer naar additiepolymeer

• Een additiepolymeer ontstaat uit monomeren met een C=C; de hoofdketen heeft alleen C–C bindingen.

• Monomeer afleiden: knip om de twee C-atomen van de keten en zet de C=C terug.

• Zijgroepen blijven aan hun eigen C-atoom: CH₃ in polypropeen, Cl in PVC, fenyl in polystyreen.

• Een copolymeer ontstaat uit twee of meer soorten monomeer.

Syllabus R2.1: verband tussen de structuurformule van een (co)polymeer en het monomeer, voor additiepolymeren. Voorbeeld in het figuur: polystyreen uit ethenylbenzeen (styreen). Per twee C-atomen in de hoofdketen hoort een monomeer; de fenylgroep telt niet mee in de hoofdketen. Bij een copolymeer krijg je twee soorten stukken. Veelgemaakte fout: knippen per C-atoom of de zijgroep in de hoofdketen rekenen. Dit onderwerp herhaalt de naamgeving niet; voor namen van de monomeren zie Naamgeving en isomerie. Image credit: Eigen figuur

Initiatie, propagatie en terminatie (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Mechanisme: drie stappen

• Initiatie: een initiator, bijvoorbeeld een peroxide, valt uiteen in twee radicalen.

• Een radicaal heeft een ongepaard elektron en is zeer reactief.

• Propagatie: het radicaal opent een C=C en het nieuwe uiteinde is weer een radicaal.

• Terminatie: twee radicalen koppelen, er blijft geen radicaal over en de groei stopt.

Syllabus R2.2: initiatie, propagatie en terminatie van een additiepolymerisatie; M5.1: radicaal. Animatie met etheen en een peroxide RO–OR: de zwakke O–O-binding breekt, elk RO heeft een ongepaard elektron (stip). Kijkvraag: waar zit het radicaal na elke propagatiestap? Antwoord: steeds aan het uiteinde van de groeiende keten. In de animatie groeien twee ketens en koppelen ze aan het eind aan elkaar; in werkelijkheid zijn het er veel meer en hebben ze honderden eenheden. De elektronenverplaatsing in mechanismen (elektrofiel, nucleofiel, radicalen) komt uitgebreider aan bod in Organische reacties en mechanismen. Veelgemaakte fout: denken dat een initiator een katalysator is; de initiator wordt verbruikt en zit als eindgroep in het polymeer. Image credit: Eigen animatie

Twee ketens verbonden door een eenheid met twee C=C (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Ketenlengte en crosslinks

• Polymerisatiegraad = M(polymeer) : M(monomeereenheid): het gemiddeld aantal eenheden per keten.

• Ketens stoppen op een willekeurig moment: de lengte verschilt, je rekent met een gemiddelde.

• Meer initiator: meer ketens tegelijk, elke keten krijgt minder monomeer: lagere polymerisatiegraad.

• Een monomeer met twee C=C (of drie reactieve groepen) bindt in twee ketens: crosslinks.

Syllabus R2.3: verband tussen het reactiemechanisme en crosslinks, gemiddelde ketenlengte en polymerisatiegraad. De polymerisatiegraad wordt op het examen zo nodig gegeven; reken met de molaire massa van de eenheid uit Binas. Rekenvoorbeeld voor in de les: polyetheen met M = 2,8·10⁴ u heeft 2,8·10⁴ : 28,05 = 1,0·10³ eenheden. Met meer initiator ontstaan er meer groeiende ketens uit dezelfde hoeveelheid monomeer, dus kortere ketens. Crosslinks: in het figuur zit een eenheid van 1,4-diethenylbenzeen in twee ketens. Bij condensatiepolymeren ontstaat een netwerk als monomeren drie of meer reactieve groepen hebben. Veelgemaakte fout: denken dat alle ketens even lang zijn. Image credit: Eigen figuur

Vul in

Bij initiatie vormt de initiator twee radicalen; bij terminatie stopt de groei van de keten.

initiatie

radicalen

terminatie

propagatie

ionen

Syllabus R2.2. Verwachte fout: propagatie invullen bij de laatste stap; propagatie is het groeien, terminatie het stoppen.

Welk monomeer kan in twee ketens worden ingebouwd en geeft zo crosslinks?

A

CH₂=CH–C₆H₅

B

CH₂=CH–C₆H₄–CH=CH₂

C

CH₂=CCl₂

D

CH₃–CH=CH–CH₃

Syllabus R2.3. Alleen een monomeer met twee C=C kan in twee ketens worden opgenomen. Verwachte fout: ethenylbenzeen kiezen omdat het een ring bevat; de ring zelf maakt geen crosslink.

Dizuur en diol worden PET, per eenheid twee H₂O (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Polycondensatie: water eraf

• Een condensatiepolymeer is gemaakt van monomeren met minstens twee groepen zoals OH, COOH, NH₂.

• Bij elke koppeling splitst een klein molecuul af, meestal H₂O: één per estergroep of amidegroep.

• Polyester: een dizuur en een diol, bijvoorbeeld benzeen-1,4-dicarbonzuur en ethaan-1,2-diol (PET).

• n dizuur- en n diolmoleculen geven een lineaire keten en 2n − 1 moleculen H₂O.

Syllabus R2.1: condensatiepolymeren; R1.15/R1.16 (ester, amide) zijn voorkennis uit Reacties en mechanismen. Controle PET: C₈H₆O₄ + C₂H₆O₂ → C₁₀H₈O₄ (eenheid, M = 192,2 g/mol) + 2 H₂O; atomen kloppen: C 10, H 12 − 4 = 8, O 6 − 2 = 4. Per eenheid dus twee estergroepen gevormd, twee H₂O afgesplitst. Lineaire keten van n dizuur en n diol: 2n monomeren, 2n − 1 bindingen. Veelgemaakte fout: het aantal H₂O gelijkstellen aan het aantal monomeren. Image credit: Eigen figuur

Nylon-6,6 knippen bij de amide-binding (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Polyamide en monomeren afleiden

• Een diamine en een dizuur vormen een polyamide, bijvoorbeeld nylon-6,6.

• Aminozuren vormen via peptidebindingen een polypeptide: ook een condensatiepolymeer.

• Afleiden: knip bij C–N of C–O, voeg OH aan het C-deel en H aan het N- of O-deel toe.

• Controle: massa polymeer = massa monomeren min massa water.

Syllabus R2.1 en R2.3: monomeren afleiden uit een condensatiepolymeer. Controle nylon-6,6: C₆H₁₆N₂ (116,2) + C₆H₁₀O₄ (146,1) → eenheid C₁₂H₂₂N₂O₂ (226,3) + 2 H₂O; 116,2 + 146,1 − 2 × 18,02 = 226,3. Het figuur laat zien hoe je de knip bij de amide-binding terugzet naar H₂N en HOOC. Bij een polyester knip je bij C–O van de estergroep. Veelgemaakte fout: de C=O in het koolstofdeel vergeten of knippen tussen C en C. Image credit: Eigen figuur

Filament van PLA voor 3D-printers (foto: Richardspa, CC0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Eén monomeer, of twee soorten

• Melkzuur heeft een OH en een COOH: het vormt zelf een polyester, polymelkzuur (PLA).

• Bij monomeren A–A en B–B wisselen de eenheden af; elk uiteinde heeft nog een reactieve groep.

• Bij additie kunnen twee soorten monomeer in elke volgorde inbouwen, bijvoorbeeld etheen en propeen.

• Een copolymeer combineert eigenschappen van beide monomeren.

Syllabus R2.1 en R2.3: (co)polymeren. PLA: HO–CH(CH₃)–COOH wordt –O–CH(CH₃)–C(=O)–; industrieel loopt de route vaak via lactide (ringopening), de structuur van de keten is dezelfde. Etheen met propeen als copolymeer komt als rubber voor; bij een additiecopolymeer bepaalt de reactiviteit van de monomeren in welke volgorde ze inbouwen. Veelgemaakte fout: denken dat een polyester altijd twee verschillende monomeren nodig heeft. Image credit: Richardspa / Wikimedia Commons, CC0

Een lineaire PET-keten bevat 150 estergroepen. Hoeveel H₂O is afgesplitst?

A

149

B

300

C

75

D

150

Syllabus R2.1. Bij elke estergroep die ontstaat, splitst één H₂O af: 150 estergroepen, dus 150 H₂O. Verwachte fouten: 149 (de regel 2n − 1 toepassen op het aantal estergroepen in plaats van op het aantal monomeren), 300 (twee H₂O per estergroep, verward met twee per eenheid) of 75 (het aantal eenheden).

Drie polymeren onder trekkracht (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Thermoplast, rubber, thermoharder

• Thermoplast: lange ketens zonder crosslinks, alleen vanderwaalsbinding: bij verwarmen vervormbaar.

• Weinig crosslinks (rubber): de ketens rekken uit en veren terug.

• Thermoharder: veel crosslinks (atoombindingen), één netwerk: hard, vormvast, niet te smelten.

• Hoe meer crosslinks, hoe minder vervormbaar het materiaal.

Syllabus M4.1 (vervormbaarheid: thermoharders, thermoplasten) en M5.1 (crosslinks). Animatie: kijkvraag: wat gebeurt er met de ketens als je trekt, en wat houdt ze vast? Thermoplast: de ketens glijden langs elkaar en blijven verschoven; rubber: crosslinks trekken de ketens terug; thermoharder: de crosslinks laten bijna geen verschuiving toe. Bij te veel kracht of te hoge temperatuur breken bindingen in de thermoharder, hij smelt niet. Veelgemaakte fout: denken dat crosslinks vanderwaalsbindingen zijn; het zijn atoombindingen tussen de ketens. Image credit: Eigen animatie

Nylonvezels, 500x vergroot (foto: Nicola Angeli/MUSE, CC BY-SA 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Ketenlengte, monomeren, weekmakers

• Langere ketens: meer vanderwaalscontact en verstrengeling, dus sterker en een hoger smelttraject.

• Amidegroepen vormen waterstofbruggen tussen ketens: daardoor zijn nylonvezels sterk.

• Een weekmaker zit tussen de ketens, verzwakt hun binding en maakt het polymeer zachter.

• Mesoniveau: ketens gebundeld tot vezels (foto), tussen microniveau (bindingen) en macroniveau.

Syllabus M5.1: ketenlengte, soorten monomeren, weekmakers; M6.1: mesoniveau, met vezels als voorbeeld (voetnoot 7 van de syllabus). De foto laat gebundelde nylonvezels zien: de sterkte komt van de ordening van ketens in vezels en van waterstofbruggen tussen de amidegroepen, niet alleen van de bindingen in één keten. Een weekmaker is een klein molecuul tussen de ketens: de ketens glijden gemakkelijker langs elkaar, zoals in zacht pvc. Veelgemaakte fout: de weekmaker als crosslink zien; een weekmaker verzwakt juist de binding tussen ketens. Image credit: Nicola Angeli, MUSE (Museo delle Scienze, Trento) / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Kunststof buis na jaren buiten, gescheurd en verbrokkeld (foto: Lamiot, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Uv-licht en meervoudige bindingen

• Uv-licht heeft genoeg energie om bindingen te verbreken en radicalen te vormen.

• Polymeren met meervoudige bindingen (C=C in de keten, fenylgroepen) nemen uv-licht gemakkelijk op.

• De radicalen vormen bindingen tussen ketens: extra crosslinks, het materiaal wordt stug en bros.

• Minder meervoudige bindingen betekent minder opname van uv-licht en dus minder gevoeligheid.

Syllabus M4.1 en M5.1: uv-lichtgevoeligheid door meervoudige atoombindingen en vorming van crosslinks. De foto toont alleen het macro-effect: een kunststof buis die na jaren buiten gescheurd en verbrokkeld is. Welke reacties in deze buis zijn opgetreden, is aan de foto niet te zien (bij pvc speelt bijvoorbeeld ook verlies van weekmaker mee). Kijkvraag: welke bindingen in het polymeer nemen het uv-licht op? Antwoord: de meervoudige bindingen. Het examen vraagt dit redeneerpatroon: meervoudige binding, radicaal, crosslink, stug en bros. Veelgemaakte fout: denken dat uv-licht alleen ketens korter maakt; in de syllabus gaat het om crosslinks. Image credit: Lamiot / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Vul in

Weekmakers zitten tussen de ketens en verzwakken de vanderwaalsbinding ertussen, zodat het polymeer zachter wordt.

ketens

vanderwaalsbinding

zachter

crosslinks

harder

Syllabus M4.1 en M5.1. Verwachte fout: crosslinks invullen; een weekmaker maakt het polymeer juist beter vervormbaar, een crosslink minder.

Gezwollen waterparels: een gel die veel water heeft opgenomen (foto: C.E. Vipin, CC BY-SA 2.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Water: hydrofiel en hydrofoob

• Polaire groepen (OH, COO⁻, amide) binden water via waterstofbruggen of ion-dipool: hydrofiel.

• Alleen C–H en C–C (polyetheen): apolair, hydrofoob en dus waterafstotend.

• Polyacrylaat: veel COO⁻ groepen en weinig crosslinks, dus veel water gebonden en een gezwollen gel.

• Esters en amiden worden gehydrolyseerd door water of enzymen: biodegradeerbaar; alleen C–C niet.

Syllabus M5.1: moleculaire structuur en oplosbaarheid (hydrofiel/hydrofoob, karakteristieke groepen), waterbindend vermogen en biodegradeerbaarheid van polymeren. Waterparels zijn een gel van een waterabsorberend polymeer, vaak een polyacrylaat; welk polymeer in deze parels zit, is aan de foto niet te zien. Bij een polyacrylaat: veel geladen groepen binden water, de weinige crosslinks houden het netwerk bij elkaar zodat het zwelt in plaats van oplost. Kijkvraag: welke groepen binden het water? Biodegradeerbaarheid: PLA en andere polyesters hebben estergroepen die splitsen door hydrolyse; polyetheen heeft alleen C–C en C–H en is niet biodegradeerbaar. Veelgemaakte fout: hydrofoob verwarren met niet-oplosbaar in alle stoffen; hydrofoob betekent: mengt slecht met water. Image credit: Challiyil Eswaramangalath Vipin / Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0

Onderdelen van aluminiumoxide-keramiek (foto: Ezrado, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Metalen, legeringen en keramiek

• Metaalrooster: lagen schuiven langs elkaar, dus vervormbaar; meer bij hogere temperatuur.

• Een legering heeft atomen van een andere grootte: de lagen schuiven moeilijker, dus harder.

• Een keramisch materiaal heeft een atoomrooster (SiC) of ionrooster (Al₂O₃): zeer hard.

• Bros: verschuiven in een ionrooster zet gelijke ladingen naast elkaar, het rooster splijt.

Syllabus M4.1 en M5.1: metaalroosters (invloed van de temperatuur, legeringen) en de kristalstructuur van keramische materialen (atoomrooster, ionrooster). Bij hogere temperatuur trillen de atomen sterker en schuiven lagen makkelijker. In een atoomrooster zijn alle bindingen sterk en gericht, een verschuiving breekt bindingen. Keramiek is hard maar bros. Geleiding (vrije elektronen en ionen) staat in Bindingen en polariteit en Elektrochemische cellen; corrosie in Redoxreacties. Veelgemaakte fout: denken dat een legering een verbinding is; het is een mengsel van metalen. Image credit: Ezrado / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Spoelen koolstofvezel, de versterking in composieten (foto: texdata.com, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Composieten en drie niveaus

• Een composiet heeft vezels in een matrix, zoals koolstofvezel in kunsthars.

• Vezels dragen de kracht, de matrix houdt ze vast. Een polymeermatrix brandt, glas of keramiek niet.

• Microniveau: atomen en bindingen. Mesoniveau: ketens, vezels, roosters. Macroniveau: de eigenschap.

• Verklaren: noem de eigenschap (macro) en de structuur die haar veroorzaakt (meso of micro).

Syllabus M4.2: composieten, polymeren, legeringen en keramische materialen: structuur en eigenschappen (brandbaarheid, brosheid, hardheid, vervormbaarheid, uv-gevoeligheid, waterbindend vermogen); M6.1: micro-, meso- en macroniveau. Een composiet combineert eigenschappen: de vezel is sterk en stijf, de matrix verdeelt de belasting en beschermt de vezels. De matrix is meestal een polymeer en is dus brandbaar; glasvezels en keramische vezels zijn al oxiden. Veelgemaakte fout: het niveau weglaten in een verklaring (alleen noemen dat het materiaal sterk is, zonder de structuur). Image credit: texdata.com / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Zet van klein naar groot: structuren in een nylon touw

1

Eén polymeerketen

2

Een touw van gevlochten vezels

3

Atomen en bindingen in één molecuul

4

Een bundel ketens in één vezel

Syllabus M6.1. Van micro (atomen, bindingen) via de keten naar meso (vezel) en macro (touw). Verwachte fout: de bundel ketens en de keten omwisselen.

Wat vond je het lastigst in deze les?

1

Mechanisme van additiepolymerisatie

2

Monomeren afleiden

3

Polymerisatiegraad en ketenlengte

4

Eigenschappen uit structuur verklaren

Gebruik de uitslag voor de volgorde in de examentraining. Mechanisme: terug naar de animatie; monomeren afleiden: terug naar het knippen om de twee C-atomen of bij de ester- en amidegroep.

Kies een kunststof en verklaar een eigenschap.

Laat leerlingen een voorwerp noemen en een eigenschap verklaren met de niveaus: eerst de eigenschap (macro), dan de structuur (meso of micro). Voorbeelden: pvc-buis (weekmaker), nylontouw (waterstofbruggen en vezels), pannengreep (crosslinks).

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Begrippen (1/2)

• additiepolymeer: polymeer uit monomeren met een C=C, met alleen C–C in de keten

• condensatiepolymeer: polymeer waarbij bij elke koppeling een klein molecuul, vaak H₂O, vrijkomt

• radicaal: deeltje met een ongepaard elektron, zeer reactief

• initiatie, propagatie, terminatie: start, groei en einde van een additiepolymerisatie

• polymerisatiegraad: gemiddeld aantal monomeereenheden per keten

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Begrippen (2/2)

• crosslink: atoombinding tussen twee polymeerketens

• thermoplast en thermoharder: zonder crosslinks: vervormbaar bij verwarmen; met veel crosslinks: niet smeltbaar

• weekmaker: molecuul tussen de ketens dat een polymeer zachter maakt

• mesoniveau: structuurniveau van gegroepeerde deeltjes, zoals ketens in vezels

• keramisch materiaal: materiaal met een atoom- of ionrooster: hard en bros