Materialen en eigenschappen (Scheikunde havo), les 1: Uitleg

• newEditor
• Scheikunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 4,5

Introduction

Uitleg over materialen en hun eigenschappen: het metaalrooster, geleiding en vervormbaarheid, legeringen, composieten, micro-, meso- en macroniveau en een materiaalkeuze toelichten. Met 2 animaties, foto's, eigen figuren en 6 controlevragen.

Warmwalserij: gloeiend staal gaat door de walsen (foto: Erik Charlton, CC BY 2.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MATERIALEN

Materialen en eigenschappen

Examenstof scheikunde havo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: M3.1, M3.2, M4.1, M5.1, M6.1, M6.2, M7.1, R4.2. Image credit: Erik Charlton / Wikimedia Commons, CC BY 2.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MATERIALEN

Wat ga je kunnen?

Ik kan met de structuur van metalen, legeringen en composieten hun eigenschappen en verwerking verklaren en een materiaalkeuze toelichten.

Waarom is een metalen lepel anders dan een plastic lepel?

Verwachte woorden: hard, buigt, geleidt, warm, koud, glanst, zwaar, smelt, branden, breekt. Sorteer ze op eigenschap en koppel aan de les: een metaal heeft een rooster met vrije elektronen, een kunststof bestaat uit moleculen of polymeren. Veelgemaakte misvatting: dat metaal koud is omdat het koud maakt; het geleidt warmte van je hand snel af.

Metaalrooster: ionen vast, elektronen vrij (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MATERIALEN

Metaalbinding en metaalrooster

• Een metaal bestaat uit een metaalrooster: positieve metaalionen, netjes geordend.

• Elk metaalatoom staat een of meer elektronen af. Die vrije elektronen bewegen tussen de ionen.

• De aantrekking tussen de positieve ionen en de vrije elektronen is de metaalbinding.

• Een metaal bestaat dus niet uit moleculen: het rooster is één groot geheel.

Syllabus M3.1 (metaalbinding) en M3.2 (metaalrooster): beschrijving op microniveau. Laat de animatie een keer helemaal lopen. Kijkvraag: welke deeltjes bewegen, en welke blijven op hun plaats? Antwoord: de vrije elektronen bewegen, de positieve ionen trillen alleen een beetje op hun plek. In de animatie staat een plus in elk ion: het ion is positief omdat het elektronen heeft afgestaan. Veelgemaakte fout: denken dat metaalatomen onderling elektronenparen delen zoals in een molecuul, of dat de ionen zelf door het rooster stromen. Image credit: Eigen animatie

Gevlochten koperdraad: koper geleidt stroom goed (foto: Alisdojo, CC0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MATERIALEN

Geleiding: ladingdragers

• Een stof geleidt stroom als er ladingdragers zijn die kunnen bewegen.

• In een metaal zijn dat de vrije elektronen, zowel in vast als in vloeibaar metaal.

• Een zout geleidt pas als de ionen kunnen bewegen: gesmolten of opgelost, niet vast.

• Moleculaire stoffen hebben meestal geen ladingdragers en geleiden niet.

Syllabus M4.1 (elektrisch geleidingsvermogen: aanwezigheid en beweeglijkheid van ladingdragers, elektronen en ionen) en M6.1 (beweeglijkheid van ladingsdragers en geleidbaarheid). Koperdraad is de klassieke toepassing. Zouten komen uitgebreid aan bod in het onderwerp Zouten en oplosbaarheid; hier alleen als vergelijking. Veelgemaakte fout: zeggen dat een metaal geleidt omdat de ionen bewegen. In een metaal bewegen alleen de elektronen. Moleculaire stoffen hebben meestal geen ladingdragers; uitzonderingen zoals grafiet vallen buiten dit onderwerp. Image credit: Alisdojo / Wikimedia Commons, CC0

Smid vormt gloeiend staal onder een krachthamer (foto: Wasapl, CC BY-SA 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MATERIALEN

Vervormbaarheid van metalen

• Bij een kracht schuiven lagen ionen over elkaar.

• De vrije elektronen blijven tussen de ionen: de metaalbinding blijft, het metaal breekt niet.

• Daarom kun je metaal buigen en uitsmeden: het is vervormbaar.

• Bij hoge temperatuur trillen de ionen heftiger, dus schuiven de lagen makkelijker.

Syllabus M4.1 (vervormbaarheid en roosteropbouw) en M6.1 (roosters en vervormbaarheid, invloed van de temperatuur). Verklaar op microniveau: het rooster blijft bij elkaar door de vrije elektronen, ook nadat lagen zijn verschoven. Een zout daarentegen breekt, omdat bij verschuiving gelijke ladingen naast elkaar komen (zie Zouten en oplosbaarheid). Veelgemaakte fout: zeggen dat de bindingen breken bij het buigen. De metaalbinding wordt telkens opnieuw gevormd. Image credit: Wasapl / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Vul in

De metaalbinding is de aantrekking tussen positieve metaalionen en vrije elektronen in het rooster.

metaalbinding

metaalionen

vrije elektronen

ionbinding

moleculen

Syllabus M3.1 en M3.2. De begrippen staan op de dia Metaalbinding en metaalrooster. Verwachte fout: ionbinding invullen, omdat er ionen in het rooster zitten. Bij een ionbinding trekken positieve en negatieve ionen elkaar aan; hier zijn het de vrije elektronen.

Waarom geleidt een draad van vast koper stroom?

A

De koperionen kunnen door het rooster bewegen

B

De bindingen tussen de koperatomen geleiden de stroom

C

De vrije elektronen kunnen door het rooster bewegen

D

Koper bevat moleculen met gedeelde elektronenparen

Syllabus M4.1. In vast koper zijn de elektronen vrij beweeglijk, de ionen zitten vast in het rooster. Verwachte fout: de ionen kiezen als ladingdragers. Dat geldt voor een gesmolten of opgelost zout, niet voor een metaal.

Zuiver metaal en legering onder kracht (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MATERIALEN

Legering: harder dan zuiver metaal

• Een legering is een metaal gemengd met andere atomen, vaak ook metalen.

• De vreemde atomen hebben een ander formaat en verstoren het regelmatige rooster.

• De lagen schuiven moeilijker: de legering is harder en minder vervormbaar dan het zuivere metaal.

• Voorbeelden: brons (koper en tin), messing (koper en zink), staal (ijzer en koolstof).

Syllabus M3.1 (legering), M6.1 (metaalroosters, legeringen) en M5.1 (legeringen: hardheid, vervormbaarheid). De figuur is een schematische doorsnede van drie lagen atomen. Kijkvraag: waarom komt de bovenste laag in de legering niet verder? Antwoord: het grotere atoom zit in de weg, de lagen kunnen niet over elkaar schuiven. De samenstellingen van brons, messing en staal zijn gangbare voorbeelden; de syllabus noemt ze niet. Veelgemaakte fout: denken dat een legering een verbinding is waarin de atomen moleculen vormen. Het blijft een metaalrooster. Image credit: Eigen animatie

Brons met zichtbare kristalkorrels in een gegoten schaal (foto: Anonimski, CC BY-SA 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MATERIALEN

Hardheid en brosheid

• Hardheid is de weerstand tegen krassen en indrukken: hoe moeilijker de lagen schuiven, hoe harder.

• Brosheid: een materiaal breekt zonder eerst te vervormen.

• Staal met meer koolstof is harder maar ook brosser. Zuiver ijzer is zacht en goed vervormbaar.

• Bij een legering kies je dus de samenstelling bij het gebruik, zoals brons voor klokken.

Syllabus M5.1 (hardheid, brosheid, vervormbaarheid bij legeringen). De omschrijvingen van hardheid en brosheid zijn eigen omschrijvingen voor leerlingen; de syllabus geeft geen definitie. Veelgemaakte fout: hardheid en sterkte of hardheid en brosheid als hetzelfde zien. Een materiaal kan hard en bros zijn, maar ook hard en toch goed vervormbaar. Image credit: Anonimski / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Walsen, persen en gieten schematisch (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MATERIALEN

Metalen verwerken

• Gieten: vloeibaar metaal laten stollen in een mal, handig voor ingewikkelde vormen.

• Walsen: een metaal tussen rollen door duwen tot een plaat of folie.

• Persen: een metaal met een stempel in een mal drukken.

• Walsen en persen kunnen doordat metaal vervormbaar is. Kunststoffen verwerk je anders (zie Polymeren).

Syllabus R4.2 (metalen: persen, gieten, walsen) en M5.1/M4.1 (vervormbaarheid). De methode volgt uit de eigenschap: walsen en persen vragen vervormbaarheid, gieten vraagt een metaal dat vloeibaar kan worden. Warm metaal vervormt makkelijker (invloed van de temperatuur, dia Vervormbaarheid van metalen). Voor thermoplasten noemt de syllabus spuitgieten, extruderen en blazen, voor thermoharders polymeriseren in een mal; dat staat in het onderwerp Polymeren. Veelgemaakte fout: gieten en spuitgieten door elkaar halen. Image credit: Eigen figuur

Brons (koper met tin) is harder dan zuiver koper. Waarom?

A

Tinatomen hinderen het schuiven van de lagen

B

Brons heeft meer vrije elektronen dan koper

C

Koper en tin vormen samen moleculen

D

De tinatomen maken het rooster een ionrooster

Syllabus M3.1, M5.1 en M6.1. Tinatomen hebben een ander formaat dan koperatomen en verstoren het rooster. Verwachte fout: meer vrije elektronen kiezen, of denken dat de legering een verbinding is.

Vul in

Bij gieten stolt vloeibaar metaal in een mal. Bij walsen gaat een metaal tussen rollen door tot een plaat.

gieten

walsen

persen

extruderen

Syllabus R4.2. De methoden staan op de dia Metalen verwerken. Verwachte fout: persen invullen bij walsen. Bij persen drukt een stempel het metaal in een mal, bij walsen gaat het tussen rollen door.

Spoelen koolstofvezel in een fabriek (foto: Acheolg, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MATERIALEN

Composiet: samen sterker

• Een composiet bestaat uit twee of meer materialen met verschillende eigenschappen, samen gebruikt.

• Vaak zitten sterke vezels (van glas of koolstof) in een kunststof. De vezels dragen de kracht.

• Gewapend beton is ook een composiet: staal in beton.

• De eigenschappen van het composiet komen van beide materialen en van hun ordening.

Syllabus M5.1 en M7.1 (composieten, mesoniveau: vezels). De syllabus geeft geen definitie van een composiet; dit is een eigen omschrijving voor leerlingen. Voorbeelden: glasvezelversterkt polyester, koolstofvezelcomposiet, gewapend beton. Kijkvraag: welk materiaal draagt de kracht en welk materiaal houdt de vezels op hun plaats? Veelgemaakte fout: een composiet zien als een legering. Een legering is één metaalrooster met vreemde atomen, een composiet bevat twee materialen die je onder een microscoop apart ziet. Image credit: Acheolg / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Micro-, meso- en macroniveau bij een composiet (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MATERIALEN

Micro-, meso- en macroniveau

• Microniveau: atomen, groepen, bindingen, moleculen en ionen.

• Mesoniveau: groepen deeltjes geordend tot grotere structuren, zoals vezels of kristallen.

• Macroniveau: de eigenschappen van de stof of het materiaal, zoals hardheid en geleiding.

• Een eigenschap verklaar je soms pas met het mesoniveau, bijvoorbeeld de ordening van vezels.

Syllabus M7.1: microstructuur, mesostructuur en macrostructuur. Voorbeelden uit de syllabus (voetnoot): vezels bij polymeren en kristalstructuren bij metalen op mesoniveau. Gebruik de figuur: een koolstofvezelcomposiet op drie niveaus. Veelgemaakte fout: het mesoniveau overslaan en alles op microniveau verklaren, of macroniveau (eigenschap) en microniveau (oorzaak) verwisselen. Een goed antwoord noemt de oorzaak op micro- of mesoniveau en de eigenschap op macroniveau. Image credit: Eigen figuur

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MATERIALEN

Eigenschappen vergelijken

• Brandbaarheid: kunststoffen (ook de kunststof in een composiet) bevatten vooral C- en H-atomen en branden; legeringen branden niet.

• Geleidend vermogen: legeringen geleiden met vrije elektronen; kunststoffen hebben geen vrije ladingdragers.

• Waterbindend vermogen: materiaal met veel O-H- of N-H-groepen is hydrofiel en bindt water, zonder die groepen is het hydrofoob.

• Corrosiegevoeligheid: onedele metalen corroderen, tenzij een beschermend oxidelaagje ze afschermt (zie Redoxreacties).

• Uv-lichtgevoeligheid: polymeren met C=C-bindingen reageren op uv-licht (zie Polymeren); metalen niet.

Syllabus M5.1 (brandbaarheid, geleidend vermogen, waterbindend vermogen, corrosiegevoeligheid, uv-lichtgevoeligheid) en M6.1 (moleculaire structuur en oplosbaarheid: N-H, O-H, hydrofiel, hydrofoob). Deze dia verbindt de eigenschappen met de structuur; corrosie staat in Redoxreacties en uv-gevoeligheid in Polymeren. Hydrofiel en hydrofoob staan ook in Moleculen en bindingen. Katoen en andere vezels met veel O-H-groepen zijn voorbeelden van waterbindend materiaal. Veelgemaakte fout: denken dat alle kunststoffen water binden of dat alle metalen even gevoelig zijn voor corrosie.

Roestvrij stalen pot met deksel (foto: Yapparina, CC0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MATERIALEN

Een materiaalkeuze toelichten

• Noem de eis aan het product, bijvoorbeeld hard, geleidend of niet corroderend.

• Zoek de eigenschap van het materiaal die daarbij past.

• Verklaar die eigenschap met de structuur: rooster, vezels of groepen.

• Sluit af met een conclusie over de keuze. Voorbeeld: roestvrij staal voor keukengerei, want chroom vormt een beschermend oxidelaagje.

Syllabus M6.2: een gegeven keuze voor een materiaal toelichten met structuur-eigenschaprelaties uit M6.1. Het chroom in roestvrij staal vormt een dun oxidelaagje; dat is een beschermende laag zoals bij aluminium (zie Redoxreacties). Veelgemaakte fout: alleen de eigenschap noemen (roestvrij staal roest niet) zonder de verklaring op micro- of mesoniveau. Image credit: Yapparina / Wikimedia Commons, CC0

Welke uitspraak gaat over het mesoniveau?

A

C-atomen zitten vast met atoombindingen

B

Het materiaal is sterk en licht

C

Elektronen bewegen vrij tussen ionen

D

Vezels liggen evenwijdig in de kunststof

Syllabus M7.1. De ordening van vezels is een structuur op mesoniveau. De atoombindingen en de vrije elektronen horen bij het microniveau, sterk en licht bij het macroniveau. Verwachte fout: de vrije elektronen kiezen, omdat ze in een rooster zitten.

Zet de stappen van een materiaalkeuze op volgorde

1

Zoek de passende eigenschap van het materiaal

2

Noem de eis aan het product

3

Verklaar die eigenschap met de structuur

4

Sluit af met een conclusie over de keuze

Syllabus M6.2. De volgorde staat op de dia Een materiaalkeuze toelichten. Verwachte fout: beginnen met de verklaring zonder eerst de eis te noemen.

Wat vond je het lastigst in deze les?

1

Het metaalrooster en de vrije elektronen

2

Legeringen en hardheid

3

Composieten en het mesoniveau

4

Een materiaalkeuze toelichten

Gebruik de uitkomst om te kiezen waar je met de examentraining begint. Metaalrooster: animatie nog eens laten lopen. Mesoniveau: terug naar de figuur met drie niveaus.

Noem een voorwerp en verklaar het materiaal.

Laat een paar leerlingen hun voorbeeld noemen, bijvoorbeeld een koperen kabel, een stalen fiets of een fietsframe van koolstofvezel. Eis noemen, eigenschap, verklaring op micro- of mesoniveau. Corrigeer waar een leerling alleen de eigenschap noemt.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MATERIALEN

Begrippen (1/2)

• metaalbinding: aantrekking tussen positieve metaalionen en vrije elektronen

• metaalrooster: geordende positieve metaalionen met vrije elektronen

• legering: metaal gemengd met andere atomen, harder dan het zuivere metaal

• composiet: twee of meer materialen samen, bijvoorbeeld vezels in een kunststof

• microniveau: atomen, groepen, bindingen, moleculen en ionen

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · MATERIE · MATERIALEN

Begrippen (2/2)

• mesoniveau: ordening van groepen deeltjes, zoals vezels of kristallen

• macroniveau: de eigenschappen van een stof of materiaal

• hardheid: weerstand tegen krassen en indrukken

• brosheid: breken zonder eerst te vervormen

• geleidend vermogen: mate waarin vrij beweeglijke ladingdragers stroom doorlaten