Polymeren en materialen (Scheikunde vwo), les 2: Examentraining

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

Introduction

Examentraining polymeren en materialen: monomeren afleiden, mechanisme en ketenlengte, eigenschap uit structuur en legering, keramiek of composiet, met stappenplan, 8 vragen in examenstijl en tips.

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

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Examentraining

Polymeren en materialen: zo pak je examenvragen aan

Les 2 van 3. Laat leerlingen in tweetallen overleggen bij de open vragen. Image credit: 01x07x2022000 / Wikimedia Commons, CC0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Wat ga je kunnen?

Ik kan monomeren afleiden, het mechanisme en de ketenlengte van een additiepolymerisatie beschrijven en eigenschappen van polymeren en materialen uit hun structuur verklaren.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Zo pak je een examenvraag aan

• 1. Lees: wat is gegeven: een polymeer, een monomeer, een mechanisme of een eigenschap?

• 2. Bepaal: additie (alleen C–C in de keten) of condensatie (ester of amide in de keten).

• 3. Redeneer: noem eerst de structuur (micro en meso), dan de eigenschap (macro).

• 4. Controleer: kloppen de atomen, is H₂O meegeteld, kloppen eenheden en significante cijfers?

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Vraagtype 1: monomeren afleiden

• Additie: knip om de twee C-atomen en zet de C=C terug; zijgroepen blijven hangen.

• Condensatie: knip bij de ester- of amide-binding; voeg OH aan C en H aan O of N toe.

–NH–(CH₂)₄–NH–C(=O)–(CH₂)₈–C(=O)– is een polyamide. Uit welke monomeren ontstaat het?

A

H₂N–(CH₂)₈–NH₂ en HOOC–(CH₂)₄–COOH

B

H₂N–(CH₂)₄–NH₂ en HOOC–(CH₂)₆–COOH

C

HO–(CH₂)₄–OH en HOOC–(CH₂)₈–COOH

D

H₂N–(CH₂)₄–NH₂ en HOOC–(CH₂)₈–COOH

Syllabus R2.3. Knip bij beide C–N bindingen: NH–(CH₂)₄–NH wordt H₂N–(CH₂)₄–NH₂ en C(=O)–(CH₂)₈–C(=O) wordt HOOC–(CH₂)₈–COOH (10 C-atomen in het dizuur). Verwachte fouten: de aantallen CH₂ verwisselen, de C(=O)-koolstofatomen vergeten mee te tellen of een diol kiezen.

Monomeren van –CH₂–CH(CH₃)–CH₂–CH(C₆H₅)–?

Syllabus R2.1 en R2.3. Een copolymeer: knip na elke twee C-atomen. Antwoord: CH₂=CH–CH₃ (propeen) en CH₂=CH–C₆H₅ (ethenylbenzeen of styreen). Verwachte fout: de CH₃ of de fenylgroep als apart monomeer zien.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Vraagtype 2: mechanisme en ketenlengte

• Initiatie: radicalen uit een initiator. Propagatie: radicaal + monomeer wordt een langer radicaal. Terminatie: twee radicalen koppelen.

• Polymerisatiegraad = M(polymeer) : M(eenheid). Meer initiator geeft meer ketens, dus kortere ketens.

Twee keer zoveel initiator, verder gelijk. Wat verandert er in de polymerisatie?

A

De gemiddelde ketenlengte wordt groter

B

Er ontstaan crosslinks tussen de ketens

C

De monomeren vormen een condensatiepolymeer

D

De gemiddelde ketenlengte wordt kleiner

Syllabus R2.3. Meer initiator geeft meer radicalen en dus meer groeiende ketens uit dezelfde hoeveelheid monomeer: elke keten wordt korter. Verwachte fout: denken dat meer initiator langere ketens geeft omdat de reactie sneller gaat.

Polypropeen heeft een gemiddelde M van 8,4·10⁴ u. Hoeveel eenheden per keten?

A

3,0·10³

B

2,0·10³

C

1,0·10³

D

3,5·10⁶

Syllabus R2.3. M(C₃H₆) = 3 × 12,01 + 6 × 1,008 = 42,08 u. Polymerisatiegraad = 8,4·10⁴ : 42,08 = 1,996·10³, afgerond op twee significante cijfers 2,0·10³. Verwachte fouten: M van etheen (28,05) gebruiken geeft 3,0·10³; delen door 2 × 42,08 geeft 1,0·10³; vermenigvuldigen geeft 3,5·10⁶.

Oude draaischijftelefoon met een harde kunststof kast (foto: James Cridland, CC BY 2.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Vraagtype 3: eigenschap uit structuur

• Noem eerst de structuur (crosslinks, ketenlengte, groepen, weekmaker), dan de eigenschap.

• Uv: meervoudige bindingen en crosslinks. Water: polaire groepen. Afbreekbaar: ester of amide.

Image credit: James Cridland / Wikimedia Commons, CC BY 2.0

Een kabel met veel C=C in de polymeerketen wordt in de zon stug. Waarom?

A

Uv-licht splitst estergroepen door hydrolyse

B

Uv-licht breekt de vanderwaalsbindingen

C

Uv-licht vormt radicalen die ketens koppelen

D

Uv-licht koppelt extra monomeer aan de ketens

Syllabus M4.1 en M5.1. De C=C bindingen nemen uv-licht op, er ontstaan radicalen en die vormen crosslinks tussen de ketens: stug en bros. Verwachte fout: hydrolyse kiezen; daarvoor is water nodig en de kabel bevat geen estergroepen.

Verklaar: polymeer met COO⁻ bindt veel water.

Syllabus M5.1. Antwoord: de COO⁻-groepen zijn geladen en polair en binden watermoleculen (ion-dipool en waterstofbruggen); weinig crosslinks laten het netwerk zwellen. Verwachte fout: alleen zeggen dat het polymeer water opneemt, zonder de groepen en de bindingen te noemen.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Vraagtype 4: legering, keramiek, composiet

• Metaal: lagen schuiven; een vreemd atoom of een lage temperatuur maakt schuiven moeilijker.

• Composiet: vezels dragen de kracht, matrix houdt ze vast; een polymeermatrix is brandbaar.

Waarom is SiC veel harder dan ijzer?

Syllabus M4.2 en M5.1: kristalstructuur van keramische materialen (atoomrooster), metaalroosters. Antwoord: SiC heeft een atoomrooster waarin elk atoom met sterke, gerichte atoombindingen aan zijn buren vastzit; vervormen betekent atoombindingen verbreken. In ijzer schuiven lagen langs elkaar terwijl de metaalbinding blijft bestaan. Verwachte fout: SiC een ionrooster of een moleculaire stof noemen.

Glasvezelversterkt polyester wordt in een vlam gehouden. Wat brandt er?

A

De matrix: het polymeer reageert met O₂

B

De glasvezels: hun atoomrooster reageert met O₂

C

Beide even goed, want ze zijn even brandbaar

D

Geen van beide, want composieten branden niet

Syllabus M4.2 (brandbaarheid). De matrix is een polyester met C- en H-atomen die met zuurstof reageren; glas (SiO₂) is al een oxide. Verwachte fout: denken dat de vezel brandt omdat die het sterkst is.

Welk vraagtype vind jij het lastigst?

1

Monomeren afleiden

2

Mechanisme en ketenlengte

3

Eigenschap uit polymeerstructuur

4

Legering, keramiek of composiet

Bespreek het gekozen vraagtype met een voorbeeld op het bord.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · POLYMEREN · MATERIALEN

Tips voor op het examen

• Bij monomeren afleiden: tel de C-atomen in de hoofdketen en knip om de twee C-atomen of bij de ester of amide.

• Bij condensatie: tel het water mee en controleer de atomen links en rechts.

• Bij een berekening: gebruik de molaire massa van de eenheid en let op de significante cijfers.

• Bij verklaren: noem de eigenschap, de structuur en het niveau (micro, meso, macro).