Samenvatting H14
14.1 Metalen en legeringen
Metalen in extreme omstandigheden
De kernfusiereactie van het H-2 (deuterium) en H-3 (tritium) isotoop van
waterstof (in gasfase) ziet er als volgt uit:
2 3 4 1
1H + 1H 2He + 0n
A
Z X X = atoom
Z = atoomnummer (aantal protonen)
A = massagetal (protonen + neutronen)
De activeringsenergie ligt hoog voor deze reactie zodat de twee isotopen hard tegen elkaar
kunnen botsen. Ze verliezen dan hun elektronen en er ontstaat een mengsel van positief
geladen kernen en losse elektronen. Wanneer genoeg atomen zijn geïoniseerd heb je geen
gas meer, maar een plasma. Plasma geleidt elektrische stroom en reageert op
magneetvelden in tegenstelling tot gassen.
Edelheid van metalen
Een edel metaal reageert niet gemakkelijk met andere stoffen en een onedel metaal
reageert wel makkelijk met andere stoffen. De standaardelektrodepotentiaal bij metalen
(tabel 48 zie reductoren) laat zien of een metaal edel is of niet. Hoe groter de potentiaal, hoe
meer edel het is. Hoe minder edel een metaal is hoe gevoeliger het is voor corrosie, dit is de
aantasting van een metaal door redoxreacties met zuurstof en water.
Metalen die niet veel corroderen vormen een geoxideerd laagje, dit sluit het metaal af van
verdere aantasting. Metalen die meer corroderen krijgen ook een geoxideerd laagje, ijzer
wordt bijv. ijzeroxide, maar dit laagje sluit niet de rest van de metaal af van verdere oxidatie.
Dit soort gevoelige metalen kan je op de volgende manieren beschermen:
- Afdekken met een verflaag
- Het metaal afdekken met een laagje van een ander metaal
- Poedercoaten, waarbij een poeder een vaste laag verf vormt over het voorwerp.
- Opofferingsmetaal: je plaats stukken metaal onder bijv. een boot die wel mogen
corroderen zodat de boot zelf niet beschadigd raakt. Het opofferingsmetaal moet
steeds vervangen worden en is zeer onedel.
Geleiding en buigzaamheid van metalen
Metalen hebben een hoog smeltpunt omdat ze bestaan uit sterke metaalbindingen. Ook
geleiden metalen goed elektriciteit door de vrij bewegende valentie-elektronen.
De buigbaarheid van metaal is verklaarbaar vanuit het mesoniveau. Metalen vormen uit
groepjes metaalionen kristallen. Elk van deze kristallen hebben een eigen metaalrooster die
niet precies aansluit op het andere kristal. Op het grensvlak van metaalkristallen is het
rooster niet perfect geordend waardoor verschuivingen niet goed worden doorgegeven, er
ontstaat weerstand tegen het buigen. Smeed je een metaal met een hamer dan breken de
, kristallen en heb je dus meer grensvlakken waardoor de metaal moeilijker buigt, verhit je het
metaal dan smelten de kleine kristallen weer samen tot grotere kristallen.
Legeringen
Zuivere metalen zijn vaak vrij zacht, maar als er veranderingen worden aangebracht aan een
metaalrooster kan je deze eigenschap veranderen. Bij een legering (alliage) is een deel van
de metaalatomen vervangen door andere atomen die iets groter/kleiner zijn. Deze atomen
zorgen voor roosterfouten waardoor de verschuiving van de metaalkristallen moeilijker
wordt:
Wordt een legering te hard dan wordt het bros, het zal dus barsten wanneer je het bewerkt
met een hamer. Verschillende legeringen zijn te vinden in Binas tabel 9.
Bijzondere legeringen
Materialen die speciale eigenschappen hebben heten smart materials. Een voorbeeld
hiervan is nitinol bestaande uit gelijke hoeveelheden nikkel en titaan. Dit geheugenmetaal
geef je een gewenste vorm op 500 °C, koel je de metaal af en buig je het dan zal het terug
gaan naar zijn originele vorm wanneer het wordt verwarmd. Nitinol heeft twee
kristalroosters: martensiet (links, onder 20 °C) en austeniet (rechts, hete temp).
14.1 Metalen en legeringen
Metalen in extreme omstandigheden
De kernfusiereactie van het H-2 (deuterium) en H-3 (tritium) isotoop van
waterstof (in gasfase) ziet er als volgt uit:
2 3 4 1
1H + 1H 2He + 0n
A
Z X X = atoom
Z = atoomnummer (aantal protonen)
A = massagetal (protonen + neutronen)
De activeringsenergie ligt hoog voor deze reactie zodat de twee isotopen hard tegen elkaar
kunnen botsen. Ze verliezen dan hun elektronen en er ontstaat een mengsel van positief
geladen kernen en losse elektronen. Wanneer genoeg atomen zijn geïoniseerd heb je geen
gas meer, maar een plasma. Plasma geleidt elektrische stroom en reageert op
magneetvelden in tegenstelling tot gassen.
Edelheid van metalen
Een edel metaal reageert niet gemakkelijk met andere stoffen en een onedel metaal
reageert wel makkelijk met andere stoffen. De standaardelektrodepotentiaal bij metalen
(tabel 48 zie reductoren) laat zien of een metaal edel is of niet. Hoe groter de potentiaal, hoe
meer edel het is. Hoe minder edel een metaal is hoe gevoeliger het is voor corrosie, dit is de
aantasting van een metaal door redoxreacties met zuurstof en water.
Metalen die niet veel corroderen vormen een geoxideerd laagje, dit sluit het metaal af van
verdere aantasting. Metalen die meer corroderen krijgen ook een geoxideerd laagje, ijzer
wordt bijv. ijzeroxide, maar dit laagje sluit niet de rest van de metaal af van verdere oxidatie.
Dit soort gevoelige metalen kan je op de volgende manieren beschermen:
- Afdekken met een verflaag
- Het metaal afdekken met een laagje van een ander metaal
- Poedercoaten, waarbij een poeder een vaste laag verf vormt over het voorwerp.
- Opofferingsmetaal: je plaats stukken metaal onder bijv. een boot die wel mogen
corroderen zodat de boot zelf niet beschadigd raakt. Het opofferingsmetaal moet
steeds vervangen worden en is zeer onedel.
Geleiding en buigzaamheid van metalen
Metalen hebben een hoog smeltpunt omdat ze bestaan uit sterke metaalbindingen. Ook
geleiden metalen goed elektriciteit door de vrij bewegende valentie-elektronen.
De buigbaarheid van metaal is verklaarbaar vanuit het mesoniveau. Metalen vormen uit
groepjes metaalionen kristallen. Elk van deze kristallen hebben een eigen metaalrooster die
niet precies aansluit op het andere kristal. Op het grensvlak van metaalkristallen is het
rooster niet perfect geordend waardoor verschuivingen niet goed worden doorgegeven, er
ontstaat weerstand tegen het buigen. Smeed je een metaal met een hamer dan breken de
, kristallen en heb je dus meer grensvlakken waardoor de metaal moeilijker buigt, verhit je het
metaal dan smelten de kleine kristallen weer samen tot grotere kristallen.
Legeringen
Zuivere metalen zijn vaak vrij zacht, maar als er veranderingen worden aangebracht aan een
metaalrooster kan je deze eigenschap veranderen. Bij een legering (alliage) is een deel van
de metaalatomen vervangen door andere atomen die iets groter/kleiner zijn. Deze atomen
zorgen voor roosterfouten waardoor de verschuiving van de metaalkristallen moeilijker
wordt:
Wordt een legering te hard dan wordt het bros, het zal dus barsten wanneer je het bewerkt
met een hamer. Verschillende legeringen zijn te vinden in Binas tabel 9.
Bijzondere legeringen
Materialen die speciale eigenschappen hebben heten smart materials. Een voorbeeld
hiervan is nitinol bestaande uit gelijke hoeveelheden nikkel en titaan. Dit geheugenmetaal
geef je een gewenste vorm op 500 °C, koel je de metaal af en buig je het dan zal het terug
gaan naar zijn originele vorm wanneer het wordt verwarmd. Nitinol heeft twee
kristalroosters: martensiet (links, onder 20 °C) en austeniet (rechts, hete temp).
