Samenvatting Hst 14 SK
Nieuwe Materialen
14.1 Metalen en legeringen
Een kernfusiereactie die op aarde kan verlopen is de reactie van deuterium (H-2 isotoop van
waterstof) met tritium (de H-3 isotoop van waterstof).
Reactie: 21𝐻 + 31𝐻 → 42𝐻𝑒 + 10𝑛
Deze fusiereactie heeft een zeer hoge activeringsenergie. De temperatuur moet dus heel hoog
zijn, want dan zijn de botsingen dermate heftig dat de atomen hun elektronen verliezen en er
mengsel ontstaat van positief geladen kernen en losse elektronen. Als er voldoende atomen
zijn geïoniseerd dan veranderen de eigenschappen van het gas, je spreekt dan van een
plasma → geleidt elektrische stroom en reageert op magneetvelden, andere gassen niet.
Bliksem en het noorderlicht zijn voorbeelden van plasma’s
Plasma’s kunnen niet alleen bij kernfusie worden gevormd, de metaallaag in een zak chips
wordt ook aangebracht met een plasma
Kernfusiereactor:
- Vorm van een donut
- In de ring bevindt zich het plasma, dat door sterke koperen magneetringen op zijn plek
wordt gehouden
- De wand van de reactor moet bestand zijn tegen hoge temperaturen
Edelheid van metalen
- Je kunt de edelheid van een metaal afleiden uit de grootte van de
standaardelektrodepotentiaal; hoe groter de potentiaal, des te edeler het metaal
- Tabel 48
- Als het metaal minder edel is, dan is het ook gevoeliger voor corrosie
Bescherming tegen corrosie
- Sommige metalen beschermen zichzelf: chroom, aluminium en wolfraam vormen
bijvoorbeeld een beschermend laagje wanneer ze corroderen
- Andere mogelijkheden:
▪ Afdekken met verflaag
▪ Het afdekken met een laagje van een ander metaal
▪ Poedercoaten: het te beschermen voorwerp wordt elektrisch geaard. Op het
voorwerp wordt een laag elektrostatisch geladen poederverf aangebracht, daarna
wordt het in de oven gebracht en hard het uit.
, Geleiding en buigzaamheid van metalen
- Geleiding te verklaren vanuit het microniveau: vrij bewegende valentie-elektronen die
om de positief geladen metaalionen heen zitten, zorgen voor geleiding.
▪ Vrij bewegende elektronen spelen ook een rol bij geleiding van warmte
▪ De metaalbinding is heel sterk, het zorgt voor hoge smeltpunten
- Buigzaamheid te verklaren vanuit het mesoniveau: metalen vormen kleine kristallen,
groepjes van metaalionen. Deze hebben een metaalrooster, maar het metaalrooster van
het ene kristal sluit niet precies aan op het andere metaalrooster.
▪ Wanneer een metaal wordt gebogen, dan bewegen de positief geladen
metaalionen langs elkaar heen, de valentie-elektronen blijven er tussendoor
bewegen en houden de metaalionen op hun nieuwe plaats bij elkaar
▪ Op de grensvlakken tussen de verschillende kristallen, is die beweging
moeilijker. Tussen de kristallen ontstaat weerstand tegen het verbuigen
▪ Daarnaast ontstaan door buiging ook roosterfouten in de kristallen, die maken
beweging ook moeilijker
▪ Door het metaal te verhitten, smelt een deel van de kleine kristallen weer samen
tot grote kristallen met minder roosterfouten. Het metaal heeft weer minder
grensvlakken en wordt daardoor minder hard
▪ Dus: hoe meer roosterfouten en hoe meer grensvlakken tussen kristallen, hoe
moeilijker het metaal te buigen is
Legeringen
- Bij een legering is een deel van de metaalatomen vervangen door andere atomen die
iets groter of kleiner zijn
- Legeringen zijn mengsels van twee of meer metalen
- Door het mengen van de metalen ontstaan verstoringen in het metaalrooster en
veranderen de eigenschappen op macroniveau
▪ Door de roosterfouten wordt het verschuiven van de lagen in de metaalkristallen
moeilijker → legeringen zijn daarom meestal harden dan zuivere metalen
- Een voorbeeld hiervan is ijzer met koolstof erin. Boven de 2% wordt het ijzer bros
(breekt als je met hamer erop slaat)
- Gietijzer: ijzer met een hoog % koolstof dat alleen in gewenste vorm te krijgen is door
het te gieten in een vorm
Bijzondere legeringen
- Smart material: stof waarvan je een of meer eigenschappen kunt veranderen door
invloeden van buitenaf
▪ Dit geheugenmateriaal kun je de gewenste vorm geven en kan weer
terugschieten in zijn originele vorm.
- Voor nitinol zijn er twee mogelijke kristalroosters, die van martensiet en austeniet. Bij
flink verwarmen gaan de atomen in het austenietrooster (b) zitten en bij afkoeling gaat
het over naar martensiet (a), dit is een flexibel rosster en kan je materiaal vervormen. Bij
opwarming gaat het materiaal terug naar originele vorm.
2
Nieuwe Materialen
14.1 Metalen en legeringen
Een kernfusiereactie die op aarde kan verlopen is de reactie van deuterium (H-2 isotoop van
waterstof) met tritium (de H-3 isotoop van waterstof).
Reactie: 21𝐻 + 31𝐻 → 42𝐻𝑒 + 10𝑛
Deze fusiereactie heeft een zeer hoge activeringsenergie. De temperatuur moet dus heel hoog
zijn, want dan zijn de botsingen dermate heftig dat de atomen hun elektronen verliezen en er
mengsel ontstaat van positief geladen kernen en losse elektronen. Als er voldoende atomen
zijn geïoniseerd dan veranderen de eigenschappen van het gas, je spreekt dan van een
plasma → geleidt elektrische stroom en reageert op magneetvelden, andere gassen niet.
Bliksem en het noorderlicht zijn voorbeelden van plasma’s
Plasma’s kunnen niet alleen bij kernfusie worden gevormd, de metaallaag in een zak chips
wordt ook aangebracht met een plasma
Kernfusiereactor:
- Vorm van een donut
- In de ring bevindt zich het plasma, dat door sterke koperen magneetringen op zijn plek
wordt gehouden
- De wand van de reactor moet bestand zijn tegen hoge temperaturen
Edelheid van metalen
- Je kunt de edelheid van een metaal afleiden uit de grootte van de
standaardelektrodepotentiaal; hoe groter de potentiaal, des te edeler het metaal
- Tabel 48
- Als het metaal minder edel is, dan is het ook gevoeliger voor corrosie
Bescherming tegen corrosie
- Sommige metalen beschermen zichzelf: chroom, aluminium en wolfraam vormen
bijvoorbeeld een beschermend laagje wanneer ze corroderen
- Andere mogelijkheden:
▪ Afdekken met verflaag
▪ Het afdekken met een laagje van een ander metaal
▪ Poedercoaten: het te beschermen voorwerp wordt elektrisch geaard. Op het
voorwerp wordt een laag elektrostatisch geladen poederverf aangebracht, daarna
wordt het in de oven gebracht en hard het uit.
, Geleiding en buigzaamheid van metalen
- Geleiding te verklaren vanuit het microniveau: vrij bewegende valentie-elektronen die
om de positief geladen metaalionen heen zitten, zorgen voor geleiding.
▪ Vrij bewegende elektronen spelen ook een rol bij geleiding van warmte
▪ De metaalbinding is heel sterk, het zorgt voor hoge smeltpunten
- Buigzaamheid te verklaren vanuit het mesoniveau: metalen vormen kleine kristallen,
groepjes van metaalionen. Deze hebben een metaalrooster, maar het metaalrooster van
het ene kristal sluit niet precies aan op het andere metaalrooster.
▪ Wanneer een metaal wordt gebogen, dan bewegen de positief geladen
metaalionen langs elkaar heen, de valentie-elektronen blijven er tussendoor
bewegen en houden de metaalionen op hun nieuwe plaats bij elkaar
▪ Op de grensvlakken tussen de verschillende kristallen, is die beweging
moeilijker. Tussen de kristallen ontstaat weerstand tegen het verbuigen
▪ Daarnaast ontstaan door buiging ook roosterfouten in de kristallen, die maken
beweging ook moeilijker
▪ Door het metaal te verhitten, smelt een deel van de kleine kristallen weer samen
tot grote kristallen met minder roosterfouten. Het metaal heeft weer minder
grensvlakken en wordt daardoor minder hard
▪ Dus: hoe meer roosterfouten en hoe meer grensvlakken tussen kristallen, hoe
moeilijker het metaal te buigen is
Legeringen
- Bij een legering is een deel van de metaalatomen vervangen door andere atomen die
iets groter of kleiner zijn
- Legeringen zijn mengsels van twee of meer metalen
- Door het mengen van de metalen ontstaan verstoringen in het metaalrooster en
veranderen de eigenschappen op macroniveau
▪ Door de roosterfouten wordt het verschuiven van de lagen in de metaalkristallen
moeilijker → legeringen zijn daarom meestal harden dan zuivere metalen
- Een voorbeeld hiervan is ijzer met koolstof erin. Boven de 2% wordt het ijzer bros
(breekt als je met hamer erop slaat)
- Gietijzer: ijzer met een hoog % koolstof dat alleen in gewenste vorm te krijgen is door
het te gieten in een vorm
Bijzondere legeringen
- Smart material: stof waarvan je een of meer eigenschappen kunt veranderen door
invloeden van buitenaf
▪ Dit geheugenmateriaal kun je de gewenste vorm geven en kan weer
terugschieten in zijn originele vorm.
- Voor nitinol zijn er twee mogelijke kristalroosters, die van martensiet en austeniet. Bij
flink verwarmen gaan de atomen in het austenietrooster (b) zitten en bij afkoeling gaat
het over naar martensiet (a), dit is een flexibel rosster en kan je materiaal vervormen. Bij
opwarming gaat het materiaal terug naar originele vorm.
2
