Scheikunde:
Hoofdstuk 9: Materialen
Paragraaf 1: Materiaaleigenschappen
Als een materiaal wordt beschreven, dan kan dat op verschillende manieren. Als
gekeken wordt naar waarneembare en meetbare eigenschappen, dan wordt
gesproken over macroniveau.
Zo is een kleur van een stof een eigenschap op macroniveau. Kook- en smeltpunt
zijn dat ook, net zoals de oplosbaarheid in water. Veel eigenschappen op
macroniveau kunnen worden verklaard door te kijken naar het macroniveau. Een
beschrijving op microniveau gebruikt begrippen als moleculen, atomen en ionen. Het
gaat ook over de bindingen tussen deze deeltjes. Kortweg wordt wel gezegd dat het
microniveau gaat over het deeltjesniveau.
Niet alle eigenschappen op macroniveau kunnen worden verklaard door te kijken
naar het microniveau. Ook de manier waarop deeltjes worden geordend ten opzichte
van elkaar in grotere structuren kan daarbij een rol spelen. Dat niveau wordt
mesoniveau genoemd. Voorbeelden van mesostructuur zijn vezelstructuren van
grote moleculen of kristalstructuren.
Een emulgator is een stof waarvan de moleculen zowel een hydrofiele als een
hydrofobe kant hebben.
Paragraaf 2: Polymeren maken
Kunststoffen worden in de chemische industrie polymeren genoemd (poly betekent
veel). Alle polymeren hebben één ding gemeen: ze bestaan uit lange moleculen. Een
monomeer is de algemene naam voor de grondstof die wordt gebruikt voor het
maken van polymeren. Wanneer veel monomeermoleculen onderling reageren,
ontstaan lange ketens. Deze worden polymeermoleculen genoemd. Het kan gaan
om van duizenden monomeermoleculen die samen een polymeermolecuul vormen.
Een polymeer krijgt de naam van het monomeer waaruit het is gemaakt,
voorafgegaan door het woord ‘poly’.
Er zijn verschillende manieren om monomeren aan elkaar te koppelen. Een
veelgebruikte polymerisatietechniek is polyadditie. Bij een additiereactie wordt steeds
een dubbele binding in een alkeen omgezet in een enkele binding, waarbij een klein
molecuul aan het alkeen wordt gekoppeld.
Bij een polyadditiereactie reageren monomeren met een dubbele binding met elkaar,
waarbij lange moleculen, zogenoemde polymeren, worden vervormd. Dit proces
wordt ook wel een additiepolymerisatie genoemd. Tijdens de polyadditie springt de
dubbele binding open. De C-atomen aan weerszijden van de dubbele binding
hebben nu een binding te weinig, waardoor ze een atoombinding kunnen vormen
met een andere monomeer. Zo ontstaat een polymeermolecuul.
, Bij een polyadditiereactie springen de dubbele bindingen niet vanzelf open. Er is een
hulpstof nodig die de reactie op gang brengt. Zo’n stof heet een initiator. Vaak is ook
uv-licht nodig om de initiator reactief te maken.
Additiepolymerisatie is niet de enige manier om polymeren te maken. Bij een
polycondensatie worden de monomeren via een condensatiereactie aan elkaar
gekoppeld. Daarbij ontstaan bijvoorbeeld ester- of amideverbindingen. Bij het
polymeer zal in de hoofdketen een amidegroep of een estergroep aanwezig zijn.
Hieraan kun je polycondensatiepolymeren herkennen. Polycondensatiereacties
hebben geen initiator nodig, maar verlopen vaak wel beter in de aanwezigheid van
een katalysator.
Polyesters zijn polymeren waarbij de monomeren aan elkaar worden gekoppeld via
een esterverbinding. Deze esterverbinding ontstaat doordat zuurgroepen (-COOH)
reageren met alcoholgroepen (-OH). Polyester kan worden toegepast in kleding,
maar ook in de romp van een zeilboot.
Paragraaf 3: Polymeren toepassen
De meeste kunststoffen zijn boven een bepaalde temperatuur gemakkelijk te vormen;
ze zijn dan plastisch. Kunststoffen die bij verwarmen zacht worden heten
thermoplasten. Ze bestaan uit lange polymeermoleculen die langs elkaar heen
kunnen schuiven. Bij verwarming worden de vanderwaalsbindingen tussen de lange
polymeermoleculen zwakker. Thermoplasten kun je dan ook vervormen door ze te
verwarmen. Je kunt dan draden trekken of je kunt het materiaal in een bepaalde
vorm gieten. Toepassingen van thermoplasten zijn koffiebekertjes, frisdankflessen,
kleding, afvoerbuizen en folies.
Niet alle kunststoffen worden zachter wanneer je ze verwarmt. Deze kunststoffen
heten thermoharders. Thermoharders zijn kunststoffen die bij het verwarmen hard
blijven of ontleden. Ze bestaan uit lange polymeermoleculen die onderling via
crosslinks met elkaar zijn verbonden. Een crosslink is een covalente binding die twee
polymeerketens aan elkaar koppelt. Bij een thermoharder zijn tussen de
polymeerketens veel crosslinks aanwezig. Er is een netwerk ontstaan van
polymeerketens. De lange polymeermoleculen kunnen door de crosslinks niet meer
langs elkaar heen schuiven. De kunststof wordt heel hard en stevig. Pas bij hoge
temperatuur breken de crosslinks in het molecuul (microniveau) en ten gevolge
daarvan valt de stof uit elkaar (macroniveau). Er treedt dan een ontledingsreactie op.
Rubber is een natuurlijk polymeer dat al werd gebruikt, lang voordat er technieken
waren om synthetisch polymeren te maken. Rubber is een zeer zacht polymeer dat
harder kan worden gemaakt door te vulkaniseren. In de polymeermoleculen van
rubber zijn nog dubbele bindingen aanwezig. Door de aanwezigheid van deze
dubbele bindingen zijn de polymeermoleculen nog enigszins reactief. Tijdens het
vulkaniseren worden crosslinks gevormd door het rubber te laten reageren met
zwavel. De crosslinks kunnen één tot acht zwavelatomen bevatten en tussen de
crosslinks kunnen honderden tot duizenden koolstofatomen aanwezig zijn.
Hoofdstuk 9: Materialen
Paragraaf 1: Materiaaleigenschappen
Als een materiaal wordt beschreven, dan kan dat op verschillende manieren. Als
gekeken wordt naar waarneembare en meetbare eigenschappen, dan wordt
gesproken over macroniveau.
Zo is een kleur van een stof een eigenschap op macroniveau. Kook- en smeltpunt
zijn dat ook, net zoals de oplosbaarheid in water. Veel eigenschappen op
macroniveau kunnen worden verklaard door te kijken naar het macroniveau. Een
beschrijving op microniveau gebruikt begrippen als moleculen, atomen en ionen. Het
gaat ook over de bindingen tussen deze deeltjes. Kortweg wordt wel gezegd dat het
microniveau gaat over het deeltjesniveau.
Niet alle eigenschappen op macroniveau kunnen worden verklaard door te kijken
naar het microniveau. Ook de manier waarop deeltjes worden geordend ten opzichte
van elkaar in grotere structuren kan daarbij een rol spelen. Dat niveau wordt
mesoniveau genoemd. Voorbeelden van mesostructuur zijn vezelstructuren van
grote moleculen of kristalstructuren.
Een emulgator is een stof waarvan de moleculen zowel een hydrofiele als een
hydrofobe kant hebben.
Paragraaf 2: Polymeren maken
Kunststoffen worden in de chemische industrie polymeren genoemd (poly betekent
veel). Alle polymeren hebben één ding gemeen: ze bestaan uit lange moleculen. Een
monomeer is de algemene naam voor de grondstof die wordt gebruikt voor het
maken van polymeren. Wanneer veel monomeermoleculen onderling reageren,
ontstaan lange ketens. Deze worden polymeermoleculen genoemd. Het kan gaan
om van duizenden monomeermoleculen die samen een polymeermolecuul vormen.
Een polymeer krijgt de naam van het monomeer waaruit het is gemaakt,
voorafgegaan door het woord ‘poly’.
Er zijn verschillende manieren om monomeren aan elkaar te koppelen. Een
veelgebruikte polymerisatietechniek is polyadditie. Bij een additiereactie wordt steeds
een dubbele binding in een alkeen omgezet in een enkele binding, waarbij een klein
molecuul aan het alkeen wordt gekoppeld.
Bij een polyadditiereactie reageren monomeren met een dubbele binding met elkaar,
waarbij lange moleculen, zogenoemde polymeren, worden vervormd. Dit proces
wordt ook wel een additiepolymerisatie genoemd. Tijdens de polyadditie springt de
dubbele binding open. De C-atomen aan weerszijden van de dubbele binding
hebben nu een binding te weinig, waardoor ze een atoombinding kunnen vormen
met een andere monomeer. Zo ontstaat een polymeermolecuul.
, Bij een polyadditiereactie springen de dubbele bindingen niet vanzelf open. Er is een
hulpstof nodig die de reactie op gang brengt. Zo’n stof heet een initiator. Vaak is ook
uv-licht nodig om de initiator reactief te maken.
Additiepolymerisatie is niet de enige manier om polymeren te maken. Bij een
polycondensatie worden de monomeren via een condensatiereactie aan elkaar
gekoppeld. Daarbij ontstaan bijvoorbeeld ester- of amideverbindingen. Bij het
polymeer zal in de hoofdketen een amidegroep of een estergroep aanwezig zijn.
Hieraan kun je polycondensatiepolymeren herkennen. Polycondensatiereacties
hebben geen initiator nodig, maar verlopen vaak wel beter in de aanwezigheid van
een katalysator.
Polyesters zijn polymeren waarbij de monomeren aan elkaar worden gekoppeld via
een esterverbinding. Deze esterverbinding ontstaat doordat zuurgroepen (-COOH)
reageren met alcoholgroepen (-OH). Polyester kan worden toegepast in kleding,
maar ook in de romp van een zeilboot.
Paragraaf 3: Polymeren toepassen
De meeste kunststoffen zijn boven een bepaalde temperatuur gemakkelijk te vormen;
ze zijn dan plastisch. Kunststoffen die bij verwarmen zacht worden heten
thermoplasten. Ze bestaan uit lange polymeermoleculen die langs elkaar heen
kunnen schuiven. Bij verwarming worden de vanderwaalsbindingen tussen de lange
polymeermoleculen zwakker. Thermoplasten kun je dan ook vervormen door ze te
verwarmen. Je kunt dan draden trekken of je kunt het materiaal in een bepaalde
vorm gieten. Toepassingen van thermoplasten zijn koffiebekertjes, frisdankflessen,
kleding, afvoerbuizen en folies.
Niet alle kunststoffen worden zachter wanneer je ze verwarmt. Deze kunststoffen
heten thermoharders. Thermoharders zijn kunststoffen die bij het verwarmen hard
blijven of ontleden. Ze bestaan uit lange polymeermoleculen die onderling via
crosslinks met elkaar zijn verbonden. Een crosslink is een covalente binding die twee
polymeerketens aan elkaar koppelt. Bij een thermoharder zijn tussen de
polymeerketens veel crosslinks aanwezig. Er is een netwerk ontstaan van
polymeerketens. De lange polymeermoleculen kunnen door de crosslinks niet meer
langs elkaar heen schuiven. De kunststof wordt heel hard en stevig. Pas bij hoge
temperatuur breken de crosslinks in het molecuul (microniveau) en ten gevolge
daarvan valt de stof uit elkaar (macroniveau). Er treedt dan een ontledingsreactie op.
Rubber is een natuurlijk polymeer dat al werd gebruikt, lang voordat er technieken
waren om synthetisch polymeren te maken. Rubber is een zeer zacht polymeer dat
harder kan worden gemaakt door te vulkaniseren. In de polymeermoleculen van
rubber zijn nog dubbele bindingen aanwezig. Door de aanwezigheid van deze
dubbele bindingen zijn de polymeermoleculen nog enigszins reactief. Tijdens het
vulkaniseren worden crosslinks gevormd door het rubber te laten reageren met
zwavel. De crosslinks kunnen één tot acht zwavelatomen bevatten en tussen de
crosslinks kunnen honderden tot duizenden koolstofatomen aanwezig zijn.
