Naturalis 5 LEERWERKBOEK. Copyright Plantyn. R. Berckmoes M. Dirkx P. Maesen M. Sanne NATUURWETENSCHAPPEN

Transcriptie

1 Naturalis 5 LEERWERKBEK NATUURWETENSAPPEN R. Berckmoes M. Dirkx P. Maesen M. Sanne opyright Plantyn

2 Naturalis 5 Leerwerkboek opyright Plantyn Plantyn

3 Je vindt deze methode terug op Scoodle! Bedankt dat je gekozen hebt voor een Plantynmethode. Met de onderstaande code kun je het digitale lesmateriaal bij deze methode activeren op PT-NATU-64NU-522-EM Als je dat gedaan hebt, staat alles voor je klaar op Scoodle: de inhoud en het lesmateriaal van de methode op lesniveau; de lessen gekoppeld aan de eindtermen en de leerplandoelen per onderwijsnet. Bovendien kun je op Scoodle je lessen plannen in een handige agenda, eigen materiaal toevoegen en je lessen afspelen in de klas. Deze extra service is volledig gratis. Je hoeft je alleen maar aan te melden op Veel lesplezier! het Scoodle-team Bij het uitvoeren van de leerlingenproeven en demonstratieproeven moeten de geldende veiligheidsvoorschriften gevolgd worden. Noch de auteurs noch de uitgever kunnen voor eventuele schade en/of ongevallen verantwoordelijk gesteld worden. ntwerp omslag: The Line ntwerp binnenwerk: Imago Mediabuilders Zetwerk: Imago Mediabuilders Tekeningen: Stefaan Provijn Illustratieverantwoording: Fotolia.com: 3drenderings, Africa Studio, Alessandro, Ariwasabi, Anatoly Maslennikov, Anyka, hristian Delbert, ealisa, Elenathewise, Ensuper, ivan kmit, James Thew, Konovalov Pavel, lapas77, lognetic, Lusoimages, leksandr, Pedro Macca, picsfive, Phillip Minnis, PB.cz, Rafa Irusta, Reflekcija, roboriginal, Sashkin, Sebastian Kaulitzki, Sergej Khackimullin, shootingankauf, Stocksnapper, valdezrl, Vasily Smirnov, viennapro, visdia Andrey Pavlov - Dreamstime.com, BelgaImage, Erfgoed Brabant, Flickr / bio- Blogia, Getty Images, istockphoto, Joke Desimpel, KASKADK G Koninklijke Academie voor Schone Kunsten Antwerpen Deeltijds Kunstonderwijs, Maarten Sanne, Michel van Dop, Piet Maesen, Reporters, Stock.XNG, Visionair.nl, Wikipedia, Wikipedia / Acdx, Wikipedia / Boffy b, Wikipedia / BMK, Wikipedia / laus Ableiter, Wikipedia / Dave Pickersgill onder GNU-licentie voor vrije documentatie, Wikipedia / de:w:benutzer:zwergelstern onder GNU-licentie voor vrije documentatie, Wikipedia / Ferdinand Schmutzer, Wikipedia / Gord.Davison, Wikipedia / annes Grobe, Wikipedia / KoS, Wikipedia / NASA, Wikipedia / Nevit Dilmen, Wikipedia / Rafiki111, Wikipedia / Thomas doerfer, Wikipedia / Tungsten, Wikipedia / Tympanus, Wikipedia / Woldo, Wikipedia / Yikrazuul Plantyn Motstraat 32, 2800 Mechelen T F klantendienst@plantyn.com Dit boek werd gedrukt op papier van verantwoorde herkomst. NUR 126 Plantyn nv, Mechelen, België Alle rechten voorbehouden. Behoudens de uitdrukkelijk bij wet bepaalde uitzonderingen mag niets uit deze uitgave worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt, op welke wijze dan ook, zonder de uitdrukkelijke voorafgaande en schriftelijke toestemming van de uitgever. Uitgeverij Plantyn heeft alle redelijke inspanningen geleverd om de houders van intellectuele rechten op het materiaal dat in dit leermiddel wordt gebruikt, te identificeren, te contacteren en te honoreren. Mocht u ondanks de zorg die daaraan is besteed, van oordeel zijn toch rechten op dit materiaal te kunnen laten gelden, dan kunt u contact opnemen met uitgeverij Plantyn. ISBN /0 D2014/0032/0134 opyright Plantyn

4 Inleiding Beste leerling Je zit nu in het vijfde jaar. Naturalis 5 is een leerwerkboek voor het vak natuurwetenschappen. nze samenleving zal altijd nood hebben aan goed opgeleide wetenschappers die creatief denken over nieuwe producten en kunnen inspelen op de noden van onze veranderende maatschappij. ok voor leerlingen die niet in een specifiek wetenschappelijke richting zitten is het belangrijk kennis te maken met de vele mogelijkheden die de wetenschap ons biedt. Zo kunnen ook zij hun steentje bijdragen in het maatschappelijk debat rond wetenschappelijke problemen. De leerstof is opgedeeld in twee grote delen, waarin tal van onderwerpen van de wetenschap aan bod komen. Elk deel is verder ingedeeld in thema s zodat je in totaal zeven thema s aangeboden krijgt. Een thema begint met een inleidende tekst om de leerstof in een breder kader te plaatsen. Leerstofdelen worden bondig samengebracht in een overzichtelijk SAMENGEVAT. TER INF is geen specifieke leerstof maar behandelt randinformatie of historische feiten. et kan een leuke aanzet zijn voor een klasgesprek. Beste collega Naturalis 5 is een leerwerkboek dat beantwoordt aan het leerplan (D/2014/7841/016) voor Natuurwetenschappen 3 de graad aso. Dat is een graadleerplan dat werkt rond vier delen. Voor het vijfde jaar voorzien we twee delen. Deel 1, MATERIE, ENERGIE EN LEVEN, wordt behandeld in 3 thema s. In deel 2, ENERGIE, komen 4 thema s aan bod. et boekdeel voor het zesde jaar (Naturalis 6) voorziet volgende delen die ook in thema s worden behandeld: Deel 1 KRATEN, TRILLINGEN EN GLVEN Deel 2 VRTPLANTING, ERFELIJKEID EN EVLUTIE De leerwerkboeken zijn gelijmd uitgevoerd zodat u in volle vrijheid, samen met de leerlingen, delen en thema s kunt combineren. Wij wensen je een fijn jaar toe. De auteurs opyright Plantyn 3

5 Inhoud Inleiding 3 DEEL 1 MATERIE, ENERGIE EN LEVEN 9 Thema 1 Moleculaire structuur en eigenschappen van stoffen 10 1 Knappe structuren bepalen de eigenschappen van een stof Koolstof, als basis van organische moleculen ovalente bindingen vormen ketens tussen koolstoffen Verzadigde en onverzadigde ketens Voorstellingswijzen van eenvoudige koolstofketens Koolwaterstoffen en heteroatomen Ketenlengte van koolwaterstoffen Eigenschappen en toepassingen van kunststoffen Indeling van kunststoffen Veroudering van kunststoffen Gebruik van kunststoffen als isolator De meest voorkomende kunststoffen ntwikkeling en recyclage (PET) Bioafbreekbare polymeren Geleidende polymeren Allotropie van zuivere stoffen Allotropen van koolstof: grafiet en diamant Allotropen van ijzer: alfa- en gamma-ijzer Toevoeging van een vreemd element beïnvloedt de eigenschappen van een zuivere stof 34 2 De p van een oplossing De zuurtegraad van dranken Zuur-base reactie Protonacceptor en protondonor Zuur-base reactie in je directe omgeving De zuurtegraad van onderhoudsproducten Poetsmiddel met lage zuurtegraad Poetsmiddel met hoge zuurtegraad Meten van de zuurtegraad Een drank in de kijker: thee! 41 3 Buffermengsels Werking van een buffermengsel Buffermengsels in onze omgeving Bodem Biologische processen 47 Thema 2 Stofomzettingen 49 1 Aflopende reacties Stoichiometrie van aflopende reacties Aflopende reacties: definitie Interpretatie van de aflopende reactie Volledige en onvolledige verbranding Verhoudingen in een chemische reactie in de ruimtevaart Roesten van ijzer 55 2 Evenwichtsreacties hemisch evenwicht in een gesloten fles spuitwater Evolutie van het chemisch evenwicht ten gevolge van een verstoring Invloed van temperatuurwijzigingen op het chemisch evenwicht Invloed van een concentratiewijziging op het chemisch evenwicht 59 4 opyright Plantyn

6 2.2.3 et principe van Le hâtelier - van t off 61 3 hemische reactiesnelheid Botsingstheorie Belang van de botsingsenergie Belang van de botsingsrichting Factoren die de reactiesnelheid beïnvloeden Invloed van de verdelingsgraad Invloed van de concentratie Invloed van de katalysator 66 4 rganische reactiemechanismen Geur- en smaakstoffen pbouw van een ester Synthese van kunststoffen Additiepolymerisatie ondensatie-polymerisatie Polyadditie Tailor-made polymeren Verbrandingsreactie van koolwaterstoffen 75 Thema 3 Materie en leven 78 1 Biologische cellen De cel als kleinste bouwsteentje Elektronenmicroscopische structuur van de cel 81 2 Prokaryote en eukaryote cellen 82 3 Bouw van de cel elplasma elwand elorganellen en hun functies Kern Ribosoom Plastiden Endoplasmatisch reticulum (ER) Golgi-apparaat Lysosoom Vacuole Microtubuli entriolen elmembraan 87 4 Belangrijke stoffen voor het metabolisme Sachariden Functie van sachariden Structuur en vorming van sachariden Lipiden Functie van lipiden Structuur en vorming van lipiden plosbaarheid van vetten Bijzondere lipiden Proteïnen Functie van proteïnen Structuur en vorming van proteïnen Bijzondere proteïnen Water Molecuulstructuur van water Mineralen Stof- en energieomzettingen in organismen Fotosynthese 118 opyright Plantyn 5

7 5.1.1 Fotosyntheseproces Vorming van zetmeel als reservestof Spijsvertering Bouw van spijsverteringsstelsel Taak van spijsverteringsstelsel Rol van enzymen bij de spijsvertering Vertering en verwerking van sachariden Vertering en verwerking van lipiden Vertering en verwerking van proteïnen Rol van lysosomen bij celvertering Aerobe en anaerobe omzettingen elademhaling hemo-synthetiserende bacteriën Autotrofe bacteriën en organismen eterotrofe bacteriën 139 DEEL 2 ENERGIE 141 Thema 1 Elektriciteit Elektrische lading Elektrische stroom en spanning Elektrische spanning et watermodel et elektrisch model Elektrische stroom en elektrische stroomsterkte Spanningsbron onventionele stroomzin Weerstandswaarde De Wet van hm Meten van de weerstandswaarde met een multimeter Verschillende uitvoeringsvormen van weerstanden Weerstanden als componenten om de stroom te regelen De serieschakeling De parallelschakeling Sensoren, gevoelig door verandering van weerstandswaarde Weerstanden en warmte Smeltzekeringen Verwarmingselementen Energie van elektrische stroom Energieomzetting in een elektrisch toestel Formulering van de wet van Joule Elektrische energie en warmte Grootte van de energie die wordt omgezet Vermogen van elektrische stroom Vermogen Elektrische energie en vermogen in het huishouden Wat is 1 kwh? oe ga je veilig om met elektriciteit? De galvanische cel De reductorsterkte van metalen Rangschikking van de metalen volgens hun reductorsterkte De galvanische cel et galvanische element van Volta De niet-oplaadbare batterij (Leclanché element) De oplaadbare batterijen of accu s De loodzuur accu opyright Plantyn

8 7.6.2 De nikkelcadmium batterij De lithium-ion batterij Schakelen van batterijen Batterijen als energiehouders 179 Thema 2 Elektromagnetisme Permanente magneten Inleiding Permanente magneten Elektromagneten Magnetisch veld Magnetisch veld bij permanente magneten Magnetisch veld bij elektromagneten Magnetische inductie Magnetische krachtwerking, de lorentzkracht Elektromagnetische inductie Toepassingen De fietscomputer De metaaldetector De wisselspanningsgenerator De transformator 199 Thema 3 Elektromagnetische straling Basisbegrippen van trillingen en golven ntstaan van elektromagnetische golven Elektromagnetische golven van trillende elektronen Elektromagnetische golven uitgezonden door een atoom et elektromagnetisch spectrum Radio- en tv-golven Microgolven Infrarood of warmtestraling (Zichtbaar) licht Ultraviolet X-stralen of röntgenstralen Gammastralen Licht en materie Kleur Fluorescentie 214 Thema 4 Radioactieve straling De atoomkern Isotopen Stabiliteit van een atoomkern Massadefect Verband tussen massa en energie volgens Einstein Bindingsenergie Natuurlijke radioactiviteit ntstaan geschiedenis Natuurlijke radioactiviteit Soorten straling psporen van radioactieve straling Meten van de hoeveelheid en soort straling psporen van straling Radioactiviteit Vervalwet, halveringstijd Invloed van de radioactiviteit op levende wezens Activiteit, geabsorbeerde dosis, dosisequivalent 233 opyright Plantyn 7

9 5.1.1 Activiteit Geabsorbeerde dosis Dosisequivalent Radioactiviteit in de menselijke omgeving Gevaren van radioactieve straling Gevaren van radioactieve besmetting Kunstmatige radioactiviteit: kernsplitsing - kernfusie Kernsplitsing Kerncentrale Wat is een atoombom? Kernfusie Kernafval Toepassingen van radioactiviteit Geneeskunde Kankerbestrijding met radiotherapie psporen van ziektes met radioactieve stoffen (tracers) Medische beeldvorming uderdomsbepaling met de 14-methode opyright Plantyn

10 opyright Plantyn DEEL 1 MATERIE, ENERGIE EN LEVEN

11 TEMA 1 MLEULAIRE STRUTUUR EN EIGENSAPPEN VAN STFFEN TEMA 1 MLEULAIRE STRUTUUR EN EIGENSAPPEN VAN STFFEN Veel eigenschappen van stoffen kun je verklaren aan de hand van de molecuulstructuur of het atoomrooster waaruit ze zijn opgebouwd. In de vorige jaren heb je bijvoorbeeld al geleerd dat ijsvorming van vloeibaar water verklaard kan worden doordat de watermoleculen zich onder het vriespunt zodanig gaan rangschikken dat er zeshoekige ijskristallen gevormd worden. Al sinds de oudheid is de mens volop bezig met het ontwikkelen en verbeteren van nuttige materialen. Zo heeft hij in de loop van de geschiedenis ontdekt dat ijzer onder hoge temperaturen en druk en door toevoeging van een vreemde stof omgevormd kan worden tot staal. Grafiet en diamant zijn gesteenten die bestaan uit hetzelfde element, namelijk koolstof. Toch hebben ze zeer uiteenlopende eigenschappen, die je kunt verklaren aan de hand van hun atoomrooster. ok kunststoffen zijn een voorbeeld van moleculen die vooral opgebouwd zijn uit koolstofatomen. De manier waarop men de bouwsteentjes van kunststoffen rangschikt, biedt een brede waaier aan nuttige eigenschappen die toepasbaar zijn in de industrie en thuis. Stoffen die in water opgelost zijn, kunnen de oplossing eerder zuur of basisch maken. ok ons lichaam komt vaak in contact met zure of meer basische oplossingen. Een voorbeeld zijn verfrissende dranken met een zure smaak. Zijn die dranken door het zure karakter eerder gezond of net niet? Sommige stoffen, zoals bloed, hebben een bufferende werking en vertonen een chemische evenwichtsreactie. Dergelijk mengsel heeft de capaciteit om zijn zuurtegraad (p) te behouden, ook al treedt er een verstoring op. nderzoeksvragen met mogelijke hypothesen 10 opyright Plantyn

12 1 Knappe structuren bepalen de eigenschappen van een stof Je kunt in je omgeving verschillende stoffen en producten ontdekken. Wetenschappers en bedrijven zijn vooral geïnteresseerd in de eigenschappen van die stoffen. Zijn er nog nieuwe stoffen uit te vinden? Welke nieuwe toepassingen van de bestaande stoffen zijn mogelijk? De kennis van de moleculaire opbouw van stoffen is een belangrijk startpunt om hun eigenschappen te ontdekken of te verklaren. Voer zelf een experiment uit: Neem een dunne ijzerdraad in beide handen en plooi hem snel heen en weer. Doe hetzelfde met een stukje plastic dat je uit bv. een pet-fles snijdt. Waarneming: Plooien van metaaldraad De anders zo sterke ijzerdraad zal snel warm worden en breken. et kunststoffen testobject kun je erg lang blijven plooien en het wordt bijna niet warm. Bovendien blijft de kunststof plooibaar en breekt niet. Metaal heeft door zijn specifieke opbouw een eerder harde maar ook meer breekbare structuur. Kunststoffen zijn veelal opgebouwd uit heel lange moleculen die gemakkelijker onderlinge beweging en uitrekking toelaten. We bestuderen enkele stoffen met uitgesproken eigenschappen. opyright Plantyn 11

13 1.1 Koolstof, als basis van organische moleculen Je kunt moleculen indelen in twee grote groepen: de anorganische moleculen, de organische moleculen. rganische stoffen bevatten moleculen met een hoog gehalte aan koolstofatomen. Vele organische stoffen zijn enkel opgebouwd uit koolstof en waterstof en worden daarom koolwaterstoffen (KWS) genoemd. EXPERIMENT nderzoeksvraag Wat is in vele gevallen het eindproduct van een verbranding? TEMA 1 MLEULAIRE STRUTUUR EN EIGENSAPPEN VAN STFFEN Benodigdheden Werkwijze Waarneming Bespreking een eindje wollen draad een gedroogd stukje aardappel een drinkrietje... 1 Verbrand een klein stukje stof. 2 Noteer je waarneming. et zwarte product is koolstof. rganische stoffen bevatten het element koolstof. et onderdeel van de chemie dat zich bezighoudt met de studie van deze organische stoffen heet de koolstofchemie of de organische chemie. In het periodiek systeem vind je koolstof terug in groep 4. ierdoor weet je dat koolstof 4 ongepaarde elektronen in zijn buitenste schil bezit. et is dus in staat vier sterke covalente bindingen te vormen. 6 2,5 2 4 Koolstof 12, opyright Plantyn

14 1.1.1 ovalente bindingen vormen ketens tussen koolstoffen Geef de Lewis-voorstelling van het element koolstof en van het element waterstof. Een elektron van koolstof vormt met een elektron van waterstof een bindend elektronenpaar. et elektronenpaar stel je voor door een streepje tussen de covalent gebonden elementen. Als voorbeeld wordt de opbouw van methaan(gas) voorgesteld. De chemische (bruto) formule is 4. De 4 elektronen van koolstof kunnen 4 waterstofatomen binden. A Acyclische en cyclische keten Een -atoom kan zich aan andere -atomen binden Pentaan, een open keten (acyclisch) cyclopentaan, een gesloten keten (cyclisch) Pentaan is een voorbeeld van een open keten. Je noemt dit een acyclische verbindingen. Als er een gesloten keten aanwezig is, noem je de keten cyclisch. Je kunt de structuur van organische verbindingen het best weergeven in een structuurformule. Zo n formule toont hoe de atomen aan elkaar gebonden zijn B nvertakte en vertakte ketens nvertakte ketens Vorig schooljaar heb je de alkanen leren kennen. De eenvoudigste alkanen zijn onvertakt en hebben geen meervoudige bindingen. opyright Plantyn 13

15 De eenvoudigste alkanen zijn: 4 methaan ethaan propaan butaan Naamvorming: de naam is opgebouwd uit een stam, gevolgd door de uitgang -aan. Uit het dagelijks leven ken je o.a. aardgas, dat voor ruim 80 % bestaat uit methaan ( 4 ); propaan ( 3 8 ) en butaan ( 4 10 ): beide gassen worden gebruikt als brandstof en met dit doel opgeslagen in persflessen (propaangas en butaangas). Korte koolwaterstoffen hebben als eigenschap dat ze vluchtig en sterk ontvlambaar zijn. TEMA 1 MLEULAIRE STRUTUUR EN EIGENSAPPEN VAN STFFEN PDRATEN pdracht 1 Geef de naam van de volgende alkanen pdracht 2 a Vul, indien mogelijk, de structuurformules aan met de waterstofatomen. b Geef aan welke structuur lineair is en welke cyclisch. 14 opyright Plantyn

16 Ter info: naamvorming vertakte ketens Verzadigde en onverzadigde ketens Alkanen zijn verzadigde koolwaterstoffen. Ze hebben geen dubbele of drievoudige bindingen. In alkenen is er een dubbele binding tussen twee koolstofatomen. De alkenen zijn onverzadigde koolwaterstoffen. Door hun tweevoudige binding zijn alkenen reactiever dan alkanen. nverzadigd betekent dat er naast de enkelvoudige bindingen ook nog minstens één meervoudige binding voorkomt. Koolstoffen die dubbel aan elkaar gebonden zijn, dragen minder waterstoffen dan verzadigde koolstoffen. Naamvorming De namen van de alkenen zijn afgeleid van die van de overeenkomstige alkanen. Ze hebben dezelfde stam afhankelijk van het aantal -atomen, maar de uitgang wordt -een. ethaan etheen propaan propeen et meest bekende alkeen is etheen (triviale naam: ethyleen). Etheen is een natuurlijk plantenhormoon dat voor rijping van vruchten zorgt. Een banaan kan zelf etheen maken en zo voor zijn eigen rijping zorgen. opyright Plantyn 15

17 1.1.3 Voorstellingswijzen van eenvoudige koolstofketens A Brutoformule De structuur van koolstofverbindingen kan op verschillende manieren worden weergegeven. Een brutoformule is de kortste voorstellingswijze en geeft de verhouding aan van de elementen waaruit een stof is opgebouwd. De volgorde van de elementen,,... is bij afspraak vastgelegd. Voorbeelden zijn: 3 6, 2 6, 2 4 2, 2 7 N... Noteer de brutoformule van de volgende verbindingen (butaan) (methylpropaan) Wat merk je? TEMA 1 MLEULAIRE STRUTUUR EN EIGENSAPPEN VAN STFFEN B Structuurformule De brutoformule van propaangas is 3 8. Je kunt propaan ook met de onderstaande structuurformules weergeven. Afhankelijk van de gewoonte wordt een van deze verschillende vormen gebruikt. uitgebreide structuurformule verkorte weergave vereenvoudigde structuurformule skeletnotatie 16 opyright Plantyn

18 1.1.4 Koolwaterstoffen en heteroatomen Zijn buiten koolstof en waterstof nog andere atomen aanwezig, dan zijn deze extra atomen heteroatomen. eteroatomen zijn, S, N, de halogenen (groep VII). Deze atomen hebben een welbepaalde functie bij het vastleggen van de eigenschappen van de stof. Je noemt zo n groep daarom een functionele groep. butaan butaanzuur Butaanzuur is een carbonzuur en bevat het heteroatoom zuurstof in de kenmerkende carboxylgroep (-groep). Butaan is van nature een geurloos gas. Boterzuur of butaanzuur heeft echter een sterke geur die bijvoorbeeld vrij komt uit botervet bij het ranzig worden van boter. De minder aangename geur van boterzuur ken je ook van zweetvoeten in onvoldoende geventileerde schoenen. Een bacterie maakt hierbij het zuur aan. PDRATEN pdracht 1 Door een klein verschil in stofsamenstelling zijn de macroscopische eigenschappen van butaan en boterzuur totaal verschillend. Welke van de twee stoffen is volgens jou het meest vluchtig? Verklaar dit aan de hand van de polariteit van deze stoffen. opyright Plantyn 17

19 pdracht 2 Teken de functionele groep van een ester. Gebruik de tabel in bijlage 2. Deze tabel geeft een overzicht van vaak voorkomende functionele groepen en hun organische stofklasse. pdracht 3 Klassieke dissolvant bevat voornamelijk het monofunctionele keton aceton. Vaak wordt er nog een extra aroma aan toegevoegd. Zoek met behulp van de determinatietabel in bijlage 2 welke van deze twee chemische formules aceton weergeeft. 3 3 Nagellak 3 TEMA 1 MLEULAIRE STRUTUUR EN EIGENSAPPEN VAN STFFEN Extra opdrachten koolwaterstoffen Ketenlengte van koolwaterstoffen Plastic, een kunstmatig gevormde organische molecule, wordt opgebouwd uit hele lange (macro)moleculen. Kunststoffen hebben hierdoor andere unieke eigenschappen en worden toegepast in de medische wereld, sportmateriaal, kleding Surfplanken Een macromolecule is een heel grote molecule (polymeer) die gevormd wordt door vele kleine moleculen (monomeren) met elkaar te verbinden. Er bestaan ook natuurlijke macromoleculen waarvan de eigenschappen sterk bepaald worden door de structuur van de keten. Zetmeel en cellulose zijn grote biomoleculen die zijn opgebouwd uit een lange keten van aaneengekoppelde glucosemoleculen (monomeren). Zetmeel ( ) n bestaat uit een combinatie van amylopectine en amylose. Dit zijn macromoleculen die enkel verschillen in hun ketenstructuur. Bij amylopectine zijn duizenden tot een miljoen glucosemoleculen in een onregelmatig vertakkende boomvorm gekoppeld. Amylose bestaat uit een regelmatige onvertakte keten van enkele honderden tot duizenden gekoppelde glucosemoleculen. 18 opyright Plantyn

20 Amylopectine Boomstructuur van amylopectine Amylose nvertakte keten van amylose Door deze vertakte molecuulstructuur van amylopectine, zal zetmeel met water colloïdale mengsels vormen die minder vloeibaar zijn. Zetmeel wordt daarom gebruikt als dikkingsmiddel voor sauzen, soep, pudding of behangerslijm. ellulose ( ) n is een natuurlijke macromolecule die net zoals zetmeel is opgebouwd uit lange ketens van gekoppelde glucosemoleculen. De lange rechtlijnige ketens zijn er onderling verbonden via waterstofbruggen. Deze moleculaire structuur verklaart waarom cellulose sterke vezels vormt in de celwand van planten. et geeft stevigheid en structuur aan de plant. ellulosevezels worden onder andere gebruikt voor de fabricage van papier, textiel en watten. Behangerslijm Katoen bestaat voor meer dan 90 % uit cellulosevezels Structuur cellulose opyright Plantyn 19

21 SAMENGEVAT Koolwaterstoffen bestaan enkel uit koolstof- en waterstofatomen. Bij een eenvoudig alkaan worden brandbaarheid en aggregatietoestand bepaald door de ketenlengte van deze stof. Alkenen zijn meer reactief door hun tweevoudige binding. rganische stoffen worden onderverdeeld in stofklassen: de koolwaterstoffen (bevatten alleen maar en ) en de monofunctionele stofklassen (bevatten ook heteroatomen). Stoffen van eenzelfde monofunctionele stofklasse hebben dezelfde functionele groep. Samen met de polariteit en ketenlengte bepaalt deze groep in grote mate de eigenschappen van een molecule. Zo zijn carbonzuren zwakke zuren. Verschillende van deze zuren komen voor in voeding en natuur. TEMA 1 MLEULAIRE STRUTUUR EN EIGENSAPPEN VAN STFFEN Een macromolecule is een heel grote molecule (polymeer) die gevormd wordt door vele kleine moleculen (monomeren) met elkaar te verbinden. Sommige biomoleculen, zoals zetmeel, zijn natuurlijke macromoleculen. Kunststoffen (plastics) worden kunstmatig gevormd. 1.2 Eigenschappen en toepassingen van kunststoffen Rond 1850 werd in Amerika celluloid uitgevonden. et was een van de eerste kunstmatig gevormde organische macromoleculen. Deze stof maakte het mogelijk om de dure ivoren biljartballen te vervangen. Kunststof of plastic? Een kunststof wordt kunstmatig gevormd door een groot aantal macromoleculen in een bepaalde structuur te ordenen. Vaak worden extra stoffen toegevoegd. et zijn additieven die dienen om de eigenschappen van een kunststof te verbeteren. Plastic is een veelgebruikte benaming voor kunststof. Dit internationaal gekende woord is misleidend: niet alle kunststoffen zijn gemakkelijk vervormbaar en plastisch! België is een van de wereldleiders in de verwerking en de productie van kunststoffen per hoofd van de bevolking. ndanks het ietwat negatieve imago rond de recyclage van kunststoffen en de impact ervan op ons milieu, vind je ze overal terug. Kunststoffen hebben soms unieke eigenschappen. De kennis daarvan heeft geleid tot tal van nieuwe hulpmiddelen. Zo worden kunststof bloedvaten gebruikt om slagaders met een vernauwing of verstopping te overbruggen. Kunststof bloedvaten 20 opyright Plantyn

22 1.2.1 Indeling van kunststoffen Leo Baekeland ( ) De Gentenaar Leo Baekeland ( ) kreeg in 1907 het octrooi op bakeliet en startte in 1909 met de productie ervan. Baekeland wilde aanvankelijk een volwaardig en volledig synthetisch alternatief voor schellak ontwikkelen. Deze hars, uitgescheiden door kevers, werd onder andere gebruikt als vernis om hout te beschermen tegen houtrot. Dat bakeliet uiteindelijk voor veel meer toepassingen geschikt was, bleek pas later. Dankzij Baekeland ontdekte men dat kunststoffen tal van nuttige eigenschappen hebben. Welke gemeenschappelijke kenmerken ken je? Sommige kunststoffen kun je na verwarming vervormen en in allerlei vormen gieten, blazen, persen... Telefoon uit bakeliet Kunststof is bekend als isolator van elektrische ladingen en warmte. De huidige kunststoffenindustrie kan als het ware kunststoffen op maat synthetiseren zodat specifieke kenmerken nog beter benut kunnen worden. De productieketen van kunststoffen start meestal bij de granulaten. Granulaten zijn halfafgewerkte producten die aangemaakt worden in grote chemische bedrijven die je ook in Vlaanderen terugvindt: Granulaatkorrels opyright Plantyn 21

23 p basis van hun gedrag op hoge temperatuur en de moleculaire structuur onderscheiden we drie grote groepen. A Thermoplasten Thermoplasten zijn kunststoffen die al bij lichte verwarming zacht en vervormbaar worden. Door verschillende verwerkingstechnieken kan men zo allerhande voorwerpen maken. Een voorbeeld van een thermoplast is PV. Vervorming bekertje door verhitting Beschrijf de structuur. Structuur thermoplast TEMA 1 MLEULAIRE STRUTUUR EN EIGENSAPPEN VAN STFFEN B Thermoharders Bij thermoharders zijn de macromoleculen stevig aan elkaar gebonden. ierdoor zijn deze stoffen eerder hard. Ze vormen een soort van netwerk. De kunststof verweekt niet bij verwarming maar ontleedt bij doorgedreven verhitting. Polyesters zijn thermoharders die frequent gebruikt worden. Beschrijf de structuur. Elastomeren Elastaan, dat beter bekend is onder de merknamen Lycra of Spandex, is een elastomeer. Deze elastomeren zijn kunststoffen met elastische eigenschappen. Dit wil zeggen dat Structuur thermoharder Structuur elastomeer 22 opyright Plantyn

24 et wordt gebruikt in sportkleding waar rek en aansluiting op het lichaam gewenst zijn. Elastaan wordt nog in veel andere kledingstukken gebruikt wegens deze eigenschap. Rubber is ook een elastomeer. Natuurlijk rubber wordt gewonnen uit de heveaboom. Je kunt natuurlijk rubber door toevoeging van chemische elementen harder maken. Ter info en opdrachten: eigenschappen van kunststoffen Veroudering van kunststoffen pvallend is dat het verouderingsproces onder invloed van zuurstof en zonlicht sterk versnelt. Uv-licht bevat voldoende energie om de verbindingen van de polymeerstreng te splitsen. Voorwerpen zoals plastic dakbedekking, pvc-dakgootsystemen en -ramen... die voor langere tijd worden blootgesteld aan directe uv-straling, moeten voldoende beschermd zijn om langzaam verkleuren te voorkomen Gebruik van kunststoffen als isolator A Elektrische isolator Kunststoffen zijn onmisbaar als elektrische isolator. Een elektrische kabel is bijvoorbeeld voorzien van een pvc-isolatielaag om gevaar te vermijden. Plastics die gebruikt worden om schakelkasten te maken, zijn vlamvertragend. Een vakman gebruikt steeds met kunststof geïsoleerde werktuigen. Schakelkast B Thermische isolator De overheid hecht veel belang aan een goede isolatie van woningen. Door middel van subsidies, controle en goede voorlichting wil de overheid eigenaars motiveren om daken en muren van huizen grondig te isoleren. De thermische isolatie van woningen kan onder meer worden uitgevoerd door kunststofisolatie te voorzien in de spouwmuur of in het dak. Wat is een EP? Geef aan waarvoor deze afkorting staat en beschrijf het nut van dit certificaat. Muurisolatie opyright Plantyn 23

25 1.2.4 De meest voorkomende kunststoffen In 1988 creëerde de Amerikaanse organisatie The Society of Plastics Industry (SPI) een kringloopsymbool met een cijfer dat een welbepaalde kunststof aanduidt. De zes meest gebruikte kunststoffen kregen een nummer. Kunststoffen die recenter ontdekt zijn zoals de bioplastics, krijgen allemaal het cijfer 7. In Amerika is dit logo verplicht. In Europa kunnen fabrikanten vrijwillig meewerken. Daarom zie je niet op elk plastic voorwerp een cijfer of materiaalaanduiding staan. verzicht van eenvoudige polymeren naam monomeer polymeer toepassingen LD PE (lage dichtheid PE) PE Polyetheen (thermoplast) n D PE (hoge dichtheid PE) TEMA 1 MLEULAIRE STRUTUUR EN EIGENSAPPEN VAN STFFEN PP Polypropeen (thermoplast) PS Polystyreen (thermoplast) PV Polyvinylchloride (thermoplast) 3 2 l 3 n 2 l n n PS EPS (geëxpandeerd polystyreen) hard PV zacht PV 24 opyright Plantyn

26 pmerking De notatie n duidt het aantal monomeren aan waaruit het polymeer is opgebouwd. Kenmerkende eigenschappen van deze polymeren nderzoeken van de kenmerkende eigenschappen van polymeren opdrachten: eigenschappen van kunststoffen ntwikkeling en recyclage (PET) A Pre-forms aanmaken Een pre-form is normaal een halfafgewerkt product. Veel bedrijven specialiseren zich in de productie van pre-forms. De producenten van pre-forms ontvangen granulaten in bulk en slaan die op in grote aluminium silo s (aluminium is onderhoudsvrij, geen roestvorming...). Voor een nieuwe fles wordt ongeveer 60 % virgin (nieuw) PET en 40 % gerecycleerd PET gebruikt. B Blazen van flessen Een verwarmde pre-form wordt (meestal) opgeblazen in de productiehal van bedrijven die dranken in PET-flessen afleveren. Met perslucht wordt de pre-form in een grotere vorm (blaasmatrijs) opgeblazen. Door de sterke waterkoeling die in de wand van de nieuwe vorm is aangebracht, krijgt het PET-materiaal haar heldere wand. Benoem de aangeduide delen 1: 2: Pre-forms plastic fles perslucht Pre-form 2 1 Blaasmatrijs PET-fles Recyclage na gebruik PET-flessen worden na gebruik opgehaald in aparte vuilniszakken. Bedrijven zoals INDAVER sorteren de inhoud van de zakken automatisch in een machine. De kunststofscheiding gebeurt door een gecombineerde techniek van materiaal- en kleurherkenning. Een baal PET-flessen opyright Plantyn 25

27 De gesorteerde fractie wordt in balen of bulk afgevoerd naar de verwerkende bedrijven. De flessen zullen daar worden fijngemalen, gewassen en behandeld tot er weer zuiver PET ontstaat. Minder grondig gezuiverd PET wordt voornamelijk gebruikt als textielvezel. Voor verwerking in nieuwe PET-flessen gebruikt men enkel heel zuiver PET Bioafbreekbare polymeren mdat het recycleren van kunststoffen zeer arbeidsintensief is, wordt steeds meer gebruik gemaakt van minder schadelijk bioplastic. Aardappel- en maïszetmeel zijn grondstoffen voor de bereiding van bioplastic. PLA (polylactic acid) is het meest gebruikte bioplastic dat onder de juiste omstandigheden biologisch afbreekbaar is. ierdoor is het normaal gezien minder belastend voor ons milieu. Bioplastic bevat nog wel een minimum aan extra chemische stoffen (additieven) die zorgen voor de gewenste eigenschappen. TEMA 1 MLEULAIRE STRUTUUR EN EIGENSAPPEN VAN STFFEN Een verrassende vaststelling is dat er geen recyclagesystemen bestaan voor dit plastic en dat compostering met het GFT-afval nog niet toegelaten is. In Vlaanderen eindigt dergelijke kunststof in de traditionele verbrandingsoven, samen met het restafval. TER INF Bioplastic De universiteit van Gent is erin geslaagd om plastic te maken uit populieren. et gaat om een wereldprimeur. Bioplastics bestaan al langer, maar vandaag worden die gemaakt uit maïs, tarwe of suikerbieten. Dat plastic is heel wat duurder dan klassiek plastic. Bomen zijn een meer rendabele grondstof. Plastic uit bomen kan zelfs een minder duur alternatief worden voor plastic uit aardolie, zegt professor Wim Soetaert. Naar: Vlaams infocentrum land- en tuinbouw. bioplastic maken uit macromoleculen Bioplastic 26 opyright Plantyn

28 De kunststofzee Bioplastic is een mooie stap vooruit. Maar toch komen plastic verpakkingen enz. nog te vaak in de natuur terecht. Rondslingeren van kunststof kan heel schadelijk zijn voor de natuur. Sommige organismen beschouwen kleine plastic deeltjes als voedsel. Wanneer ze deze deeltjes eten, geraakt hun maag of darmkanaal verstopt en gaan ze een pijnlijke Zeeschildpad die plastic verwart met voedsel (kwallen) dood tegemoet. Zeeschildpadden zien vaak het verschil niet tussen een kwal en een drijvend plastic zakje, met alle gevolgen van dien Geleidende polymeren Nobelprijswinnaars Scheikunde 2000 Alan eeger, Alan MacDiarmid en ideki Shirakawa kregen de Nobelprijs voor Scheikunde 2000 omdat ze hebben aangetoond dat kunststof elektrisch geleidend kan gemaakt worden. m elektrische stroom te geleiden moet een polymeer zoals een metaal beweeglijke elektronen hebben die niet stevig aan de atomen gebonden zijn. Ze hebben ontdekt dat hiervoor het polymeer afwisselend enkelvoudige en dubbele bindingen moet bevatten. Er is dan sprake van geconjugeerde dubbele bindingen. Polyethyn (Polyacetyleen) is het meest eenvoudige geconjugeerde polymeer. et ontstaat uit de polymerisatie van ethyn. n De reactie van het polymeer met jodiumdamp verbeterde de geleidbaarheid meer dan tien miljoen keer. opyright Plantyn 27

29 SAMENGEVAT Macromoleculen vormen de basis van kunststoffen. Deze kunststoffen worden onderverdeeld volgens hun gedrag ten opzichte van hoge temperaturen. Synthetische kunststof is opgebouwd uit producten die verkregen worden met een chemisch proces. Polymerisatie is een proces waarbij monomeren aan elkaar klitten. Dit noemen we additie. Bij polymerisatie ontstaan geen nevenproducten. Thermoplasten worden zacht bij lichte verwarming. Een thermoharder is bij kamertemperatuur eerder hard. Deze stof verweekt niet bij lichte verwarming en ontleedt zelfs bij verdere verhitting. Elastomeren zijn rekbaar en nemen na belasting hun oorspronkelijke vorm aan. Kunststoffen verouderen door inwerking van licht en temperatuurwisselingen. Veel kunststoffen zijn uitermate geschikt als elektrische en thermische (warmte) isolatoren. TEMA 1 MLEULAIRE STRUTUUR EN EIGENSAPPEN VAN STFFEN Sommige kunststoffen hebben een kringloopsymbool. Elke kunststof bezit door de opbouw kenmerkende eigenschappen waardoor het voor bepaalde toepassingen gebruikt wordt. PET (polyetheentereftalaat) heeft een duidelijke kringloop van ontwikkeling tot recyclage. Bioplastic is een meer recent ontwikkeld polymeer dat gemaakt wordt uit natuurlijke grondstoffen zoals aardappel- of maïszetmeel. Dit plastic is minder belastend voor het milieu. De wereld van kunststoffen staat zeker niet stil! Er worden nu zelfs geleidende polymeren ontwikkeld. 28 opyright Plantyn

30 1.3 Allotropie van zuivere stoffen Eenzelfde chemisch element kan een verschillende roosterstructuur vertonen. Dit verschijnsel noem je allotropie. De stofeigenschap verschilt sterk naargelang de roosterstructuur Allotropen van koolstof: grafiet en diamant A Grafiet -atomen zwakke binding tussen de lagen Grafiet Atoomrooster grafiet Grafiet kan men in de bodem vinden, maar er bestaat ook synthetisch grafiet. Dit mineraal bestaat enkel uit koolstofatomen die in evenwijdige vlakken geordend zijn. De vlakken zijn opgebouwd uit zeshoeken waarin de -atomen onderling sterke atoombindingen vormen. De bindingen tussen de vlakken onderling ontstaan door zwakkere vanderwaalskrachten. Enkele typische eigenschappen van grafiet kunnen worden verklaard aan de hand van dit atoomrooster: Elektrisch geleidend -atomen gebruiken drie van hun vier valentie-elektronen voor een atoombinding met hun buren in een vlak. et vierde elektron is dus zwak gebonden en kan relatief vrij bewegen in het vlak. Dat verklaart waarom grafiet elektrische stroom kan geleiden. mwille van zijn elektrische geleidbaarheid wordt grafiet verwerkt in koolborstels voor elektromotoren. Koolborstels met Zachte structuur duwveer Door de gelaagde structuur van grafiet kan dit mineraal gemakkelijk worden gespleten in de richting evenwijdig met de vlakken. De duizenden laagjes kunnen met zeer weinig wrijving over elkaar schuiven zoals een kaartenspel. et is daarom ook een van de zachtste vaste stoffen met een hardheid van 1,5 op de hardheidsschaal van Mohs. Deze hardheidsschaal wordt ook in de geologie gebruikt. opyright Plantyn 29

31 Smerende eigenschappen De smerende eigenschap van grafiet is te verklaren door de aanwezigheid van een laagje lucht of water tussen de grafietlagen. ierdoor komen de lagen gemakkelijker los. Grafiet in grafietolie wordt gebruikt om te smeren waar vloeibare smeermiddelen zoals olie geen goede smering meer zouden verzekeren. Wanneer de oliefilm te dun wordt tussen de wrijvende onderdelen, zullen grafietplaatjes zich ertussen voegen zodat contact van metaal op metaal vermeden wordt. Grafietolie Bij de fabricage van potloden wordt grafiet in water gemengd met klei. Na het drogen kunnen de potloodstaafjes worden gevormd die vervolgens worden omhuld met hout. De klei beïnvloedt de hardheid van het mengsel. oe meer klei er aan grafiet toegevoegd wordt, hoe harder het potlood zal zijn. In een potlood zit een mengsel van B Diamant Atoomrooster diamant 30 Ruwe diamant Diamant is een zeldzame delfstof die men tegenwoordig ook synthetisch kan bereiden. Net zoals grafiet is het een allotrope verschijningsvorm van koolstof. De -atomen in het atoomrooster van diamant liggen echter in een andere oriëntatie ten opzichte van elkaar. De koolstof-koolstofbindingen vertonen een tetraëderstructuur (viervlakstructuur). De vier valentie-elektronen van elk -atoom worden gebruikt voor een binding met de buren, zodat daar geen vrije elektronen meer overblijven. Welk gevolg heeft deze atoomstructuur voor de elektrische geleidbaarheid van diamant? TEMA 1 M LEU L A I R E STRU TU U R EN EI GEN S A PPEN VA N ST FFEN klei en grafiet opyright Plantyn

32 Welk gevolg heeft deze atoomstructuur voor de hardheid van diamant? Geef enkele toepassingen van diamant in de industrie. Fullerenen Naast grafiet en diamant vormen ook fullerenen een allotrope vorm van koolstof met specifieke eigenschappen. Fullerenen lijken sterk op grafiet, maar bestaan slechts uit één laagje van vijf- of zeshoekige koolstofringen die de vorm van een bol, cilinder, of ellips kunnen aannemen. Bolvormige fullerenen of buckyballs ilindrische fullerenen zoals koolstofnanobuizen TER INF Toepassingen van nanotechnologie Koolstofnanobuizen worden o.a. gebruikt voor waterstofopslag, nanopincetten, sensoren, zeer sterke materialen, batterijen, zonnecellen en bacteriedoders. Buckyballs worden gebruikt voor transistoren (in de elektronica), maar ook in optische apparatuur, sensoren, zonnecellen en geneeskundig onderzoeksmateriaal. nderzoek naar toepassingen van buckyballs en koolstofnanobuisjes is de laatste jaren sterk toegenomen. Ze vormen belangrijke onderdelen van de nanotechnologie. opyright Plantyn 31

33 1.3.2 Allotropen van ijzer: alfa- en gamma-ijzer γ α Bij temperaturen van 910 tot 1394 treedt er in ijzer een faseovergang op van kubisch ruimtelijk gecentreerd naar kubischvlakgecentreerd. Dit allotroop van ijzer noem je γ - ijzer of austeniet. Deze stof is ductieler (meer vervormbaar), zachter en kan opvallend meer koolstof oplossen dan α- ijzer (zo n 2,04 % van de ijzermassa bij een temperatuur van 1146 ). γ- ijzer vertoont een kubisch vlakgecentreerde ( ) roosterstructuur VLEISTF GAS δ - ijzer γ - ijzer α - ijzer Fasediagram van zuiver ijzer TEMA 1 M LEU L A I R E STRU TU U R EN EI GEN S A PPEN VA N ST FFEN Zoals je reeds geleerd hebt, bereiken metaalatomen zoals Fe hun octetstructuur door hun valentieelektronen los te laten. De positieve ijzerkernen die hierdoor ontstaan stoten elkaar af, maar worden vrij valentie-elektron toch bij elkaar gehouden door de overal aanwezige positief metaalion negatief geladen elektronenwolk. De positieve FeModelvoorstelling van de metaalbinding ionen zijn regelmatig geordend in een metaalrooster. γ α et metaalrooster van ijzer vertoont een aantal allotropen die gevormd worden bij een specifieke druk en temperatuur. Wanneer de kernen kubisch ruimtelijk gecentreerd gerangschikt zijn in het metaalrooster, spreek je van α- ijzer of ferriet. Dit is het meest stabiele allotroop van ijzer en het komt voor bij temperaturen tot α- ijzer vertoont een 910. Dit is ook af te lezen op het fasediagram van zuiver ijzer. kubisch-ruimtelijk Bijzonder aan α- ijzer is dat het slechts een klein percentage koolstof gecentreerde kan oplossen (niet meer dan 0,021 % van de ijzermassa bij een roosterstructuur temperatuur van 910 ). opyright Plantyn 100 p (bar)

34 PDRATEN pdracht 1 Koppel de typische eigenschappen van ijzer aan de correcte verklaring op basis van het metaalrooster. goede geleidbaarheid van elektriciteit vervormbaarheid typische metaalglans goede warmtegeleiding De vrije e - geven gemakkelijk trillingen door De beweging van vrije e - is in een spanningsveld gericht van de pool naar de + pool Metaalionlagen kunnen verschuiven t.o.v. elkaar De lichtstralen weerkaatsen op de vrije e - pdracht 2 mcirkel in onderstaand ijzer-koolstof fasediagram het punt waarin austeniet het meeste koolstof kan oplossen. δ ( ) δ + γ 800 ferriet α 600 δ + γ δ + vloeistof austeniet γ γ + vloeistof vloeistof γ + Fe3 + ledeburiet Fe3 + vl. Fe3 + ledeburiet cementiet Fe α + perliet Fe3 Fe3 + ledeburiet + ledeburiet + perliet perliet ledeburiet massapercentage koolstof(m% c) IJzer-koolstof fasediagram opyright Plantyn 33

35 1.4 Toevoeging van een vreemd element beïnvloedt de eigenschappen van een zuivere stof Ter info + opdrachten: van ijzer naar staal dankzij koolstof Naargelang het koolstofgehalte dat ze bevatten, maak je onderscheid tussen volgende veel gebruikte hedendaagse ijzerhoudende metalen: IJzer: In zijn ruwe toestand is het blauwachtig donker grijs, na verwerking wordt het witachtig grijs. et laat zich gemakkelijk verwerken, smeden en lassen. In zijn zuivere vorm (zacht ijzer) wordt het niet gebruikt voor constructiedoeleinden, want hiervoor is het te zacht. Daarentegen wordt het wel gebruikt in de elektriciteitsindustrie, voor zijn goede magnetische eigenschappen. onstructiestaal (of zacht staal): legering die veelvuldig wordt gebruikt in metaalconstructies. et bevat ongeveer 0,15 % (maximum gehalte 0,4 % ). Gereedschapsstaal (of hard staal): legering die meestal 1% bevat (minimum gehalte 0,5 %, maximum gehalte 1,5 % ). TEMA 1 MLEULAIRE STRUTUUR EN EIGENSAPPEN VAN STFFEN Gietijzer: breekbare legering. et bevat tussen de 2,5 % en 4,5 %. onstructiestaal Gereedschapsstaal 34 opyright Plantyn

36 PDRATEN pdracht 1 Rangschik volgende stoffen volgens toenemend koolstofgehalte: constructiestaal gietijzer gereedschapsstaal - zuiver ijzer pdracht 2 Rangschik volgende stoffen volgens toenemend hardheid: constructiestaal gereedschapsstaal - zuiver ijzer SAMENGEVAT Eenzelfde chemisch element kan een verschillende roosterstructuur vertonen. Dit verschijnsel noem je allotropie. De stofeigenschap verschilt sterk naargelang de roosterstructuur. Grafiet, diamant en fullerenen zijn enkele bekende allotropen van koolstof. un stofeigenschappen kunnen worden afgeleid uit hun atoomrooster. Alfa- en gamma-ijzer zijn enkele bekende allotropen van ijzer. De hoeveelheid koolstof dat het metaalrooster van ijzer kan bevatten, beïnvloedt de eigenschappen van deze legering: - Zuiver ijzer zonder opgeloste koolstof is relatief zacht waardoor het niet gebruikt wordt voor constructiedoeleinden, het bevat wel goede magnetische eigenschappen. - Een legering van ijzer met een concentratie van 0,15 tot 2 % koolstof is zeer hard. Dit noem je staal. Staal is zeer geschikt voor constructiedoeleinden. - Een legering van ijzer met een concentratie van 2,5 tot 4,5 % koolstof is hard, maar breekbaar. Dit noem je gietijzer. opyright Plantyn 35

37 2 De p van een oplossing Je weet vast dat frisdranken zoals cola zeer zure vloeistoffen zijn. Water wordt een neutraal midden genoemd. oe wordt dat bepaald? Water is een zeer zwak elektrolyt. Slechts enkele watermoleculen ioniseren in 1+ -en 1- -ionen. Zuiver water bevat evenveel 1+ -als 1- -ionen. De concentratie van zowel de positieve als negatieve ionen in zuiver water bedraagt 10-7 mol/l. Notatie: [ 3 1+ ] = [ 1- ] = 10-7 mol/l Een oplossing wordt zuur genoemd als de concentratie van de 1+ -ionen groter is dan die van de 1- -ionen. In de praktijk komen er in water geen vrije 1+ -ionen voor, maar is elk 1+ -ion gebonden aan water. Een dergelijk ion wordt hydroxoniumion ( 3 1+ ) genoemd. Notatie: TEMA 1: MLEULAIRE STRUTUUR EN EIGENSAPPEN VAN STFFEN Wanneer in een oplossing de concentratie van 1- -ionen groter dan die van 1+ -ionen is, noem je dit midden basisch. De zuurtegraad van een oplossing wordt aangegeven met de p-waarde. Die waarde wordt bepaald door de concentratie van de ionen. m de p-waarde te berekenen, kun je op je rekenmachine deze formule gebruiken. Besluit p = -log[ 3 1+ ] Vruchtensappen, wijn, koffie en bier hebben een zuur karakter. ok frisdranken zijn zuur. Ze danken hun frisse smaak aan het toegevoegde zuur. De toevoeging van suiker verbergt echter die zure smaak. oe zuur mag een drank zijn? Te zure drank geeft aanleiding tot maagklachten en bij een p onder de 5,5 in de mondholte kan het tandglazuur oplossen. Tanderosie 36 opyright Plantyn

38 2.1 De zuurtegraad van dranken De volgende tabel geeft een overzicht van veelgebruikte dranken. De vloeistoffen zijn geplaatst op de p-schaal. Ter vergelijking: maagzuur heeft een p-waarde van 1 tot 2 en urine een p van 5 tot 6. p voedingsstof p voedingsstof 1 tot 2 cola 5 tot 6 zwarte koffie 2 tot 3 citroenzuur, azijn 6 tot 7 melk, thee 3 tot 4 appelsap, sinaasappelsap, wijn, yoghurt 7 zuiver water 4 tot 5 tomatensap, bier PDRATEN pdracht 1 Voor een waterige oplossing geldt dat [ 3 1+ ] [ 1- ] = (mol/l) 2. Vul de volgende tabel aan. [ 3 1+ ] in mol/l p [ 1- ] in mol/l oe groot is de p als de concentratie [ 1- ] gelijk is aan de concentratie [ 3 1+ ]? pdracht 2 Rangschik de volgende dranken van lage p-waarde naar hoge p-waarde: appelsap, melk, bruiswater. < < pdracht 3 De concentratie van hydroxonium-ionen ( 3 1+ ) is eerst 10-3 mol/l. Je berekent met de formule een p-waarde van 3. oe groot zal de p-waarde zijn, als de concentratie van de ionen 10 keer groter wordt? opyright Plantyn 37

39 mdat het gebruik van frisdranken de laatste tijd fors is gestegen, komt erosie van het tandglazuur steeds meer voor. Met name cola is in dit opzicht berucht. oe zuurder de drank, hoe erosiever. 2.2 Zuur-base reactie Protonacceptor en protondonor Zuren en basen zijn duidelijk twee verschillende stofsoorten. In 1923 formuleerden Brönsted en Lowry onafhankelijk van elkaar hun zuur-base theorie. Een zuur is elk deeltje dat als protondonor kan optreden, dat wil zeggen dat het een waterstofion kan afstaan. Een base is elk deeltje dat als protonacceptor kan optreden, dat wil zeggen dat het een waterstofion kan opnemen. Een deeltje kan slechts als protondonor optreden als er een protonacceptor aanwezig is. Als het ene deeltje zich gedraagt als protondonor en het andere als acceptor, is er sprake van een zuur-base reactie. TEMA 1: MLEULAIRE STRUTUUR EN EIGENSAPPEN VAN STFFEN Voorbeelden et maagzuur in je maag bevat onder andere zoutzuur (= een oplossing van l). Bij de samenvoeging van l en water, zal water optreden als base. l kan een proton afstaan en als zuur optreden. 2 kan een proton opnemen en als base optreden. Vul de reactievergelijking aan. l (zuur) + 2 (base) Water kan ook zuurgedrag vertonen. Bij toevoeging van een base zoals N3, gaat water een proton afstaan. Vul de reactievergelijking aan. 2 (zuur) + N 3 (base) opyright Plantyn