5 H4 Corrosie en metaalertsen. CC Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie.

Transcriptie

1 Auteur Its Academy Laatst gewijzigd Licentie Webadres 08 May 2015 CC Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie Dit lesmateriaal is gemaakt met Wikiwijs Maken van Kennisnet. Wikiwijs Maken is een onderdeel van Wikiwijsleermiddelenplein, hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, vergelijkt, maakt en deelt.

2 Inhoudsopgave 4 Corrosie en metaalertsen 4.1 Survival Challenge Intro 4.2 Theorie 4.3 Oefenen 4.4 Experimenteel 4.5 Verwerking 4.6 Diagnostische toets 4.7 Survival Challenge Over dit lesmateriaal Pagina 1

3 4 Corrosie en metaalertsen Leerdoelen en voorkennis bij hoofdstuk 4 Voordat je aan hoofdstuk 4 begint kun je: uitleggen dat metaalertsen en -oxiden zouten zijn, en dus als ontleedbare stoffen in de natuur gevonden worden. Na hoofdstuk 4 kun je: uitleggen onder welke omstandigheden corrosie optreedt en de reactievergelijking geven van het roesten van ijzer, aangeven op welke manieren metalen beschermd kunnen worden tegen corrosie, aangeven wat een opofferingsmetaal is en uitleggen hoe dat beschermt tegen corrosie, aangeven hoe in een hoogoven uit ijzererts ijzer wordt geproduceerd, aangeven hoe aluminium gewonnen en geproduceerd wordt, uitleggen waarom sommige metalen zoals aluminium niet beschermd hoeven worden tegen corrosie. Pagina 2

4 4.1 Survival Challenge Intro Het radiobaken Zonder hulp zul je het niet lang overleven in de Afrikaanse bush. Het is waarschijnlijk het beste om bij het vliegtuigwrak te blijven en wachten op hulp. Maar hoe weten de hulpverleners waar het vliegtuig is neergestort? Een wrak van zo'n 10 meter lang opsporen in een gebied van 2000 vierkante kilometer is als zoeken naar een speld in een hooiberg. Het is dus verstandig om een noodsignaal uit te zenden. Je weet dat het radiobaken in het vliegtuig een signaal uit kan zenden (al is de accu van het vliegtuig door de vele kortsluitingen helemaal leeg). Het radiobaken bevindt zich onder de vloer in de staart. Je hebt alleen geen gereedschap om de vloerplaten los te draaien. Verderop heb je wel wat restanten gevonden van een oud stroperskamp. Vooral de vergane blikjes zijn interessant. Je hebt op YouTube wel eens thermietreacties gezien, waarbij roest en aluminium wordt gebruikt. Je besluit de meest roestige blikjes fijn te stampen tot poeder, en aluminium los te schrapen van het vliegtuigframe. Je hoopt zo thermiet te maken en een hoek uit een vloerplaat te smelten om bij het radiobaken te kunnen komen. Pagina 3

5 4.2 Theorie Corrosie Van ijzer is bekend dat het kan roesten. In de scheikunde noem je dat corroderen. Het ene metaal corrodeert sneller dan het andere metaal. Dat hangt onder meer af van de edelheid. De edelheid van een metaal is eigenlijk niet veel anders dan een aanduiding van de reductorsterkte van dat metaal. De edele metalen (goud, platina en zilver) corroderen onder normale omstandigheden niet. Half-edele metalen (koper en kwik) reageren alleen met zuurstof bij hogere temperaturen (> 200 o C). Onedele metalen (de rest) oxideren langzaam, en zeer onedele metalen (bijvoorbeeld natrium en kalium) oxideren snel. Een andere manier om onedele metalen van zeer onedele metalen te onderscheiden is dat zeer onedele metalen als reductor kunnen reageren met water als oxidator. De snelheid van corrosie (het proces van corroderen) hangt gek genoeg niet alleen van de edelheid af. Een mooi voorbeeld daarvan is aluminium. Dit is een zeer onedel metaal en het reageert dan ook snel met zuurstof onder vorming van aluminiumoxide. Toch is aluminium een veel toegepast materiaal in de bouw en in de vliegtuigindustrie. Hoe zit dat? Het antwoord is simpel. Het aluminiumoxide hecht zich als een heel dun en transparant laagje aan het aluminium. Dat laagje is ondoordringbaar voor lucht. Door te corroderen 'verft' het aluminium zichzelf als het ware. Bescherming tegen corrosie Bekijk onderstaande video van de Universiteit van Twente. Hierin wordt stap voor stap uitgelegd hoe ijzer gemaakt wordt. Ook leer je wat roesten eigenlijk is en, misschien nog wel belangrijker, hoe je roesten tegen kunt gaan. Beantwoord na het bekijken van de video de vragen. Vragen bij de video Maak de onderstaande reactievergelijking (van het roesten van ijzer) af. Fe(s) + (g) + (l)? ( ) (s) Vragen bij de video (vervolg) Pagina 4

6 Vul in. Metalenwordenopverschillendemanierengebruiktomcorrosievan andere metalentevoorkomen.wanneerwebijvoorbeelddebuitenkantvanderompvaneenschipwillenbeschermeniseenlaklaa aangebracht.beidenzijnsterkere danhetstaal.hetaluminiumofhet reageertdus,enhetstaalniet.jenoemtditeen.zowordthetstaalvanhetschipnietaangetastdoorcorrosie.deblokkenzinkmoetenwelregelmatigvernieuwdworden.o opinhetzeewater.hetvervangenvandeblokkenisechterveel danhetopnieuwschilderenvaneenschip. Pagina 5

7 4.3 Oefenen Aluminium 1. Geef de reactievergelijking voor het roesten van aluminium. 2. Noem drie voordelen van aluminium als toepassing in de bouw en in de vliegtuigindustrie. Onedele metalen Zeer onedele metalen kunnen reageren met water. Maak een lijst van de zeer onedele metalen. Maak gebruik van tabel 48 uit Binas. Houd daarbij rekening met het minimale potentiaalverschil van 0,3V. Zink en tin Hiernaast zie je schematische afbeeldingen van een plaat ijzer met een laagje zink (gegalvaniseerd ijzer) en een plaat ijzer met een laagje tin (blik). Het zink en het tin vertonen een diepe kras waarin een laagje zuurstofhoudend water staat (H2O/O2 bellen). a. Beredeneer voor beide situaties welke corrosieverschijnselen er zullen optreden. Geef ook de halfreacties van de metalen die reageren. Pagina 6

8 b. Blik (ijzer met een beschermlaagje van tin) wordt veel gebruikt als verpakkingsmateriaal in de conservenindustrie. Uitgaande van je antwoord op de vorige opdracht, waarom is het beter om geen gedeukte blikken te kopen? Opofferingsmetaal Wanneer onbeschermd ijzer in zeewater ligt, roest dat met ongeveer de volgende snelheid: 30 mg dm-2 dag-1. Zink kan dienen als opofferingsmetaal om de corrosie van ijzer tegen te gaan. Zink is namelijk een sterkere reductor dan ijzer. a. Zink vormt een zelfbeschermend oxidelaagje om zich heen, net als aluminium. Waarom is het toch geen probleem om zink te gebruiken als opofferingsmetaal? b. Hoeveel ton zink moet worden gebruikt om 50 m3 ijzer 20 jaar lang te beschermen? In het plaatje hiernaast zie je hoe het opofferingsmetaal werkt. Bekijk eens goed hoe de elektronenstroom loopt. c. Welke deeltje, dat niet staat afgebeeld, ontstaat ook in deze reactie? Pagina 7

9 4.4 Experimenteel Het roesten van ijzer Bekijk de volgende video over het roesten van ijzer. Beantwoord de vragen. a. Geef de reactievergelijking van het roesten van ijzer. Bij deze reactie ontstaat ijzer(iii)hydroxide. b. Welke omstandigheden zijn het meeste geschikt om ijzer te laten roesten? c. Welke metalen zou je kunnen gebruiken als opofferingsmetaal om ijzer te beschermen? d. Leg uit waarom calcium, lithium en natrium geen goede opofferingsmetalen zijn om een ander metaal te beschermen. Plaats hier je muis Roestende spijkers Wanneer we een ijzeren spijker in (zout) water brengen, dan gaat de spijker roesten. Dit kan op verschillende manieren worden voorkomen zoals te zien in het vorige filmpje. Er zijn echter nog andere manieren mogelijk om het roesten tegen te gaan. Dit gaan we laten zien in een demonstratiepracticum. Het voorschrift voor het practicum kun je hier vinden. Pagina 8

10 4.5 Verwerking Hoogoven De productie van ijzer uit ijzererts gebeurt in hoogovens. Een doorsneetekening van een hoogoven staat in de figuur hieronder. We nemen aan dat het ijzererts waarover de opgave gaat bestaat uit Fe 2 O 3. Onderin de hoogoven bij A reageert de cokes (koolstof) met zuurstof. Het koolstofmono- oxide dat hierbij ontstaat, reageert met Fe 2 O 3. Hierbij ontstaan uitsluitend ijzer en koolstofdioxide. a. Geef de systematische naam van de stof met formule Fe 2 O 3. Geef daarbij de lading van het ijzerion aan met een Romeins cijfer. b. Geef de vergelijking van de reactie waarbij ijzer wordt gevormd uit koolstofmono-oxide en Fe 2 O 3. c. Is deze reactie een redoxreactie? Geef een verklaring voor je antwoord door de ladingen van de deeltjes vóór en na de reactie te vergelijken. d. Leg aan de hand van de tekening en Binas-tabel 39 uit welke temperatuur (in K) onderin de hoogoven (bij B) minimaal heerst. Het ijzer dat op deze wijze ontstaat noemt men ruwijzer. Ruwijzer bevat 4,2 massaprocent koolstof. Door dit hoge koolstofgehalte is ruwijzer hard en bros. Het koolstofgehalte wordt verlaagd door een hoeveelheid schroot (afvalijzer, dat gedeeltelijk bestaat uit Fe 2 O 3 ) door het vloeibare ruwijzer te Pagina 9

11 mengen. Hierbij treedt een reactie op tussen het Fe 2 O 3 en de koolstof waarbij onder andere ijzer ontstaat. e. Bereken hoeveel kg Fe 2 O 3 nodig is om 10 kg koolstof te verwijderen. Neem aan dat Fe 2 O 3 en koolstof met elkaar reageren in de molverhouding Fe 2 O 3 : C = 2 : 3. In de praktijk mengt men het ruwijzer niet alleen met schroot maar leidt men ook een gas door om het koolstofgehalte te verlagen. f. Geef de naam van het gas dat wordt doorgeleid om het koolstofgehalte verder te verlagen. Goudwinning Het metaal goud komt in de natuur meestal voor in de vorm van gouderts. Hierin zitten korreltjes goud vast aan gesteente. Bij de winning van goud uit gouderts maakt men gebruik van een oplossing van natriumcyanide (NaCN). In deze oplossing zijn Na + ionen en CN - ionen aanwezig. Het gesteente met de daaraan vastzittende korreltjes goud wordt fijngemalen en toegevoegd aan een overmaat natriumcyanideoplossing. Door het ontstane mengsel wordt lucht geleid zodat een reactie optreedt waarbij [Au(CN) 2 ] - ionen worden gevormd. Men kan zich voorstellen dat een [Au(CN) 2 ] - ion is opgebouwd uit een goudion en twee cyanide-ionen. a. Leid af wat de lading is van het goudion in een [Au(CN) 2 ] - ion. De tijd die nodig is om alle goud te laten reageren, hangt af van de korrelgrootte van het fijngemalen goudbevattende gesteente. b. Leg uit of het met kleine korreltjes korter of langer duurt om (bij dezelfde temperatuur) dezelfde hoeveelheid goud te laten reageren dan met grotere korreltjes. Het gesteente, dat niet opgelost is, wordt gescheiden van de ontstane oplossing. c. Welke scheidingsmethode is hiervoor geschikt? Aan de verkregen oplossing wordt een overmaat zinkpoeder toegevoegd. Dan vindt de volgende reactie plaats: 2 [Au(CN) 2 ] - + Zn? 2 Au + [Zn(CN) 4 ] 2- d. Bereken hoeveel kg zink volgens deze reactie heeft gereageerd voor de vorming van 10 kg goud. Pagina 10

12 4.6 Diagnostische toets Diagnostische toets Maak de diagnostische toets van dit hoofdstuk en bespreek je resultaat met de PAL. Pagina 11

13 4.7 Survival Challenge kn.nu/ww (dl.dropboxusercontent.com) Pagina 12

14 Antwoorden Maak de onderstaande reactievergelijking (van het roesten van ijzer) af. Fe(s) + (g) + (l)? ( ) (s) Juist antwoord: Maak de onderstaande reactievergelijking (van het roesten van ijzer) af. 4Fe(s) (g) +6 H2O (l)?4 Fe(OH)3 (s) Vul in. Metalenwordenopverschillendemanierengebruiktomcorrosievan andere metalentevoorkomen.wanneerwebijvoorbeelddebuitenkantvanderompvaneenschipwillenbeschermeniseenlaklaa aangebracht.beidenzijnsterkere danhetstaal.hetaluminiumofhet reageertdus,enhetstaalniet.jenoemtditeen.zowordthetstaalvanhetschipnietaangetastdoorcorrosie.deblokkenzinkmoetenwelregelmatigvernieuwdworden.o opinhetzeewater.hetvervangenvandeblokkenisechterveel danhetopnieuwschilderenvaneenschip. Juist antwoord: Vul in. Metalenwordenopverschillendemanierengebruiktomcorrosievan andere metalentevoorkomen.wanneerwebijvoorbeelddebuitenkantvanderompvaneenschipwillenbeschermeniseenlaklaa zink aangebracht.beidenzijnsterkere reductoren danhetstaal.hetaluminiumofhet zink reageertdus,enhetstaalniet.jenoemtditeen opofferingsmetaal.zowordthetstaalvanhetschipnietaangetastdoorcorrosie.deblokkenzinkmoetenwelregelmatigvernieuwdworden.o zouten opinhetzeewater.hetvervangenvandeblokkenisechterveel goedkoper danhetopnieuwschilderenvaneenschip. Aluminium 1. Geef de reactievergelijking voor het roesten van aluminium. 2. Noem drie voordelen van aluminium als toepassing in de bouw en in de vliegtuigindustrie Al (s) + 3 O2 (g) --> 2 Al2O3 (s) 2. Aluminium is een erg licht metaal. Dat wil zeggen dat het een erg kleine dichtheid heeft. Door deze Pagina 13

15 kleine dichtheid is er minder energie nodig om een vliegtuig te laten opstijgen. Daarnaast is het metaal ook nog eens erg sterk. Het belangrijkste chemische aspect is dat aluminium niet (meer) corrodeert. Het laagje aluminiumoxide beschermt het metaal. Onedele metalen Zeer onedele metalen kunnen reageren met water. Maak een lijst van de zeer onedele metalen. Maak gebruik van tabel 48 uit Binas. Houd daarbij rekening met het minimale potentiaalverschil van 0,3V. We zoeken naar metalen met een potentiaalverschil van minimaal 0,3V met water. We komen dan op de volgende metalen: lithium kalium barium calcium natrium magnesium aluminium Zink en tin Hiernaast zie je schematische afbeeldingen van een plaat ijzer met een laagje zink (gegalvaniseerd ijzer) en een plaat ijzer met een laagje tin (blik). Het zink en het tin vertonen een diepe kras waarin een laagje zuurstofhoudend water staat (H2O/O2 bellen). a. Beredeneer voor beide situaties welke corrosieverschijnselen er zullen optreden. Geef ook de halfreacties van de metalen die reageren. b. Blik (ijzer met een beschermlaagje van tin) wordt veel gebruikt als verpakkingsmateriaal in de conservenindustrie. Uitgaande van je antwoord op de vorige opdracht, waarom is het beter om geen gedeukte blikken te kopen? Pagina 14

16 a. Zink is een sterkere reductor dan ijzer. Zink gaat dus in oplossing: Zn (s) --> Zn e - Nu wordt er zinkoxide of zinkhydroxide gevormd. Hierdoor slibt de scheur dicht en er treedt verder geen corrosie op. Tin is een zwakkere reductor dan ijzer. Dus: Fe (s) --> Fe e - De corrosie van ijzer wordt versneld doordat de elektronen ook via het tin kunnen lopen om aan O2 te worden afgegeven. Het gevormde ijzeroxide en ijzerhydroxide sluit de snee niet af, waardoor het corroderen door kan blijven gaan. b. Bij ingedeukte blikken kan het laagje tin beschadigd zijn. Door de versnelde corrosie kan er een gaatje in het blik zitten en is het voedsel bedorven. Daarnaast kan er ijzerroest in het voedsel terecht zijn gekomen. Opofferingsmetaal Wanneer onbeschermd ijzer in zeewater ligt, roest dat met ongeveer de volgende snelheid: 30 mg dm-2 dag-1. Zink kan dienen als opofferingsmetaal om de corrosie van ijzer tegen te gaan. Zink is namelijk een sterkere reductor dan ijzer. a. Zink vormt een zelfbeschermend oxidelaagje om zich heen, net als aluminium. Waarom is het toch geen probleem om zink te gebruiken als opofferingsmetaal? b. Hoeveel ton zink moet worden gebruikt om 50 m3 ijzer 20 jaar lang te beschermen? In het plaatje hiernaast zie je hoe het opofferingsmetaal werkt. Bekijk eens goed hoe de elektronenstroom loopt. c. Welke deeltje, dat niet staat afgebeeld, ontstaat ook in deze reactie? a. Het opofferingsmetaal zink wordt Zn 2+ en gaat in de oplossing. De elektronen verplaatsen zich echter naar het te beschermen materiaal. De reactie met zuurstof vindt nu niet plaats aan het Pagina 15

17 zinkoppervlak, maar aan het ijzeroppervlak. Er zal dus geen beschermend zinkoxide (ZnO) laagje ontstaan. b. 30 mg x 5,0*10 3 x (20 x 365) = 1,1*10 9 mg 1,1*10 9 mg = 1,1*10 6 g 1,1*10 6 g / 55,85 g*mol -1 = 2,0*10 4 mol Fe Aangezien er net zoveel elektronen gebruikt worden in de Zn halfreactie als in de Fe halfreactie (zie Binas-tabel 48) is er evenveel mol zink nodig als opofferingsmetaal. 2,0*10 4 mol x 65,38 g*mol -1 = 1,3*10 6 g 1,3*10 6 g zink = 1,3 ton zink c. Wanneer water reageert als oxidator ontstaat er behalve OH - ook H2-gas (zie Binas-tabel 48). Pagina 16

18 Over dit lesmateriaal Colofon Dit materiaal is achtereenvolgens ontwikkeld en getest in een SURF-project ( : e-klassen als voertuig voor aansluiting VO-HO) en een IIO-project ( : e-klassen&pal-student). In het SURF project zijn in samenwerking met vakdocenten van VO-scholen, universiteiten en hogescholen e-modules ontwikkeld voor Informatica, Wiskunde D en NLT. In het IIO-project (Innovatie Impuls Onderwijs) zijn in zo n samenwerking modules ontwikkeld voor de vakken Biologie, Natuurkunde en Scheikunde (bovenbouw havo/vwo). Meer dan 40 scholen waren bij deze ontwikkeling betrokken. Organisatie en begeleiding van uitvoering en ontwikkeling is gecoördineerd vanuit Bètapartners/Its Academy, een samenwerkingsverband tussen scholen en vervolgopleidingen. Zie ook De auteurs hebben bij de ontwikkeling van de module gebruik gemaakt van materiaal van derden en daarvoor toestemming verkregen. Bij het achterhalen en voldoen van de rechten op teksten, illustraties, en andere gegevens is de grootst mogelijke zorgvuldigheid betracht. Mochten er desondanks personen of instanties zijn die rechten menen te kunnen doen gelden op tekstgedeeltes, illustraties, enz. van een module, dan worden zij verzocht zich in verbinding te stellen met de programmamanager van de Its Academy (zie website). Gebruiksvoorwaarden: creative commons cc-by sa 3.0 Handleidingen, toetsen en achtergrondmateriaal zijn voor docenten verkrijgbaar via de bètasteunpunten. Auteur Its Academy Laatst gewijzigd 08 May 2015 om 14:51 Licentie Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding en publicatie onder dezelfde licentie vrij bent om: het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden. Meer informatie over de CC Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie Aanvullende informatie over dit lesmateriaal Pagina 17

19 Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar: Leerniveau VWO 5; Leerinhoud en doelen Reactiemechanismen; Scheikunde; Reactiviteit; Productieprocessen; Eindgebruiker leerling/student Moeilijkheidsgraad gemiddeld Trefwoorden e-klassen rearrangeerbaar Bronnen Bron Type Video Gebruikte Wikiwijs Arrangementen Academy, Its. (z.d.). test. Pagina 18