1. Bindingen, structuren en eigenschappen

Samenvatting voor scheikunde - Bindingen, structuren en eigenschappen

Elektrisch geleidingsvermogen

Laten we kijken naar elektrisch geleidingsvermogen. Daarbij gaat het erom dat er elektronen door een stof kunnen stromen. Dat is namelijk wat elektrische stroom is: bewegende elektronen. Dat is alleen mogelijk als er geladen deeltjes in de stof zitten die zich kunnen verplaatsen. Dat zijn de twee belangrijke voorwaarden: er moeten geladen deeltjes in de stof zitten en die geladen deeltjes moeten zich vrij kunnen bewegen. 

Elektrisch geleidingsvermogen: voorbeelden

Laten we kijken naar wat voorbeelden. Een moleculaire stof is een stof die bestaat uit moleculen zonder metaalatomen. Een moleculaire stof bevat dus geen geladen deeltjes. Daarom geleidt het ook geen stroom. Neem bijvoorbeeld kunststof. Dat zijn moleculaire stoffen, en deze geleiden dus geen stroom, want er zijn geen geladen deeltjes in aanwezig.

Er moet dus een geladen deeltje in de stof aanwezig zijn. Zoals metaalatomen, die positief geladen zijn en daarom in een metaal zitten als ionen. Zoals je weet, bestaan zouten uit ionen. Geleiden zouten dan wel stroom? Nou, dat hangt er vanaf in welke vorm een zout is. Als het zout in vaste toestand is, kunnen de ionen niet vrij door de stof heen bewegen. De ionen zitten dan vast in een kristalrooster. 

Als een zout smelt, kunnen de ionen wel vrij bewegen. In vloeibare fase geleiden zouten dus wel stroom. Ook als zouten opgelost zijn in water, kunnen de ionen vrij bewegen en daarmee stroom geleiden. Daardoor kan het lijken alsof water (wat een moleculaire stof is) stroom kan geleiden. Maar dat kan het dus alleen wanneer er een zout in opgelost is, wat bijna altijd het geval is. Alleen heel sterk gezuiverd, puur water geleidt geen stroom. 

Voorkomt de organisatie in een kristalrooster dan altijd dat een stof stroom kan geleiden? Niet helemaal. Ook metalen zijn in namelijk vaste toestand georganiseerd in een kristalrooster: het metaalrooster. Daarin vormen de positief geladen metaalionen een raster waar de negatief geladen elektronen vrij doorheen bewegen. Door die vrij bewegende elektronen kunnen metalen ook in vaste toestand stroom geleiden. In vloeibare toestand natuurlijk ook; daarin is alles natuurlijk nog vrijer. 

Vervormbaarheid van stoffen

De vervormbaarheid is van een aantal dingen afhankelijk. De vervormbaarheid van zouten en metalen in vaste vorm, wordt bepaald door de roosteropbouw van de stof. Terwijl het bij kunststoffen gaat om de structuur van het polymere materiaal en om de aanwezigheid van weekmakers. 

Roosteropbouw zouten

We beginnen met de roosteropbouw van zouten. In een zout zitten de positieve en negatieve ionen netjes gerangschikt volgens een bepaalde structuur. Zoals je in de video hierboven ziet bij gewoon keukenzout, natriumchloride. Zo’n regelmatige rangschikking heet een kristalrooster, en in het geval van zouten gaat het dus om een ionrooster. De positieve kationen en negatieve anionen trekken elkaar aan, en die aantrekkingskracht heet een ionbinding. Deze structuur verklaart de mooie kristallen die zouten maken. 

Deze structuur verklaart ook de vervormbaarheid, of beter gezegd het feit dat zouten niet bepaald vervormbaar zijn. Door de sterke ionverbindingen binnen hun kristalrooster zijn zouten stoffen bros, en niet vervormbaar of kneedbaar. De bindingen kunnen wel breken als er geprobeerd wordt het zout te vervormen, maar daarbij brokkelt het zout ook echt af in plaats van dat het van vorm verandert.

Vervormbaarheid van metalen

Bij metalen is dat anders. Die kunnen wel vervormd worden. Vaak is daar veel kracht voor nodig, bijvoorbeeld met grote machines die platen metaal plat walsen. Of hoge temperatuur, wat de vervormbaarheid vergroot. De metaalbinding tussen de metaalionen en de elektronen wordt niet verbroken wanneer het metaal vervormd wordt. Niet alle metalen hoeven trouwens verhit te worden om heel vervormbaar te zijn. Vast natrium is bijvoorbeeld zo vervormbaar dat je het bijna kan kneden. Daarbij verplaatsen de natriumionen natuurlijk wel, maar de structuur van het metaalrooster, met de vrije ionen, verandert hier niet door. 

Vervormbaarheid van kunststoffen

We gaan verder met de vervormbaarheid van kunststoffen. Hoe goed kunststoffen te vervormen zijn, heeft alles te maken met hoe de polymeerketens in de stof liggen. Grofweg zijn er hiervoor twee opties:

1. De polymeerketens kunnen los in de stof liggen, onderling niet verbonden. Dan spreken we van een thermoplast. Je kunt je voorstellen dat de moleculen in zo’n thermoplast ten opzichte van elkaar nog wel wat bewegingsruimte hebben. Ze worden alleen bij elkaar gehouden door de zwakke Vanderwaalsbindingen. Als een thermoplast verhit wordt, zal hij dan ook smelten. 

2. Heel anders is dat bij thermoharders. In een thermoharder zijn de ketens namelijk wel onderling verbonden. Met covalente bindingen. Zulke dwarsverbindingen worden crosslinks genoemd. Deze moleculen zitten dus echt goed aan elkaar vast. Bij verhitting smelten thermoharders dan ook niet. Thermoharders zijn sowieso stevige, moeilijk vervormbare stoffen. Daarvan worden dus producten gemaakt die echt hard moeten zijn, zoals putdeksels, terwijl je van thermoplasten zachtere producten zoals speelgoed kan maken. 

Weekmakers

Een andere belangrijke factor voor de vervormbaarheid is de aanwezigheid van weekmakers. Weekmakers doen eigenlijk precies wat je ervan zou verwachten. Ze maken kunststoffen wat weker, wat meer vervormbaar dus. Bij het productieproces van, meestal een thermoplast, worden kleine moleculen toegevoegd. Die kleine weekmaker moleculen wurmen zich dan tussen de polymeerketens. Hierdoor zitten die verder van elkaar af. Dit zorgt ervoor dat de aantrekking tussen de moleculen zwakker wordt. Hierdoor kunnen de polymeerketens makkelijk over elkaar glijden. Het polymeer is nu zacht en flexibel. Van kunststoffen die gemaakt zijn met weekmakers kan je dus producten maken zoals kleding.

Als er aan zo’n zelfde thermoplast geen weekmaker toegevoegd is, zitten de moleculen veel dichter bij elkaar. Dan kun je er producten van maken die dus juist stevig moeten zijn, zoals regenpijpen. 

UV-gevoeligheid

We gaan door met de volgende eigenschap: de gevoeligheid voor UV licht. Dit geldt met name voor plastics. Dat heeft er alles mee te maken dat polymeren voor hun vorm afhankelijk zijn van lange moleculen. UV licht kan zulke polymeerketens breken. Daardoor wordt het materiaal bros en kan het uiteindelijk zelfs uit elkaar vallen, waardoor er microplastics kunnen ontstaan. 

Zo is UV licht de belangrijkste factor van het verweren van plastics. Kijk maar eens naar deze plantenpot (in de video). Je zou denken dat er vuur bij gehouden is, maar het gaat hierbij dus alleen maar om UV-straling. Om die reden zijn sommige kunststoffen verstevigd met UV-stabilisatoren, zodat het langer meegaat. Andere stoffen zijn juist gevoeliger gemaakt voor UV licht, zodat ze makkelijker afbreekbaar zijn om te recyclen. 

Hoe werkt dat dan? Nou UV-licht is in staat om meervoudige verbindingen open te breken. Als zo’n binding ‘open klapt’, kan de polymeer reageren met andere atomen. Vaak is dat zuurstof. Daardoor ontstaan nieuwe groepen in de polymeerketen. Dat kan je ook zien doordat de kunststof een beetje gelig wordt. En het wordt dus kwetsbaarder. Wanneer de ketens over elkaar heen schuiven door beweging, kunnen ze breken. 

Dit proces kan tegengegaan worden wanneer het vrije elektron van de opengebroken meervoudige binding reageert met een andere polymeerketen in de stof. Hierdoor ontstaan natuurlijk cross links, die dwarsverbindingen tussen polymeerketens die we zien in thermoharders en de stof juist verstevigen. 

Corrosiegevoeligheid

Corrosie is de natuurlijke chemische aantasting van materialen door invloeden uit de omgeving. Het gaat dan met name om het aantasten van metalen door oxidatie. Bij oxidatie van een zuiver metaal is er een reactie met zuurstof uit de lucht. Daarbij wordt dat zuivere metaal omgezet in een metaaloxide. Dat metaaloxide is vervolgens minder reactief, en daardoor is dat metaaloxide zelf minder gevoelig voor corrosie. 

Corrosiegevoeligheid metalen

Hoe gevoelig een metaal is voor corrosie, is dus afhankelijk van hoe reactief het is. Dit wordt ook wel de edelheid van metalen genoemd. Heel edele metalen zoals goud, zilver en platina, zijn totaal niet reactief. Ze kunnen blootgesteld worden aan lucht zoveel als je wil, maar het zal niet oxideren. Aan de andere kant van het spectrum zijn de metalen die helemaal niet edel zijn, zoals natrium, dat bij blootstelling aan de lucht direct zal reageren. Als je een stukje natrium in het water gooit, ontstaat er ook een heel heftige reactie. 

Standaard elektrodepotentiaal

Wat bepaalt dan het verschil tussen een metaal als goud en een metaal zoals natrium? Dat zit hem in de standaard elektrodepotentiaal. Die wordt ook wel de redoxpotentiaal genoemd. Dat is de neiging van een deeltje om elektronen op te nemen (reductie) of elektronen af te staan (oxidatie). Hoe positiever die standaard elektrodepotentiaal is, hoe groter de neiging om elektronen op te nemen. Andersom is ook waar. Hoe negatiever de standaard elektrodepotentiaal, hoe groter de neiging om een elektron af te staan. 

Wat heeft dat dan te maken met corrosie? Nou, zuurstof is een heel goede oxidator, dus het trekt elektronen van andere stoffen aan. Zo goed zelfs dat het opnemen van elektronen naar zuurstof vernoemd is. Zuurstof wil dus een elektron hebben, en metaal wil het kwijt. Ze gaan dus samen reageren. Daarbij ontstaat dan een binding tussen het metaal en zuurstof. Dat is het metaaloxide. Bij ijzer noemen we dat roest. 

Goed, metalen met een heel negatief elektrodepotentiaal willen dus graag hun elektronen kwijt aan zuurstof en dat resulteert in de oxidatie van het metaal, corrosie dus. Daarmee is de elektrodepotentiaal een van de factoren die de gevoeligheid voor corrosie bepaalt. 

Beschermende laag

De tweede factor is de aanwezigheid van een beschermde laag. Zo’n laag schermt het reactieve metaal af van zuurstof zodat de oxidatie niet kan gebeuren. Dat kan uit verschillende dingen bestaan. Het kan een verf of een laklaag zijn, er kan rubber overheen zitten, of een glasachtige laag. Bij sommige metalen, zoals bijvoorbeeld aluminium, ontstaat de metaaloxide door de reactie met zuurstof, waardoor het zélf de beschermende laag vormt. Omdat die hecht aansluitend is. Bij ijzer is dat bijvoorbeeld helemaal niet zo. Roest is namelijk helemaal niet hecht, en daardoor kan zuurstof gewoon nog bij het zuivere ijzer komen. 

Samenvattend

We hebben van verschillende stoffen bepaalde eigenschappen verklaard. Heel kort samengevat: stoffen kunnen alleen elektriciteit geleiden wanneer ze geladen deeltjes bevatten die vrij kunnen bewegen. De vervormbaarheid van stoffen valt vaak te verklaren vanuit het kristalrooster. Zouten zijn door de ionbindingen in hun kristalrooster niet vervormbaar en metalen door de metaalbinding in het metaalrooster juist wel. Kunststoffen zijn gevoelig voor UV-licht als ze veel meervoudige atoombindingen bevatten en de corrosiegevoeligheid van een metaal is afhankelijk van hoe edel dat metaal is en of er een beschermende laag aanwezig is.