Aluminium is een onedel metaal dat onder andere door zuurstof wordt aangetast. Er vormt zich dan op het aluminium een laagje aluminiumoxide, soms maar 0,0001 mm dik. In het gevormde aluminiumoxide passen de Al3+ ionen ruimschoots in de holtes tussen de O2- ionen. Omdat de ionstraal van O2- ionen en de atoomstraal van Al atomen vrijwel even groot zijn, sluit het laagje aluminiumoxide het onderliggende aluminium zeer goed af.
Hierdoor wordt het aluminium door het laagje aluminiumoxide beschermd tegen verdere aantasting door zuurstof.
Hieronder (zie figuur 1) staat een figuur waarin de bescherming van aluminium door een laagje aluminiumoxide schematisch is weergegeven. Van het beschermende laagje aluminiumoxide is slechts een zeer klein gedeelte weergegeven.
In een legering van aluminium, magnesium en tin is de vorming van een goed afsluitend laagje aluminiumoxide niet goed mogelijk. Magnesium- en tinionen, die zich bij aantasting van de legering vormen, zijn namelijk groter dan aluminiumionen. Ze passen niet in de holtes tussen de O2- ionen. In een legering waarbij de verhouding tussen de aantallen atomen aluminium, magnesium en tin 4000 : 200 : 1 is, wordt het beschermende laagje niet gevormd. Het gevolg is dat een legering met deze samenstelling wordt aangetast.
18.2 De vorm van moleculen
18.3 Het verloop van een chemische reactie
Vwo examen 1980 2e tijdvak
Jood lost op in een oplossing van kaliumjodide in water. De verkregen oplossing noemt men joodwater.
In zuur milieu reageren joodwater en aceton (propanon) langzaam tot joodpropanon en waterstofjodide.
We kunnen deze reactie volgens verschillende mechanismen beschrijven. Twee van zulke beschrijvingen volgen hieronder. Bij beide beschrijvingen is ervan uitgegaan dat bij deze reactie het kaliumjodide alleen dient om het jood in oplossing te houden.
Mechanisme 1
Een klein gedeelt van de joodmoleculen is gedissocieerd in joodatomen.
Een joodatoom kan met een acetonmolecuul reageren onder vorming van een waterstofjodidemolecuul en een zeer reactief deeltje, dat men acetonylradicaal noemt. Het gevormd acetonylradicaal kan met een joodmolecuul reageren onder vorming van een molecuul joodpropanon en een joodatoom. Dit joodatoom kan weer met een molecuul aceton reageren. Het bovenbeschreven proces kan zich vele male herhalen.
Mechanisme 2
Het zuurstofatoom van een acetonmolecuul neemt een proton op. Hierdoor ontstaat een positief ion. Dit ion staat nu een prton af, afkomstig van één van de methylgroepen. Er ontstaat een molecuul propeen-2-ol:
Dit propeen-2-ol reageert met een molecuul jood onder vorming van een jodide-ion en een positief deeltje; dit positief deeltje valt uiteen in een molecuul joodpropanon en een proton.
Voor iedere stap in een mechanisme is de reactiesnelheid afhankelijk van de concentraties van elk der bij die stap betrokken reactanten. Eén van de manieren om na te aan welk mechanisme de beste omschrijving geeft voor deze reactie is daarom, te onderzoeken hoe de reactiesnelheid afhangt van de concentraties der reactanten.
Daartoe worden de volgende experimenten uitgevoerd. Men voegt aceton, joodwater en zoutzuur in verschillende hoeveelheden bij elkaar. Bij elk experiment titreert men na 15 minuten het overgebleven jood met een 0,0020 M oplossing van natriumthiosulfaat, Na2S2O3 . Zie tabel 1.
Nummer experiment
Aantal mL 2 M aceton
Aantal mL 2 M zoutzuur
Aantal mL 0,0010 M joodwater
Aantal mL water
Aantal mL 0,0020 M thiosulfaatopl.
1
2,0
2,0
2,0
4,0
16,0
2
2,0
2,0
4,0
2,0
36,0
3
2,0
2,0
1,0
5,0
6,0
Vervolgens wordt de concentratie van zoutzuur gevarieerd. Ziet tabel 2.
Nummer experiment
Aantal mL 2 M aceton
Aantal mL 2 M zoutzuur
Aantal mL 0,0010 M joodwater
Aantal mL water
Aantal mL 0,0020 M thiosulfaatopl.
1
2,0
2,0
2,0
4,0
16,0
4
2,0
4,0
2,0
2,0
12,0
5
2,0
6,0
2,0
0,0
6,0
Oefenopgaven vaklokaal scheikunde
Reactiemechanisme zichtbaar gemaakt
Vwo examen scheikunde pilot 2015 1e tijdvak
Chemische reacties die uit verschillende deelreacties bestaan, verlopen vaak zo snel dat tussenproducten niet waarneembaar zijn.
Wetenschappers van de Universiteit van Tokio hebben een poreus materiaal ontwikkeld, waarin de moleculen van een stof kunnen worden ‘opgesloten’. In dit materiaal verlopen de betrokken deelreacties zo traag
dat de structuur van de moleculen van de tussenproducten onderzocht kan worden.
De onderzoekers hebben deze aanpak gebruikt om de reactie die in figuur 1 is weergegeven te onderzoeken. In deze reactie wordt uit een aldehyde en een amine een zogeheten imine gevormd. Van deze reactie was al bekend dat deze in twee deelreacties verloopt. Het tussenproduct was echter nog nooit waargenomen.
figuur 1
R1 en R2 staan in figuur 1 voor koolstofketens. De stof met de algemene benaming hemiaminal is het tussenproduct.
Omdat deelreactie 2 veel sneller verloopt dan deelreactie 1, bestaat het hemiaminal heel kort en was daardoor moeilijk aan te tonen. De totale reactie (deelreactie 1 en 2 samen) is exotherm.
In figuur 2 zijn vier energiediagrammen voor reactiemechanismen die uit twee deelreacties bestaan, schematisch weergegeven.
figuur 2
Om de reactie te onderzoeken maakten de onderzoekers een poreus materiaal, opgebouwd uit grote moleculen die elk één NH2 groep bevatten. De NH2 groepen bevinden zich in holtes van het materiaal.
Ze brachten het materiaal in contact met ethanal, waardoor hemiaminalgroepen werden gevormd. Omdat de hemiaminal-groepen zich in de holtes van het materiaal bevinden, worden ze afgeschermd van de omgeving en kan deelreactie 2 pas bij hogere temperatuur verlopen.
De onderzoekers volgden de volgende vijf stappen.
1 Het poreuze materiaal werd bij een temperatuur van 215 K in contact gebracht met ethanal.
Hierbij verliep deelreactie 1 volledig.
2 De temperatuur werd vervolgens verlaagd tot 90 K.
3 Het gevormde tussenproduct werd geanalyseerd met behulp van röntgenonderzoek.
4 Na het onderzoek werd de temperatuur verhoogd tot 270 K. Hierbij verliep deelreactie 2 volledig.
5 Het gevormde eindproduct werd geanalyseerd met behulp van röntgenonderzoek.
Dat in stap 1 inderdaad een hemiaminal gevormd was, kon aannemelijk worden gemaakt met behulp van röntgenonderzoek. Met röntgenonderzoek kan namelijk de grootte van bindingshoeken tussen atoombindingen worden onderzocht.
Uit het röntgenonderzoek in stap 3 bleek dat de bindingshoeken van het hieronder omcirkelde C atoom met
andere atomen tijdens de reactie waren veranderd.
Uit het röntgenonderzoek in stap 5 bleek dat deze bindingshoeken opnieuw waren veranderd. De onderzoekers zagen hierin een aanwijzing dat na stap 1 het hemiaminal aanwezig was.
Het aantonen van het hemiaminal in stap 3 was een doorbraak voor de Japanse onderzoekers. Toch vonden ze het noodzakelijk om ook stap 4 en 5 uit te voeren.
18.4 Mesomerie
Styreen-butadieen-rubber
Vwo (pilot)examen scheikunde 2013 1e tijdvak (aangepast)
Voor het maken van autobanden is jaarlijks een enorme hoeveelheid rubber nodig. Omdat er onvoldoende natuurrubber is, wordt op grote schaal synthetische rubber gemaakt.
Hierbij is 1,3-butadieen (CH2=CH–CH=CH2) een belangrijke grondstof. 1,3-butadieen ontstaat bij het stoomkraken van mengsels van verzadigde koolwaterstoffen. Uit het hierin aanwezige heptaan worden 1,3-butadieen, propaan en nog één andere stof gevormd.
Bij condensatie van het ontstane mengsel wordt een aantal fracties opgevangen. Elke fractie bevat een mengsel van verzadigde en onverzadigde koolwaterstoffen. Om 1,3-butadieen te scheiden van de andere koolwaterstoffen in de betreffende fractie maakt men gebruik van extractie. Door het relatief lage kookpunt (269 K) is 1,3-butadieen vervolgens af te scheiden uit de ontstane oplossing.
De meest gebruikte rubbersoort voor autobanden is het zogeheten styreen-butadieen-rubber (SBR), een zogenoemd copolymeer van 1,3-butadieen en styreen (fenyletheen). 1,3-Butadieen kan op twee manieren polymeriseren met styreen:
- 1,4-additie. In het polymerisatieproces worden de koolstofatomen nummer 1 en 4 van 1,3-butadieen elk
verbonden met een andere monomeereenheid. De hierbij in elke gepolymeriseerde monomeereenheid
1,3-butadieen gevormde dubbele binding tussen koolstofatomen nummer 2 en 3 kan zowel de cis- als de
transconfiguratie aannemen;
- 1,2-additie. De reactie verloopt via koolstofatomen nummer 1 en 2 van 1,3-butadieen.
De productie van SBR is hieronder vereenvoudigd beschreven.
Styreen, 1,3-butadieen, water, een emulgator en hulpstoffen worden in een reactor gemengd. Als 60% van de monomeren is omgezet, wordt de reactor geleegd in ruimte S1.
In S1 wordt 1,3-butadieen afgescheiden uit het mengsel dat uit de reactor komt. Het resterende mengsel wordt naar een zogenoemde stoomstripper geleid. Hier wordt stoom door het mengsel geleid. De stoom neemt het
resterende styreen mee. Het mengsel van stoom en styreen wordt daarna in ruimte S3 gecondenseerd en gescheiden.
Aan het overblijvende mengsel van onder andere water en SBR wordt in ruimte S4 een zuur toegevoegd. Het SBR klontert daardoor samen en kan worden afgescheiden.
Hieronder is een onvolledig blokschema afgebeeld voor de productie van SBR. Bij deze productie wordt zo efficiënt mogelijk omgegaan met grondstoffen.
Voor de productie van een autoband wordt vloeibaar SBR gemengd met zwavel en enkele andere hulpstoffen. De band wordt opgebouwd uit een aantal lagen van dit mengsel, waartussen versterkende staaldraden
aanwezig zijn. Aan het eind van het proces laat men de gehele band enige tijd in een mal uitharden bij 290 °C. Tijdens het uitharden worden de SBR ketens op een beperkt aantal plaatsen onderling verbonden door zwavelatomen. Het resultaat is een stevige, elastische rubber band.
Rubber afkomstig van oude autobanden kan niet worden gebruikt voor de productie van nieuwe banden.
Een manier om autobanden nuttig te gebruiken is door ze in korrelvorm in cementovens te verbranden. Bij de verbranding ontstaan H2O en CO2 en twee andere oxides. Deze twee andere oxides worden in het cement opgenomen. De beide oxides vormen een nuttige grondstof voor het cement. In vergelijking met gewone verbranding, kan zo milieuoverlast door één van deze oxides worden voorkomen.
18.5 Synthese van paracetamol
18.6 Toepassing
Carbon
Vwo scheikunde 2016 2e tijdvak
Carbon is een composiet samengesteld uit een netwerkpolymeer en koolstofvezels. Het netwerkpolymeer in carbon is een epoxyhars. De epoxyhars wordt gevormd uit twee monomeren: een amine en een zogeheten di-epoxide.
Moleculen van het di-epoxide bevatten aan beide uiteinden een epoxidegroep. Wanneer het di-epoxide wordt gemengd met de amine treedt de hieronder weergegeven reactie op. Met R1 en R2 worden de overige delen van de moleculen aangeduid.
De amine treedt hierbij op als een nucleofiel deeltje. Op de uitwerkbijlage bij deze opgave is de reactie onvolledig weergegeven in twee stappen. In stap 2 verplaatst zich een H atoom.
Een epoxidegroep is op te vatten als een cyclische ethergroep. Van alle ethers blijken de stoffen met een epoxidegroep in de moleculen veel reactiever te zijn dan de lineaire ethers. De reden hiervoor is dat de bindingshoeken in de ring van een epoxidegroep afwijken van wat de VSEPR-theorie voorspelt. Hierdoor is de activeringsenergie voor het verbreken van de C–O binding in een epoxidegroep veel lager dan bij een lineaire ether.
Men streeft ernaar dat in het materiaal geen reactieve groepen meer over zijn.
Daarom moeten de ~NH groepen en de epoxidegroepen in een molverhouding 1:1 gemengd worden.
Voor de gebruiker vermelden fabrikanten daarom twee waardes op de verpakking: de EEM en de AHEM.
Deze waardes zijn als volgt gedefinieerd:
− EEM: het aantal gram van het di-epoxide per mol epoxidegroepen;
− AHEM: het aantal gram van de amine per mol aan stikstof gebonden waterstofatomen.
Hieronder is de structuur van de veelgebruikte diëthyleentriamine (DET) weergegeven.
Bij een bereiding van epoxyhars wordt een di-epoxide gebruikt met een EEM van 189 gram en een amine met een AHEM van 15 gram.
Omdat de amine-moleculen meerdere reactieve plaatsen hebben, vormen deze crosslinks tussen de moleculen van het di-epoxide. De structuur van het meest gebruikte di-epoxide voor carbon is hieronder weergegeven. De waarde van n in dit monomeer kan liggen tussen 0 tot 25.
De waarde van n heeft onder meer invloed op de vervormbaarheid van de gevormde epoxyhars.
Om een voorwerp van carbon te produceren worden de twee monomeren samen met de koolstofvezels in een mal geperst.
Voor de sterkte van het gevormde carbon is van belang dat de koolstofvezels goed hechten aan de epoxyhars.
Op microniveau bestaan de vezels uit meerdere koolstoflaagjes van elk één atoom dik, vergelijkbaar met grafiet (zie Binas-tabel 67E).
Dankzij de platte vorm liggen de lagen dicht op elkaar.
Om de hechting met het netwerkpolymeer te verbeteren worden de koolstofvezels voorbehandeld met een oxidator.
In figuur 1 is weergegeven hoe een laagje er dan uit kan zien.
Door deze voorbehandeling blijkt de sterkte van de koolstofvezels zelf af te nemen. Men verklaart dit uit een afname van de onderlinge hechting van de koolstoflaagjes.
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 3.0 Nederlands licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding 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.
Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten
terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI
koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI
koppeling aan te gaan.
Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.
Arrangement
IMSCC package
Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.
Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en
het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op
onze Developers Wiki.
