Chemie Overal 5e ed - Hoofdstuk 13 - Kunststoffen oefentoetsen & antwoorden

Door middel van additiepolymerisatie en condensatiepolymerisatie kan men van monomeren (hele kleine moleculen) polymeren (hele lange moleculen, ook wel macromoleculen genoemd) maken.Een additiepolymerisatie verloopt in 3 stappen. Deze 3 stappen zijn: 1. Initiatie 2. Propagatie 3. Terminatie Een condensatiepolymerisatie verloopt in 4 stappen. Deze 4 stappen zijn: 1. Een carbonzuur neemt een proton op van H3O+, afkomstig van een zuur 2. Er treedt een reactie op van het ion met een alcohol. 3. Een proton (H+) verplaatst van het ene naar het andere zuurstofatoom. 4. Er splitst water af en een watermolecuul neemt een proton (H+) op. De naam van het monomeer waaruit PS (polystyreen) is opgebouwd is styreen. Polystyreen is een polymeer. Wanneer je daar het woord ‘poly’ vooraan weghaalt krijg je de naam van het monomeer waaruit het polymeer is opgebouwd.In een monomeer is altijd een C=C binding aanwezig. Daar kan je een monomeer dan ook snel aan herkennen. In een polymeer zijn er geen C=C bindingen meer aanwezig. Een polymeer kan je op verschillende manieren noteren: Rechte haakjes aan de linkerkant en aan de rechterkant [ …………….. ]Aan het getal n. Het getal n is een zeer groot getal, aangezien polymeren ontzettend grote moleculen zijn. Golfjes aan zowel de linkerkant als aan de rechterkant in een structuurformules  ~ ……………….. ~Stof a is dus een polymeer, bevat een schrijfwijze met rechte haakjes aan de linkerkant en de rechterkant en het getal n.Stof b is dus een monomeer, bevat nog een C=C binding. Stof c is een polymeer, bevat golfjes aan zowel de linkerkant als aan de rechterkant in een structuurformule. Een thermoplast heeft de volgende kenmerken: Plastics die bij verwarmen smeltenDoor een goede smeltbaarheid zijn ze gemakkelijk te bewerken via spuit-of blaastechnieken. Thermoplasten zijn goed recyclebaarTussen de ketens van een thermoplast bevindt zich een zwakke vanderwaalsbinding.Een thermoharder heeft de volgende kenmerken: Plastics die bij verwarmen hard blijvenEen thermoharder bestaat uit crosslinks (dwarsverbindingen)De crosslinks zorgen voor een starre netwerkstructuurDe bindingen tussen de ketens van een thermoharder zijn zo sterk dat ze niet kunnen worden verbroken wanneer het plastic verhit wordt. Een thermoharder ontleedt en verbrandt bij hoge temperaturen. Elastomeren zijn polymeren met eigenschappen van een thermoharder. Het aantal crosslinks in een elastomeer is alleen veel kleiner dan in een thermoharder. Het aantal crosslinks in een elastomeer is dus minder dan in een thermoharder. Een thermoplast bevat een zwakke vanderwaalsbinding. Deze zwakke vanderwaalsbinding zorgt ervoor dat de ketens in een thermoplast bijeen worden gehouden. In structuurformule a zie je een zwakke vanderwaalsbinding. Het monomeer waaruit dit polymeer is opgebouwd is: Het monomeer bevat geen grote/ingewikkelde structuren, waardoor het polymeer bijeen wordt gehouden door een zwakke vanderwaalsbinding. Structuurformule a is dus een thermoplast. Een thermoharder bevat crosslinks. Crosslinks zorgt ervoor dat de ketens in een thermoharder bijen worden gehouden. In structuurformule b zie je crosslinks. Crosslinks zijn grote/ingewikkelde structuren die door middel van dwarsverbindingen met elkaar verbonden zijn.Met het ‘minder bros worden’ van een kunststof wordt bedoeld dat het kunststof minder breekbaar is. Een weekmaker is een stof die aan een thermoplast wordt toegevoegd om ervoor te zorgen dat de thermoplast zachter en minder bros wordt. Wanneer een weekmaker aan kunststof a wordt toegevoegd, zal deze kunststof minder breekbaar worden, aangezien de weekmaker ervoor zorgt dat de zwakke vanderwaalsbinding wat sterker wordt. Doordat een weekmaker zorgt voor een wat sterkere vanderwaalsbindingen wordt kunststof a minder bros. Het heeft dus geen zin om een weekmaker aan kunststof b toe te voegen, aangezien een thermoharder van zichzelf al sterke crosslinks bevat. Als men een weekmaker aan een thermoharder toevoegt zal er niets gebeuren.  Kunststof b is een wateroplosbaar polymeer. In de structuurformule van kunststof b zie je dat de stof -OH groepen bevat. Het polymeer bevat -OH groepen waardoor deze moleculen waterstofbruggen kunnen vormen met watermoleculen en zo wateroplosbaar zijn. Kunststof a lost niet goed op in water, aangezien de stof geen -OH (of -NH-groepen) bevat, waardoor deze stof geen waterstofbruggen kan vormen met watermoleculen. De Lewisstructuur van het SO4- deeltje waaruit blijkt dat het een radicaal is, wordt hieronder weergegeven. Let bij het tekenen van de Lewisstructuur op de volgende punten: Het zwavel-atoom heeft een covalentie van 6. dus 6 bindingsstreepjes. Één zuurstofatoom heeft een negatieve formele lading. In dit geval is dat het bovenste zuurstofatoom. Let op dat je de formele lading bij het desbetreffende atoom tekent. Één zuurstofatoom heeft een vrij elektron (radicaal) met daarbij twee ongepaarde elektronenparen. In dit geval is dat het onderste zuurstofatoom. De propagatiereactie tussen een SO4- deeltje en HEMA wordt hieronder weergegeven. Let bij het tekenen van de propagatiereactie op de volgende punten: Het SO4- deeltje moet je weergegeven met een R. Aan het begin van de propagatiereactie is dit je radicaal, vandaar dat je begint met een R· notatie.Het HEMA molecuul moet strategisch worden getekend. De dubbele C=C binding in HEMA klapt open, dus deze C=C binding moet horizontaal getekend worden. Het HEMA molecuul moet dus een kwartslag gedraaid worden, waarbij de C=C binding centraal komt te staan en alle overige groepen naar boven (CH3) en naar onder getekend moeten worden (de estergroep). Aan de CH2-groepen in het midden van de teken komt één vrije elektron te zitten. Dit is het nieuwe radicaal wat gevormd is bij de propagatiereactie. Het reactieproduct mag ook in spiegelbeeld worden getekend (vandaar het woordje ‘of’ in de uitwerking).pHEMA is een hydrofiel polymeer, aangezien het polymeer een -OH groep bevat (zie uitwerking van de propagatiereactie bij opgave b). Hierdoor kan het polymeer waterstofbruggen vormen met andere watermoleculen, waardoor pHEMA een hydrofiel polymeer is en dus veel water kan opnemen. Hieronder wordt het stappenplan weergegeven om tot het juiste eindantwoord te komen. Berekening van het aantal mol monomeereenheden HEMA bijvoorbeeld per 100 gram mengsel. Van 100 gram mengsel is 72% het massapercentage water. 72% van 100 is 72 gram water.Berekening van het aantal mol water: dus delen door de molaire massa van water. Dus: $\frac{7.2}{18.015} = 3.99$… mol water. Berekening van het aantal moleculen water per monomeereenheid HEMA. Van 100 gram mengsel is 100 – 72 = 28 gram HEMA. Berekening van het aantal mol HEMA: dus delen door de molaire massa van HEMA. De molaire massa van C6H10O3 is (6 · 12.01) + (10 · 1.008) + (3 · 16.00) = 130.14 g/mol. Dus $\frac{28}{130.14} = 0.215$… mol HEMA.Bereken van de hoeveelheid moleculen water per monomeereenheid in de hydrogel van pHEMA. $\frac{Aantal \ mol \ water}{Aantal \ mol \ HEMA} = \frac{3.99…}{-.215…} = 19$ moleculen water per monomeereenheid. Let op: op je rekenmachine kom je uit op 18.544… moleculen water per monomeereenheid. Wanneer er wordt gevraagd naar een aantal moleculen moet je altijd afronden op een geheel getal.  De structuurformule van het monomeer in pNIPAM dat voor crosslinks zorgt wordt hieronder weergegeven.Let bij het tekenen van bovenstaande structuurformules op de volgende punten: In de structuurformule van een monomeer zijn er altijd nog C=C bindingen aanwezig (in dit geval zowel aan het begin als aan het einde van de keten). In de structuurformule van het polymeer zie je dat bovenstaande monomeer zorgt voor crosslinks, omdat dit molecuul ervoor zorgt dat er een netwerkpolymeer wordt gevormd, aangezien langere ketens opnieuw aan elkaar verbonden worden door de crosslinks. In onderstaande uitwerking wordt er stap voor stap het eindwoord geformuleerd. De esterverbinding wordt gekenmerkt door een C-atoom dat gebonden is met een enkelvoudige atoombinding aan een O-atoom. Het C-atoom is daarnaast ook gebonden met een dubbele atoombinding aan een ander O-atoom. Hieronder worden alle esterverbindingen omcirkeld uit figuur 5.In onderstaande uitwerking wordt er stap voor stap het eindantwoord geformuleerd. Een polyester is een condensatiepolymeer, waarbij je dus op zoek moet gaan naar de beginstoffen waaruit dit condensatiepolymeer is opgebouwd. Het golfje aan de linkerkant wordt vervangen door een H-atoom, zodat er aan de linkerkant van het monomeer een -OH groep komt te zitten. Dat is de karakteristieke groep van een alcohol. Vervolgens teken je de andere atomen eraan vast totdat je de esterverbinding tegenkomt. Je knipt daar als het ware het polymeer door midden. Zie hieronder. Aan de rechterkant noteer je weer een H-atoom, zodat je aan de rechterkant van het monomeer een -COOH-groep komt te zitten. Dat is de karakteristieke groep van een carbonzuur. Je krijgt:Als laatste controleer je of de getekende structuurformule overeenkomt met de gegeven molecuulformule. In dit geval klopt het want je hebt proces C4H8O3 getekend. De structuurformule van butaan-1.4-diamine is: Butaan is een alkaan en bestaat uit vier koolstofatomen. De hoofdketen van butaan-1.4-diamine bestaat dus uit vier koolstofatomen. Een aminegroep wordt weergegeven met ‘NH2’. In de naam zie je dat deze aminegroep op zowel het eerste als het vierde koolstofatoom zit. Aangezien een stikstof atoom (N) een covalentie heeft van 3 en waterstof (H) een covalentie heeft van 1 moet je de aminegroep op het eerste koolstofatoom in spiegelbeeld tekenen. In onderstaande uitwerking wordt stap voor stap het eindantwoord geformuleerd. Als eerste bereken je de massa van de repeterende eenheid van Stanyl. De molaire massa van de desbetreffende atomen haal je uit BINAS Tabel 99. M = 1.008 + 14.01 + (4 · 12.01) + (8 · 1.008) + 14.01 + 1.008 + 12.01 + 16.00 + (4 · 12.01) + (8 · 1.008) + 12.01 + 16.00 = 198.264 g/mol Een veelgebruikte Stanyl-soort heeft de gemiddelde molecuulmassa 2.0·104 u. Vervolgens bereken je het gemiddelde aantal repeterende eenheden per molecuul. $\frac{2.0 \cdot 10^4}{198.264} = 100$Conclusie: er komen dus gemiddeld 100 repeterende eenheden voor in Stanyl. De amideverbinding kenmerkt zich als een C-atoom met een dubbele binding vast zit aan het O-atoom en waarbij het C-atoom met een enkele binding vast zit aan een N-atoom met daaraan één H-atoom. De amideverbinding wordt hieronder omcirkeld.  In onderstaande uitwerking wordt er stap voor stap het eindantwoord geformuleerd.Polyvinylacetaat is een additiepolymeer wat betekent dat de dubbele bindingen tussen de C-atomen in het monomeer openklappen. De estergroep en de rest van het resterende molecuul wordt aan de onderkant getekend, zodat de monomeren makkelijk aan elkaar te kloppen zijn. Let bij het tekenen van polymeren op dat er golfjes aan de linkerkant en aan de rechterkant worden genoteerd. In een polymeer komen geen C=C bindingen meer voor. De molecuulmassa van vinylacetaat: (4 · 12.01) + (6 · 1.008) + (2 · 16.00) = 86.088 g/mol.De molecuulmassa van vier koolstofatomen: (4 · 12.01) = 48.04 g/mol Om het massapercentage koolstof in vinylacetaat te berekenen maak je gebruik van massapercentage = deel / geheel x 100% dus het massapercentage koolstof in vinylacetaat is: $\frac{48.04}{86.088} \times 100 \% = 55.8 \%$ (let op: 3 significante cijfers noteren)