Chemie Overal 5e ed - Hoofdstuk 14 - Nieuwe materialen oefentoetsen & antwoorden

Je kunt de edelheid van een metaal afleiden uit de grootte van de standaardelektrodepotentiaal. Hoe groter de potentiaal des te edeler is het metaal. De standaardelektrodepotentiaal lees je af uit BINAS Tabel 48. De standaardelektrodepotentiaal van de gevraagde metalen zijn:Goud = + 1.50 V Lood = - 0.13 V Koper = + 0.34 V Calcium = - 2.87 V De volgorde van het minst edel metaal naar het meest edele metaal is dus Calcium -> lood -> koper -> goud Goud is dus een edel metaal, lood is een halfedel metaal, koper is een onedel metaal en calcium is een zeer onedel metaal. Mogelijke manieren om metalen te beschermen tegen corrosie zijn: Afdekken met een verflaag Het afdekken van een metaal met een laagje van een ander metaal, bijvoorbeeld zink, dat net als aluminium en chroom een beschermend laagje zinkoxide vormt Poedercoaten: het te beschermen voorwerp wordt elektrisch geaard. Op het voorwerp wordt een laag elektrostatisch geladen poederverf aangebracht. De poederverf wordt aangetrokken door het geaarde voorwerp en verspreidt zich egaal over het hele voorwerp. Het voorwerp wordt daarna in de oven gebracht waar de poeder uiteindelijk uithardt tot een vaste dunne laag verf. De naam van deze bijzondere polymeren zijn geleidende polymeren. Een geleidend polymeer kan elektrische stroom goed geleiden. Polymeren met een afwisseling van enkele en dubbele bindingen (een geconjugeerd systeem) kunnen de elektrische stroom goed geleiden. De dubbele bindingen in het geconjugeerde systeem kunnen gemakkelijk ‘omklappen’ waarbij de elektronen zich door het polymeer verplaatsen. De geleidbaarheid is dan even goed als die van metalen. In een atoomrooster zijn niet-metaalatomen covalent verbonden in een driedimensionaal netwerk, bijvoorbeeld koolstofatomen in diamant.In een ionrooster zijn positieve en negatieve ionen om en om in een driedimensionaal netwerk gerangschikt. Vaste zouten (bijvoorbeeld magnesiumhydroxide, ijzer(II)sulfide en zinkcarbonaat) hebben een ionrooster. Nanotechnologie houdt zich bezig met structuren op mesoniveau van ongeveer 10 tot 200 nm.  Malachiet wordt weergegeven met de formule Cu2(OH)2CO3 (s).Malachiet bestaat uit een mengsel van twee zouten, namelijk koper(II)hydroxide en koper(II)carbonaat. De verhoudingsformule van koper(II)hydroxide is Cu(OH)2 en de verhoudingsformule van koper(II)carbonaat is CuCO3. De verhouding tussen deze twee zouten is 1 : 1 want als je de ionen van beide zouten optelt in de verhouding van 1 : 1 kom je uit op de formule van malachiet, Cu2(OH)2CO3.Formule zout 1:  Cu(OH)2Formule zout 2:  CuCO3Molverhouding zout 1 : zout 2 = Cu(OH)2 : CuCO3 is 1 : 1 Het ontleden van malachiet is een endotherme reactie, aangezien er voor een ontledingsreactie energie nodig is. Reacties waarbij energie nodig is zijn endotherme reacties. De energie die ze hiervoor gebruiken is afkomstig van het verbranden van houtskool. Het verbranden van houtskool is een exotherme reactie, aangezien er bij deze reactie energie vrijkomt. De vrijgekomen energie gebruiken ze om malachiet te ontleden.  Om het aantal mol Cu en Sn te berekenen in CuSn10 nemen we in totaal 100 gram CuSn10. daarvan is 90 gram Cu en 10 gram Sn. Bij het omrekenen van deze hoeveelheden naar het aantal mol maken we gebruik van de formule: $\rm aantal \ mol= \frac{massa}{molaire \ massa}$Het aantal mol Cu in 100 gram CuSn10 is: $\frac{90}{63.6}= 1.42$ molHet aantal mol Sn in 100 gram CuSn10 is: $\frac{10}{119 }= 8.40$ · 10-2 molOm te achterhalen wat de formule van CuxSn1 moet zijn maak je gebruik van:  $\rm \frac{aantal \ mol \ Cu}{ aantal \ mol \ Sn} = \frac{1.42}{8.40 \cdot 10^{-2}} = 17$ Dus de formule wordt dan Cu17Sn1 waarin de molverhouding 17 : 1 is.Brons is een legering. Een legering is een mengsel van metalen in vloeibare toestand gemengd. De naam van het type kristalrooster van brons is dus het metaalrooster.  In het metaalrooster is er sprake van de metaalbinding. De metaalbinding is een binding tussen metaalatomen in een vast metaal. Metaalionen worden bijeengehouden door de vrije elektronen. Doordat er dus vrije elektronen in het metaalrooster van brons zitten, kan brons de elektrische stroom goed geleiden. De halfreactie voor de omzetting van ijzer(III)-ionen in ijzer(II)-ionen is te vinden in  BINAS Tabel 48. namelijk:Fe3+ + e- → Fe2+ (halfreactie 2)Om de totaalreactie op te stellen moet halfreactie 1 worden opgeteld met halfreactie 2. Let op: de elektronen in beide halfreacties moeten aan elkaar gelijk worden gesteld. In halfreactie 1 zijn er (2n-2) e- en in halfreactie 2 is er maar één e-. Dat betekent dat halfreactie 2 moet worden vermenigvuldigd met (2n-2). Polypyrrol (PPy) kan de elektrische stroom goed geleiden, aangezien er in Ppy sprake is van een geconjugeerd systeem. Tussen de ketens van Ppy wisselen enkele en dubbele bindingen elkaar steeds regelmatig af, waardoor Ppy een geconjugeerd systeem bevat. Polypyrrol is dus een geleidende polymeer en kan de elektrische stroom goed geleiden. Tussen de NH-groepen van Ppy-moleculen en de OH--groepen van cellulosemoleculen kunnen waterstofbruggen gevormd worden. Een waterstofbrug is een sterke binding. Hierdoor hecht Ppy goed aan cellulosevezels.In figuur 2 is er sprake van een geconjugeerd systeem (zie opgave b). Hierdoor kunnen de elektronen van de dubbele bindingen gemakkelijk een atoom opschuiven. Dit zorgt voor een geringe geleiding. In figuur 2 heeft Ppy dan ook een neutrale lading. In figuur 3 is er sprake van een positief geladen Ppy-deeltje. De geleiding verbetert sterk als je het polymeer laat reageren met een kleine hoeveelheid van een oxidator, in dit geval is Fe3+ de oxidator. Door het toevoegen van een kleine hoeveelheid van een oxidator wordt een elektron uit het polymeer verwijderd, waarbij een positieve lading op de plaats van het elektron overblijft. De dubbele bindingen kunnen dan gemakkelijk ‘omklappen’ waarbij de elektronen zich door het polymeer verplaatsen. De geleidbaarheid is dan een stuk sterker. Dus in figuur 3 wordt Ppy afgebeeld die de elektrische stroom het beste kan geleiden, aangezien de koolstofatomen in de ketens een positieve lading hebben. De elektronen zullen van de negatieve naar de positieve elektrode bewegen. Om het ladingsverschil dat zo ontstaat te compenseren, zullen de chloride-ionen van de positieve naar de negatieve elektrode bewegen. Het is dan niet mogelijk om één van beide platen nog meer positieve lading te laten krijgen door het opladen. Er zal dus geen ladingsverschil kunnen optreden. De composiet moet zolang met de ijzer(III)chloride-oplossing reageren dat 50% van het maximaal aantal positieve ladingen op de Ppy-moleculen gevormd wordt. De ene plaat zal dan bij het opladen het maximaal aantal positieve ladingen verkrijgen, terwijl de andere plaat neutraal wordt. Hierdoor wordt de maximaal haalbare spanning bereikt. Op ieder hoekpunt in de structuurformule van norborneen zit een koolstofatoom. Daarnaast zit er in het midden van de cyclische verbinding nog één extra koolstofatoom. In totaal zijn er dus 7 koolstofatomen waarvan de eerste twee koolstofatomen met elkaar zijn verbonden door middel van een dubbele binding. De koolstofatomen moeten een covalentie van 4 hebben. In totaal zijn er dus 10 waterstofatomen. De molecuulformule van norborneen is dan C7H10. Bij het omrekenen van gram naar  mol maken we gebruik van de formule:$\rm aantal \ mol= \frac{massa}{molaire \ massa}$De molaire massa van C7H10 is (7 · 12.01) + (10 · 1.008) = 94.15 g/mol Het aantal mol norborneen is dan $\frac{2.50}{94.15}$= 0.0266 mol = 2.66 · 10-2 mol norborneen. In de schematische structuurformule van de stof waaruit norborneen gevormd wordt bestaat uit een ring van vijf koolstofatomen. Daarnaast zijn er twee C=C bindingen aanwezig met een C-C binding er tussen. De schematische structuurformule wordt dan: Bij het tekenen van het polymeer polynorborneen zijn er verschillende mogelijkheden goed. Let bij het tekenen van het polymeer polynorborneen op de volgende punten: Er moeten twee cyclopentaanringen worden getekend, aangezien er in de opgave staat dat het midden van de keten van polynorborneen moet bestaan uit twee norborneen-eenheden. Tussen de twee cyclopentaanringen zit een C=C binding die ervoor zorgt dat de cyclopentaanringen met elkaar gekoppeld kunnen worden. Zorg ervoor dat deze C=C binding centraal in jouw tekening wordt getekend. Je tekent een stukje uit het midden van een polymeerketen dus aan het begin en aan het einde van de tekening moeten er haken (bovenste afbeelding) of golfjes (middelde afbeelding) of dubbele golfjes (onderste afbeelding) worden getekend. Let op: Wanneer je voor de middelste afbeelding kiest geef je met een enkelvoudig golfje aan dat het geen atoombinding is maar het midden van een polymeerketen. Wanneer je voor de onderste afbeelding kiest geef je met dubbele golfjes aan dat dit geen dubbele C=C binding is maar het midden van een polymeerketen. De berekening gaat volgens twee stappen. Stap 1: Berekening van de molecuulmassa van één monomeereenheid met behulp van BINAS Tabel 99. Één monomeereenheid bestaat uit één norborneen-deeltje. De molaire massa van norborneen (C7H10) is (7 · 12.01) + (10 · 1.008) = 94.15 g/mol Let op: De monomeereenheid bestaat niet uit een Au-deeltje of uit een SiO2-deeltje, aangezien het hier gaat om de polymerisatiereactie van norborneen. Norborneen is hierbij het monomeer dat wordt gepolymeriseerd. Daarnaast bevat de monomeereenheid niet uit de katalysator-deeltjes. In de opgave staat namelijk dat de massa van de katalysatordeeltjes verwaarloosd mag worden.Stap 2: Berekening van de gemiddelde molecuulmassa van de polymeerketens met de formule: molecuulmassa monomeereenheid · gemiddelde ketenlengte polymeerDe gemiddelde molecuulmassa van de gevormde polymeerketens is dus 94.15 · 3.6 · 102 = 3.4 · 104 g/molDe berekening gaat volgens drie stappen. Stap 1: Berekening van het met katalysatormoleculen bezette deel van het oppervlak van 1 nanodeeltje. Het totale oppervlakte van het siliciumbolletje is 2.90 · 10-8 cm2. Op 50% van het oppervlak zijn de katalysatormoleculen bevestigd. Het katalysatoroppervlak is dan 2.90 · 10-8 · 0.5 = 1.5 · 10-8 cm2.Stap 2: Berekening van het aantal katalysatormoleculen die aanwezig zijn op de nanomotor.Er bevindt zich 1.0 · 10-10 mol cm-2 katalysatoren op het SiO2 deel van een nanomotor. Het aantal mol katalysator is dan 1.5 · 10-8 · 1.0 · 10-10 = 1.5 · 10-18 mol katalysatorMet behulp van de constante van Avogadro (NA) kan je berekenen hoeveel katalysatormoleculen er aanwezig zijn. Het aantal katalysatormoleculen zijn 1.5 · 10-18 · 6.022 · 1023 = 9.0 · 105 moleculenStap 3: Berekening van de omzettingsfrequentie met behulp van: $\rm omzettingsfrequentie= \frac{aantal \ katalysatormoleculen \cdot 3.6 \cdot 10^2}{25} = \frac{9.0 \cdot 10^5 \cdot 3.6 \cdot 10^2}{25}$ =1.3 · 107De omzettingsfrequentie is dus 1.3 · 107 moleculen norborneen per nanomotor per seconde.