Delftse leerlijn scheikunde:Slimme polymeren

  • 2,275 views
Uploaded on

 

More in: Education
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Be the first to comment
    Be the first to like this
No Downloads

Views

Total Views
2,275
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
2

Actions

Shares
Downloads
10
Comments
0
Likes
0

Embeds 0

No embeds

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
    No notes for slide

Transcript

  • 1. ColofonSlimme PolymerenDe module Slimme Polymeren is gebaseerd op de module ‘Smart Materials’van de SLO. Daarnaast is gebruik gemaakt van materiaal uit de module‘Water verrassend gewoon’ van de afdeling Chemiedidactiek van deUniversiteit Utrecht.De nieuwe versie “Slimme Polymeren” is ontwikkeld door Jan van Rossum,Juleke van Rhijn en Aonne Kerkstra, auteurs van de Delftse Leerlijn.SamenwerkingDe module Slimme Polymeren is tot stand gekomen in samenwerking met:Dr. Herman F.M. Schoo, Senior Research Fellow TNO, de TechnischeUniversiteit Delft, de SLO en de VNCI.VormgevingT2 Ontwerp, Den Haag (www.t2ontwerp.nl)© 2009 Stichting leerplanontwikkeling (SLO), EnschedeHet auteursrecht op dit onderwijsmateriaal voor Nieuwe Scheikunde berust bij SLO.SLO is derhalve de rechthebbende zoals bedoeld in de hieronder vermelde creativecommons licentie.SLO en door hen ingehuurde auteurs hebben bij de ontwikkeling van de modulesgebruik gemaakt van materiaal van derden. Bij het verkrijgen van toestemming, hetachterhalen en voldoen van de rechten op teksten, illustraties, enz. is de grootstmogelijke zorgvuldigheid betracht. Mochten er desondanks personen of instantieszijn 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 SLO.Hoewel het materiaal met zorg is samengesteld en getest is het mogelijk dat dezeonjuistheden en/of onvolledigheden bevatten. SLO aanvaardt derhalve geen enkeleaansprakelijkheid voor enige schade, voortkomend uit (het gebruik van) ditmateriaal.Voor dit onderwijsmateriaal geldt een Creative Commons Naamsvermelding-Niet-Commercieel-Gelijk delen 3.0 Nederland licentiehttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/nl/Aangepaste versies hiervan mogen alleen verspreid worden indien het in het colofonvermeld wordt dat het een aangepaste versie betreft, onder vermelding van de naamvan de auteur van de wijzingen.Bij deze aangepaste versies mag geen gebruik gemaakt worden van de opmaak vande Delftse Leerlijn.Delft, oktober 2012
  • 2. 1. Inleiding 4 1.1 Inleiding 5 1.2 Artikelen over Slimme polymeren 5 1.3 De eindopdracht 7 1.4 Hoe ga je aan het werk? 82. Voorkennis 10 2.1 Voorkennis activeren 11 2.2 Inleiding nieuwe kennis 11 2.3 Dipoolmoleculen 13 2.4 Waterstofbruggen 153. De kleverige polymeren 18 3.1 Inleiding polymeren 21 3.2 Bouw van polymeren 22 3.3 Thermoharders en thermoplasten 23 3.4 Slime beter bekeken 234. De elektrisch geleidende polymeren 26 4.1 De elektrische geleiding bij metalen (herhaling) 29 4.2 Alkenen, een korte uitbreiding op je kennis. 30 4.3 Additiereactie bij alkenen 32 4.4 Hoe kunnen polymeren elektrische stroom geleiden: geconjugeerde systemen? 345. De lichtgevende polymeren 36 5.1 Fluorescentie: grondtoestand en aangeslagen toestand. 37 5.2 De opbouw en de werking van een polymere LED 386. De organische zonnecellen 41 6.1 Silicium zonnecellen 46 6.2 Organische zonnecellen 477. Afsluiting 51 7.1 De nieuwe theorie samenvatten 52 7.2 De eindopdracht uitvoeren 52 7.3 Het oefenen en leren van de theorie 52
  • 3. 1. Inleiding
  • 4. Slimme polymeren 5 1.1 Inleiding Onlangs is Science Center Delft (september 2010) gestart. Dit Science Center is het museum van de Technische Universiteit Delft, dat tot doel heeft de technologie onder de aandacht te brengen van jong tot oud. Zie ook de onderstaande tekst. Kom binnen! In Science Centre Delft zet je een voet in een wereld vol wetenschap en techniek! Het is een zoektocht, spannend en nog niet af, net zoals de wetenschap. Je maakt kennis met de wereld van wetenschappers en vindt zelf uit wat hun ontdekkingen voor de wereld betekenen.Figuur 1: Science Center Delft Jullie klas is een ontwerpteam van het Science Center Delft en omdat er nog weinig te zien is over nieuwe ontwikkelingen binnen de scheikunde heeft de directie van het Science Center Delft jullie gevraagd een tentoonstelling te bouwen rond het onderwerp Slimme Polymeren. Opdracht 1 Lees als eerste oriëntatie de drie artikelen over Slimme polymeren door die hieronder staan en maak van elk artikel een korte samenvatting. Formuleer per artikel een aantal vragen waar je een antwoord op wil hebben. 1.2 Artikelen over Slimme polymeren Artikel 1 Slimme polymeren Slimme polymeren (Engels: smart materials) is een term, die binnen de materiaalkunde gebruikt wordt als verzamelnaam voor een groep van materialen. De materialen uit deze groep kunnen grote veranderingen in hun vorm ondergaan door externe invloeden. Deze invloeden kunnen zijn: belasting, temperatuur, vochtigheid, zuurgraad (pH), elektrische of magnetische velden. In tegenstelling tot materialen in "gewone" toepassingen waar vormveranderingen niet gewenst zijn, is bij slimme polymeren de vormverandering juist wel gewenst. Die vormverandering vindt plaats op het moment dat het materiaal zich al in zijn toepassing bevindt. Afhankelijk van de soort slimme polymeer is het proces reversibel (omkeerbaar) of irreversibel (onomkeerbaar). Enkele voorbeelden van slimme polymeren: • Elektrische geleidende polymeren • Kleur veranderende polymeren • Licht uitzendende polymeren Bron: www.wikipedia.nl
  • 5. Slimme polymeren 6 Artikel 2 Organische zonnecellen Nu het nut van zonnepanelen bewezen is, kan er gedacht worden aan verbetering van de bestaande zonnecellen. Het probleem bij zonnecellen is dat de vervaardiging van de hoofdgrondstof (zeer zuiver silicium) een relatief kostbaar en energie-inefficiënt proces is. De jacht op een duurzame vervanging is daarom al een tijdje bezig, De meest veelbelovende technologieFiguur 2: Organische dunne- is die van de organische zonnecellen (“organic photovoltaics”). Organischfilm zonnecellen wil in dit geval zeggen dat de grondstoffen, waar de zonnecellen uit gebouwd worden, uit organische (= koolstof houdende) materialen bestaan . Deze materialen zouden weleens tot een revolutionaire ontwikkeling kunnen leiden Het idee van organische dunne-film zonnecellen is ontstaan in de jaren ’70, toen ontdekt werd dat de geleiding van bepaalde polymeren (met afwisselend enkele en dubbele koolstof-koolstof bindingen) enorm toenam door ze subtiel te verontreinigen met andere chemicaliën. Sinds deze ontdekking zijn geleidende materialen op deze basis toegepast in onder andere LED’s en zonnecellen. Organische materialen zijn zeer verschillend; het is mogelijk om heel veel van hun eigenschappen aan te passen om zo tot het ideale materiaal voor een bepaalde toepassing te komen. Organisch materiaal is ook qua vorm zeer flexibel en kan aangebracht worden op vrijwel elk oppervlak. Hierbij kun je denken aan dunne kunststof films of zelfs verschillende lagen verf. Tot slot is het materiaal zeer goedkoop; ongeveer een factor 10-20 goedkoper dan het silicium voor huidige zonnecellen. Er zijn echter ook een aantal problemen. Ten eerste het rendement; zonnecellen op organische basis hebben een rendement van zo’n 3 tot 5%, dit is een stuk lager dan de 15% van silicium zonnecellen. Voor organische zonnecellen geldt; hoe dunner de cel hoe hoger het rendement. Daarnaast zijn organische materialen kwetsbaar voor UV-straling, zonder UV-filter breekt de organische laag snel af. Tot slot is organisch materiaal ook nog eens kwetsbaar voor oxidatie (reactie met zuurstof); een goede beschermende coating moet nog uitgevonden worden. Er zijn in de afgelopen jaren flinke stappen voorwaarts gedaan op het gebied van de levensduur van organische zonnecellen. Er moet echter nog veel gebeuren voor de technologie commercieel interessant wordt. Eén ding staat echter vast: de techniek is zeer breed inzetbaar. Denk aan een energie-opwekkende tent waarin je kunt koken, kleding die je mobiele telefoon oplaadt, een elektrische auto die zichzelf oplaadt en ramen die elektriciteit opwekken. Organische zonnecellen werken namelijk prima in omgevingen waar minder licht is, omdat het materiaal licht niet terugkaatst en dus relatief meer licht absorbeert. Je ziet het, de mogelijkheden zijn spannend en zeer uiteenlopend. Dat er een revolutionaire ontwikkeling gaat komen is zeker, de vraag is alleen wanneer. Bron: www.wikipedia.nl
  • 6. Slimme polymeren 7 Artikel 3 Organische LED’s, OLED’s, een technologische doorbraak Organische LED’s (OLED’s) zijn het materiaal van de toekomst als het gaat om goedkopere en betere beeldschermen, die bovendien ook nog flexibel kunnen zijn. OLED is de afkorting voor “organic light emitting diode”. Onderzoekers van de Stichting FOM (Fundamenteel Onderzoek der Materie) en de Radboud Universiteit Nijmegen hebben nu in een theoretische studie een groep materialen ontdekt, waarmee de prestatie van OLED’s flink is te verbeteren. Al sinds de jaren ‘70 wordt er onderzoek gedaan naar halfgeleidende polymeren (“plastic" elektronica), maar pas de laatste paar jaar beginnen de eerste producten op de markt te komen. Een veel aangehaald voorbeeld is het display dat de batterijfunctie aangeeft op de nieuwe generatie Sensotec scheerapparaten van Philips. Hoewel direct uitverkoren door James Bond in zijn laatste film gaat het hier om een zeer bescheiden toepassing. De echte toekomst van de polymereFiguur 3: OLED display op displays ligt in de markt van de beeldschermen voor TV’s en computers.Philips’ Sensotecscheerapparaat Displays gebaseerd op de zogenaamde OLED-technologie hebben vele voordelen ten opzichte van bestaande technologieën zoals de ‘ouderwetse’ beeldbuismonitor CRT (cathode ray tube) de platte LCD beeldschermen (liquid crystal display) en de plasmaschermen. OLED displays zijn in principe goedkoper, energiezuiniger, hebben een grotere beeldhoek, grotere helderheid, beter contrast, grotere schakelsnelheid, ze zijn platter en bovendien zijn ze ook nog eens flexibel. Auteur: Bram Vermeer 1.3 De eindopdracht In deze module voor 4 vwo ben je lid van het ontwerpteam van Science Center Delft. De directie van Science Center Delft vraagt jullie om in het kader van de campagne “Slimme polymeren wat kun je ermee?" de volgende opdrachten uit te voeren: 1. Ontwerp op een creatieve manier een tentoonstelling/demonstratie over de werking en toepassingen van één van de slimme polymeren.Figuur 4: Een flexibel OLED 2. Schrijf in eigen woorden een eindrapport voor de directie van hetdisplay voor een mobiele Science Center Delft. Hierin worden de antwoorden van onderstaandetelefoon contextvragen geformuleerd.
  • 7. Slimme polymeren 8 Contextvragen 1. Hoe werken kleverige polymeren, elektrisch geleidende polymeren, lichtgevende polymeren en organische zonnecellen. 2. Welke toepassingen hebben deze slimme polymeren? Dit betekent dus dat je bij de tentoonstelling een antwoord moet geven op de volgende vragen: 1. Wat zijn slimme polymeren? 2. Hoe werken deze slimme polymeren? 3. Welke toepassingen zijn er voor deze slimme polymeren? 4. Hoe kun je dit alles laten zien in de vorm van een tentoonstelling? 5. Welke vragen en opdrachten kun je daarbij maken zodat de bezoekersDe ontwikkelingen om energie de werking en de achterliggende principes goed begrijpen?op te wekken staan niet stil. InRotterdam is enige tijd geledende Dance Club Watt geopend.Deze club heeft een dansvloer 1.4 Hoe ga je aan het werk?die beweging omzet in energie.Modules van 65 bij 65 Onderzoeksgroepencentimeter worden maximaal Alle leerlingen worden over ontwerpteams verdeeld, waardoor er groepeneen centimeter ingedruktwaarbij het piëzo elektrisch van vier personen ontstaan. Voor alle ontwerpteams zijn door deeffect het indrukken omzet in teamleiding van Science Center Delft een aantal eisen opgesteld, waar hetenergie. Dit piëzo effect wordt onderzoek en de uiteindelijke demonstratie/tentoonstelling aan moetveroorzaakt door kristallen van voldoen. Zie ook 1.3bepaalde materialen die onderinvloed van druk een elek- Samenwerking en groepslogboektrische spanning produceren.Een persoon kan zo 20 Watt Elke groep functioneert volgens het concept van samenwerkend leren,leveren. waarbij wisselend elk groepslid een andere rol krijgt toebedeeld.Ook sommige polymeren zoals Daarnaast houdt elke groep een groepslogboek bij en levert dat na elke lespolyfluoretheen vertonen een digitaal in bij de docent, de Teammanager van Science Center Delft.sterk piëzo effect. Beschrijving van de activiteiten, het bestuderen van de bronnen, de (resultaten van de) experimenten en een reflectie op al deze punten zijn de essentiële onderdelen van dit (digitale) groepslogboek. Theorie en experimenten Gezamenlijk als groep wordt de theorie en de experimenten aangepakt. Maak een goede planning hiervoor en zorg dat alles goed wordt verdeeld. Uiteindelijk is ieder lid van de groep van vier personen goed op de hoogte van de werking en toepassingen van alle genoemde soorten slimme polymeren ten behoeve van het eindrapport aan Science Center Delft. Alle benodigde bronnen, experimenten en de daarbij behorende opdrachten staan in hoofdstuk 2 t/m 7 van deze leerlingentekst. Afronding Gezamenlijk wordt per groep van vier personen, naast de demonstratie/ tentoonstelling, het eindrapport samengesteld. Dit eindrapport moet voldoen aan de eisen gesteld onder 1.3
  • 8. Slimme polymeren 9 Beoordeling De beoordeling bestaat uit verschillende onderdelen: 1. Proces: groepslogboek, werkplannen en praktische vaardigheden 2. Product: tentoonstelling plus eindrapport. 3. Toets over deze module Het cijfer wordt bepaald aan de hand van het beoordelingsformulier dat door de docent zal worden verstrekt. Planning Het onderzoek is onder te verdelen in verschillende soorten activiteiten. Deze activiteiten zijn: a. Hoofdstuk 1: Contextvragen b. Hoofdstuk 2: Voorkennis (opdracht 2a en 2b)Onderzoekers van deUniversiteit van Tokyo hebben c. Hoofdstuk 3 t/m 6: Nieuwe kennis verzamelen (opdracht 3 t/m 6)een nieuw soort OLED display d. Hoofdstuk 7: Afsluiting van de module (opdracht 7 t/m 10)ontwikkeld dat kan rekken envervormen zoals rubber. Door Werkwijze per lesOLED’s en organische In de eerste les worden de groepen van 4 personen gemaakt.transistors te verbinden met In je groepje van vier personen ga je een planning maken voor dezeeen geleidend rubberpolymeerontstaat een OLED die je kunt module. De verschillende onderdelen van hoofdstuk 3 t/m 6 mag je in jevouwen en in elkaar kunt eigen volgorde doen.frommelen zonder dat erschade optreedt aan de OLED. Verder doe je aan de begin van elke les achtereenvolgens de onderstaandeHet team van de Universiteit punten:liet een display zien in de vorm 1. De voorzitter bekijkt het commentaar dat de docent in hetvan een gezicht die het ver-anderen van gezichtsuit- groepslogboek geschreven heeft en zorgt ervoor dat dit uitgevoerddrukkingen weergaf. wordt deze en komende lessen. 2. De voorzitter bespreekt wie wat als huiswerk gedaan heeft. Iedereen krijgt daarbij beurtelings de gelegenheid om dit te vertellen en aan te geven wat hij/zij geleerd heeft en eventueel niet gesnapt heeft. 3. De secretaris schijft dit alles op in het groepslogboek 4. De voorzitter verdeelt vervolgens de taken voor deze les 5. De rest van de groepsleden werken deze taken gedurende de les uit. Aan het einde van de les worden de volgende punten kort besproken en afgesproken: 1. Wie heeft wat gedaan? 2. Zijn er dingen niet gedaan die afgesproken waren? 3. Hoe vindt iedereen dat hij/zij zijn eigen taak gedaan heeft en hoe anderen hun taak hebben gedaan? 4. De voorzitter verdeelt de taken die als huiswerk gedaan moeten worden 5. De secretaris schrijft alles in het groepslogboek 6. Het groepslogboek wordt aan het einde van de les (digitaal) ingeleverd bij de docent. 7. De docent bekijkt het groepslogboek en levert daar indien nodig commentaar op. De docent zorgt ervoor dat het groepslogboek aan het begin van de les in het bezit is van de betreffende groep.
  • 9. 2. Voorkennis
  • 10. Slimme polymeren 11 2.1 Voorkennis activeren In deze activiteit ga je de benodigde oude kennis uit de vorige modules op een rijtje zetten, zodat je deze kennis paraat hebt als je nieuwe kennis gaat vergaren. Daarna bestudeer je de nieuwe kennis die nodig is voor de hoofdstukken 3 t/m 6. Opdracht 2a (huiswerk) Gebruik de verschillende modules: ECOreizen en/of ECObrandstoffen. De volgende zaken moet je in ieder geval kennen: • atoommodel van Bohr • atoombinding • vd Waalsbinding • metaalbinding • ionbinding • systematische naamgeving • alkanen • alkenen • alkanolen • cycloalkanen 2.2 Inleiding nieuwe kennis In bergachtige, koude streken zoals Groenland schuiven gletsjers ongeveer een meter per dag. Zodra ze de zee bereiken, breken er grote stukken af en dat zijn de ijsbergen. Op het Noordelijk Halfrond worden per jaar zon 12000 ijsbergen gevormd. Deze ijsbergen drijven langzaam naar het zuiden. Water is voor ons een hele gewone stof. Dit komt omdat water in ons leven zoveel voorkomt. Zonder water is er geen leven, mogelijk op aarde. De bijzondere eigenschappen van water zijn daarvoorFiguur 1: Afkalven van groteijsbergen van een gletsjer op bepalend. Zo is water een van de weinige stoffen waarvan de vasteWest-Groenland. stof drijft op de vloeistof, de dichtheid van de vaste stof is dus kleiner dan de dichtheid van de vloeistof. Wat maakt water zo bijzonder. Opdracht 2b Voer de experimenten uit, bestudeer de teksten en maak de opgaven behorende bij dit hoofdstuk. EXPERIMENTEN EXPERIMENT 1: Demonstratie experiment ijsblokjes Benodigdheden • maatcilinder van 1 L gevuld met olie • ijsblokjes • voedingskleurstof
  • 11. Slimme polymeren 12UitvoeringMaak in de vriezer een aantal ijsblokjes waar een kleurstof aan toegevoegdis. Door de kleurstof kan je het verloop van het experiment beter zien. Doevoorzichtig en ijsblokje in de maatcilinder met olie. Noteer je waarnemingennauwkeurig. Aan het eind van dit hoofdstuk moet je kunnen uitleggen warer bij de experimenten gebeurde.Figuur 2: De drie fasen van water, ijs, water en waterdamp.EXPERIMENT 2: Demonstratie experiment kleurloze vloeistoffenBenodigdheden • drie maatcilinders van 250 mL gevuld met 50 mL kleurloze vloeistof • water • zonnebloemolieUitvoeringVoeg aan alle drie de maatcilinders 75 mL water toe. Teken wat je dan zietin de drie maatcilinders.Voeg vervolgens voorzichtig 25 ml zonnebloemolie toe. Teken daarna weerde situatie in de drie maatcilinders.
  • 12. Slimme polymeren 13 EXPERIMENT 3: Demonstratie experiment speedboot Benodigdheden • grote petrischaal met water • lucifer gesplitst • druppelflesje vloeibare zeep Uitvoering Leg de gesplitste lucifer in de bak water. Laat een klein druppeltje zeepFiguur 3: Gesplitste lucifer tussen de pootjes van de lucifer vallen. Noteer je waarnemingen. EXPERIMENT 4: Demonstratie experiment magische afscheiding Benodigdheden • een bekerglas van 250 mL • stuk kaasdoek groot genoeg om het bekerglas af te dekken • elastiekje Uitvoering Doe het kaasdoek over de bovenkant van het bekerglas en zet het met het elastiekje vast. Schenk door het kaasdoek water in het bekerglas tot het ongeveer voor 2/3 deel is gevuld. Draai nu boven de wasbak het bekerglas snel om. Druk voorzichtig met je vinger tegen het kaasdoek. Noteer je waarnemingen. 2.3 Dipoolmoleculen Uit de experimenten heb je al kunnen afleiden dat er iets bijzonders met water aan de hand is. Dat zijn waarnemingen op macro niveau, om de waarnemingen te kunnen verklaren moeten we naar het micro niveau toe. Het kookpunt van een moleculaire stof hangt samen met de grootte van de moleculen. Hoe groter het molecuul, hoe sterker de vanderwaalskrachten en dus hoe hoger het kookpunt van een stof. Als we naar het molecuul methaan kijken heeft dit een molecuulmassa van 16,04 u en de stof methaan heeft een kookpunt van -161 °C. Kijken we naar het watermolecuul dan heeft dat een molecuulmassa van 18,02 u en je zou dus verwachten dat de stof water een kookpunt heeft ver onder 0 °C. Maar water heeft een kookpunt van 100 °C. Er moeten dus naast de vanderwaalskrachten extra aantrekkingskrachten zijn tussen de watermoleculen om dit hoge kookpunt te veroorzaken.Figuur 4: Molecuulmodellen van Om deze extra aantrekkingskracht te verklaren kijken we naar demethaan en water. atoombindingen in het watermolecuul. Er zijn twee atoombindingen, gemeenschappelijke elektronenparen, tussen de waterstofatomen en het zuurstofatoom (zie figuur 4). De atomen in een molecuul blijken niet
  • 13. Slimme polymeren 14 allemaal even sterk aan het gemeenschappelijk elektronenpaar te ‘trekken’. De mate waarin een atoom aan het gemeenschappelijk elektronenpaar ‘trekt’ wordt weergegeven door de elektronegativiteit, EN, van een atoom. De waarden hiervan staan in Binas tabel 40A. Hoe groter de elektronegativiteit des te sterker trekt het atoom aan het gemeenschappelijk elektronenpaar. Als het verschil in elektronegativiteit tussen twee atomen, ΔEN, tussen de 0,4 en de 1,7 ligt noemt men een atoombinding een polaire atoombinding. Als de waarde van ΔEN kleiner is dan 0,4 spreekt men van een apolaire atoombinding. Een zuurstofatoom heeft een elektronegativiteit van 3,5 en voor een waterstofatoom is dat 2,1, dus ΔEN = 3,5 – 2,1 = 1,4. Het gemeenschappelijk elektronenpaar verschuift een beetje naar het zuurstofatoom. Het zuurstofatoom wordt dan een beetje negatief geladen (δ−) en het waterstofatoom een beetje positief geladen (δ+), δ− en δ+ noem je partiële ladingen. Het watermolecuul heeft twee polaireFiguur 5: Water is eendipoolmolecuul atoombindingen en is door het verschuiven van de lading een dipoolmolecuul. Omdat water een dipoolmolecuul is, is er een extra aantrekkingskracht tussen de watermoleculen. Polaire atoombindingen in een molecuul betekenen niet altijd dat het molecuul een dipoolmolecuul is. Zo heeft CO2 polaire atoombindingen maar is het geen dipoolmolecuul. CO2 is een lineair molecuul, de hoek tussen de bindingen is in tegenstelling tot water 180° (bij water is dat 104°). De bouw van het molecuul heft nu het effect van de polaire atoombindingen op. ZieFiguur 6: Het CO2 molecuul is figuur 6.ondanks polaire atoombin-dingen geen dipoolmolecuul. Vragen 1. Geef de structuurformules van de onderstaande stoffen. a. 3-methylpentaan b. 1,2-dichloorbenzeen c. 2-propanol 2. Geef de naam van de stoffen waarvan hieronder de structuurformule staat. a. H H H3C CH3 C C H C C CH3 H C H b. F H F C C Cl F Br
  • 14. Slimme polymeren 15 c. OH OH H C C H H H 3. Leg met elektronegativiteit uit of HCl een dipoolmolecuul is en geef de structuurformule van HCl waarin je de partiële ladingen aangeeft. 4. Het gas SO3 heeft polaire atoombindingen maar blijkt geen dipoolmolecuul te zijn. Leg uit hoe de structuurformule voor SO3 er uit zal zien. 5. De moleculen van de stof broomethaan, C2H5Br, en van de stof ethanol, C2H5OH, zijn ongeveer even sterke dipolen. De molecuulmassa’s zijn respectievelijk 109,0 u en 46,07 u. a. Leg uit aan de hand van deze gegevens welke van deze twee stoffen het hoogste kookpunt zal hebben. b. Zoek nu de kookpunten op in Binas tabel 42B en kijk op de kookpunten overeen komen met je antwoord bij a. 2.4 WaterstofbruggenFiguur 7: Model van een SO2 Is de extra aantrekkingskracht tussen de watermoleculen door de dipool-molecuul dipoolaantrekking groot genoeg om het hoge kookpunt te verklaren? Als je naar het SO2 molecuul kijkt, een klein molecuul met dezelfde bouw als het watermolecuul en meerdere polaire atoombindingen, dan blijkt de stof zwaveldioxide een kookpunt te hebben van −10 °C. Een dipool zorgt wel voor extra aantrekkingskracht maar niet zo veel om het hoge kookpunt van water te verklaren. Het hoge kookpunt van water kun je verklaren met de atoombindingen. In watermoleculen komen twee O−H bindingen voor. Deze atoombindingen zijn sterk polair, maar daarnaast is het H-atoom zeer klein. Het H-atoom heeft maar een elektron dat in de polaire atoombinding wordt weggetrokken naar het O-atoom. De kern wordt nu niet meer afgeschermd door andere elektronen, waardoor een bijzonder dipooleffect ontstaat. Het Hδ+ wordt sterk aangetrokken door het Oδ van een ander watermolecuul, je spreekt dan van een waterstofbrug of een H-brug. Alleen H-atomen aan een O- atoom of een N-atoom kunnen H-bruggen vormen. Waterstofbruggen zijnFiguur 8: Een waterstofbrug vrij sterke bindingen en worden weergegeven met een stippellijn.tussen een H-atoom en een Hieronder, in figuur 9, staan de waterstofbruggen in water (A), ammoniakO-atoom (B) en methanol (C) getekend. De rode stippellijnen zijn de H-bruggen.
  • 15. Slimme polymeren 16Gashydraten Figuur 9: H-bruggen in water, ammoniak en methanol. De waterstofbruggen zorgen er ook voor dat ijs drijft op water. HetDoor de waterstofbruggen in ijs kristalrooster van water wordt bijeengehouden door waterstofbruggenontstaan er holtes in het kristal- waardoor een hexagonale structuur ontstaat. De afstand tussen derooster. In deze holtes passenkleine moleculen zoals moleculen is in het kristalrooster groter dan in de vloeistof. De dichtheid vanbijvoorbeeld methaan. We water is dus groter dan die van ijs.spreken dan van gashydraten.De omstandigheden waarbij ditmateriaal kan bestaan, komenvoor in de permafrostlaag vanonze aardkorst. Dit is de laagwaarin de grond nooit ontdooit.De permafrostlaag kan tot 1000m diep in de aarde voorkomen.Nog dieper wordt de grond teveel opgewarmd door de kernvan de aarde.Op veel plaatsen op de aardeblijkt gashydraat aanwezig tezijn op grote diepte.Het blijkt dat 1 m3 gashydraatbij normale omstandigheden160 m3 methaangas geeft. Menheeft berekend dat er meerkoolstof opgeslagen zit ingashydraat dan er verdertotaal op aarde voorkomt. Eenmogelijke nieuwe energiebron?Op dit ogenblik is het vanuit Figuur 10: De kristalstructuur van ijstechnisch oogpunt nog lastigom methaan uit de gashydraten Stoffen waarvan de molecule dipoolmoleculen zijn worden polaire stoffente winnen. genoemd, apolaire stoffen hebben geen dipoolmoleculen. Polaire stoffen lossen meestal goed op in de polaire stof water en worden daarom ook wel hydrofiele stoffen genoemd, de apolaire stoffen worden hydrofoob genoemd. In het algemeen geldt polaire stoffen mengen goed met polaire stoffen en apolaire stoffen mengen goed met apolaire stoffen. Vragen 6. Schets het optreden van waterstofbruggen tussen minimaal drie moleculen ethanol (alcohol, CH3-CH2-OH). 7. Kunnen er waterstofbruggen voorkomen tussen moleculen water en methaan, CH4? Zo ja, teken er een aantal. Zo nee, waarom niet?
  • 16. Slimme polymeren 178. Ureum is het belangrijkste afvalproduct van de eiwitstofwisseling en wordt door de nieren uitgescheiden. De formule is NH2−CO−NH2. a. Geef de structuurformule van ureum. b. Teken de waterstofbruggen die kunnen optreden tussen een molecuul ureum en drie moleculen water.9. a. Leg uit of benzine (C7H16) een polaire of een apolaire stof is. b. Leg uit of je een vetvlek in je kleren het beste met water of met benzine kunt verwijderen.10. Leg uit waarom het kookpunt van de stoffen uit opgave 5 anders is dan je verwachtte.11. Bij kamertemperatuur lost er 406 L ammoniakgas op in 1,0 L water. Leg met behulp van structuurformules uit hoe dat mogelijk is. In de volgende activiteiten ga je in een aantal hoofdstukken verschillende soorten slimme polymeren onderzoeken aan de hand van experimenten, stukjes theorie en opgaven.
  • 17. 3. De kleverige polymeren
  • 18. Slimme polymeren 19 Slime roept jeugdherinneringen op. Slime is nog steeds een populair stukje speelgoed dat in vrijwel geen enkel gezin ontbreekt. Het is niet duur en in alle kleuren te koop. Denk eens terug hoe het voelt om met slime te spelen. Het voelt griezelig en onsmakelijk aan, net als een kleverige limonadefles. Het voelt vies en plakkerig en je moet je handen wassen om het plakkerige goedje van je handen af te krijgen. Hoe komt dit toch? Opdracht 3 Voer de experimenten uit, bestudeer de teksten en maak de opgaven behorende bij de kleverige polymeren. EXPERIMENTEN EXPERIMENT 1: Maken van Slime Benodigdheden • 5 g lijm (Action-lijmstift) • 4 mL water • druppeltje kleurstof • 4% boraxoplossing (Na2B4O7) • BekerglaasjeFiguur 1: Slime een kleverige Uitvoeringstof Weeg ongeveer 5 g lijm af in een bekerglaasje. Doe er 4 mL water bij en een paar druppeltjes kleurstof. Roer het mengsel goed met een roerstaaf. Druppel dan een paar druppels 4% borax-oplossing toe. Roer het mengsel weer en ga door met toedruppelen en roeren tot er een klont aan de roerstaaf blijft zitten en het product loslaat van het bekerglas. Over het algemeen gebeurt dit na 15-20 druppels borax-oplossing. Voeg nog een paar druppels borax toe en roer nog eens goed. Pak de slijmerige stof uit het bekerglas en begin te kneden. Snel wordt het een vrij droge kneedmassa. Als het niet lukt, heb je teveel of te weinig borax toegevoegd. De slime is klaar. Vraag Hoe het komt dat de slime aan je handen plakt/ kleeft? EXPERIMENT 2: Wat gebeurt er als je een zuur of een base toevoegt? Benodigdheden • slime uit experiment 1 • 0,4 M NaOH-oplossing (natronloog) • Handschoenen • 0,4 M HCl-oplossing (zoutzuur)
  • 19. Slimme polymeren 20 Uitvoering Verdeel de slime in twee gelijke delen. Voeg aan een deel van de slime een paar druppels 0,4 M Natronloog toe en aan het andere deel een paar druppels 0,4 M zoutzuur. Vraag Wat is er met de slime gebeurd? EXPERIMENT 3: Uitvloeitest van slime Benodigdheden • Een stuk PVC buis met een diameter van 1,5 cm en een hoogte van 1 cm • vaselineFiguur 2: Slime reparatie set • overheadsheet met raster van millimeterpapier • slime, bereid met verschillende concentraties boraxoplossingen: 1%,Slime wordt gebruikt om een 2%, 3%, 4%, 5% en 6%.lekke autoband onderweg te • liniaalrepareren. De geleiachtigevloeistof uit de reparatie set Om deze experiment uit te voeren is slime nodig die is bereid metspuit je in de band en daarna verschillende concentraties boraxoplossingen. De slime wordt op dezelfdesluit je de kleine compressor manier gemaakt als is beschreven in experiment 1.uit de set aan op je band en opde sigarettenaansteker. In een Uitvoeringpaar minuten is je lekke band Doe dit experiment door de hierna volgende stappen te door lopen:gerepareerd en weer 1. Verdeel de klas in groepjes.opgepompt. De slime kun je na 2. Elk groepje maakt slime met een andere concentratie boraxoplossing.afloop weer eenvoudig uit deband verwijderen, waardoor er 3. Vet de ring van de rioolpijp in met vaseline.vrijwel geen beschadiging aan 4. Plaats de ring op de overheadsheet (in het midden).de band optreedt. Er zijn ook 5. Neem 50 mL slime en giet dit in de ring.slime reparatie sets voor 6. Wacht even tot de slime tot rust komt, (1 minuut).fietsbanden. 7. Haal de ring weg, meet na 5 minuten de uitvloeiing van het slime door het oppervlak te bepalen. 8. Elk groepje doet deze meting twee keer. Zorg ervoor dat bij elke tweede meting de omstandigheden precies hetzelfde zijn. 9. Verzamel de gegevens van de andere groepen 10. Teken een diagram waarbij je de oppervlakte (cm2) van het uitvloeigebied uitzet tegen de concentratie van de boraxoplossing Vraag Wat kun je concluderen uit de grafiek die je getekend hebt?
  • 20. Slimme polymeren 21 THEORIE 3.1 Inleiding polymeren Als we in naar polymeren kijken, kunnen we het volgende zeggen: alle polymeren hebben één ding gemeen, ze bestaan allemaal uit lange moleculen, ook wel macromoleculen genoemd. De meeste polymeren kun je maken uit één eenvoudige grondstof. Een dergelijke beginstof wordt een monomeer genoemd, het is een klein molecuul. Bij het ontstaan van een polymeermolecuul worden heel veel monomeermoleculen aan elkaar gekoppeld. Zie ook module 2: ECObrandstoffen paragraaf 3.5.Figuur 3: Boven, nylondraden,een synthetische polymeer enonder latex, een natuurlijkepolymeer Figuur 4: de vorming van een polymeer Er wordt onderscheid gemaakt tussen natuurlijke en synthetischeNatuurlijke latex wordt getaptdoor met een mes inkepingen polymeren. Natuurlijke polymeren worden in de natuur gevormd.te maken in de boomschors Voorbeelden zijn: eiwitten, koolhydraten en latex, een natuurlijke rubber.van de Braziliaanse rubberboom Synthetische polymeren kom je niet in de natuur tegen, maar worden door(onder een hoek van 30°) tot de mens gemaakt. Voorbeelden hiervan zijn plastics en nylon.op het cambium. Aan het eindevan de inkeping brengt men Een polymeer krijgt de naam van het monomeer waaruit het is gemaakt,een gootje aan met daarondereen opvangbakje, waarin de vooraf gegaan door het woord ‘poly’. Je kunt dus zeggen dat heel veellatex druppelsgewijs wordt monomeren samen één polymeer vormen.opgevangen.
  • 21. Slimme polymeren 22 3.2 Bouw van polymeren Een polymeer is opgebouwd uit lange moleculen. De aantrekkingskrachten tussen de moleculen zijn de vanderwaalskrachten. Hoe groter de moleculen des te sterker zijn de vanderwaalskrachten. Deze vanderwaalskrachten zorgen ervoor dat het polymeer bij kamertemperatuur een vaste stof is. Als de vanderwaalskrachten groot zijn dan is het polymeer ook hard. Korte polymeermoleculen vormen soepele zachte materialen. De vanderwaalskrachten tussen de moleculen onderling is kleiner. Daarom zijn korte polymeermoleculen gemakkelijk te vervormen. LangeTrekkrachten: korte polymeermoleculen vormen door de grotere vanderwaalskrachten stevigerepolymeermoleculen kun je en hardere materialen. De lange, met elkaar verstrengeldegemakkelijk uit elkaar halen. polymeermoleculen, zijn vrijwel niet te vervormen, zie figuur 5 Hard of zacht Bij het maken van een kunststof kijken we naar de specifieke toepassing van de kunststof. Hebben we een afvoerpijp nodig dan kiezen we ervoor dat die hard en stevig is. Kleding moet zacht en lekker te dragen zijn en speelgoed is soms hard en soms zacht. Afhankelijk van het gebruik maken we een bepaalde kunststof met de juiste materiaaleigenschappen. We weten inmiddels dat die eigenschappen te maken hebben met de lengte van de moleculen van het polymeer.Trekkrachten: lange Laten we eens een polymeermolecuul onder de loep bekijken. Bijvoorbeeldpolymeermoleculen zijn het polymeer dat PVA , polyvinylalcohol, heet. Dit is een polymeer datverstrengeld en heel lastig uit gebruikt wordt in de lijmindustrie.elkaar te halen. Aan het materiaal, dat dus uit lange ketens van aan elkaar gekoppelde moleculen vinylalcohol bestaat, voegt men een vloeistof toe die uit kleineFiguur 5: Schematische moleculen bestaat. Deze kleine moleculen gaan tussen deweergave van trekkrachtenop korte- en lange polymeer- polymeermoleculen in zitten. Hierdoor zitten de ketens van het polymeermoleculen. verder van elkaar af. Dit zorgt ervoor dat de vanderwaalskrachten tussen de moleculen zwakker wordt. Hierdoor kunnen de polymeerketens gemakkelijk over elkaar glijden. Het polymeer is nu zacht en flexibel. De kleine moleculen noemen we weekmakers. Laten we dit vergelijken met een bord met spaghetti. Als we tomatensaus hebben toegevoegd glijden de spaghettislierten veel gemakkelijker langs elkaar. Als we een stijve kunststof willen produceren, moeten we zorgen dat de moleculen van het polymeer niet over elkaar heen kunnen glijden. We gaan dan uit van een monomeer dat een polymeer oplevert waarbij een ‘brug’ wordt gelegd tussen de ene en de andere keten. Als je dan een polymeermolecuul zou kunnen oppakken, neem je uiteraard de andere die eraan vastzitten mee. Het polymeer wordt nu hard en stevig. De brugFiguur 6: spaghetti cartoon tussen twee ketens noemen we een crosslink (dwarsverbinding).
  • 22. Slimme polymeren 23 Figuur 7: Schematische weergave van polymeermoleculen met en zonder crosslinks. 3.3 Thermoharders en thermoplasten Polymeerketens met veel crosslinks kunnen nauwelijks meer vrij ten opzichte van elkaar draaien en er vormt zich een “star/stijf”Armbanden van bakeliet. polymeermolecuul. De kunststof, die wordt gevormd door polymeerketensBakeliet was de eerste met veel crosslinks, noemen we een thermoharder (thermos is Grieks voorthermoharder die in 1907 door warmte en harder is afgeleid van de eigenschap hard).de Vlaamse chemicus Als er geen crosslinks zijn, blijft de kunststof zacht. De ketens kunnenBaekeland werd gemaakt. gemakkelijk over elkaar of langs elkaar glijden. Als we deze kunststoffen gaan verhitten worden ze steeds zachter tot ze vloeibaar worden, je kunt er dan draden van trekken. Zo’n kunststof noemen we een thermoplast (thermos voor warmte en plast van de eigenschap plastisch of flexibel). 3.4 Slime beter bekeken Het maken van slime berust op het vormen van een gel. Een gel bestaat in principe uit twee verschillende bestanddelen: een vloeistof en een vasteWegmarkeringen stof. Het vertoont de eigenschappen van beide. Als we de gel in eenWegenverf is een thermoplast bekertje doen, dan neemt deze de vorm van het bekertje aan zoals elkedie warm gemaakt wordt en vloeistof zou doen. Als we de gel op de grond zouden laten vallen, kunnendan op de weg wordt we deze gewoon oprapen. De gel gedraagt zich dan als een vaste stof.aangebracht. Om een gel te maken hebben we een polymeeroplossing nodig. Slime wordt gemaakt van polyvinylalcohol (PVA). Dit is een kleverige stof, dat gebruikt wordt als lijm. Met lijm uit een lijmstift (Action) wordt slime gemaakt zoal je gedaan hebt in experiment 1. Hoe gaat dat nu in zijn werk? Eerst bekijken
  • 23. Slimme polymeren 24 we hoe het komt dat lijm aan papier plakt en daarna wat het chemische verschil is als je er slime van gemaakt hebt. De werking van lijm Action-lijm is een waterige oplossing van polyvinylalcohol (PVA). Als je bijvoorbeeld plaatjes op papier wil plakken, moet je wachten tot de lijm is opgedroogd. Dat wil zeggen dat het water uit het lijmmengsel verdampt en dan zullen de polymeermoleculen van het polyvinylalcohol door waterstofbruggen niet alleen aan elkaar plakken, maar ook aan de cellulosemoleculen van het papier van je schrift. CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 R CH R CH CH CH lijm met H-bruggen naar papier watermolecuul papier Figuur 8: papier met polyvinylalcohol als lijm De werking van slime De waterige lijmoplossing heb je in experiment 1 gemengd met een boraxoplossing. PVA bestaat uit lange polymeermoleculen die vrij kunnen bewegen in een oplossing. Als er boraxoplossing wordt toegevoegd worden er crosslinks gevormd tussen een PVA molecuul en de borax-ionen en er wordt een slijmerige stof gevormd die op een vaste stof lijkt. De crosslinks worden bijeengehouden door waterstofbruggen tussen het PVA en het boraxionPolyvinylalcohol lijm van de (BO4H4ˉ). Zie de tekening in figuur 9.Action CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 R CH R CH CH CH waterstofbruggen - - R CH CH CH CH R CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 Figuur 9: In slime vormen borax-ionen via waterstofbruggen, de crosslinks tussen de PVA ketens (versimpeld weergegeven).
  • 24. Slimme polymeren 25Vragen1. a. Wat zijn de belangrijkste aantrekkingskrachten tussen polymeermoleculen? b. Leg uit wat het verschil is tussen een thermoplast en een thermoharder. c. Zoek in Binas tabel 67A3 de structuurformule van cellulose op en leg uit hoe de waterstofbruggen tot stand komen tussen het papier en de lijm.2. Geef de structuurformule van het monomeer van polyvinylalcohol. CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 R CH R CH CH CH OH OH OH OH polyvinylalcohol3. Leg met structuurformules uit waarom ethanol goed oplost in water. Teken 3 moleculen ethanol en 3 moleculen water.4. Verklaar met behulp van de elektronegativiteit of de volgende moleculen polair of apolair zijn: • koolstofdioxide • ammoniak • 2-hydroxypropeen5. Verklaar nu, na bestudering van de theorie, de resultaten van experiment 2 en 3.6. Ga naar het internet en zoek naar een aantal toepassingen van kleverige polymeren, die nu al in gebruik zijn. Zoek ook naar een paar toepassingen, waarvan wordt verwacht dat deze in de nabije toekomst bruikbaar zijn. Gebruik deze informatie in de tentoonstelling die je gaat maken.
  • 25. 4. De elektrisch geleidende polymeren
  • 26. Slimme polymeren 27Vrijwel de meeste leerboeken geven aan dat de belangrijkstemateriaaleigenschap van kunststoffen is, dat zij zeer slechteelektrische geleiders zijn. Zij worden daarom gebruikt alsisolatiemateriaal van elektriciteitskabels en verschillende soortenelektrische apparaten. Uit recent onderzoek is echter gebleken datbepaalde soorten polymeren wel degelijk de elektrische stroomkunnen geleiden. Hoe is dat mogelijk?Op grond van elektrische geleiding kunnen we stoffen in drie groepenverdelen: de geleiders die de elektrische stroom goed geleiden, de isolatorendie de elektrische stroom niet geleiden en een tussenvorm: de halfgeleiders.Tabel 1: geleidingsvermogen van een aantal stoffen materiaal soortelijke weerstand (Ω.m) bij T = 300 K Isolatoren Polystyreen 1020 Diamant 1016 Halfgeleiders silicium (zuiver) 2,0 x 102 germanium (zuiver) germanium (verontreinigd) Geleiders metalen 10-8 – 10-9Tot de geleiders blijken nu ook kunststoffen te behoren. Aan de hand vanexperimenten en theorie ga je nu onderzoeken hoe deze geleiding tot standkomt.Opdracht 4Voer de experimenten uit, bestudeer de teksten en maak de opgavenbehorende bij de elektrisch geleidende polymeren.EXPERIMENTENJe gaat nu samen met de docent twee soorten polymeren maken enonderzoeken of deze polymeren de elektrische stroom geleiden.EXPERIMENT 4: Demonstratie-experiment door de docent of TOA:Synthese van nylonBenodigdheden• 5% sebacoylchloride (decaandocyldichloride)• 5% 1,6 – hexaandiamine• 0,1 M natronloog• wasbenzine
  • 27. Slimme polymeren 28 • twee 100 mL bekerglazen • pincet • föhn Uitvoering Schenk in het bekerglas een oplossing van 1,6-hexaandiamine in natronloog. Giet hierop voorzichtig een oplossing van sebacoylchloride in wasbenzine. Op het grensvlak wordt meteen een vliesje zichtbaar die je met een pincet recht uit de vloeistof kan trekken. Er vormt zich een lange draad van nylon. Wikkel deze draad om een leeg bekerglas en droog de draad met de föhn. Meet met een milliampèremeter en een batterij of de nylondraad stroom geleidt. EXPERIMENT 5: Demonstratie-experiment door de docent of TOA: Synthese van polyaniline BenodigdhedenOp het grensvlak van de twee • aniline-waterstofchlorideoplossingen ontstaat de • ammoniumpersulfaat (NH4)2S2O8.polymeer nylon. • 100 mL erlenmeyers • 100 mL bekerglazen • magneetroerder met magneet • zuurkast of exsiccator • trechter, filter • ca 400 mL 0,20 M zoutzuur • ca 400 mL aceton • verbandgaas (als dragermateriaal)Polyaniline opgelost in een Uitvoeringoplosmiddel. Als je dit uitgiet op Weeg 2,59 gram aniline-waterstofchloride af in een erlenmeyer en los dit opverbandgaas en laat drogen in 50 mL gedemineraliseerd water.geleidt het de elektrische Weeg 5,71 gram ammoniumpersulfaat af in een erlenmeyer en los dit op instroom. 50 mL gedemineraliseerd water. Laat beide oplossingen ongeveer een uur rusten bij kamertemperatuur. Voeg daarna de oplossingen bij elkaar en roer stevig door met behulp van een magneet-roerder. Laat de oplossing een nacht in de zuurkast staan, zodat polymerisatie kan optreden. Filtreer het mengsel en was het residu driemaal met 100 mL 0,20 M zoutzuur. Daarna driemaal met 100 mL aceton. Bedek een verbandgaasje met het nog vochtige polyaniline en laat dit verder goed drogen in de zuurkast. Meet met een milliampèremeter en een batterij de sterkte van de stroom door het verbandgaas met én zonder de polyaniline.
  • 28. Slimme polymeren 29Verwerking resultatenGeef de resultaten van je bevindingen van experiment 4 en experiment 5weer in een tabel.Vragen bij experiment 4 en experiment 51. Leg uit waarom je met een föhn de draad moet drogen.2. Zoek in Binas tabel 67A de structuurformule op van cellulose (grondstof verbandgaas) en geef een stukje van dit polymeer weer, waarbij alle koolstof- en waterstofatomen ook moeten worden weergegeven (denk aan de covalentie van de verschillende atomen).3. Kan cellulose de elektrische stroom geleiden op grond van de getekende structuurformule? Licht je antwoord toe.THEORIE 4.1 De elektrische geleiding bij metalen (herhaling)Elektrische geleiding kan alleen plaatsvinden als er sprake is van bewegendeelektrische lading. Alle metalen geleiden elektrische stroom. Om dezegeleiding te kunnen beschrijven moeten we eerst gaan kijken naar deopbouw van een metaalatoom.Metaalatomen hebben volgens het atoommodel van Bohr weinig elektronenin de buitenste schil. In de buitenste schil van een metaalatoom zitten vaakmaar 1 of 2 elektronen (zie het periodiek systeem). Deze elektronen wordenbovendien niet erg stevig vastgehouden, omdat ze ver van de kern zijnverwijderd. We noemen deze elektronen dan ook de vrije elektronen.De metaalatomen zijn in de vaste stof netjes gerangschikt in eenmetaalrooster. Deze metaalatomen zijn daarbij elektronen uit de buitensteschil kwijt geraakt, zodat er positief geladen metaalatomen overblijven.Figuur 10: een metaal met vrije elektronen
  • 29. Slimme polymeren 30PolyanilineBij de omzetting van anilinenaar polyaniline kunnen veel De elektronen, die vrij door het metaalrooster kunnen bewegen houden deverschillende nano- en positief geladen metaalatomen bijeen. Elektronen kunnen zich nu heelmicrostructuren ontstaan. gemakkelijk verplaatsen ten gevolge van een aangelegd spanningsverschilKleine veranderingen in deparameters van de reactie (een batterij of spanningsbron). Of zoals we eerder in module 1 aangaven:resulteren in structuren op bij stroomgeleiding verplaatsen deze ‘vrije elektronen’ zich door hetnanoschaal in de vorm van metaalrooster.bijvoorbeeld buisjes ofbloemen. Door deze De elektrische geleiding bij polymerenverschillende structuren kan Bij isolatoren, zoals de meeste kunststoffen (polymeren), zijn de buitenstepolyaniline op vele manierenworden toegepast. schillen van de elektronen helemaal gevuld. Er is geen mogelijkheid voor de elektronen om te bewegen en er kan dus geen stroom lopen. Waarom kunnen bepaalde soorten polymeren dan toch de stroom geleiden? Om antwoord op deze vraag te geven moeten we eerst de bouw van polymeren nader bezien. Zoals je al eerder hebt geleerd zijn polymeren macromoleculen. Elk macromolecuul is opgebouwd uit bouwstenen, die monomeren worden genoemd. Een grote groep van stoffen waarvan de moleculen bruikbaar zijn als monomeren zijn de alkenen. 4.2 Alkenen, een korte uitbreiding op je kennis. De soorten bindingen in alkenen. In een etheenmolecuul zit tussen de koolstofatomen een dubbel elektronenpaar. We spreken in zo’n geval van een dubbele binding en geven dit als volgt weer: H H H H H C C etheen of C C C H propeen H H H H Figuur 11: structuurformules van etheen en propeen Bij een enkele binding zijn twee elektronen betrokken. Zoals je weet is een streepje tussen twee atomen een gemeenschappelijk elektronenpaar en dit elektronenpaar vormt een atoombinding. Het gemeenschappelijke elektronenpaar plaatst zich tussen de twee te binden C-atomen en dat noemen we ook wel een zogenaamde σ-binding (sigma-binding). Een dubbele binding tussen twee C-atomen bevat echter twee bindingen. In een dubbele binding is één van de twee bindingen ook een σ-binding, de andere is een zogenaamde π-binding (pi-binding), en de twee elektronen van het gemeenschappelijk elektronenpaar worden π-elektronen (pi- elektronen) genoemd. De π-elektronen bevinden zich niet tussen de twee atomen in, maar in een ruimte boven en onder de binding zoals onderstaande figuur van het molecuul etheen laat zien. De zes atomen (2 C-atomen en 4 H-atomen) liggen in een plat vlak samen met de 5 enkelvoudige atoombindingen (de σ-bindingen). De π-binding tussen de twee C-atomen ligt gedeeltelijk boven en gedeeltelijk onder het
  • 30. Slimme polymeren 31 vlak in de vorm van halters. Door de overlap aan de bovenkant en aan de onderkant van halters vormen deze elektronenwolken als het ware een extra binding en dit noemen we de tweede binding, ofwel de dubbele binding, ofwel de π-binding. Deze elektronen zijn zwakker gebonden aan beide C- atomen en dus is dit een zwakkere binding dan de σ-binding.Figuur 12: molecuulmodellenvan etheen. De pijltjes gevenin figuur 13 de elektronenweer. Figuur 13 Een dubbele binding kan niet alleen tussen C-atomen, maar ook tussen andere atomen voorkomen. Zo bestaat het zuurstofmolecuul uit twee zuurstofatomen die met een dubbele binding aan elkaar gebonden zijn. Ook combinaties van verschillende atomen kunnen een dubbele binding hebben. Zie ook voor een animatie in het Engels de volgende link: http://users.skynet.be/eddy/sigmapi.html Aromaten Een groep van cyclische koolwaterstoffen zijn de aromaten. Stoffen die tot de aromaten behoren, bevatten een zogenaamde benzeenring: C6H6. Hier is sprake van een ringvormige verbinding met drie dubbele bindingen. De π-elektronen van deze drie dubbele bindingen bevinden zich niet vast tussen twee C-atomen, maar vormen een bindende elektronenwolk in het midden van de ring koolstofatomen. Daarom zeggen we dat de π-elektronen gedelokaliseerd zijn, dat wil zeggen: niet aan een bepaalde plaats gebonden. Symbolisch worden de drie (pi)π-bindingen daarom ook wel met een rondje aangegeven. H H H H H H H H H H H H Figuur 14: structuurmodellen van benzeen Als de benzeenring een zijgroep van een groter molecuul is, dan noemt men de benzeenring een fenylgroep (molecuulformule dus C6H5 –).
  • 31. Slimme polymeren 32Tabel 2: naamgeving Naam Structuurformule benzeen C6H6 methylbenzeen C6H5 – CH3 fenyletheen of styreen C6H5 – CH = CH2Vraag7. Geef de systematische namen bij onderstaande structuurformules. a. d. b. e. H2 CH CH CH3 C H2C C H2 H2C C H2 C H2 c. 4.3 Additiereactie bij alkenenAlkenen kunnen gemakkelijk met andere stoffen reageren. Als bijvoorbeeldetheen reageert met broomwater, ontstaat 1,2 – dibroomethaan. H H H HH H C C + Br Br H . . C C H H C C HH H . . Br Br Br Br TussenproduktFiguur15: additie van broom aan etheenEén van de twee gemeenschappelijke elektronenparen in de dubbele bindingvan etheen kan ‘open springen’. Bij bovenstaande reactie wordt de π-bindingvan etheen gebroken in twee losse elektronen. Het is ‘de zwakste schakel’ in
  • 32. Slimme polymeren 33 het molecuul. Hierdoor kunnen de beide koolstofatomen ieder een ander atoom aan zich binden.Mobieltjes mogen vallen Dit noemen we een additiereactie. Adderen komt uit het Latijn en betekentHet zou een geweldige toevoegen. Broom wordt als het ware aan etheen toegevoegd en eroplossing zijn: een mobiele ontstaan één nieuw molecuul. Behalve broom kunnen bijvoorbeeld ook fluor,telefoon die niet kapot gaan als chloor, jood, waterstof en water worden geaddeerd aan alkenen.je hem per ongeluk laat vallen.Telefoons met flexibele, Vraagmisschien zelfs oprolbareschermen. Dit leek onmogelijk. 8. Geef de reactievergelijking van de onderstaande reacties en gebruikBreekpunt bij de ontwikkeling voor alle stoffen structuurformules.waren de chips in de a. Waterstofgas reageert met propeen tot propaan.apparaten. Kunststof chips b. Waterdamp (voorgesteld door H – OH) wordt geaddeerd aangeleiden niet goed genoeg. propeen. Hoeveel reactieproducten kunnen er ontstaan?Uit onderzoek aan de TU Delftbleek dat de oorzaak hiervande rommelige structuur van de Polyadditiereactieketens was. Een polymeer met Bij een hoge temperatuur en een grote druk kan in etheen de π-bindingeen relatief starre, openspringen, waarbij de moleculen zich aan elkaar rijgen tot een enormladderachtige structuur bleek lang molecuul van duizenden eenheden of monomeren. Dit noemen we eenduizend keer beter te geleiden. polyadditiereactie. We spreken hier van polyetheen. (toepassingen zijnDit maakt de weg vrij voor boterhamzakjes, afwasbakken enz).goed geleidende polymerenzodat je mobieltje mag vallen. . . . . Figuur 16: polymerisatie van etheen Vragen 9. Propeen kan polymeriseren tot polypropeen. a. Teken de structuurformule van propeen zodanig, dat alleen de dubbele binding horizontaal wordt getekend. b. Teken een stuk van de structuurformule van polypropeen bestaande uit drie monomeren. c. Geef de structuurformule van 1-buteen.Links de nieuwe strakke d. Teken een stuk van de structuurformule van poly-1-buteenstructuur en rechts de bestaande uit drie monomeren.rommelige structuur. 10. Leg uit waarom polyetheen de elektrische stroom niet geleidt.Bron: NWO.nl 11. Acetyleen of ethyn (C2H2) heeft een drievoudige binding tussen de atomen: Bij polymerisatie klapt één π-binding open, waarbij één dubbele binding overblijft. Teken een stukje van dit polymeer, opgebouwd uit drie monomeren in structuurformule.
  • 33. Slimme polymeren 34 4.4 Hoe kunnen polymeren elektrische stroom geleiden: geconjugeerde systemen?Elektrische geleiding bij polymeren treedt op wanneer er sprake is van eengeconjugeerd systeem in een polymeermolecuul. Een geconjugeerd systeembetekent dat dit soort polymeermoleculen om en om een dubbele en eenenkele binding tussen de koolstofatomen in hun molecuul ketens hebben.Zie het onderstaande voorbeeld in figuur 17. In plaats van destructuurformule met C- en H-atomen gebruiken we een zogenaamdeverkorte schrijfwijze, waarbij alleen de bindingen tussen de C-atomen zijnaangegeven. De H-atomen worden weggelaten.Figuur 17: Model van het geconjugeerd systeem in polyethynVragen12. Leg uit dat het in vraag 10 verkregen polymeer een geconjugeerd systeem vormt.13. Propyn kan ook polymeriseren. Teken in structuurformule een stukje van het polymeer polypropyn, opgebouwd uit drie monomeren.14. Leg uit of polypropyn een geconjugeerd systeem heeft.15. Geef een deel van polypropyn weer in de verkorte schrijfwijze.De π-elektronen in de dubbele bindingen in een geconjugeerd systeembevinden zich als het ware in een band van elektronenwolken aan de bovenen aan de onderkant van de koolstofketen. In principe kunnen deze π-elektronen zich niet vrij bewegen.Door nu, met behulp van bijvoorbeeld een batterij, een spanningsverschilaan te leggen tussen het begin en het eind van het polymeer, kunnen de π-elektronen, door het ‘omklappen’ van de dubbele bindingen naar hetnaastgelegen atoom, door het molecuul gaan bewegen. Zie figuur 18.Figuur 18: De π- elektronen bewegen vrij door een polymeermolecuulDit principe van het omklappen van de dubbele bindingen is de oorzaak vande stroomgeleiding in deze polymeren.
  • 34. Slimme polymeren 35 Vraag 16. Ga naar het internet en zoek naar een aantal toepassingen van geleidende polymeren, die nu al in gebruik zijn. Zoek ook naar een paar toepassingen, waarvan wordt verwacht dat deze in de nabije toekomst bruikbaar zijn. Gebruik deze informatie in de tentoonstelling die je gaat maken. Artikel 4 Een elektronische neus Geuren kunnen veel vertellen. Een ervaren bierbrouwer ruikt of de fermentatie van het mout goed verloopt. Bij de vergisting gevormd ethylacetaat en aceetaldehyde, leveren een onmiskenbare bijdrage aan de geur. De bierbrouwer snuift de lucht op en geurstoffen strijken langs het vochtige neusslijmvlies. Reukcellen verzenden daarop via zenuwen een signaal naar zijn hersenen. Daar volgt de interpretatie van de signalen, gevolgd door de herkenning. Een elektronische neus is ook in staat een productieproces goed te volgen. Zo’n neus bevat geen miljoenen reukcellen, maar een aantal sensoren. Elke sensor bestaat uit een geurgevoelig oppervlak geplaatst tussen twee elektrische contacten. Een sensor maakt gebruik van geleidende polymeren. Polythiofeen is een goed geleidende polymeer en door kleine aanpassingen in de synthese ontstaan er verschillende polythiofenen, waardoor elk polymeer een bepaalde geur kan herkennen. Zo kan je een elektronische neus ontwikkelen die een groot aantal verschillende geuren kan herkennen Menselijke neuzen zijn niet zo gevoelig. Als bijvoorbeeld bij de douane twee flesjes van het parfum Chanel 5 aankomen en een daarvan is namaak kan de menselijke neus dat niet ruiken. Een elektronische neus kan nog niet alle stoffen herkennen maar kan wel een geurpatroon herkennen en zo aan geven welkEen elektronische neus om het parfum namaak is.parfum Chanel 5 te herkennen. Bron: Kennislink
  • 35. 5. De lichtgevende polymeren
  • 36. Slimme polymeren 37 Naast de kleverige en de geleidende polymeren is er een hele bijzondere groep polymeren: de lichtgevende polymeren. Hoe zijn polymeren in staat om licht te kunnen geven? LED Een LED lampje is algemeen bekend. Zo’n LED is te omschrijven als een speciaal soort lampje in een puntvorm. Een paar voorbeelden zijn: het stand-by lampje van de tv, de monitor van je computer, kerstverlichting, enz. Misschien heb je een fietsverlichting met LEDjes. LED is een afkorting van Light Emitting Diode, dit betekent: Licht Uitstralende Diode. Polymere LED of OLED Een polymere LED is een verbeterde versie van de gewone LED. Het is ook een soort lampje, maar dan met meer mogelijkheden. Het is namelijk geen puntje, maar heeft een groter oppervlak. Het is een heel dunne – ongeveer 2 mm – lichtgevende kunststof met een groot oppervlak. Opdracht 5 Bestudeer de teksten behorende bij de lichtgevende polymeren en maak de opgaven. THEORIE 5.1 Fluorescentie: grondtoestand en aangeslagen toestand.Figuur 19: Lichtgevende Wil je het licht geven van stoffen en dus ook van LED´s en polymere LED´sbierflessen. kunnen verklaren, dan moet je eerst weten wat het begrip fluorescentie (hetGordijnen waar een lichtgeven van stoffen) inhoudt.lichtgevende draad doorgeweven is. Figuur 20: het atoommodel van Bohr Om te begrijpen hoe stoffen licht kunnen geven moeten we kijken hoe stoffen zijn opgebouwd en hoe ze reageren op licht (energie). Volgens het atoommodel van Bohr bevinden zich in de kern van een atoom de protonen
  • 37. Slimme polymeren 38 en de neutronen en om de kern zijn een aantal vaste banen (schillen) waarin de elektronen bewegen. Je kunt ook zeggen dat in normale toestand de elektronen rond de kern regelmatig verdeeld zijn over de beschikbare schillen. Dit noemen we de grondtoestand Als er UV-licht op het atoom valt kunnen de elektronen de energie van het licht opnemen en daardoor worden verplaatst naar een schil die verder van de kern verwijderd is. Een elektron dat op deze manier is verplaatst, bevindt zich in de aangeslagen toestand. De aangeslagen toestand is geen stabiele toestand en na verloop van tijd zullen de elektronen in de aangeslagen toestand weer terugvallen naar de grondtoestand, dus naar de schil waar ze zich eerst bevonden. Bij dit terugvallen, komt er een hoeveelheid energie vrij die overeenkomt met de energie die nodig was om het elektron naar de betreffende verder gelegen schil te brengen. Deze energie komt vrij in de vorm van warmte en licht, licht dat door het atoom wordt uitgestraald. Omdat een deel van de opgenomen energie vrijkomt als warmte heeft het licht dat ontstaat een grotere golflengte dan het opgenomen UV-licht. Het is nu zichtbaar lichtIn plaats van lampen kun je geworden, waarbij allerlei kleuren mogelijk zijn.straks ook een lichtgevendemuur krijgen. Philips heeft in Dit verschijnsel, het uitstralen van licht door een atoom, wordtsamenwerking met Kvadrat SoftCells een zeer geavanceerd fluorescentie genoemd.lichtgevend textiel ontwikkeld.De OLED’s zijn geïntegreerd inde akoestische wanden. Je kuntook de kleur van de wandregelen en zo een nieuwinterieur creëren. Figuur 21: UV-licht valt op het elektron, dit raakt in de aangeslagen toestand en valt daarna onder het uitzenden van licht terug naar de grondtoestand. 5.2 De opbouw en de werking van een polymere LED Een polymere LED (OLED) bestaat uit drie laagjes: Het onderste laagje is een metaal elektrode (min pool). Het middelste laagje is een speciaal soort polymeer en de toplaag is een transparante (licht doorlatende) electrode (plus pool). Hier bovenop kan nog een laagje komen om het af te dekken en om de OLED te beschermen.
  • 38. Slimme polymeren 39 Figuur 22: een model van een polymere LED Het licht geven geschiedt in de volgende 5 stappen: 1. Door de polymere LED aan te sluiten op een spanningsbron worden elektronen door de negatieve metaalelektrode gestuurd. Deze elektronen bevatten meer energie dan elektronen in de grondtoestand. Er loopt nu dus stroom van de negatieve metaalelektrode via het speciale polymeer naar de positieve elektrode. 2. De elektronen verlaten de min pool en komen in aanraking met het deel van het polymeer, dat een geconjugeerd systeem bezit. De π-elektronenGlow in the dark, lichtge- in het geconjugeerde systeem van de polymeer verplaatsen zich nu overvende verf pigmenten de polymeermoleculen in het polymeer.Lichtgevende pigmentenbehoren tot de nieuwste 3. Als een π-elektron zich verplaatst blijft er een positief gat achter. Hetontwikkelingen op het gebied atoom waar het elektron bij hoort heeft nu immers een elektron tevan nalichtend materiaal. Het weinig. De elektronen die vanuit de spanningsbron het polymeer inbelangrijkste kenmerk van ditmateriaal is de bijzondere gaan, vallen in zo’n positief gat.structuur van hetverfpigmentkristal, dat een zeer 4. De elektronen die in een positief gat terecht komen, vallen vervolgensgroot vermogen heeft voor het snel terug naar de grondtoestand en zenden de vrijgekomen energie uitopslaan en weer geleidelijk in de vorm van zichtbaar licht. De kleur van het licht is afhankelijk vanloslaten van licht. de soort polymeer moleculen in de OLED. Fabrikanten plaatsenAls het materiaal voldoende is meerdere soorten polymeermoleculen in lagen om kleuren OLEDaangelicht, met bijvoorbeeld displays te maken.normaal huiskamerlicht, kanhet tot wel 12 uur nagloeien. 5. Het zichtbare licht verlaat de polymere LED via het bovenste(Glow in the dark) transparante laagje. Je ziet nu gekleurd licht.Deze eigenschap blijft heel langbehouden, soms wel meer dan10 jaar.
  • 39. Slimme polymeren 40Figuur 23: een polymere LED zendt licht uit als een elektron in een positief gat valt.Dit proces gebeurt niet alleen maar op één plaats, maar dit gebeurt over hethele oppervlakte van de polymere LED. Op elke vierkante centimeter vaneen LED gebeurt dit 1.000.000.000.000.000 keer (dit is 1015, heel vaak dus)per seconde!!Vragen17. Maak een schematische voorstelling van de hierboven beschreven 5 stappen en vergelijk dit met de PPT die je docent je laat zien. Verbeter je eigen voorstelling indien nodig.18. Ga naar het internet en zoek naar een aantal toepassingen van lichtgevende polymeren, die nu al in gebruik zijn. Zoek ook naar een paar toepassingen, waarvan wordt verwacht dat deze in de nabije toekomst bruikbaar zijn. Gebruik deze informatie in de tentoonstelling die je gaat maken. Figuur 24: Transparante OLED-schermen toveren autoruiten in de toekomst om tot beeldschermen.
  • 40. 6. De organische zonnecellen
  • 41. Slimme polymeren 42 Zonne-energie is energie van de zon in de vorm van warmte en licht. In zonneboilers wordt thermische zonne-energie omgezet in warmte. In zonnepanelen met daarin veel zonnecellen wordt binnenvallend zonlicht direct omgezet in elektriciteit. In hoofdstuk 5 heb je gezien dat bijzondere polymeren licht kunnen uitzenden als er een spanningsverschil wordt aangebracht. Kan dat ook andersom? Opdracht 6 Voer de experimenten uit en bestudeer de teksten behorende bij de organische zonnecellen. EXPERIMENTEN EXPERIMENT 6: Maak je eigen zonnecel Uitvoering 1. De min-elektrode Leg de glaselektrodes (een glasplaatje met een geleidende coating) met de witte titaan(IV)oxide laag in de gekozen kleurstofoplossing. Laat ieder groepje een eigen kleurstof kiezen. Het titaan(IV)oxide moet naar boven wijzen en helemaal onder de vloeistof komen te liggen. Na 5–10 minuten is de kleurstof volledig in de laag getrokken. Spoel de elektrodes af met water, waarbij eventuele kleurstofresten moeten verdwijnen. Voorzichtig drogen of droog föhnen. Droge elektroden zijn lichter van kleur. Aan de kleur kun je zien of de elektroden droog zijn. 2. De plus-elektrode Bepaal eerst met een multimeter wat de geleidende kant is van de andere glaselektrode. Zet de multimeter op 200 Ω en houd de punten van de meetkabels op het glas. Als je de goede kant van het glas hebt meet je een waarde, anders komt er een ‘1’ of ‘OL’ PS: het hele experiment mislukt als de verkeerde kant van het glas wordtFiguur 25: meten van deweerstand gebruikt! Leg een glasplaatje neer met de geleidende kant naar boven. Kleur het plaatje aan de geleidende kant zoveel mogelijk met een potlood. Blaas of tik achtergebleven poeder er af. 3. De zonnecel bouwen Voordat de cel afgemaakt kan worden, moet er van een paperclip eerst eenFiguur 26: het kleuren van de klemmetje gebogen worden. Dat gaat als volgt:plus-elektrode • Leg de paperclip plat op tafel en vouw hem open door het langste stuk omhoog te buigen.
  • 42. Slimme polymeren 43 • Klem beide pootjes van het langste stuk net boven het buigpunt in een tang. • Buig vervolgens het uitstekende deel van het lange stuk terug. buigpunt buigpunt Leg het glasplaatje neer met de potloodkant omhoog. Leg hier voorzichtig bovenop de min-elektrode, het gekleurde titaan(IV)oxide plaatje. De gekleurde kant naar beneden, zodat beide gekleurde lagen binnenin zitten. Leg beide plaatjes niet precies op elkaar, zodat aan beide zijden een stukje glas uitsteekt met de geleidende coating, zoals in figuur 27. Maak tenslotte de glasplaatjes aan elkaar vast met het zelf gemaakte klemmetje. De laatste stap die nodig is om de zonnecel tot leven te laten komen is het vullen van de cel met een elektrolytoplossing. Er wordt gebruikt gemaaktFiguur 27: de glasplaatjes van jood opgelost in een kaliumjodide-oplossing: I3ˉ(aq)vastklemmen I2 (aq) + Iˉ(aq) → I3ˉ(aq). Breng een paar druppels elektrolyt aan op het vlak tussen de plaatjes, zie figuur 28. De druppels worden vanzelf tussen de plaatjes ingezogen. Voeg eventueel druppels toe totdat het hele oppervlak tussen de plaatjes is volgezogen.Figuur 28: het vullen met EXPERIMENT 7: Testen van je eigen zonnecelelektrolyt Onderzoek de invloed van verschillende lichtsterktes op de geleverde spanning. Voor je de spanning kunt gaan meten moet je eigengemaakte zonnecel eerst tot ‘leven’ komen. Beide elektroden moeten nog geleidend met elkaar worden verbonden. Sluit een multimeter met twee krokodillenbekkabels aan op de cel. Klem de rode meetdraad aan de plus- elektrode (potlood). De negatieve elektrode moet altijd naar de lichtbron toe gericht zijn. Noteer je bevindingen. Door een aantal zonnecellen in serie op elkaar aan te sluiten ontstaat een spanningsbron waar apparaten ook echt op kunnen werken. Probeer of je de rekenmachine en de soundchip uit het pakket aan het werk kan krijgen. Noteer opnieuw je bevindingen.
  • 43. Slimme polymeren 44 Bewaren Wanneer de zonnecellen koel en donker worden bewaard zijn ze minstens een week houdbaar. De zonnecellen blijven werken totdat het elektrolyt verdampt is. De levensduur kan verlengd worden door op tijd elektrolyt bij te vullen. Na een aantal keer bijvullen zullen de zonnecellen echter zo verouderd zijn dat ze het niet goed genoeg meer doen. Tenslotte zijn de cellen weer uit elkaar te halen en kunnen de glasplaatjes weer helemaal schoongepoetst worden. Het hele verhaal begint dan gewoon weer van voren af aan. EXPERIMENT 8: Meten aan je eigen zonnecel Van je eigen gemaakte zonnecel ga je een zogenaamde stroom/spannings karakteristiek maken. 0.12 0.10Figuur 29: meten van de Stroomsterkte I [ A ]spanning 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0 2 4 6 8 10 12 Spanning [ V ] Figuur 30: I,U karakteristiek van een gloeilamp Stroom-spannings (I,U) karakteristiek Om de resultaten duidelijk weer te geven gebruiken we een stroom- spannings karakteristiek (I,U karakteristiek). Dit is een diagram dat laat zien wat er met stroom door een elektrisch onderdeel gebeurt als de spanning over dit onderdeel gevarieerd wordt. Uit deze karakteristiek kunnen de eigenschappen van het elektrische onderdeel worden afgeleid. Hierboven staat een I,U karakteristiek van een gloeilamp. Omdat de spanning van te voren wordt ingesteld komt deze op de horizontale as (x- as). De gemeten stroomsterkte wordt verticaal uitgezet (y-as). Als de spanning toeneemt, neemt de stroom ook toe. Dit verband is niet evenredig omdat de temperatuur toeneemt. De weerstand neemt namelijk toe als de temperatuur toeneemt.
  • 44. Slimme polymeren 45Zonnecel van spinazie Vermogen zonnecel bepalen Benodigdheden • Je eigen zonnecel • Ampèremeter • Voltmeter • Lamp • Variabele weerstand • Stroomkabels Onderzoeksvraag en werkplan Om te bepalen bij welke belasting de zonnecel de meeste energie levert,6 september 2012 gebruiken we een variabele weerstand, een ampèremeter en een voltmeter. We kunnen het door de weerstand opgenomen vermogen P berekenenAmerikaanse wetenschap- volgens P = U ⨯ I.pers hebben een zonnecelweten te maken van Formuleer een goede onderzoeksvraag en maak een werkplan met daarinspinazie. Hiermee proberen een schakelschema, waaruit duidelijk blijkt hoe je het vermogen van jede onderzoekers de onder- eigen gemaakte zonnecel gaat bepalen. Gebruik de variabele weerstand omdelen van de bladeren die de genoemde weerstanden te kunnen instellen.de fotosynthese regelen te Laat het werkplan door je docent of TOA goedkeuren en voer degebruiken experimenten uit.Dit meldt de Amerikaanseuniversiteit Vanderbilt. Deonderzoekers hebben een Uitvoeringbepaald eiwit weten te isoleren • Ieder groepje voert de metingen uit bij weerstanden van 0, 1, 3, 5, 10,dat licht omzet in energie met 15, 20 en 50 Ωeen efficiëntie van bijna 100 • Zet je resultaten in onderstaande tabelprocent. Dit wordt dangecombineerd met silicium dat Resultatengebruikt wordt voor zonne-panelen.Groot voordeel van deze R I U Phybride zonnecellen is dat het (Ω) (A) (V) (W)gemaakt kan worden van 0goedkoop en massaalbeschikbaar materiaal. Veel 1metalen die voor sommigezonnepanelen worden gebruikt 3zijn juist erg zeldzaam 5Bron: Groene Courant 10 15 20 50
  • 45. Slimme polymeren 46 • Bereken het vermogen P = U ⨯ I. Verwerking meetresultaten • Maak diagrammen van  De I,U karakteristiek.  Het vermogen tegen de stroom.  Het vermogen tegen de spanning.  Denk aan het onderschrift bij de grafieken Trek je conclusie. THEORIE 6.1 Silicium zonnecellen Moderne zonnecellen worden gemaakt van een silicium-halfgeleider die onder invloed van licht een elektrische stroom kan leveren. Hoe werkt dat? Laten we eerst eens kijken naar het silicium. Silicium staat in het Periodiek Systeem in dezelfde groep als koolstof. Silicium heeft net als koolstof covalentie vier. Dat betekent dat het vier enkele elektronen heeft in de buitenste schil en dus vier bindingen aan kan gaan. We zeggen dat silicium 4 valentie elektronen heeft. Als silicium in vaste toestand een kristalrooster vormt is elk siliciumatoom door vier andere siliciumatomen omringd. Elk atoom heeft dus vierFiguur 31: model van een bindingen gevormd. De elektronen zitten dan zo stevig tussen de atomen insiliciumkristal de atoombinding dat ze niet voor geleiding kunnen zorgen: een kristal zuiver silicium geleidt bijna geen stroom. Dat verandert als een heel klein deel (1:100.000) van de siliciumatomen vervangen worden door een atoom met een extra valentie-elektron, zoals fosforatomen. Fosfor heeft 5 elektronen in de buitenste schil, dus 5 valentie elektronen. Fosfor gebruikt in het kristalrooster van silicium echter maar 4 valentie elektronen. Per fosforatoom is er dan een elektron dat niet bij een binding betrokken is. Dat elektron is dan beschikbaar voor geleiding. Silicium, waar fosfor atomen in voorkomen wordt n-geleidend genoemd. Een andere manier om silicium geleidend te maken, is door weer een klein deel (1:100.000) van de siliciumatomen te vervangen door een atoom met een valentie-elektron minder, bijvoorbeeld booratomen. Boor heeft maar drie valentie elektronen in de buitenste schil. Ook die passen mooi in het kristal, met rond elk atoom vier andere atomen. Maar per booratoom is er nu een elektron te weinig voor binding. Dat wordt een positief gat genoemd.Figuur 32: schematische Elektronen in het kristal kunnen zich nu van gat tot gat verplaatsen.voorstelling van een Zulk silicium wordt p-geleidend genoemd.siliciumzonnecel In een siliciumzonnecel wordt een stukje n-geleidend silicium tegen een stukje p-geleidend silicium gezet. In het raakvlak zullen de overtollige
  • 46. Slimme polymeren 47 elektronen uit het n-geleidend silicium de gaten in het p-geleidend silicium vullen. Hierdoor ontstaat in het n-geleidende deel een tekort aan elektronen (wordt dus positief geladen) en in het p-geleidende deel een overschot aan elektronen en dus negatief geladen. Dit proces gaat niet zomaar en moet als het ware op gang gebracht worden door (zon)licht. Onder invloed van de energie van het zonlicht zullenRecordrendement voor elektronen uit de n-laag gaan bewegen naar het p-geleidende deel. Zoorganische zonnecel ontstaat dan een potentiaalverschil tussen de twee lagen. 6.2 Organische zonnecellen24 september 2012Imec en het chemiebedrijfSolvay hebben een organischezonnecel ontwikkeld met eenrendement van 5,5%: eennieuw wereldrecord. Het is vanbelang om het rendement op tevoeren om de organischezonnecel succesvol op de markt Figuur 33: fotosynthesete kunnen brengen.Organische zonnecellen zijngeschikt voor integratie in Dagelijks zien we in de natuur de meest fantastische zonnecellen,gevels en vensters, omdat ze bijvoorbeeld groene spinazie, algen, peterselie en de groene bladeren vandoorzichtig zijn en efficiënt in de bomen. Met behulp van de fotosynthese leggen zij allemaal zonne-grote oppervlakken kunnen energie vast en vormen daarbij glucose (een koolhydraat), waaruitworden geproduceerd. Het belangrijke grond- en voedingsstoffen worden gevormd. De hierinrendement van organischezonnecellen is minder opgeslagen chemische energie komt vrij als die voedingsstoffen in onsafhankelijk van de intensiteit en lichaam verwerkt worden of als we een stuk hout verbranden.de hoek van het invallende lichtdan silicium zonnecellen. Maar Zou het mogelijk zijn om spinazie te gebruiken en dat met behulp vanom in de industrie een rol van zonlicht om te zetten in elektrische energie? Is het echt mogelijk om metbetekenis te krijgen is deze natuurstoffen een zonnecel te bouwen? Het antwoord kwam in 1991opschaling naar een industrieelproces nodig, evenals van de Zwitserse professor Michael Grätzel, de ontdekker van deverbetering van de levensduur. ‘kleurstofzonnecel’ ook wel Grätzel-cel of organische zonnecel genoemd. Werking van de organische zonnecel Ook bij de organische zonnecel of Grätzel-cel zorgt de energie van het zonlicht ervoor dat elektronen in beweging komen.
  • 47. Slimme polymeren 48 Een kleurstofzonnecel werkt op basis van een halfgeleider, in dit geval titaan(IV)oxide. De elektronen in titaan(IV)oxide bevinden zich normaal gesproken in de grondtoestand. Zonlicht kan door lichtenergie een elektron naar een hoger energieniveau brengen, de aangeslagen toestand. Dit proces noemen we exciteren. Het probleem is alleen dat er voor die excitatie heel veel energie nodig is, omdat het energieverschil tussen de grondtoestand en de aangeslagen toestand van de elektronen in titaan(IV)oxide heel groot is. Het grote verschil tussen de energieniveaus is te zien in figuur 35 (zie de grijze balkjes). Zonlicht heeft niet genoeg energie om het elektron te exciteren. Het elektron zal dus niet naar de aangeslagen toestand worden gebracht, maar in de grondtoestand blijven. Functie kleurstof Dit probleem kan opgelost worden door kleurstof toe te voegen aan de zonnecel. In de kleurstof is het energieverschil tussen de grondtoestand en de aangeslagen toestand van de elektronen veel kleiner dan bij titaan(IV)oxide. (zie paarse balkjes van figuur 35). Zonlicht heeft wel genoeg energie om in de kleurstof een elektron naar de aangeslagen toestand te brengen. Het energieniveau van de aangeslagen toestand van het elektron in de kleurstof ligt, zoals te zien is in figuur 35, hoger dan hetFiguur 34: schematische energieniveau van de aangeslagen toestand van titaan(IV)oxide. De afstanddoorsnede van een tussen de kleurstofmoleculen en de titaan(IV)oxidemoleculen is heel klein.kleurstofzonnecel Het elektron dat geëxciteerd is naar de aangeslagen toestand van de kleurstof, zal terugvallen naar een energetisch gunstiger (en dus lager) energieniveau. Er zijn twee mogelijkheden om terug te vallen: terug naar de grondtoestand van de kleurstof, of naar de aangeslagen toestand van de titaandioxide. De hoeveelheid elektronen die vanuit de aangeslagen toestand van de kleurstof naar de aangeslagen toestand van de titaan(IV)oxide overspringt en niet terugvalt naar de grondtoestand van de kleurstof, bepaalt het rendement van de kleurstofzonnecel. Figuur 35: schematische weergave van de werking van de kleurstofzonnecel
  • 48. Slimme polymeren 49De stroomkringHet elektron dat vanuit de aangeslagen toestand van de kleurstof naar deaangeslagen toestand van de titaan(IV)oxide is gesprongen, zal terugvallennaar de grondtoestand van het titaan(IV)oxide. Dit is het eerste deel van destroomkring in de zonnecel.Door het overspringen van een elektron van de kleurstof naar hettitaan(IV)oxide, ontstaat er een ladingsverschil: het titaan(IV)oxide wordtnegatief geladen en de kleurstof wordt positief geladen. Om ditladingsverschil op te heffen, moet er weer een elektron terug naar dekleurstof. Dit elektron kan niet rechtstreeks terug naar de kleurstof, omdathet verschil tussen de energieniveaus van titaan(IV)oxide dan overbrugdmoet worden: het elektron bevindt zich namelijk in de grondtoestand vantitaan(IV)oxide en zou dan via de aangeslagen toestand van titaan(IV)oxideweer geëxciteerd moeten worden naar de grondtoestand van de kleurstof,maar hiervoor is heel veel energie nodig, dus dat zal niet gebeuren. Daaromgaat het elektron via een extern circuit (bijvoorbeeld een lampje) naar depositieve elektrode. Via het elektrolyt gaat het elektron weer terug naar dekleurstof: In het elektrolyt vindt onderstaande reactie plaats (zie figuur 35),waardoor het elektron weer terug kan naar de kleurstof. I2 (aq) + 2 eˉ → 2 Iˉ (aq)Bij de kleurstof verloopt de omgekeerde reactie en wordt 2Iˉ weer I2 enwordt het elektron weer terug gegeven aan de kleurstof.Zo is de stroomkring gesloten en is de energie, die ontstaan was bij hetterugvallen van het elektron naar de grondtoestand van het titaan(IV)oxide,nuttig gebruikt om bijvoorbeeld een lampje te laten branden.Vraag19. Ga naar het internet en zoek naar een aantal toepassingen van organische zonnecellen, die nu al in gebruik zijn. Zoek ook naar een paar toepassingen, waarvan wordt verwacht dat deze in de nabije toekomst bruikbaar zijn. Gebruik deze informatie in de tentoonstelling die je gaat maken.
  • 49. Slimme polymeren 50Figuur 36: 3D weergave van de kleurstofzonnecelFiguur 37: Een kleurstofzonnecel gemaakt door het Energie Centrum Nederland(ECN).
  • 50. 7. Afsluiting
  • 51. Slimme polymeren 52 7.1 De nieuwe theorie samenvatten In deze activiteit ga je de nieuwe kennis die je verkregen hebt verwerken tot één geheel aan de hand van de opdracht 7.Opdracht 7Gezamenlijk worden de belangrijkste achterliggende chemische en fysischeconcepten samengevat en op papier gezet van alle in hoofdstuk 3 t/m 6behandelde “Slimme polymeren” als een onderdeel van het eindrapport aanScience Center Delft. 7.2 De eindopdracht uitvoeren In deze activiteit ga je de eindopdracht uitvoeren aan de hand van opdracht 8 en 9Opdracht 8Stel het eindrapport op waarin de resultaten van het theoretische enexperimentele onderzoek verwerkt zijn, inclusief de werking en detoepassingen van de verschillende soorten slimme polymeren, Maak er eenkloppend geheel van. Gebruik ook de uitwerking van opdracht 7 hierbij. Kijkvoor de eisen waar het rapport aan moet voldoen in hoofdstuk 1 paragraaf1.3Opdracht 9Bouw nu de tentoonstelling rond slimme polymeren en zorg voor een goedeopdracht en uitleg erbij. 7.3 Het oefenen en leren van de theorie In deze activiteit ga je de nieuwe kennis die je verkregen hebt oefenen aan de hand van nieuwe contexten in de vorm van vragen en opgaven en vervolgens wordt getoetst of je de nieuwe kennis beheerst en creatief kunt toepassen.Opdracht 10Leer de theorie die bij de verschillende soorten slimme polymeren hoort enmaak onderstaande voorbeeld toetsopgaven.
  • 52. Slimme polymeren 53VOORBEELD TOETSOPGAVENOpgave 1Geef de reactievergelijking van de onderstaande reacties. Schrijf dekoolstofverbindingen altijd in structuurformules. a. De additie van broom aan propeen b. De additie van waterstof aan 3-hexeen c. De additie van water aan etheen waarbij ethanol ontstaat d. De additie van chloor aan cyclopenteenOpgave 2Bij 1,3-butadieen kan 1,2-additie optreden. Dat wil zeggen dat de dubbelebinding tussen het eerste en het tweede C-atoom bij de additie betrokken is. a. Geef de 1,2-additie van jood aan 1,3-butadieen weer in een reactievergelijking.Er kan echter ook een 1,4-additie plaats vinden. Dat betekent dat eendubbele binding zich verplaatst naar het tweede en het derde C-atoom ende additie plaats vindt aan het eerste en het vierde C-atoom. b. Geef de vergelijking van de 1,4 additie van jood aan 1,3-butadieen weer.Opgave 3In de volgende reacties geef je steeds drie eenheden van het polymeer alsreactieproduct van de reactie in de vergelijking weer in structuurformules. a. Geef de reactievergelijking van chlooretheen tot polychlooretheen (polyvinylchloride, PVC) b. Geef de reactievergelijking van propeen tot polypropeen c. Geef de reactievergelijking van 2-broom-1-buteen tot het polymeer.Opgave 4 PolyvinylalcoholHydroxyetheen wordt ook wel vinylalcohol genoemd. Het hiervan afgeleidepolymeer heet polyvinylalcohol (PVA). a. Teken de structuurformule van een stukje van 3 eenheden uit het midden van de keten van polyvinylalcohol.PVA wordt niet rechtstreeks uit hydroxyetheen gemaakt omdat ditmonomeer niet stabiel is.De bereiding van PVA vindt plaats in twee stappen.Eerst wordt het polymeer polyvinylacetaat gemaakt door polyadditie vanvinylacetaat. De structuurformule van polyvinylacetaat is hieronderafgebeeld.
  • 53. Slimme polymeren 54 b. Schrijf de structuurformule op van het monomeer waaruit polyvinylacetaat gemaakt wordt.In de tweede stap regeert polyvinylacetaat in basisch milieu met OHˉwaarbij o.a. PVA ontstaat en nog een andere stof. c. Schrijf de vergelijking op van de reactie van polyvinylacetaat met OHˉ. Schrijf de koolstofverbindingen in structuurformules. Schrijf polyvinylacetaat zoals hierboven is weergegeven.Polyvinylalcohol wordt gebruikt in oogdruppels. Daarbij wordt PVA gemengdmet water. d. Leg uit waardoor PVA mengt met water. Geef in je uitleg aan welke groepen in de polymeermoleculen daarbij een rol spelen.Opgave 5 RubberRubber is een polymeer dat wordt gemaakt door additiepolymerisatie vanalkadiënen. Een grondstof die hiervoor kan worden gebruikt is 2,3-dimethyl-1,3-butadiëen. Hierbij treedt meestal kop-staart-additie op, waarbij beidedubbele bindingen van het alkadiëen betrokken zijn. a. Teken een brokstuk van twee eenheden uit het midden van het polymeer dat bij kop-staart-additie uit 2,3-dimethyl-1,3-butadiëen ontstaat.Vaak worden bij de productie van rubber niet alleen alkadiënen alsgrondstof gebruikt, maar worden copolymeren gevormd door gebruik vantwee verschillende soorten monomeren.Hieronder is de repeterende eenheid van zo’n copolymeer weergegeven,waarin twee monomeren om en om zijn gekoppeld: b. Teken de structuurformules van de twee monomeren die zijn gebruikt voor bovenstaand copolymeer.Opgave 6 KunststoffenVan alkenen kunnen kunststoffen worden gemaakt. Daarvoor is het nodig dereactie te starten met een hulpstof. Zon hulpstof is hexafenylethaan.Deze stof ontleedt gemakkelijk in twee gelijke brokken (C6H5)3C,trifenylmethyl. Deze brokken zijn erg reactief, omdat er een koolstofatoom
  • 54. Slimme polymeren 55in voorkomt dat maar drie bindingen heeft en dus nog een elektronbeschikbaar heeft voor een atoombinding. a. Geef in een reactievergelijking met structuurformules weer hoe hexafenylethaan uiteenvalt in de twee brokken.De vorming van polyetheen uit etheen en gestart door hexafenylethaan kanals volgt worden beschreven. Een deeltje trifenylmetyl reageert met eenmolecuul etheen:Er ontstaat een molecuul met weer een koolstofatoom met drie bindingen,dat verder kan reageren met een volgend etheenmolecuul. Dit proces gaatdoor tot een trifenylmethyl-molecuul aan de keten hecht. Er is dan eenketen ontstaan met aan de beide uiteinden een koolstofatoom met driefenylringen. b. Geef aan hoe met hexafenylethaan en 1-buteen een polymeer ontstaat. Teken twee eenheden van de polymeer.Door aan het monomeer (zoals etheen in het beschreven voorbeeld) eenkleine hoeveelheid hexafenylethaan toe te voegen start de polymerisatie.Deze polymerisatie gaat veel sneller als je een grotere hoeveelheid van destartstof toevoegt. Maar de hardheid van het kunststof materiaal wordt erwel anders van! c. Geef een verklaring voor het sneller lopen van de reactie als je meer hexafenylethaan gebruikt. d. Leg uit dat de (gemiddelde) lengte van de polymeerketens afneemt als de hoeveelheid toegevoegde hexafenylethaan groter is.Opdracht 11 (toets)Maak de toets die de docent je geeft.