1 Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding

1
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
1.1
1.2
1.3
1.4
De chemie van bouwmaterialen
Viskeuze en visco-elastische stoffen
Definitie van gewicht
Definitie van Watt
1.1
De chemie van bouwmaterialen
Bij paragraaf 1.4.1 in het boek.
1.1.1
Het atoom
Wat betreft de eigenschappen en het gedrag van materialen is de binding die
tussen de kleinste bouwstenen van die materialen bestaat, de atomen, van
bijzonder belang. We onderkennen hierbij de primaire bindingen: de ionbinding, de covalente binding, de metallische binding en de secondaire binding
de Van der Waals-binding. In al die gevallen kan de binding worden verklaard
met behulp van het model van het atoom. Het atoom bestaat uit een kern,
opgebouwd uit protonen die een elektrisch positieve lading dragen, en neutronen van ongeveer gelijke massa en afmetingen maar zonder elektrische
lading. Als een zeer eenvoudige model-voorstelling kan men vervolgens stellen dat daaromheen elektronen zweven die veel kleiner zijn dan protonen en
neutronen en een veel kleinere massa bezitten. Elektronen hebben een negatieve lading die in absolute waarde even groot is als die van een proton; zie
figuur A1.1. Deze representatie is echter te simpel.
Figuur A1.1 Een versimpelde representatie van een natriumatoom. Het elektron is veel kleiner dan een proton en de afstand tussen de kern en de elektronen is vele malen groter dan op deze tekening is weergegeven.
Noot: 'shell' is de Engelse term voor 'schil'
De modelvoorstelling is dat de elektronen in verschillende (sub)schillen (orbitals) om de kern heen cirkelen. Men geeft die schillen een code, bijvoorbeeld
n = 1, 2, 3 of de letters K, L, M enzovoort waarbij er bij toenemende n meer
elektronen een plek kunnen vinden. Als n = 1, de binnenste schil, kunnen er
twee elektronen een plaats vinden, die dan wel een tegengestelde draaiing
om hun as moeten hebben (spinmoment). In het algemeen streven atomen er
naar om de buitenste posities met 8 elektronen gevuld te hebben of geheel
leeg. Met uitzondering van de edelgassen is dit voor de andere elementen solitair niet bereikbaar. Ze proberen dat dan ook samen te doen. Natrium (Na)
kan zijn ideale situatie bewerkstelligen door één elektron af te staan. Er blijft
dan wel een positieve lading over (het Na+-kation). Chloor (Cl) heeft zeven
1
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
elektronen in de buitenste posities en kan de schil vol krijgen door er één bij
te nemen. Het wordt dan negatief geladen (Cl-, het chloride-anion). Natrium
en chloride zijn éénwaardig! Zuurstof (O) komt twee elektronen tekort om de
buitenste schil geheel gevuld te hebben. We zeggen dat de valentie tweewaardig is. In combinatie met natrium zal het dan ook leiden tot Na2O. Edelgassen (met een volle buitenste schil) zijn neon, argon, krypton en xenon (zie
figuur A1.2). Hierbij staat een punt voor een elektron.
Figuur A1.2 Ne, Ar, Kr en Xe; ieder punt staat voor een elektron
1.1.2
Energieniveaus
In eerste instantie is ervan uitgegaan dat de elektronen in een bepaalde schil
dezelfde energieniveaus hebben. Dit is echter niet het geval. Iedere schil bestaat uit subschillen met een eigen energieniveau, zie figuur A1.3. Het aantal
subschillen in een schil is gelijk aan het nummer van de schil. Dus schil n = 1
heeft slechts één subschil, deze wordt subschil s genoemd (notatie: 1s).
Figuur A1.3 Energieniveaus van de schillen en de subschillen
Noot: 'shell' is de Engelse term voor 'schil'
Schil n = 2 heeft twee subschillen, s en p (notatie 2s respectievelijk 2p), terwijl de vierde schil (n = 4) vier subschillen bezit. We benoemen de subschillen
naar hun type met de letters s, p, d en f. Het maximum aantal elektronen
toegestaan in de s-, p-, d- en f-subschillen zijn respectievelijk 2, 6, 10 en 14.
De figuur laat zien dat de 4s-subschil (dus de s-subschil van de 4e schil) een
lager energieniveau heeft dan de 3d-subschil (dus de d-subschil van de 3e
schil). Aangezien de natuur streeft naar een minimaal energieniveau, zal na
het vullen van de 3p subschil, eerst de 4s-subschil gevuld worden en daarna
pas de 3d-subschil.
We hebben over schillen en subschillen (men gebruikt ook wel het woord: banen) gesproken, maar in werkelijkheid gaat het om kansvelden om ergens
een elektron aan te treffen.
De s-subschillen zijn bolvormige kansvelden; zie figuur A1.4.
2
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
Figuur A1.4 De s-subschillen van de energieniveaus (schillen) n= 1, n = 2,
n = 3. (3s betekent: de s-subschil van het 3e energieniveau)
De verdeling van elektronen in de p subschil is niet bolvormig symmetrisch.
Er zijn drie kansvelden in een p subschil van een atoom in een kristal. De drie
p orbitals, px, py en pz, zijn te vinden op drie loodrechte assen en hebben de
vorm van een zandloper (figuur A1.5). De subschillen d en f zijn ruimtelijke
kansvelden die nog grilliger zijn dan de p banen.
Figuur A1.5 De p-kansvelden (px , py and pz ) van de tweede schil (n = 2). De
atoomkern in het centrum en de s-kansvelden zijn niet getekend in de figuur
In een subschil kunnen slechts twee elektronen aanwezig zijn, die dan ook
nog van tegen-gestelde spin (rotatie) moeten zijn. In figuur A1.5 is te zien
dat de kansvelden in de ruimte uitsteken. Als van een ander atoom een
dergelijk kansveld heel dicht in de beurt kan komen en er in de beide
kansvelden slechts één elektron aanwezig is, zal er sprake kunnen zijn van
overlapping van de kansvelden. Het overlappingsgebied zal nu twee
elektronen bevatten (met tegengestelde spin) en de twee atomen zijn nu
chemisch aan elkaar gebonden. Men spreekt dan van een primaire binding.
Men geeft dat bij chemische formules vaak aan met een streepje, waarbij
ieder streepje dus twee elektronen symboliseert. Men kan bijvoorbeeld
waterstofgas (formule: H2 waarbij de 2 aangeeft dat er twee waterstofatomen
aan elkaar gebonden zijn), ook weergeven als H-H of als H:H.
Dit type binding noemt men de covalente binding (zie hierna). De ion- en de
metaalbinding worden op een andere manier verkregen, zie paragraaf 1.12.2
in het boek.
1.1.3
Binding tussen atomen
De ionbinding (ook wel ionische binding genoemd)
We hebben hiervoor al gezien dat natrium wel een elektron kwijt wil en chloor
er één bij wil hebben. De één wordt daarbij positief (een kation), de andere
negatief (een anion); zie figuur A1.6. Het natriumkation en het chlorideanion
trekken elkaar aan met een kracht die evenredig is aan het product van de
lading van de beide ionen gedeeld door de interatomaire afstand. In het algemeen is de binding tussen ionen sterk. We vinden dat terug in allerlei eigenschappen van het materiaal. Zo heeft natriumchloride (NaCl = keuken3
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
zout) een hoog smeltpunt. Bij stoffen die een tweewaardige valentie hebben,
is dat nog hoger. Zo heeft magnesiumoxide zelfs een smeltpunt van 2640 oC.
Een belangrijk aspect van de ionbinding is dat de binding ongericht is, de
elektrostatische aantrekkingskrachten werken in alle richtingen in de ruimte.
De kristalstapeling in figuur A1.6 wordt hier hoofdzakelijk bepaald door de
afmetingen van de ionen. In natuursteen (zie hoofdstuk 3) vindt men de ionbinding terug (naast de atoombinding of covalente binding).
a)
b)
a Na heeft in de buitenste schil 1 elektron
b Cl heeft in de buitenste schil 7 elektronen
Figuur A1.6 Schematische voorstelling van de ionbinding en de kristalstructuur
De covalente binding (of atoombinding)
Bij binding tussen verschillende stoffen kan het teveel in de buitenste schil bij
het ene element gecompenseerd worden door het tekort van het andere element. Wanneer dat echter over dezelfde stof gaat is dat niet mogelijk. In dat
geval komt de covalente binding in beeld, waarbij atomen elkaars elektronen
delen. Bij chloor bijvoorbeeld ontstaat Cl2; zie figuur A1.7.
Figuur A1.7 Covalente binding bij Cl2
In het algemeen blijken bij covalente bindingen de elementen te gehoorzamen aan de zogenoemde 8-N-regel, waarbij N het aantal elektronen is in de
buitenste schil. De regel houdt in dat het aantal verbindingen met dezelfde
atomen gelijk is aan 8-N. Voor chloor waar er zeven elektronen in de buitenste schil zijn, betekent dat dus dat er 8-7 = 1 binding zal zijn met een ander
chlooratoom. Voor het atoom koolstof geldt N = 4 en dat betekent dus vier
covalente verbindingen; zie figuur A1.8.
4
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
Figuur A1.8 De vier gerichte covalente bindingsrichtingen van koolstof.
Het resultaat kan zijn diamant en grafiet, en zoals recentelijk is mogelijk gemaakt de tot de verbeelding sprekende gekromde oppervlakken die wellicht
bruikbaar zijn in de computertechnologie en medicijnproductie. Figuur A1.9
geeft de diamantstructuur en de grafietstructuur. De covalente binding treft
men bijvoorbeeld aan bij natuursteen (zie ook paragraaf 3.4.2 in het boek) en
kunststoffen (zie paragraaf 9.3.1 in het boek).
Koolstofatomen delen graag elkaars elektronen maar ook die van andere elementen. Hout, kunststoffen en bitumen bestaan uit koolstofverbindingen; covalente bindingen vindt men immers ook tussen verschillende atomen. Een
kenmerk van een covalente binding is dat de binding tussen de atomen gericht is in de ruimte via een bepaalde bindingsas, dit in tegenstelling tot de
ionbinding waar van een gerichtheid in de ruimte geen sprake is zie figuur
A1.10.
Figuur A1.9 De diamantstructuur (a) en de grafietstructuur (b)
5
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
Figuur A1.10 De gerichte bindingen van butaan: links, met koolstof (de grote
bollen) en waterstof (de kleine bollen) en water: rechts.
Noot: de waterstofbol is voor de duidelijkheid van het plaatje veel te groot
getekend; zie ook figuur A1.11
Ook bij de covalente bindingen zijn de bindingen zeer sterk. Bij een continu
netwerk van koolstofverbindingen ligt het smeltpunt zeer hoog. Veelal vindt
ontleding plaats voordat het materiaal smelt. Veel organische stoffen hebben
echter juist vaak lagere smeltpunten. Dat komt omdat de moleculen qua
grootte begrensd zijn. De bindingen tussen losse moleculen zijn veel minder
sterk; zie de Van der Waals-bindingen.
Er zijn ook veel moleculen waarvan de binding hoofdzakelijk covalent van
aard is, maar die ook een ionische component hebben. In dat geval is er
sprake van verschillende elementen. Als dan het zwaartepunt van de plusladingen niet samenvalt met het zwaartepunt van de min-ladingen krijgt men
een polair molecuul, hetgeen de oorsprong is van de secondaire bindingskrachten. Een voorbeeld is water (H2O); zie figuur A1.11.
Figuur A1.11 Het watermolecuul als elektrische dipool
De metallische binding
Bij metalen treffen we de metallische binding aan; zie ook hoofdstuk 8, Metalen, in het boek. Hierbij kunnen de elektronen in de buitenste schil vrij tussen
de metallische ionen circuleren. Dit is weergegeven in figuur A1.12. De kernen zijn netjes gerangschikt in een kristallijne structuur en de buitenste elektronen zweven ertussendoor. Het is dus eigenlijk een bijzondere vorm van covalente binding. De drang om een volle buitenste schil te hebben kan worden
vervuld door gezamenlijk met alle andere atomen de buitenste valentie6
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
elektronen te delen. Omdat de aantrekkingskracht tussen de ionen en elektronen niet gericht is, is de binding dus niet gelokaliseerd tussen individuele
paren of groepen van atomen. In alle hoofdrichtingen is de binding even
sterk. De vrij bewegende elektronen verklaren ook de hoge elektrische geleiding van metalen en de hoge warmtegeleiding. Omdat het over een soort covalente binding gaat, is de binding tussen de atomen ook hier erg sterk. We
kennen de metalen dan ook als in het algemeen zeer treksterke materialen
(staal, aluminiumlegeringen, koper).
Figuur A1.12 Metallische binding; elektronen bewegen onophoudelijk rondom
de kernen heen
De secundaire bindingskrachten: Van der Waals-bindingen
Moleculen, die tussen de atomen een covalente of ionische binding hebben,
blijken elkaar te kunnen aantrekken. De binding is aanzienlijk kleiner dan die
tussen de atomen of ionen, maar ze geeft toch stoffen in belangrijke mate
hun karakter. Die binding is gebaseerd op het feit dat de meeste stoffen een
continue, maar wisselend dipoolkarakter hebben. Als gevolg van het circuleren van de elektronen is een zijde van het atoom (zeer) tijdelijk positief en
even later negatief. De positieve en negatieve zijden van atomen trekken elkaar aan. Dit zijn de zogenoemde Van der Waals-krachten. Het gaat hier dus
over een dynamisch dipoolkarakter. Op het moment dat het ene atoom een
plus-lading heeft en het ander een min-lading vindt er een aantrekking plaats
tussen die twee. Even later kan dat net andersom zijn. Het gaat om nanoseconden, waarin het elektrisch-statisch veld rondom een atoom fluctueert zie
figuur A1.13.
Figuur A1.13 De zwakke Van der Waals-binding tussen atomen veroorzaakt
door fluctuerende elektrische velden
De Van der Waals-krachten nemen snel af met het vergroten van de afstand.
De Van der Waals-krachten zijn in het algemeen klein, maar daarom toch niet
7
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
onbelangrijk voor materialen. De eigenschappen van de meeste polymeren,
zie hoofdstuk 9 in het boek, maar ook van beton worden mede door Van der
Waals-krachten bepaald. De afzonderlijke bouwstenen, de polymeermoleculen
of de cementgeldeeltjes hebben weliswaar sterke ionische of covalente bindingen, maar tussen de moleculen of geldeeltjes bestaan alleen maar Van der
Waals-krachten. Deze bepalen de eigenschappen meer dan de binding binnen
de losse bouwsteentjes. Figuur 9.14 in het boek geeft een goed voorbeeld van
de invloed van van der Waalskrachten op de stijfheid van een thermoplastische kunststof. Boven de glasovergangstemperatuur Tg is de warmtebeweging
van de ketenmolekulen zo groot geworden dat de secondaire bindingskrachten tussen de ketens in grootte afnemen. Dit resulteert in een grote teruggang in stijfheid van de kunststof.
Behalve de fluctuerende dipooltjes die Van der Waals-krachten veroorzaken,
zijn er ook de permanente dipolen zoals bij moleculen die bestaan uit verschillende elementen, bijvoorbeeld water. Figuur A1.11 laat de structuur van water zien en figuur A1.14 die van de molecuulstapeling van ijs.
a water als permanente dipool
b en c mogelijke aantrekking van watermoleculen
d ijs
Figuur A1.14 Structuur van water (a t/m c) en de molecuulstapeling in ijs (d)
Tussen deze dipolen heersen grotere krachten dan de Van der Waalskrachten, bij water spreken we over de waterstofbrugbinding. Deze is van
groot belang voor eigenschappen van de bekende bouwstoffen: hout en beton.
Ruwweg zou men kunnen zeggen dat Van der Waals-krachten (secundaire
binding) zo'n honderd tot tweehonderd keer minder sterk zijn dan primaire
bindingen (ionische, covalente) en dat de permanente dipoolinteracties, zoals
de waterstofbruggen, zo'n tien keer sterker zijn dan de Van der Waalskrachten.
In figuur A1.15 is schematisch aangegeven welke typen van bindingskrachten
er werkzaam zijn in de diverse bouwmaterialen.
De potentiaalkuil
Atomen en moleculen die in elkaars krachtvelden komen, zullen door deze
krachtvelden beïnvloed worden. Deze krachtswerkingen kan men beschrijven
8
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
met behulp van de potentiaalkuil (Condon-Morse-kromme). De potentiaalkuil
beschrijft de potentiële energie van een deeltje dat een ander deeltje nadert.
Per definitie stelt men dat op grote afstand geen krachtswerking te meten
valt, en stelt men Epotentieel daar gelijk aan nul. Hoe dichter de deeltjes bij elkaar komen, des te meer neemt de Ep af (vergelijk een vallende steen, die
vanaf een bepaalde hoogte naar beneden valt, waarbij Ep afneemt). Als de
deeltjes elkaar naderen worden ze door elkaar aangetrokken (vergelijk Na+ en
Cl- in een keukenzoutkristal, waarbij sprake is van sterke elektrostatische
aantrekking tussen de plus- en de minladingen).
Naderen de deeltjes elkaar te dicht, dan zullen de elektronenwolken elkaar
afstoten en ondervinden de ionen een afstoting. Dit is weergegeven in figuur
A1.16.
Covalente binding
Voorbeeld: Diamant, watermolecuul, halfgeleiders
Kunststoffen, hout
Metaalbinding
Voorbeeld: metalen
Van der Waals-binding
Voorbeeld: ijs
Gesteenten, glas, keramische
materialen
Ionbinding
Voorbeeld: keukenzout
(NaCl)
Figuur A1.15 De bindingskrachten bij de verschillende bouwmaterialen
9
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
Potentiële energie
Epot
+
Afstotende krachten
Deeltjesafstand r
Bindingsenergie Em
Aantrekkende krachten
r0
Figuur A1.16 De potentiaalkuil (r0 = bindingsafstand)
Bij een bepaalde afstand, in de figuur r0 genoemd, is Epot minimaal; men
spreekt van de bindingsafstand. De Eminimaal is de bindingsenergie die men toe
moet voeren om de atomen van elkaar af te halen. De sommatie van de aantrekkende krachten en de afstotende krachten levert dus de potentiaalkuil.
Hoe dieper de kuil, des te groter is de bindingskracht. De primaire bindingskrachten hebben dus diepe potentiaalkuilen. In formulevorm:
a
b
Ep = - m + n
r
r
Hierbij is Ep de potentiële energie, r de atoomafstand en a, b, m en n constanten die karakteristiek zijn voor ieder bindingstype.
De term -a/rm correspondeert met de aantrekkende energie en de term b/rn
met de afstotende (repulsie) energie. De secundaire bindingskrachten vertonen een aanzienlijk minder diepe potentiaalkuil; zie figuur A1.17.
10
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
Epot
Warmtetoevoer (bijvoorbeeld ∆E) resulteert in
toename deeltjesafstand r die bij Van der Waalskrachten groter is dan bij primaire bindingen
Secundaire
bindingskracht
Deeltjesafstand r
Bindingsenergie
Primaire bindingskracht
Figuur A1.17 De potentiaalkuil voor primaire en secondaire bindingskrachten
In een conservatief krachtveld hangt de op het deeltje werkende kracht af van
het potentiaalveld volgens (voor het bewijs wordt verwezen naar de natuurkundehandboeken):
dEp
F=dr
Verder kan worden afgeleid dat de elasticiteitsmodulus E verkregen wordt
door Ep tweemaal naar r te differentiëren. De E-modulus hangt dus eveneens
sterk van het type bindingskracht af.
Bij zeer lage temperaturen is de warmtebeweging gering en nadert de atoomafstand de theoretische waarde r0 die in figuur A1.18 als d0 is weergegeven.
Bij toenemende temperatuur gaan de deeltjes een steeds heftiger warmtebeweging aanhouden, waardoor gemiddeld de atoomafstand toeneemt, dit is de
gestippelde lijn in figuur A1.18. Het atoom trilt tussen dmin en dmax met een
gemiddelde afstand dgemiddeld. De uitzettingscoëfficiënt in de formule
∆L = α.L.∆T is dus eveneens sterk bepaald door de bindingskrachten.
11
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
Figuur A1.18 De invloed van d warmtebeweging
1.1.4 Stapeling van atomen en moleculen
Amorf en kristallijn
De stapelingswijze van de elementen hangt af van het type bindingskracht
tussen de deeltjes, de uitwisselingsmogelijkheden van de elektronen (de valenties), de onderlinge grootteverschillen tussen de atomen, de temperatuur
en de tijd. Bij het laten afkoelen van een smelt zal de snelheid van afkoelen
bepalend zijn voor het type stapeling dat op kan treden. Bij een langzame afkoeling zou bijvoorbeeld een regelmatige stapeling kunnen ontstaan. Men
noemt dat een kristallijne stapeling. Een kristallijne stapeling vinden we terug
bij metalen en sommige gesteenten zoals bijvoorbeeld granieten; zie ook tabel 3.21 in het boek. Ook sommige thermoplastische kunststoffen, zoals polyetheen kunnen in hoge mate kristallijn zijn. Bevriezend water zal eveneens
een kristalstructuur aannemen; zie figuur A1.14d.
Bij een zeer snelle afkoeling is het nagenoeg onmogelijk om een regelmatige
stapeling te krijgen en men spreekt dan van een amorfe structuur. Voorbeelden van amorfe materialen zijn de thermoplastische kunststof PVC, de thermoharder epoxyhars, het gesteente basalt, doorzichtig glas (al dan niet gekleurd) en zeer snel afgekoeld staal, het zogenoemde amorf staal.
De invloed van de onderlinge grootte van de elementen op de stapeling
De verschillen in grootte tussen de bollen bepaalt in hoge mate de wijze van
stapeling. Figuur A1.19 laat zien hoe de bollen elkaar aan kunnen raken afhankelijk van de atoomdiameters. In het geval van figuur A1.19a wordt de
magnesiumbol aangeraakt door zes zuurstofbollen. In figuur A1.19b wordt het
centrale siliciumatoom aangeraakt door vier zuurstofbollen. Het zogenoemde
omring-ingsgetal hangt dus af van de onderlinge grootteverschillen. Figuur
A1.20 geeft een compleet overzicht.
12
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
Figuur A1.19 Het omringingsgetal voor MgO (n = 6) en siliciumoxydes (n= 4)
Tezamen met de verschillende neigingen van elementen om elektronen op te
nemen dan wel af te staan (de valentie en de elektronegativiteit) is het omringingsgetal dus ook bepalend voor de uiteindelijke kristalstructuur die zal
optreden. Bij de gesteenten hebben we in belangrijke mate te maken met silicium en zuurstof (n = 4: tetraëderstapeling) en aluminium en zuurstof (n =
6: octaëderstapeling) waarbij dan ook nog elementen als Ca en Ba een plaats
innemen in het uiteindelijke kristalrooster. Echter, ongeacht de vorm van de
kristalstapeling zal men steeds de in figuur A1.18 en A1.19 weergegeven omringingen terugvinden. Als de bollen nagenoeg even groot zijn, zoals bij metalen, vindt men omringingsgetallen van 8 en 12. De stapeling met n = 12 is de
dichtste stapeling die de natuur kent.
De kristalstructuur
De stapeling met de diverse mogelijkheden van onderlinge contacten van de
verschillende bollen kan ten slotte tot een kristallijne struktuur leiden. Er zijn
veertien verschillende kristallijne structuren mogelijk en deze worden de Bravais-roosters genoemd, zie figuur A1.21. Een kristalrooster ziet er overal, ongeacht waar je start met kijken, hetzelfde uit. Ieder punt in figuur A1.21 kan
een atoom zijn, dan wel een steeds repeterende groep van atomen of een
molecuul. In het geval van ijzer is ieder punt een ijzeratoom in de twee onderste structuren van de eerste kolom. Een kristallijne stapeling geeft zeer
karakteristieke patronen als men Röntgenstraling door het kristal laat gaan en
daardoor is men in staat aan de hand van dergelijke patronen de kristalstructuur te detecteren.
13
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
Figuur A1.20 De mogelijkheden voor contacten van bollen met diverse grootte
14
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
Tetragonaal
Monoclinisch
Rhombohedrisch
Kubisch
Hexagonaal
Orthorombisch
Triclinisch
Figuur A1.21 De veertien Bravais-roosters die de kristallijne structuur vormen
15
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
1.1.5
Enige begrippen uit de scheikunde
De atoommassa (ook wel atoomgewicht genoemd)
Het atoomgewicht is ruwweg de som van het aantal protonen en neutronen.
Het atoom waterstof heeft 1 proton en heeft dan atoomgewicht 1. Het begrip
amu (atomic mass unit) is gerelateerd aan het koolstofatoom en voor koolstof
geldt: 12,011 amu. Dat er geen geheel getal 12 voor staat komt vanwege het
feit dat in de natuur gelijke elementen verschillende hoeveelheden neutronen
kunnen bevatten, men spreekt dan van isotopen. Gebaseerd op de meest
aanwezige koolstof isotoop geldt dan voor waterstof: 1,008 amu. Het atoomnummer staat voor het aantal protonen in de kern.
Het molgewicht
Water is: H2O. De massa van 1 mol water volgt uit het atoomgewicht van waterstof en dat van zuurstof: 2 × 1 + 16 = 18, dus 1 mol water heeft een massa van 18 gram. Eén mol van een bepaalde verbinding bevat 6,0225 × 1023
moleculen. Dit getal heet het getal van Avogadro.
Water en de pH-schaal
Water is voor een zeer klein gedeelte gesplitst in H2O → H+ + OH-, of naar
modernere inzichten:
2H2O → H3O+ + OHomdat het ‘hydronium-ion’ H3O+ (gehydrateerde proton) snel ontstaat uit:
H+ + H2O → H3O+.
In de scheikunde geven teksthaken […] molaire concentraties weer (mol per
liter). Als we uitgaan van een vaste hoeveelheid water (zuiver water bevat 55
mol H2O per liter, hetgeen vele malen groter is dan wat we vinden voor
[H3O+] en [OH-]), dan geldt:
Kw = [H3O+][OH-] = constant = 1 × 10-14 (bij 25 °C).
We noemen Kw het ionenproduct van water of dissociatie constante van water.
Per definitie stelt men de pH gelijk aan:
pH = -log[H3O+]
In neutraal water is er evenveel OH- als H3O+, dus dan geldt met:
[OH-][H3O+] = 10-14 dat [OH-] = [H3O+] = 10-7, dus: pH = -log(10-7) = 7.
Bij het toevoegen van bijvoorbeeld 0,001 mol NaOH (natronloog) gebeurt er:
NaOH → Na+ + OHwaardoor [OH-] eveneens gelijk wordt aan 10-3. Er volgt dus met:
[H3O+][OH-] = 10-14 dat [H3O+] = 10-11.
16
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
De pH wordt dan: pH = -log(10-11) = 11 > 7. Een grotere pH betekent dus
een basische oplossing. Een zure oplossing geeft een pH < 7.
Het begrip pH is van groot belang bij de bescherming van staal in beton: staal
is goed beschermd in het betonmilieu vanwege de hoge pH van het poriewater van beton. Door carbonatatie (zie het hoofdstuk 7, Beton, in het boek), zal
de pH dalen met als gevolg de mogelijkheid van het roesten van het wapeningsstaal.
De begrippen base en alkalisch materiaal
In de loop van de eeuwen is de scheikundige kennis sterk toegenomen. Hierdoor is een aantal definities ontwikkeld van wat een base is:
- Het begrip alkalisch materiaal komt van het Arabische alkali, wat betekent: as van een plant
- Een base opgelost in water geeft een bittere smaak en voelt aan als een
zeep in water.
- Een base opgelost in water neutraliseert een opgelost zuur tot een zout:
NaOH (= natriumhydroxide) + HCl (= zoutzuur) → NaCl (= keukenzout) +
H2O waarbij optreedt:
H+ + OH- → H2O en vanwege de grote oplosbaarheid van keukenzout:
NaCl → Na+ + Cl- Een base kan ontstaan uit (metaal)oxide + water:
CaO + H2O → Ca(OH)2 + warmte
(de term CaO wordt basisch-oxide of base-anhydride genoemd).
- Een base in water kleurt lakmoes blauw en geleidt elektriciteit goed.
- Een base is een substantie die hydroxide ionen OH- produceert in water
(volgens Arrhenius, 1884)
NH3 + H2O → NH4+ + OH-, dus NH3 is een base.
- Een base is een substantie die protonen kan accepteren (BrønstedLowery-definitie, 1923).
In: NH3 + HCl → NH4+ + Cl- neemt NH3 een proton op en is dus een base.
base zuur zuur base
- Een base zorgt ervoor dat er uit het oplosmiddel een anion (negatief ion)
ontstaat doordat het molecuul van het oplosmiddel een proton afstaat.
- Een base bevat een elektronenpaar dat een covalente binding aan kan
gaan met een atoom, molecuul of ion (dus ook een proton) (Lewisconcept, 1938).
Het begrip zuur
- Een zuur opgelost in water geeft een zure smaak (acidus = zuur). Niet alle
substanties met een zure smaak zijn echter zuren.
- Een zuur verliest zijn karakter wanneer het in contact komt met een base.
Zie tabel 5.1 in het boek: Ca(OH)2 (gebluste kalk) + CO2 (koolzuur uit de
lucht) → CaCO3 (kalksteen, in wezen een zout) + H2O. Zie voor het begrip
zout: hierna bij zouten.
- Een zuur in contact met kalksteen (CaCO3) produceert koolzuurgas CO2:
2HCl(aq) + CaCO3(s) → CaCl2(aq) + H2O(l) + CO2(g)
waarin:
aq: waterige oplossing
s: solid (vast)
l: liquid (vloeistof)
g: gas
17
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
-
-
-
-
Een waterige oplossing van een zuur in contact met onedele metalen zoals
Mg en Zn produceert H2 gas: 2HCl(aq) + Mg(s) → MgCl2(aq) + H2(g)↑.
Een waterige oplossing van een zuur kleurt lakmoes rood en geleidt
elektriciteit goed.
Een zuur brengt protonen (H+) in het water (Arrhenius definitie, 1884):
HCl → H+ + ClEen zuuranhydride is een oxide van een element rechts in het periodiek
systeem en deze elementen vormen niet zozeer ionische oxiden maar delen elektronen met zuurstof.
Een zuur is een substantie die protonen doneert ook zonder de aanwezigheid van water (Brønsted-Lowery-definitie): NH4+ + Cl → HCl + NH3; hierbij is NH4+ een Brønsted-zuur omdat het een proton doneert aan Cl.
Een zuur is een substantie die in een oplosmiddel een kation (positief ion)
produceert. Dit kation is dan een ‘geprotoneerd’ (gekoppeld met een proton) molecuul van het oplosmiddel: HCl + NH3 → NH4+ + Cl. In dit geval is
het oplosmiddel NH3.
Een zuur is een substantie die een covalente binding kan vormen door een
elektronenpaar van een base te accepteren (Lewis-concept, 1938). Niet
ieder Lewis-zuur is een Brønsted-zuur.
Het begrip zout
- Een zout is een verbinding tussen een kation (positief ion) anders dan H+
en een anion (negatief ion) anders dan OH- en O2- Alle zouten opgelost in water geven een goede elektrische geleiding.
- Een zout ontstaat uit een reactie tussen een zuur(anhydride) en een base(anhydride).
Ook ontstaat een zout als reactieproduct bij een reactie tussen een geschikt zuur en een onedel metaal of een ander zout. Een base plus een
zout levert eveneens een ander zout op (en een andere base). Ten slotte
kunnen twee verschillende zouten ontstaan uit de reactie van een bepaald
zout met een ander zout.
De begrippen oxidatie en oxide, reductie en redoxreacties
- Een oxide is een verbinding van een element met zuurstof:
2Ca + O2 → 2CaO (hierbij is het oxide CaO een base anhydride).
- Zuurvormende oxiden (of zuuranhydriden = zuren zonder water) zijn oxiden die met water zuren vormen. Base vormende oxiden (of baseanhydriden) vormen met water logen.
- Indifferente oxiden reageren slecht met water (NO, CO, N2O, MnO2).
- Amfotere oxiden kunnen O2- ionen afstaan én opnemen (ZnO, Al2O3,
As2O3).
- Oxideren is het afstaan van elektronen:
in het geval Na → Na+ + e- is natrium geoxideerd
- Door oxidatie (afstaan elektronen) stijgt het ‘oxidatiegetal’.
- Reduceren is het onttrekken van zuurstof uit een oxide (oude definitie).
Het vrijmaken van ijzer uit ijzeroxiden gebeurt via reductieprocessen.
- Reductie is het opnemen van elektronen:
de reactie Na+ + e- → Na is een reductiereactie
- Een reductiereactie kan niet optreden zonder de erbij horende oxidatiereactie en omgekeerd.
- Door reductie (opnemen van elektronen) daalt het oxidatiegetal.
18
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
-
-
-
Een oxidator zorgt ervoor dat een andere stof geoxideerd wordt en wordt
zelf gereduceerd omdat oxidatoren elektronen accepteren. Het oxidatiegetal van een oxidator daalt dus.
Een reductor zorgt ervoor dat een andere stof gereduceerd wordt en wordt
zelf geoxideerd omdat hij een elektron afstaat. Het oxidatiegetal van een
reductor stijgt dus.
Een redox-reactie is een reactie waarbij elektronen uitgewisseld worden.
Cohesie en adhesie
- Cohesie is de krachtwerking tussen moleculen van één stof.
- Adhesie is de krachtwerking tussen moleculen van verschillende stoffen.
Anionen en kationen
- Een anion is negatief geladen en het wordt in een oplossing naar de positieve (anode) elektrode gedreven. De negatieve lading ontstaat door een
overschot aan elektronen. Voorbeeld: Cl-.
- Een kation is positief geladen en het wordt in een oplossing naar de negatieve (kathode) elektrode gedreven. Voorbeeld: Fe2+, Cu2+, Na+. De positieve lading ontstaat door een tekort aan elektronen.
Elektriciteit, anode, kathode, stroomsterke
- De stroomsterkte I = dQ/dt
Er geldt: 1 Coulomb/seconde = 1 Ampère met Q = elektrische lading
(Coulomb).
De stroomdichtheid i (of soms uitgedrukt als j om geen verwarring te krijgen met het complexe getal i2 = -1) is gelijk aan I/oppervlak dus is uitgedrukt in Ampère/m2 = A/m2.
- De stroomrichting van een elektrische stroom is van de pluspool naar de
minpool (van bijvoorbeeld een batterij) indien de stroom gedragen wordt
door transport van elektronen (door een koperdraadje bijvoorbeeld). De
elektronen zelf lopen echter van de minpool naar de pluspool, dus de elektronenstroom is tegengesteld aan I.
Wordt de stroom in een oplossing voortgezet, dan is de stroomrichting I
die van het transport van kationen (positieve ionen) in de oplossing naar
de kathode (de minpool). Een kation is positief van lading en heet kation
omdat hij aangetrokken wordt door de kathode (negatieve pool).
- Anode = positieve elektrode; de kathode is de negatieve elektrode.
‘Ezelsbrug’: knap (k = kathode, n = negatief, a = anode, p = positief).
- Een metalen anode in een oplossing produceert elektronen, of anders gezegd: heeft een relatief tekort aan elektronen (en is daarom de pluspool).
Dus een metalen anode in een waterige oplossing is een elektronengenerator via de reactie:
Me → Men+ + ne (Me = metaal, n = waardigheid of valentie van het metaal = aantal elektronen).
Dit betekent dat bij de anode een oxidatiereactie optreedt.
‘Ezelsbrug’: een anode gaat er ‘an’ (lost op in water).
- Een kathode in een oplossing accepteert elektronen, of anders gezegd:
heeft een overschot aan elektronen (en is daarom de minpool). Dus een
kathode is een elektronenacceptor. Bij de kathode treedt de kathodische
reactie op waarbij een elektron gebonden wordt; dit is dus een reductiereactie.
Voorbeelden
van
reductiereacties
bij
elektrochemische
corrosieprocessen zijn:
2H+ + 2e → H2↑
Men+ + ne → Me↓
+
O2 + 4H + 4e → 2H2O
O2 +2H2O + 2e → 2(OH-)
19
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
(↑ betekent: verdwijnt als gas uit de vloeistof)
(↓ betekent: slaat neer op de kathode)
20
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
1.2
Viskeuze en visco-elastische stoffen
Bij paragraaf 1.4.2 in het boek.
1.2.1 Viscositeit en plasticiteit
Een viskeuze stof is te karakteriseren als een stof waarin zich een afschuifsnelheid instelt voor iedere schuifspanning τ , hoe klein ook, zie figuur A1.22.
Anders gezegd: een (ideale) vloeistof heeft geen sterkte. In een plastische
stof treedt vloeien op als een zekere kritische schuifspanning τ p (bezwijkspanning) wordt bereikt, zie figuur A1.22b. Deze bezwijkspanning is bij een
ideale plastische stof onafhankelijk van de afschuifsnelheid. Het optreden van
een bezwijkspanning geeft een zekere sterkte aan de plastische stof. Zo zal
een uit klei gevormd voorwerp zijn vorm kunnen handhaven zolang de spanningen onder invloed van het eigen gewicht lager zijn dan τ p (vaak ook
aangegeven met τ yield of τ vloei).
dγ
=γi
dt
η = tg φ
a) ideaal visceus
a Ideaal viskeus
b) plastisch
b Ideaal plastisch
Figuur A1.22 Viscositeit en plasticiteit
Een combinatie van viskeus en plastisch gedrag wordt gevonden bij de zogenoemde Bingham-stoffen; zie figuur A1.23.
Figuur A1.23 Bingham-model voor visco-plastische stoffen
Cementpasta en verf gedragen zich bij benadering als Bingham-(vloei)stoffen.
Ook een verse mortel met fijn zand en cement gedraagt zich op deze manier.
Bij een mortel met zand-volumefractie 0,42 en een w/c verhouding van 0,68
(m/m) werd gevonden: τ p = 10-2 N/cm2 en η = 35 poise. (De poise is een
veelgebruikte eenheid van viscositeit; 1 poise = 1 dyne.sec/cm2, waarbij 1
dyne = 10-5 N).
Veelal zal er voor spanningen hoger dan τ
p
in plaats van een zuiver rechtlij21
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
nig verband een geleidelijke daling van de (plastische) viscositeit zijn. Bij het
verven is dit erg belangrijk: flink bewegen (lage η) vergemakkelijkt het opbrengen en het gladtrekken, eenmaal opgebracht (stilstand, hoge η) mag
geen druppelvorming optreden.
Vaak doet het verschijnsel zich voor dat bij verlaging van de afschuifsnelheid
de schuifspanning een lagere lijn volgt dan bij opvoering van de schuifsnelheid (zie figuur A1.24). Men noemt dit verschijnsel tixotropie.
Bij verse cement (tot een hydratatieperiode van ongeveer 30 min.) is het omgekeerde het geval: de schuifspanning τ volgt bij verlaging van de afschuifsnelheid een hogere lijn (de stof wordt bij roeren dikker). Dit verschijnsel
wordt anti-tixotropie genoemd.
Figuur A1.24 Tixotropie (
) en anti-tixotropie (-------)
Verder is er het verschijnsel dat een viskeuze stof zich door toevoeging van
een toeslagmateriaal (aggregaat) viscoplastisch kan gaan gedragen. Bijvoorbeeld: bitumen is viskeus, asfalt (bitumen + een mineraal aggregaat) is viscoplastisch; daarbij is de viscositeit toegenomen.
Als er in een vloeistof grotere deeltjes aanwezig zijn (suspensie, zie figuur
A1.25), dan zullen ook deze trachten te verhinderen dat er een verticale snelheidsgradiënt ontstaat: de viscositeit neemt dus toe. Einstein heeft afgeleid
dat:
η* = ηvl (1 + 2,5 ν)
waarin v = volumefractie van de bolletjes en ηvl = viscositeitscoëfficiënt vloeistof.
Figuur A1.25 Suspensie van deeltjes in vloeistof
Het feit dat in het eerder besproken voorbeeld van asfalt niet alleen de viscositeit is toegenomen (ten opzichte van bitumen), maar dat er ook een bezwijkpunt (yield point) is ontstaan, kan toegeschreven worden aan het min of
22
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
meer tegen elkaar aan liggen en elkaar hinderen van de aggregaatkorrels. Bij
fijnere deeltjes (cementpasta) moet ook gedacht worden aan onderlinge aantrekking (Van der Waals-krachten, elektrostatische aantrekking).
Zodra de korrels of de deeltjes inderdaad tamelijk vast tegen elkaar liggen zal
het systeem ook elasticiteit vertonen.
Tixotropie bij een vloeistof met plaatjes of lange moleculen is als volgt te verklaren. Bij roeren richten de plaatjes of moleculen zich evenwijdig aan de
stroomlijnen, daardoor daalt de viscositeit (voorkeursoriëntatie, anisotrope
vloeistoffen).
De plasticiteit van metalen is gegeven door de mogelijkheid van afschuiving
(glijding) langs kristalvlakken. Hierbij spelen de dislocaties een belangrijke
rol.
Tijdsafhankelijk mechanisch gedrag is te plaatsen tussen enerzijds het elastisch gedrag en anderzijds het gedeelte dat zich bezighoudt net sterkte en bezwijkgedrag. Het gaat hier om begrippen als kruip (toenemende vervorming
bij constante belasting) en relaxatie (afnemende spanning bij constante vervorming).
1.2.2 Modelvoorstellingen
Bij de fenomenologische ontwikkeling van een wetenschap kan het begrip
model een belangrijke rol spelen. Een model is een of ander systeem waarvan
het gedrag formele gelijkenis vertoont met het systeem dat bestudeerd
wordt.
Plasticiteit
Figuur A1.26 laat een deel van het σ-ε-diagram van staal zien waarbij het traject AB het gebied van de vloeigrens voorstelt en waar de plastische deformatie wordt ingeluid.
NB: in werkelijkheid loopt bij
staal het σ-ε-diagram veel verder door naar rechts.
Figuur A1.26 De start van de plastische deformatie bij staal
In dit geval is σp = σvloei. In figuur A1.27 wordt de modelvoorstelling van dit
verschijnsel gegeven. Het betreft het model van Saint-Venant waarbij een
blok pas verschuift als de erop uitgeoefende kracht K groter is dan de
wrijvingskracht.
23
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
τ
τ
Als τ < Y dan:
dε
=0
dt
K
J
K
ε
Figuur A1.27. Het model van Saint-Venant van droge wrijving
Als de kracht K ≤ Y= Fwrijving is het blok in rust; als K > Y is het blok in beweging. Nu is bij benadering de wrijvingskracht F constant (onafhankelijk van de
snelheid).
Systeem en model zijn geheel verschillend, maar hun gedrag (de wiskundige
beschrijving van dat gedrag) vertoont gelijkenis.
Viscositeit
We beschouwen een plaat die drijft op of zweeft in een ideale vloeistof en
waaraan getrokken wordt ( τ ); zie figuur A1.28. Bij laminaire (gelijkmatige,
dv
niet turbulente) stroming geldt overal: τ = η
(N/mm2 ) .
dy
Figuur A1.28 Viskeuze vervorming
dγ
dt
Dit is zoals vermeld het geval van een ideale (Newtonse) vloeistof: hoe klein
τ ook is, er ontstaat altijd beweging (extreem voorbeeld: een schip wegduwen met de vinger). Bij viscositeit hoort dus bij elke τ , hoe klein ook, een
dγ
. Zie ook figuur A1.22 en A1.29.
afschuifsnelheid
dt
Te bewijzen valt dat tevens geldt: τ = η
24
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
Lineaire
viscositeit
Niet-lineaire
viscositeit
Figuur A1.29 Verband tussen τ en afschuifsnelheid γ. =
dγ
dt
dγ
spreekt men ook nog wel
dt
van viscositeit, essentieel is dat de functie door de oorsprong gaat; zie figuur
A1.29. Het omgekeerde van viscositeit heet fluïditeit.
Bij een niet-lineair verband tussen τ en γ· =
De gebruikelijke modelvoorstelling voor viscositeit is de smoorpot: een vat
gevuld met een ideale viskeuze vloeistof waarin een zuiger met gaatjes kan
dγ
τ
dε
σ
of
=
=
bewegen. Zie figuur A1.30. Voor de smoorpot geldt
dt
η
dt
η*
met ruwweg: η* = 3η
τ
lineair (Newtonse vloeistof)
ideaal viskeus (Newtonse vloeistof)
Stokes
φη = tg ϕ
η = tg φ
dγ
dt
quasi-viskeus (Stokes)
Figuur A1.30 Modelvoorstelling viscositeit
Vergelijkt men dit met de wet van Hooke voor afschuiving τ = G.γ (voor een
elastische stof) dan zou voor het viskeuze materiaal volgen:
1
t
=
(tijdafG
η
hankelijke afschuifflexibiliteit voor constante spanning). Het eerste moment is
de smoorpot oneindig stijf (flexibiliteit 0), daarna wordt de flexibiliteit steeds
groter (evenredig met de tijd).
Met model voor viscositeit (de smoorpot) kan weer gecombineerd worden met
andere modellen (de veer en het blok).
25
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
Elasticiteit
Het elastische materiaalgedrag kan men modelmatig weergeven met behulp
van een veer. Deze veer kan men een constante waarde geven voor lineair
elastisch gedrag; figuur A1.31.
E
respectievelijk
G
lineair elastisch (wet
van Hooke)
σ resp. τ
τ
lineair
Hencky
φ
E = tg φ
resp. G = tg φ
ε respt. γ
niet-lineair elastisch (Hencky)
Figuur A1.31 De modelvoorstelling van elasticiteit met behulp van een veer
Maxwell-model
In het Maxwell-model worden 'elasticiteit' en 'viscositeit' in serie gebracht. In
elke doorsnede heerst dezelfde kracht. Na belasten is een blijvende vervorming ontstaan. Zie figuur A1.32.
ε
η*
ε0 = σ / E
tijd t
Figuur A1.32 Het Maxwell-model en de respons op een constante belasting
Kelvin-Voigt-model
In het Kelvin-Voigt-model is sprake van een parallelschakeling van een elastische component met een viskeuze componenten; zie figuur A1.33. Door een
belasting zal in beide componenten een gelijke vervorming op moeten treden.
Bij dit model zal na het wegnemen van de belasting de vervorming geheel
verdwijnen.
26
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
ε
Figuur A1.33 Kelvin-Voigt-model
Door het Kelvin-Voigt-model en het Maxwell-model in serie te schakelen kan
men heel goed de kruipkromme van materialen benaderen.
27
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
1.3
Definitie van gewicht
Bij paragraaf 1.4.6 in het boek.
Gewicht is per definitie: massa × g (N)
waarin:
g = zwaartekrachtversnelling = 9,8 m/s2
en dus is 1 N = 1 kg × 1 m/s2
(N = Newton)
28
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
1.4
Definitie van Watt
Bij paragraaf 1.4.7 in het boek.
1 W = 1 Watt = 1 Joule/s = 1 Nm/s.
29
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
1.5
Normen en normalisatie
Algemeen
Normalisatie is het opstellen van (technische) regels om daarmee orde of
eenheid te scheppen op gebieden waar deze ordening noodzakelijk of gewenst
is en zo bij te dragen aan een veiliger en doelmatiger maatschappij. Normalisatie is meer dan techniek. Het gaat ook om economische belangen als investeringen, marktstrategieën en marktaandelen; verschillende partijen met eigen belangen moeten het eens worden voordat een norm totstandkomt. Normalisatie is niet alleen gebaseerd op wetenschappelijke inzichten, maar ook
op praktische haalbaarheid, uitvoerbaarheid en toepasbaarheid.
Normalisatie vindt plaats in normcommissies met een zorgvuldig bewaakte en
unieke overlegstructuur tussen alle belanghebbende partijen, gebaseerd op
consensus. Op deze wijze zijn de afspraken die in normen zijn vastgelegd
voor alle betrokken partijen aanvaardbaar.
Randvoorwaarden voor normalisatie
Normalisatie vindt alleen plaats als dat voordeel oplevert, nuttig is voor veiligheid, gezondheid, bruikbaarheid of milieu; besparing oplevert in tijd, materiaal of geld; verwarring uitsluit. Deze voordelen zijn te behalen in situaties
waarin sprake is van massale en meervoudige toepassing en van grensoverschrijdende processen tussen verschillende disciplines.
Normalisatie vindt ook alleen plaats als dit door de betrokken partijen wordt
gewenst. Omdat het merendeel van de normen vrijwillig van aard is, is deze
wens van alle betrokkenen een voorwaarde voor het ook daadwerkelijk gebruiken en toepassen van normen.
Normalisatie is bovendien een voortdurend proces, omdat de technieken, de
inzichten en de economische omstandigheden die de basis vormen voor normalisatie voortdurend aan veranderingen onderhevig zijn. Daarom worden
normen met een zekere regelmaat kritisch onder ogen genomen en zo nodig
aangepast of zelfs ingetrokken.
De taak van het normalisatie-instituut
Nagenoeg elk land heeft een normalisatie-instelling met dezelfde taak: het
naar behoeven opstellen van normen, het in goede banen leiden van dat proces en het stimuleren van de toepassing van normen. Dat gebeurt vrijwel
overal met vergelijkbare spelregels en randvoorwaarden. Maar er is een belangrijke verschuiving gaande: steeds meer tijd wordt besteed aan het meewerken aan Europese en internationale normalisatie. Daarbij draagt het Nederlands Normalisatie-instituut (voorheen NNI, nu NEN) zorg voor een actieve
inbreng van het Nederlandse bedrijfsleven en van andere betrokkenen bij het
30
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
opstellen van Europese en internationale normen, zeker daar waar erkende
nationale belangen in het geding zijn. Voor dit werk heeft NEN een groot aantal hooggekwalificeerde medewerkers in dienst, van wie niet alleen kennis
over een bepaald vakgebied wordt gevraagd, maar ook strategisch inzicht,
kennis van procedures en kwaliteitsbewustzijn.
Vier niveaus van normalisatie
Normalisatie kan plaatsvinden op vier niveaus met verschillende reikwijdte:
op bedrijfsniveau, op nationaal niveau, op Europees niveau en op wereldwijd
niveau.
Bedrijfsnormalisatie richt zich op gebieden binnen de bedrijfsvoering waar
verscheidenheid overbodig en/of ongewenst is. Dit kan gebeuren zowel door
het selecteren van bestaande normen als door het ontwikkelen van bedrijfsnormen daar waar dat nodig is.
Normalisatie op nationaal niveau richt zich op het opstellen van normen met
nationale reikwijdte. Elk land heeft een erkende instelling die daarvoor zorgdraagt. Voor Nederland is dat het Nederlands Normalisatie-instituut.
Normalisatie op Europees niveau en ook op wereldwijd niveau vindt plaats
door samenwerking van de nationale normalisatie-instellingen, in Europa in
CEN en wereldwijd in ISO. Het coördineren van dit werk vindt plaats bij een
centraal secretariaat: van CEN in Brussel en van ISO in Genève. Bovendien
wordt het werk bij CEN en ISO op elkaar afgestemd om dubbel werk te voorkomen. Het uitvoerende werk: het voeren van secretariaten van normcommissies en werkgroepen zowel bij CEN als bij ISO is verdeeld over de nationale normalisatie-instellingen.
De rol van normen
Normen, de op papier of elektronisch voor iedereen toegankelijk gemaakte
regels, kunnen op talloze manieren een rol spelen in het maatschappelijke
verkeer. Een aantal belangrijke aspecten van de betekenis van normen is
hierna weergegeven.
Normen als basis voor kwaliteit
Normen spelen een zeer belangrijke rol waar het gaat om het vastleggen van
de kwaliteit van producten en ook van processen. Er worden afspraken in
vastgelegd over een goede uitvoeringspraktijk. Er worden ook afspraken in
vastgelegd over de gangbare, gewenste of noodzakelijke kwaliteit. De term
kwaliteit bevat hierbij een groot aantal aspecten: duurzaamheid, veiligheid,
gezondheid, bruikbaarheid en milieu. Normen geven bovendien de mogelijkheid om deze kwaliteitsaspecten te meten en te controleren: geen kwaliteit
zonder meetmethode. Normen zijn voor de talloze onderwerpen waarvoor ze
zijn opgesteld, te beschouwen als ‘kwaliteitshandboeken’.
Normen als basis voor contracten
31
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
Omdat normen door alle betrokken partijen zijn aanvaard, zijn ze bij uitstek
geschikt als communicatiemiddel in het verkeer tussen deze partijen. Dat betekent dat men niet steeds opnieuw in contracten, bestekken en orders hoeft
gebruik te maken van ellenlange overzichten van specificaties, eisen, beproevingsmethoden, procesbeschrijvingen en dergelijke. Men kan volstaan met
het verwijzen naar of het van toepassing verklaren van een norm, waarmee
iedereen weet of kan nagaan wat er wordt verlangd.
Normen als basis voor certificaten
Certificaten werken als garantie vooraf dat een product of een proces voldoet
aan bepaalde kwaliteitseisen. Dit gebeurt op basis van beoordelingsrichtlijnen,
waarvan de technische specificatie van het product of proces in principe altijd
is gebaseerd op de voor dat product of proces opgestelde norm.
Normen als instrument bij regelgeving
Ter bescherming van maatschappelijke belangen zoals veiligheid, gezondheid,
milieu, bruikbaarheid en duurzaamheid kunnen overheden eisen stellen in regelgeving. Om de handhaving van deze regelgeving mogelijk te maken wordt
vaak gebruikgemaakt van bepalingsmethoden uit aangewezen normen. Ook
komt het voor dat normen met eisen en berekeningsmethoden worden aangewezen. Gebruik van normen in regelgeving heeft het voordeel dat deze
door de betrokken partijen reeds zijn geaccepteerd.
Normen als instrument voor een open markt
Als het gaat om het wegnemen van technische handelsbarrières zijn het natuurlijk de Europese normen (EN) en de internationale normen (ISO) die een
belangrijke rol kunnen spelen. Op Europees niveau kan daarbij gedacht worden aan producten voor de bouw; die zullen worden voorzien van een CEmerk als zij voldoen aan een Europese norm voor dat product en daarmee vrij
verhandelbaar worden binnen de Europese Unie. Op internationaal niveau kan
gedacht worden aan ISO-normen voor het specificeren van chemicaliën, olieproducten, halffabrikaten en vele zaken meer.
Normen en productaansprakelijkheid
Normen kunnen voorkomen dat productaansprakelijkheid een producent in
problemen brengt. Als een producent kan aantonen dat zijn product en het
voortbrengingsproces ervan voldoet aan de daarvoor geldende normen, mag
worden aangenomen dat hij naar beste eer en geweten heeft gehandeld en
daarom niet aansprakelijk is voor eventueel optredende problemen.
Normen als efficiency-instrument
Daar waar componenten van verschillende oorsprong worden samengevoegd
tot een product, spelen normen een onmisbare rol bij het koppelbaar maken
van deze componenten door afspraken over dimensionering, vorm en andere
aspecten die van invloed zijn op compatibiliteit.
32
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
Daarnaast zijn normen geschikt om voorwaarden te scheppen voor typebeperking van componenten terwijl de variatiemogelijkheden van een eindproduct kunnen worden vergroot. Normen zijn eveneens geschikt om vaste oplossingen te bieden voor regelmatig terugkerende technische problemen.
Normen als communicatiemiddel tussen disciplines
Generaliserend gesproken is een productieproces een samenspel van verschillende disciplines. Er komen steeds meer disciplines bij met steeds verdergaande specialismen. In dit samenspel wordt gebruikgemaakt van elkaars gegevens, producten en diensten. Daarbij is het van groot belang dat men de
ordening van gegevens op elkaar afstemt, en dat men op de hoogte is van de
eisen en randvoorwaarden die ieder aan producten en diensten stelt. Normen
leveren hiervoor het gereedschap.
Normen als collectief geheugen
In veel situaties zijn normen een belangrijke ‘opslagplaats’ van vakkennis
over producten, methoden en technieken. Deze vakkennis is niet alleen gebaseerd op de deskundigheid en het inzicht van een groot aantal specialisten,
maar ook op de wensen ten aanzien van bruikbaarheid en praktisch nut van
de kant van het bedrijfsleven. Zij zijn tevens een weergave van de ‘state of
the art’, de gangbare praktijk bij een bepaald onderwerp. Zo kunnen normen
in technische opleidingen en cursussen een effectief middel voor kennisoverdracht vormen. In veel gevallen zijn normen bruikbaar als naslagwerk over
een bepaald (technisch) onderwerp.
Normen en normalisatie voor de bouw
Als onderdeel van het Nederlands Normalisatie-instituut NEN werkt NEN-Bouw
aan het ontwikkelen en onderhouden van de normen voor gebouwen, bouwmaterialen, bouwproducten, werktuigbouwkundige installaties en ook normen
op het gebied van de civiele techniek.
Uit praktische overwegingen zijn de normalisatieactiviteiten van NEN-Bouw
ondergebracht in vier clusters met elk hun eigen specialistische kennis van
deze vakgebieden. Hierna volgen de onderwerpen waarvoor normen zijn of
worden opgesteld:
– Draagconstructies en afbouw
Bij draagconstructies gaat het niet alleen om normen met rekenregels voor
de draagkracht van bouwconstructies inclusief bruggen, maar ook om normen
met rekenregels en proeven om de draagkracht van de ondergrond en van
geotechnische constructies te bepalen.
Bij het begrip ‘afbouw’ gaat het om de normen met testmethoden en eisen
voor alle relevante eigenschappen van alle mogelijke bouwmaterialen en producten, en dat zijn er nogal wat.
33
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
–
Planologie, ontwerp en beheer
Bij de term ‘planologie’ spelen normalisatieonderwerpen als bezonning,
windhinder, criminaliteitspreventie, geografische informatie, en ook civieltechnische zaken als materialen voor wegenbouw en waterbouw en verkeerstechnische voorzieningen een rol.
Ook voor ontwerptechnische aspecten worden normen veelvuldig toegepast: bijvoorbeeld regels voor het begroten van bouwkosten, voor het bepalen van oppervlakten en inhouden van gebouwen, voor de toegankelijkheid
van gebouwen en buitenruimten, voor de brandveiligheid van een gebouw,
voor geluidswering, voor daglichttoetreding en verlichting.
Ook ten behoeve van een verantwoord beheer van gebouwen wordt normalisatie steeds beter gezien als basis voor het vastleggen van afspraken. Dat
geldt al voor facilitaire voorzieningen en het eenduidig meten van de conditie
van gebouwen en bouwdelen.
– Gas- en klimaattechniek
Hier worden eenduidige afspraken in normen vastgelegd over alle onderwerpen die te maken hebben met gasvoorziening, gastoestellen, verwarming,
ventilatie, vochtwering en rookafvoer. In dit cluster is ook de normalisatie ondergebracht van meterkasten en van brandbeveiligingsinstallaties.
– Waterketen
Bij de sector waterketen gaat het om alle onderwerpen die te maken hebben met de aanvoer van leidingwater tot en met de afvoer en de behandeling
van afvalwater. Dat is inclusief de normalisatie van (onderdelen van) leidingsystemen (ook voor stadsverwarming), rioleringssystemen en die van sanitaire toestellen.
Hoe profiteert de bouwwereld van normen?
In de bouwwereld spelen veel partijen en disciplines een eigen rol. In dit samenspel van ontwerpen, bouwen en beheren is goede communicatie tussen al
die disciplines een eerste vereiste. Normen spelen daarbij een essentiële en
constructieve rol en zijn daarom vaak zelfs onmisbaar.
Als afspraken, die breed onderschreven worden door alle betrokken partijen,
vormen ze de basis voor efficiënt samenwerken: in het privaatrechtelijk verkeer tussen al die partijen wordt in contracten en in bestekken vaak naar
normen verwezen.
Soms maakt de overheid dankbaar gebruik van deze afspraken om de regelgeving voor die onderwerpen niet verder uit te hoeven werken als een vorm
van deregulering. Dan hebben die normen een publiekrechtelijke status gekregen en zijn ze hulpmiddel bij uitstek geworden om aan deze wetgeving te
voldoen.
Het hanteren van normen biedt de gewenste zekerheid omtrent kwaliteit,
duurzaamheid, veiligheid, gezondheid, bruikbaarheid en energiezuinigheid;
ook met betrekking tot de productaansprakelijkheid van fabrikanten.
34
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
Normen en normalisatie voor bouwproducten en -materialen
Bij normen voor bouwproducten en bouwmaterialen gaat het bijna altijd om
het eenduidig vaststellen van de relevante eigenschappen door ‘genormaliseerde’ testmethoden. Daarmee worden de eigenschappen, de ‘prestaties’ van
materialen en producten onderling vergelijkbaar.
Kwaliteitsklassen
Het kan ook nuttig zijn om verschillende kwaliteitsklassen in de norm vast te
leggen. Daarmee is er een praktisch bruikbaar systeem voor verschillende
toepassingen van producten afhankelijk van de benodigde prestaties. Zo mogen bakstenen voor niet-dragende binnenmuren een lagere druksterkte en
een hogere vochtopname hebben dan bakstenen voor een dragende buitengevel.
Maatvoering van producten
Bij industrieel vervaardigde bouwproducten is het vaak ook nodig om afspraken over maatvoering in normen vast te leggen, zodat producten van verschillende fabrikanten uitwisselbaar zijn of op elkaar aansluiten.
Voorbeelden zijn de in normen vastgelegde formaten van bakstenen en
straatstenen, diameters en diktes van rioleringsbuizen, de maatvoering van
verschillende soorten dakpannen, de aansluitmaten van sanitaire toestellen,
de maten van deuren, de handelsmaten van gezaagd (en geschaafd) hout enzovoort.
Europese eenwording in bouwproducten dankzij de Richtlijn Bouwproducten
Het op Europees niveau uniformeren van de methoden voor het vaststellen
van eigenschappen van bouwproducten is een onderdeel van de Europese
eenwording op economisch gebied, die vooral gericht is op het wegnemen van
(veelal technische) handelsbelemmeringen. De handelsbelemmeringen voor
bouwmaterialen en bouwproducten zijn vooral gelegen in de verplichting om
in elk ander Europees land een product steeds weer opnieuw te laten testen
volgens de normen van dat land om zo’n product op die markt toegelaten te
krijgen. Een kostbare zaak, omdat die testmethoden per land sterk kunnen
verschillen. Voor bouwproducten met CE-markering geldt vrij handelsverkeer
binnen Europa, wat wil zeggen dat zo’n product in het land van binnenkomst
niet opnieuw getest hoeft te worden.
Bij de effectuering van de Richtlijn Bouwproducten speelt de ‘geharmoniseerde productnorm’ een sleutelrol. Voor bijna elk bouwproduct wordt zo’n geharmoniseerde productnorm opgesteld en een aantal daarvan is inmiddels gereed. De term ‘geharmoniseerd’ wil zeggen ‘afgestemd op de behoefte vanuit
regelgeving’. De relatie tussen de producteigenschappen en deze behoefte is
35
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding
vastgelegd in een speciale bijlage bij de normen, de zogenoemde ‘Annex ZA’.
Daarin is aangegeven welke eigenschappen een rol spelen in het kader van de
fundamentele voorschriften volgens de Richtlijn Bouwproducten, welke vorm
van controle (attestation of conformity) bij dat product moet worden gehanteerd en welke gegevens er op het etiket en op de productdocumentatie vermeld moeten worden, samen met de CE-markering.
De CE-markering maakt duidelijk zichtbaar dat het hier om een product gaat
dat op de markt wordt gebracht overeenkomstig de voorwaarden van een Europese Richtlijn. In dit geval de Richtlijn Bouwproducten (Construction Products Directive ofwel CPD).
De vele geharmoniseerde Europese productnormen voor de verschillende
bouwproducten komen geleidelijk beschikbaar in de periode 2002-2007 en
sommige daarvan zijn reeds van kracht. Op de website van het ministerie van
VROM (www.vrom.nl) is na te gaan welke geharmoniseerde productnormen al
van kracht zijn.
Voor bouwproducten waarvoor geen geharmoniseerde Europese productnormen beschikbaar zijn of komen, is een alternatief traject mogelijk om tot CEmarkering te komen met behulp van Europese Technische Goedkeuringen
(European Technical Approval afgekort ETA).
36
Aanvulling bij hoofdstuk 1 Inleiding