Slimme polymeren - TU Delft OpenCourseWare

Colofon
Slimme Polymeren
De 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 de
Universiteit Utrecht.
De nieuwe versie “Slimme Polymeren” is ontwikkeld door Jan van Rossum,
Juleke van Rhijn en Aonne Kerkstra, auteurs van de Delftse Leerlijn.
Samenwerking
De module Slimme Polymeren is tot stand gekomen in samenwerking met:
Dr. Herman F.M. Schoo, Senior Research Fellow TNO, de Technische
Universiteit Delft, de SLO en de VNCI.
Vormgeving
T2 Ontwerp, Den Haag (www.t2ontwerp.nl)
© 2009 Stichting leerplanontwikkeling (SLO), Enschede
Het auteursrecht op dit onderwijsmateriaal voor Nieuwe Scheikunde berust bij SLO.
SLO is derhalve de rechthebbende zoals bedoeld in de hieronder vermelde creative
commons licentie.
SLO en door hen ingehuurde auteurs hebben bij de ontwikkeling van de modules
gebruik gemaakt van materiaal van derden. Bij het verkrijgen van toestemming, het
achterhalen en voldoen van de rechten op teksten, illustraties, enz. is de grootst
mogelijke zorgvuldigheid betracht. Mochten er desondanks personen of instanties
zijn 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 deze
onjuistheden en/of onvolledigheden bevatten. SLO aanvaardt derhalve geen enkele
aansprakelijkheid voor enige schade, voortkomend uit (het gebruik van) dit
materiaal.
Voor dit onderwijsmateriaal geldt een Creative Commons Naamsvermelding-NietCommercieel-Gelijk delen 3.0 Nederland licentie
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/nl/
Aangepaste versies hiervan mogen alleen verspreid worden indien het in het colofon
vermeld wordt dat het een aangepaste versie betreft, onder vermelding van de naam
van de auteur van de wijzingen.
Bij deze aangepaste versies mag geen gebruik gemaakt worden van de opmaak van
de Delftse Leerlijn.
Delft, oktober 2012
1.
Inleiding
1.1 Inleiding
1.2 Artikelen over Slimme polymeren
1.3 De eindopdracht
1.4 Hoe ga je aan het werk?
4
5
5
7
8
2.
Voorkennis
2.1 Voorkennis activeren
2.2 Inleiding nieuwe kennis
2.3 Dipoolmoleculen
2.4 Waterstofbruggen
10
11
11
13
15
3.
De kleverige polymeren
3.1 Inleiding polymeren
3.2 Bouw van polymeren
3.3 Thermoharders en thermoplasten
3.4 Slime beter bekeken
18
21
22
23
23
4.
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?
34
5.
De lichtgevende polymeren
5.1 Fluorescentie: grondtoestand en aangeslagen toestand.
5.2 De opbouw en de werking van een polymere LED
36
37
38
6.
De organische zonnecellen
6.1 Silicium zonnecellen
6.2 Organische zonnecellen
41
46
47
7.
Afsluiting
7.1 De nieuwe theorie samenvatten
7.2 De eindopdracht uitvoeren
7.3 Het oefenen en leren van de theorie
51
52
52
52
1. Inleiding
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
Slimme polymeren
Artikel 2
Organische zonnecellen
Figuur 2: Organische dunnefilm 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 technologie
is die van de organische zonnecellen (“organic photovoltaics”). Organisch
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.
Figuur 3: OLED display op
Philips’ Sensotec
scheerapparaat
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 polymere
displays ligt in de markt van de beeldschermen voor TV’s en computers.
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:
Figuur 4: Een flexibel OLED
display voor een mobiele
telefoon
1. Ontwerp op een creatieve manier een tentoonstelling/demonstratie over
de werking en toepassingen van één van de slimme polymeren.
2. Schrijf in eigen woorden een eindrapport voor de directie van het
Science Center Delft. Hierin worden de antwoorden van onderstaande
contextvragen geformuleerd.
Slimme polymeren
8
Contextvragen
1. Hoe werken kleverige polymeren, elektrisch geleidende polymeren,
lichtgevende polymeren en organische zonnecellen.
2. Welke toepassingen hebben deze slimme polymeren?
De ontwikkelingen om energie
op te wekken staan niet stil. In
Rotterdam is enige tijd geleden
de Dance Club Watt geopend.
Deze club heeft een dansvloer
die beweging omzet in energie.
Modules van 65 bij 65
centimeter worden maximaal
een centimeter ingedrukt
waarbij het piëzo elektrisch
effect het indrukken omzet in
energie. Dit piëzo effect wordt
veroorzaakt door kristallen van
bepaalde materialen die onder
invloed van druk een elektrische spanning produceren.
Een persoon kan zo 20 Watt
leveren.
Ook sommige polymeren zoals
polyfluoretheen vertonen een
sterk piëzo effect.
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 bezoekers
de werking en de achterliggende principes goed begrijpen?
1.4 Hoe ga je aan het werk?
Onderzoeksgroepen
Alle leerlingen worden over ontwerpteams verdeeld, waardoor er groepen
van vier personen ontstaan. Voor alle ontwerpteams zijn door de
teamleiding van Science Center Delft een aantal eisen opgesteld, waar het
onderzoek en de uiteindelijke demonstratie/tentoonstelling aan moet
voldoen. Zie ook 1.3
Samenwerking en groepslogboek
Elke groep functioneert volgens het concept van samenwerkend leren,
waarbij wisselend elk groepslid een andere rol krijgt toebedeeld.
Daarnaast houdt elke groep een groepslogboek bij en levert dat na elke les
digitaal in bij de docent, de Teammanager van Science Center Delft.
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
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.
Onderzoekers van de
Universiteit van Tokyo hebben
een nieuw soort OLED display
ontwikkeld dat kan rekken en
vervormen zoals rubber. Door
OLED’s en organische
transistors te verbinden met
een geleidend rubberpolymeer
ontstaat een OLED die je kunt
vouwen en in elkaar kunt
frommelen zonder dat er
schade optreedt aan de OLED.
Het team van de Universiteit
liet een display zien in de vorm
van een gezicht die het veranderen van gezichtsuitdrukkingen weergaf.
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)
c. Hoofdstuk 3 t/m 6: Nieuwe kennis verzamelen (opdracht 3 t/m 6)
d. Hoofdstuk 7:
Afsluiting van de module (opdracht 7 t/m 10)
Werkwijze per les
In de eerste les worden de groepen van 4 personen gemaakt.
In je groepje van vier personen ga je een planning maken voor deze
module. De verschillende onderdelen van hoofdstuk 3 t/m 6 mag je in je
eigen volgorde doen.
Verder doe je aan de begin van elke les achtereenvolgens de onderstaande
punten:
1. De voorzitter bekijkt het commentaar dat de docent in het
groepslogboek geschreven heeft en zorgt ervoor dat dit uitgevoerd
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.
2. Voorkennis
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
vd Waalsbinding
ionbinding
alkanen
alkanolen
•
•
•
•
•
atoombinding
metaalbinding
systematische naamgeving
alkenen
cycloalkanen
2.2 Inleiding nieuwe kennis
Figuur 1: Afkalven van grote
ijsbergen van een gletsjer op
West-Groenland.
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 zo'n 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 daarvoor
bepalend. Zo is water een van de weinige stoffen waarvan de vaste
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
Slimme polymeren
12
Uitvoering
Maak in de vriezer een aantal ijsblokjes waar een kleurstof aan toegevoegd
is. Door de kleurstof kan je het verloop van het experiment beter zien. Doe
voorzichtig en ijsblokje in de maatcilinder met olie. Noteer je waarnemingen
nauwkeurig. Aan het eind van dit hoofdstuk moet je kunnen uitleggen war
er bij de experimenten gebeurde.
Figuur 2: De drie fasen van water, ijs, water en waterdamp.
EXPERIMENT 2: Demonstratie experiment kleurloze vloeistoffen
Benodigdheden
• drie maatcilinders van 250 mL gevuld met 50 mL kleurloze vloeistof
• water
• zonnebloemolie
Uitvoering
Voeg aan alle drie de maatcilinders 75 mL water toe. Teken wat je dan ziet
in de drie maatcilinders.
Voeg vervolgens voorzichtig 25 ml zonnebloemolie toe. Teken daarna weer
de situatie in de drie maatcilinders.
Slimme polymeren
13
EXPERIMENT 3: Demonstratie experiment speedboot
Figuur 3: Gesplitste lucifer
Benodigdheden
• grote petrischaal met water
• lucifer gesplitst
• druppelflesje vloeibare zeep
Uitvoering
Leg de gesplitste lucifer in de bak water. Laat een klein druppeltje zeep
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
methaan en water.
Om deze extra aantrekkingskracht te verklaren kijken we naar de
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
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.
Figuur 5: Water is een
dipoolmolecuul
Figuur 6: Het CO2 molecuul is
ondanks polaire atoombindingen geen dipoolmolecuul.
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 polaire
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. Zie
figuur 6.
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.
H3C
H
H
H
C
C
C
C
C
H
H
b.
F
F
H
C
C
F
Br
Cl
CH3
CH3
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 Waterstofbruggen
Figuur 7: Model van een SO2
molecuul
Figuur 8: Een waterstofbrug
tussen een H-atoom en een
O-atoom
Is de extra aantrekkingskracht tussen de watermoleculen door de dipooldipoolaantrekking 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 Oatoom of een N-atoom kunnen H-bruggen vormen. Waterstofbruggen zijn
vrij sterke bindingen en worden weergegeven met een stippellijn.
Hieronder, in figuur 9, staan de waterstofbruggen in water (A), ammoniak
(B) en methanol (C) getekend. De rode stippellijnen zijn de H-bruggen.
Slimme polymeren
16
Gashydraten
Figuur 9: H-bruggen in water, ammoniak en methanol.
Door de waterstofbruggen in ijs
ontstaan er holtes in het kristalrooster. In deze holtes passen
kleine moleculen zoals
bijvoorbeeld methaan. We
spreken dan van gashydraten.
De omstandigheden waarbij dit
materiaal kan bestaan, komen
voor in de permafrostlaag van
onze aardkorst. Dit is de laag
waarin de grond nooit ontdooit.
De permafrostlaag kan tot 1000
m diep in de aarde voorkomen.
Nog dieper wordt de grond te
veel opgewarmd door de kern
van de aarde.
Op veel plaatsen op de aarde
blijkt gashydraat aanwezig te
zijn op grote diepte.
Het blijkt dat 1 m3 gashydraat
bij normale omstandigheden
160 m3 methaangas geeft. Men
heeft berekend dat er meer
koolstof opgeslagen zit in
gashydraat dan er verder
totaal op aarde voorkomt. Een
mogelijke nieuwe energiebron?
Op dit ogenblik is het vanuit
technisch oogpunt nog lastig
om methaan uit de gashydraten
te winnen.
De waterstofbruggen zorgen er ook voor dat ijs drijft op water. Het
kristalrooster van water wordt bijeengehouden door waterstofbruggen
waardoor een hexagonale structuur ontstaat. De afstand tussen de
moleculen is in het kristalrooster groter dan in de vloeistof. De dichtheid van
water is dus groter dan die van ijs.
Figuur 10: De kristalstructuur van ijs
Stoffen waarvan de molecule dipoolmoleculen zijn worden polaire stoffen
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?
Slimme polymeren
8.
17
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.
3. De kleverige
polymeren
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)
• Bekerglaasje
Figuur 1: Slime een kleverige
stof
Uitvoering
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)
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
Figuur 2: Slime reparatie set
Slime wordt gebruikt om een
lekke autoband onderweg te
repareren. De geleiachtige
vloeistof uit de reparatie set
spuit je in de band en daarna
sluit je de kleine compressor
uit de set aan op je band en op
de sigarettenaansteker. In een
paar minuten is je lekke band
gerepareerd en weer
opgepompt. De slime kun je na
afloop weer eenvoudig uit de
band verwijderen, waardoor er
vrijwel geen beschadiging aan
de band optreedt. Er zijn ook
slime reparatie sets voor
fietsbanden.
Benodigdheden
• Een stuk PVC buis met een diameter van 1,5 cm en een hoogte van 1
cm
• vaseline
• overheadsheet met raster van millimeterpapier
• slime, bereid met verschillende concentraties boraxoplossingen: 1%,
2%, 3%, 4%, 5% en 6%.
• liniaal
Om deze experiment uit te voeren is slime nodig die is bereid met
verschillende concentraties boraxoplossingen. De slime wordt op dezelfde
manier gemaakt als is beschreven in experiment 1.
Uitvoering
Doe dit experiment door de hierna volgende stappen te door lopen:
1. Verdeel de klas in groepjes.
2. Elk groepje maakt slime met een andere concentratie boraxoplossing.
3. Vet de ring van de rioolpijp in met vaseline.
4. Plaats de ring op de overheadsheet (in het midden).
5. Neem 50 mL slime en giet dit in de ring.
6. Wacht even tot de slime tot rust komt, (1 minuut).
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?
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 en
onder latex, een natuurlijke
polymeer
Figuur 4: de vorming van een polymeer
Natuurlijke latex wordt getapt
door met een mes inkepingen
te maken in de boomschors
van de Braziliaanse rubberboom
(onder een hoek van 30°) tot
op het cambium. Aan het einde
van de inkeping brengt men
een gootje aan met daaronder
een opvangbakje, waarin de
latex druppelsgewijs wordt
opgevangen.
Er wordt onderscheid gemaakt tussen natuurlijke en synthetische
polymeren. Natuurlijke polymeren worden in de natuur gevormd.
Voorbeelden zijn: eiwitten, koolhydraten en latex, een natuurlijke rubber.
Synthetische polymeren kom je niet in de natuur tegen, maar worden door
de mens gemaakt. Voorbeelden hiervan zijn plastics en nylon.
Een polymeer krijgt de naam van het monomeer waaruit het is gemaakt,
vooraf gegaan door het woord ‘poly’. Je kunt dus zeggen dat heel veel
monomeren samen één polymeer vormen.
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.
Trekkrachten: korte
polymeermoleculen kun je
gemakkelijk uit elkaar halen.
Korte polymeermoleculen vormen soepele zachte materialen.
De vanderwaalskrachten tussen de moleculen onderling is kleiner. Daarom
zijn korte polymeermoleculen gemakkelijk te vervormen. Lange
polymeermoleculen vormen door de grotere vanderwaalskrachten stevigere
en hardere materialen. De lange, met elkaar verstrengelde
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
polymeermoleculen zijn
verstrengeld en heel lastig uit
elkaar te halen.
Figuur 5: Schematische
weergave van trekkrachten
op korte- en lange polymeermoleculen.
Figuur 6: spaghetti cartoon
Laten we eens een polymeermolecuul onder de loep bekijken. Bijvoorbeeld
het polymeer dat PVA , polyvinylalcohol, heet. Dit is een polymeer dat
gebruikt wordt in de lijmindustrie.
Aan het materiaal, dat dus uit lange ketens van aan elkaar gekoppelde
moleculen vinylalcohol bestaat, voegt men een vloeistof toe die uit kleine
moleculen bestaat. Deze kleine moleculen gaan tussen de
polymeermoleculen in zitten. Hierdoor zitten de ketens van het polymeer
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 brug
tussen twee ketens noemen we een crosslink (dwarsverbinding).
Slimme polymeren
23
Figuur 7: Schematische weergave van polymeermoleculen met en zonder crosslinks.
3.3 Thermoharders en thermoplasten
Armbanden van bakeliet.
Bakeliet was de eerste
thermoharder die in 1907 door
de Vlaamse chemicus
Baekeland werd gemaakt.
Polymeerketens met veel crosslinks kunnen nauwelijks meer vrij ten
opzichte van elkaar draaien en er vormt zich een “star/stijf”
polymeermolecuul. De kunststof, die wordt gevormd door polymeerketens
met veel crosslinks, noemen we een thermoharder (thermos is Grieks voor
warmte en harder is afgeleid van de eigenschap hard).
Als er geen crosslinks zijn, blijft de kunststof zacht. De ketens kunnen
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
Wegmarkeringen
Wegenverf is een thermoplast
die warm gemaakt wordt en
dan op de weg wordt
aangebracht.
Het maken van slime berust op het vormen van een gel. Een gel bestaat in
principe uit twee verschillende bestanddelen: een vloeistof en een vaste
stof. Het vertoont de eigenschappen van beide. Als we de gel in een
bekertje doen, dan neemt deze de vorm van het bekertje aan zoals elke
vloeistof zou doen. Als we de gel op de grond zouden laten vallen, kunnen
we deze gewoon oprapen. De gel gedraagt zich dan als een vaste stof.
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
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
R
CH2
CH
CH2
CH
CH2
CH2
CH
CH
lijm met H-bruggen
naar papier
R
watermolecuul
papier
Figuur 8: papier met polyvinylalcohol als lijm
Polyvinylalcohol lijm van de
Action
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 boraxion
(BO4H4ˉ). Zie de tekening in figuur 9.
CH 2
R
CH 2
CH
CH 2
CH
CH
CH 2
CH
R
waterstofbruggen
-
-
R
CH 2
CH 2
CH
CH
CH 2
CH
CH 2
CH
CH 2
R
CH 2
Figuur 9: In slime vormen borax-ionen via waterstofbruggen, de crosslinks tussen de
PVA ketens (versimpeld weergegeven).
Slimme polymeren
25
Vragen
1. 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.
R
Geef de structuurformule van het monomeer van polyvinylalcohol.
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH
CH
CH
CH
OH
OH
OH
OH
R
polyvinylalcohol
3.
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-hydroxypropeen
5.
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.
4. De elektrisch
geleidende polymeren
Slimme polymeren
27
Vrijwel de meeste leerboeken geven aan dat de belangrijkste
materiaaleigenschap van kunststoffen is, dat zij zeer slechte
elektrische geleiders zijn. Zij worden daarom gebruikt als
isolatiemateriaal van elektriciteitskabels en verschillende soorten
elektrische apparaten. Uit recent onderzoek is echter gebleken dat
bepaalde soorten polymeren wel degelijk de elektrische stroom
kunnen geleiden. Hoe is dat mogelijk?
Op grond van elektrische geleiding kunnen we stoffen in drie groepen
verdelen: de geleiders die de elektrische stroom goed geleiden, de isolatoren
die 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
Halfgeleiders
Polystyreen
Diamant
silicium (zuiver)
germanium (zuiver)
germanium
(verontreinigd)
1020
1016
2,0 x 102
Geleiders
metalen
10-8 – 10-9
Isolatoren
Tot de geleiders blijken nu ook kunststoffen te behoren. Aan de hand van
experimenten en theorie ga je nu onderzoeken hoe deze geleiding tot stand
komt.
Opdracht 4
Voer de experimenten uit, bestudeer de teksten en maak de opgaven
behorende bij de elektrisch geleidende polymeren.
EXPERIMENTEN
Je gaat nu samen met de docent twee soorten polymeren maken en
onderzoeken of deze polymeren de elektrische stroom geleiden.
EXPERIMENT 4: Demonstratie-experiment door de docent of TOA:
Synthese van nylon
Benodigdheden
• 5% sebacoylchloride (decaandocyldichloride)
• 5% 1,6 – hexaandiamine
• 0,1 M natronloog
• wasbenzine
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
Op het grensvlak van de twee
oplossingen ontstaat de
polymeer nylon.
Polyaniline opgelost in een
oplosmiddel. Als je dit uitgiet op
verbandgaas en laat drogen
geleidt het de elektrische
stroom.
Benodigdheden
• aniline-waterstofchloride
• ammoniumpersulfaat (NH4)2S2O8.
• 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)
Uitvoering
Weeg 2,59 gram aniline-waterstofchloride af in een erlenmeyer en los dit op
in 50 mL gedemineraliseerd water.
Weeg 5,71 gram ammoniumpersulfaat af in een erlenmeyer en los dit op in
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.
Slimme polymeren
29
Verwerking resultaten
Geef de resultaten van je bevindingen van experiment 4 en experiment 5
weer in een tabel.
Vragen bij experiment 4 en experiment 5
1. 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 bewegende
elektrische lading. Alle metalen geleiden elektrische stroom. Om deze
geleiding te kunnen beschrijven moeten we eerst gaan kijken naar de
opbouw van een metaalatoom.
Metaalatomen hebben volgens het atoommodel van Bohr weinig elektronen
in de buitenste schil. In de buitenste schil van een metaalatoom zitten vaak
maar 1 of 2 elektronen (zie het periodiek systeem). Deze elektronen worden
bovendien niet erg stevig vastgehouden, omdat ze ver van de kern zijn
verwijderd. We noemen deze elektronen dan ook de vrije elektronen.
De metaalatomen zijn in de vaste stof netjes gerangschikt in een
metaalrooster. Deze metaalatomen zijn daarbij elektronen uit de buitenste
schil kwijt geraakt, zodat er positief geladen metaalatomen overblijven.
Figuur 10: een metaal met vrije elektronen
Slimme polymeren
Polyaniline
Bij de omzetting van aniline
naar polyaniline kunnen veel
verschillende nano- en
microstructuren ontstaan.
Kleine veranderingen in de
parameters van de reactie
resulteren in structuren op
nanoschaal in de vorm van
bijvoorbeeld buisjes of
bloemen. Door deze
verschillende structuren kan
polyaniline op vele manieren
worden toegepast.
30
De elektronen, die vrij door het metaalrooster kunnen bewegen houden de
positief geladen metaalatomen bijeen. Elektronen kunnen zich nu heel
gemakkelijk verplaatsen ten gevolge van een aangelegd spanningsverschil
(een batterij of spanningsbron). Of zoals we eerder in module 1 aangaven:
bij stroomgeleiding verplaatsen deze ‘vrije elektronen’ zich door het
metaalrooster.
De elektrische geleiding bij polymeren
Bij isolatoren, zoals de meeste kunststoffen (polymeren), zijn de buitenste
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
C
C
H
H
H H H
etheen of
C
C C
H
H
H
propeen
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 (pielektronen) 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
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 Catomen en dus is dit een zwakkere binding dan de σ-binding.
Figuur 12: molecuulmodellen
van etheen. De pijltjes geven
in figuur 13 de elektronen
weer.
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 –).
Slimme polymeren
32
Tabel 2: naamgeving
Naam
Structuurformule
benzeen
C6H6
methylbenzeen
C6H5 – CH3
fenyletheen of styreen
C6H5 – CH = CH2
Vraag
7. Geef de systematische namen bij onderstaande structuurformules.
a.
d.
b.
e.
CH
CH
H2
C
CH3
H2C
C H2
H2C
C H2
C
H2
c.
4.3 Additiereactie bij alkenen
Alkenen kunnen gemakkelijk met andere stoffen reageren. Als bijvoorbeeld
etheen reageert met broomwater, ontstaat 1,2 – dibroomethaan.
H
C
H
H
H
+ Br
C
Br
H
H
H
. .C
. .
Br Br
C
H
H
H
H
C
C
Br
Br
H
Tussenprodukt
Figuur15: additie van broom aan etheen
Eén van de twee gemeenschappelijke elektronenparen in de dubbele binding
van etheen kan ‘open springen’. Bij bovenstaande reactie wordt de π-binding
van etheen gebroken in twee losse elektronen. Het is ‘de zwakste schakel’ in
Slimme polymeren
Mobieltjes mogen vallen
Het zou een geweldige
oplossing zijn: een mobiele
telefoon die niet kapot gaan als
je hem per ongeluk laat vallen.
Telefoons met flexibele,
misschien zelfs oprolbare
schermen. Dit leek onmogelijk.
Breekpunt bij de ontwikkeling
waren de chips in de
apparaten. Kunststof chips
geleiden niet goed genoeg.
Uit onderzoek aan de TU Delft
bleek dat de oorzaak hiervan
de rommelige structuur van de
ketens was. Een polymeer met
een relatief starre,
ladderachtige structuur bleek
duizend keer beter te geleiden.
Dit maakt de weg vrij voor
goed geleidende polymeren
zodat je mobieltje mag vallen.
33
het molecuul. Hierdoor kunnen de beide koolstofatomen ieder een ander
atoom aan zich binden.
Dit noemen we een additiereactie. Adderen komt uit het Latijn en betekent
toevoegen. Broom wordt als het ware aan etheen toegevoegd en er
ontstaan één nieuw molecuul. Behalve broom kunnen bijvoorbeeld ook fluor,
chloor, jood, waterstof en water worden geaddeerd aan alkenen.
Vraag
8. Geef de reactievergelijking van de onderstaande reacties en gebruik
voor alle stoffen structuurformules.
a. Waterstofgas reageert met propeen tot propaan.
b. Waterdamp (voorgesteld door H – OH) wordt geaddeerd aan
propeen. Hoeveel reactieproducten kunnen er ontstaan?
Polyadditiereactie
Bij een hoge temperatuur en een grote druk kan in etheen de π-binding
openspringen, waarbij de moleculen zich aan elkaar rijgen tot een enorm
lang molecuul van duizenden eenheden of monomeren. Dit noemen we een
polyadditiereactie. We spreken hier van polyetheen. (toepassingen zijn
boterhamzakjes, afwasbakken enz).
.
.
.
.
Figuur 16: polymerisatie van etheen
Links de nieuwe strakke
structuur en rechts de
rommelige structuur.
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.
d. Teken een stuk van de structuurformule van poly-1-buteen
bestaande uit drie monomeren.
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.
Slimme polymeren
34
4.4 Hoe kunnen polymeren elektrische stroom geleiden:
geconjugeerde systemen?
Elektrische geleiding bij polymeren treedt op wanneer er sprake is van een
geconjugeerd systeem in een polymeermolecuul. Een geconjugeerd systeem
betekent dat dit soort polymeermoleculen om en om een dubbele en een
enkele binding tussen de koolstofatomen in hun molecuul ketens hebben.
Zie het onderstaande voorbeeld in figuur 17. In plaats van de
structuurformule met C- en H-atomen gebruiken we een zogenaamde
verkorte schrijfwijze, waarbij alleen de bindingen tussen de C-atomen zijn
aangegeven. De H-atomen worden weggelaten.
Figuur 17: Model van het geconjugeerd systeem in polyethyn
Vragen
12. 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 systeem
bevinden zich als het ware in een band van elektronenwolken aan de boven
en aan de onderkant van de koolstofketen. In principe kunnen deze πelektronen zich niet vrij bewegen.
Door nu, met behulp van bijvoorbeeld een batterij, een spanningsverschil
aan te leggen tussen het begin en het eind van het polymeer, kunnen de πelektronen, door het ‘omklappen’ van de dubbele bindingen naar het
naastgelegen atoom, door het molecuul gaan bewegen. Zie figuur 18.
Figuur 18: De π- elektronen bewegen vrij door een polymeermolecuul
Dit principe van het omklappen van de dubbele bindingen is de oorzaak van
de stroomgeleiding in deze polymeren.
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
Een elektronische neus om het
parfum Chanel 5 te 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 welk
parfum namaak is.
Bron: Kennislink
5. De lichtgevende
polymeren
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
bierflessen.
Gordijnen waar een
lichtgevende draad door
geweven is.
Wil je het licht geven van stoffen en dus ook van LED´s en polymere LED´s
kunnen verklaren, dan moet je eerst weten wat het begrip fluorescentie (het
lichtgeven van stoffen) inhoudt.
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
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.
In plaats van lampen kun je
straks ook een lichtgevende
muur krijgen. Philips heeft in
samenwerking met Kvadrat Soft
Cells een zeer geavanceerd
lichtgevend textiel ontwikkeld.
De OLED’s zijn geïntegreerd in
de akoestische wanden. Je kunt
ook de kleur van de wand
regelen en zo een nieuw
interieur creëren.
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 licht
geworden, waarbij allerlei kleuren mogelijk zijn.
Dit verschijnsel, het uitstralen van licht door een atoom, wordt
fluorescentie genoemd.
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.
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.
Glow in the dark, lichtgevende verf pigmenten
Lichtgevende pigmenten
behoren tot de nieuwste
ontwikkelingen op het gebied
van nalichtend materiaal. Het
belangrijkste kenmerk van dit
materiaal is de bijzondere
structuur van het
verfpigmentkristal, dat een zeer
groot vermogen heeft voor het
opslaan en weer geleidelijk
loslaten van licht.
Als het materiaal voldoende is
aangelicht, met bijvoorbeeld
normaal huiskamerlicht, kan
het tot wel 12 uur nagloeien.
(Glow in the dark)
Deze eigenschap blijft heel lang
behouden, soms wel meer dan
10 jaar.
2. De elektronen verlaten de min pool en komen in aanraking met het deel
van het polymeer, dat een geconjugeerd systeem bezit. De π-elektronen
in het geconjugeerde systeem van de polymeer verplaatsen zich nu over
de polymeermoleculen in het polymeer.
3. Als een π-elektron zich verplaatst blijft er een positief gat achter. Het
atoom waar het elektron bij hoort heeft nu immers een elektron te
weinig. De elektronen die vanuit de spanningsbron het polymeer in
gaan, vallen in zo’n positief gat.
4. De elektronen die in een positief gat terecht komen, vallen vervolgens
snel terug naar de grondtoestand en zenden de vrijgekomen energie uit
in de vorm van zichtbaar licht. De kleur van het licht is afhankelijk van
de soort polymeer moleculen in de OLED. Fabrikanten plaatsen
meerdere soorten polymeermoleculen in lagen om kleuren OLED
displays te maken.
5. Het zichtbare licht verlaat de polymere LED via het bovenste
transparante laagje. Je ziet nu gekleurd licht.
Slimme polymeren
40
Figuur 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 het
hele oppervlakte van de polymere LED. Op elke vierkante centimeter van
een LED gebeurt dit 1.000.000.000.000.000 keer (dit is 1015, heel vaak dus)
per seconde!!
Vragen
17. 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.
6. De organische
zonnecellen
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’
Figuur 25: meten van de
weerstand
PS: het hele experiment mislukt als de verkeerde kant van het glas wordt
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.
Figuur 26: het kleuren van de
plus-elektrode
3. De zonnecel bouwen
Voordat de cel afgemaakt kan worden, moet er van een paperclip eerst een
klemmetje gebogen worden. Dat gaat als volgt:
• Leg de paperclip plat op tafel en vouw hem open door het langste stuk
omhoog te buigen.
Slimme polymeren
•
•
buigpunt
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
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.
Figuur 27: de glasplaatjes
vastklemmen
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 gemaakt
van jood opgelost in een kaliumjodide-oplossing: I3ˉ(aq)
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
elektrolyt
EXPERIMENT 7: Testen van je eigen zonnecel
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 pluselektrode (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.
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
0.10
spanning
Stroomsterkte I [ A ]
Figuur 29: meten van de
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 stroomspannings 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 (xas). 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.
Slimme polymeren
Zonnecel van spinazie
6 september 2012
Amerikaanse wetenschappers hebben een zonnecel
weten te maken van
spinazie. Hiermee proberen
de onderzoekers de onderdelen van de bladeren die
de fotosynthese regelen te
gebruiken
Dit meldt de Amerikaanse
universiteit Vanderbilt. De
onderzoekers hebben een
bepaald eiwit weten te isoleren
dat licht omzet in energie met
een efficiëntie van bijna 100
procent. Dit wordt dan
gecombineerd met silicium dat
gebruikt wordt voor zonnepanelen.
Groot voordeel van deze
hybride zonnecellen is dat het
gemaakt kan worden van
goedkoop en massaal
beschikbaar materiaal. Veel
metalen die voor sommige
zonnepanelen worden gebruikt
zijn juist erg zeldzaam
Bron: Groene Courant
45
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,
gebruiken we een variabele weerstand, een ampèremeter en een voltmeter.
We kunnen het door de weerstand opgenomen vermogen P berekenen
volgens P = U ⨯ I.
Formuleer een goede onderzoeksvraag en maak een werkplan met daarin
een schakelschema, waaruit duidelijk blijkt hoe je het vermogen van je
eigen gemaakte zonnecel gaat bepalen. Gebruik de variabele weerstand om
de genoemde weerstanden te kunnen instellen.
Laat het werkplan door je docent of TOA goedkeuren en voer de
experimenten uit.
Uitvoering
• Ieder groepje voert de metingen uit bij weerstanden van 0, 1, 3, 5, 10,
15, 20 en 50 Ω
• Zet je resultaten in onderstaande tabel
Resultaten
R
(Ω)
0
1
3
5
10
15
20
50
I
(A)
U
(V)
P
(W)
Slimme polymeren
46
Verwerking meetresultaten
• Bereken het vermogen P = U ⨯ I.
• 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.
Figuur 31: model van een
siliciumkristal
Als silicium in vaste toestand een kristalrooster vormt is elk siliciumatoom
door vier andere siliciumatomen omringd. Elk atoom heeft dus vier
bindingen gevormd. De elektronen zitten dan zo stevig tussen de atomen in
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.
Figuur 32: schematische
voorstelling van een
siliciumzonnecel
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.
Elektronen in het kristal kunnen zich nu van gat tot gat verplaatsen.
Zulk silicium wordt p-geleidend genoemd.
In een siliciumzonnecel wordt een stukje n-geleidend silicium tegen een
stukje p-geleidend silicium gezet. In het raakvlak zullen de overtollige
Slimme polymeren
47
elektronen uit het n-geleidend silicium de gaten in het p-geleidend silicium
vullen.
Recordrendement voor
organische zonnecel
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 zullen
elektronen uit de n-laag gaan bewegen naar het p-geleidende deel. Zo
ontstaat dan een potentiaalverschil tussen de twee lagen.
6.2 Organische zonnecellen
24 september 2012
Imec en het chemiebedrijf
Solvay hebben een organische
zonnecel ontwikkeld met een
rendement van 5,5%: een
nieuw wereldrecord. Het is van
belang om het rendement op te
voeren om de organische
zonnecel succesvol op de markt
te kunnen brengen.
Organische zonnecellen zijn
geschikt voor integratie in
gevels en vensters, omdat ze
doorzichtig zijn en efficiënt in
grote oppervlakken kunnen
worden geproduceerd. Het
rendement van organische
zonnecellen is minder
afhankelijk van de intensiteit en
de hoek van het invallende licht
dan silicium zonnecellen. Maar
om in de industrie een rol van
betekenis te krijgen is
opschaling naar een industrieel
proces nodig, evenals
verbetering van de levensduur.
Figuur 33: fotosynthese
Dagelijks zien we in de natuur de meest fantastische zonnecellen,
bijvoorbeeld groene spinazie, algen, peterselie en de groene bladeren van
de bomen. Met behulp van de fotosynthese leggen zij allemaal zonneenergie vast en vormen daarbij glucose (een koolhydraat), waaruit
belangrijke grond- en voedingsstoffen worden gevormd. De hierin
opgeslagen chemische energie komt vrij als die voedingsstoffen in ons
lichaam verwerkt worden of als we een stuk hout verbranden.
Zou het mogelijk zijn om spinazie te gebruiken en dat met behulp van
zonlicht om te zetten in elektrische energie? Is het echt mogelijk om met
deze natuurstoffen een zonnecel te bouwen? Het antwoord kwam in 1991
van de Zwitserse professor Michael Grätzel, de ontdekker van de
‘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.
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.
Figuur 34: schematische
doorsnede van een
kleurstofzonnecel
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 het
energieniveau van de aangeslagen toestand van titaan(IV)oxide. De afstand
tussen de kleurstofmoleculen en de titaan(IV)oxidemoleculen is heel klein.
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
Slimme polymeren
49
De stroomkring
Het elektron dat vanuit de aangeslagen toestand van de kleurstof naar de
aangeslagen toestand van de titaan(IV)oxide is gesprongen, zal terugvallen
naar de grondtoestand van het titaan(IV)oxide. Dit is het eerste deel van de
stroomkring in de zonnecel.
Door het overspringen van een elektron van de kleurstof naar het
titaan(IV)oxide, ontstaat er een ladingsverschil: het titaan(IV)oxide wordt
negatief geladen en de kleurstof wordt positief geladen. Om dit
ladingsverschil op te heffen, moet er weer een elektron terug naar de
kleurstof. Dit elektron kan niet rechtstreeks terug naar de kleurstof, omdat
het verschil tussen de energieniveaus van titaan(IV)oxide dan overbrugd
moet worden: het elektron bevindt zich namelijk in de grondtoestand van
titaan(IV)oxide en zou dan via de aangeslagen toestand van titaan(IV)oxide
weer geëxciteerd moeten worden naar de grondtoestand van de kleurstof,
maar hiervoor is heel veel energie nodig, dus dat zal niet gebeuren. Daarom
gaat het elektron via een extern circuit (bijvoorbeeld een lampje) naar de
positieve elektrode. Via het elektrolyt gaat het elektron weer terug naar de
kleurstof: 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 en
wordt het elektron weer terug gegeven aan de kleurstof.
Zo is de stroomkring gesloten en is de energie, die ontstaan was bij het
terugvallen van het elektron naar de grondtoestand van het titaan(IV)oxide,
nuttig gebruikt om bijvoorbeeld een lampje te laten branden.
Vraag
19. 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.
Slimme polymeren
Figuur 36: 3D weergave van de kleurstofzonnecel
Figuur 37: Een kleurstofzonnecel gemaakt door het Energie Centrum Nederland
(ECN).
50
7. Afsluiting
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 7
Gezamenlijk worden de belangrijkste achterliggende chemische en fysische
concepten samengevat en op papier gezet van alle in hoofdstuk 3 t/m 6
behandelde “Slimme polymeren” als een onderdeel van het eindrapport aan
Science Center Delft.
7.2 De eindopdracht uitvoeren
In deze activiteit ga je de eindopdracht uitvoeren aan de hand van
opdracht 8 en 9
Opdracht 8
Stel het eindrapport op waarin de resultaten van het theoretische en
experimentele onderzoek verwerkt zijn, inclusief de werking en de
toepassingen van de verschillende soorten slimme polymeren, Maak er een
kloppend geheel van. Gebruik ook de uitwerking van opdracht 7 hierbij. Kijk
voor de eisen waar het rapport aan moet voldoen in hoofdstuk 1 paragraaf
1.3
Opdracht 9
Bouw nu de tentoonstelling rond slimme polymeren en zorg voor een goede
opdracht 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 10
Leer de theorie die bij de verschillende soorten slimme polymeren hoort en
maak onderstaande voorbeeld toetsopgaven.
Slimme polymeren
53
VOORBEELD TOETSOPGAVEN
Opgave 1
Geef de reactievergelijking van de onderstaande reacties. Schrijf de
koolstofverbindingen 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 cyclopenteen
Opgave 2
Bij 1,3-butadieen kan 1,2-additie optreden. Dat wil zeggen dat de dubbele
binding 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 een
dubbele binding zich verplaatst naar het tweede en het derde C-atoom en
de 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 3
In de volgende reacties geef je steeds drie eenheden van het polymeer als
reactieproduct 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 Polyvinylalcohol
Hydroxyetheen wordt ook wel vinylalcohol genoemd. Het hiervan afgeleide
polymeer 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 dit
monomeer niet stabiel is.
De bereiding van PVA vindt plaats in twee stappen.
Eerst wordt het polymeer polyvinylacetaat gemaakt door polyadditie van
vinylacetaat. De structuurformule van polyvinylacetaat is hieronder
afgebeeld.
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 OHˉ
waarbij 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 gemengd
met 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 Rubber
Rubber is een polymeer dat wordt gemaakt door additiepolymerisatie van
alkadiënen. Een grondstof die hiervoor kan worden gebruikt is 2,3-dimethyl1,3-butadiëen. Hierbij treedt meestal kop-staart-additie op, waarbij beide
dubbele 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 als
grondstof gebruikt, maar worden copolymeren gevormd door gebruik van
twee 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 Kunststoffen
Van alkenen kunnen kunststoffen worden gemaakt. Daarvoor is het nodig de
reactie te starten met een hulpstof. Zo'n hulpstof is hexafenylethaan.
Deze stof ontleedt gemakkelijk in twee gelijke brokken (C6H5)3C,
trifenylmethyl. Deze brokken zijn erg reactief, omdat er een koolstofatoom
Slimme polymeren
55
in voorkomt dat maar drie bindingen heeft en dus nog een elektron
beschikbaar 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 kan
als volgt worden beschreven. Een deeltje trifenylmetyl reageert met een
molecuul etheen:
Er ontstaat een molecuul met weer een koolstofatoom met drie bindingen,
dat verder kan reageren met een volgend etheenmolecuul. Dit proces gaat
door tot een trifenylmethyl-molecuul aan de keten hecht. Er is dan een
keten ontstaan met aan de beide uiteinden een koolstofatoom met drie
fenylringen.
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) een
kleine hoeveelheid hexafenylethaan toe te voegen start de polymerisatie.
Deze polymerisatie gaat veel sneller als je een grotere hoeveelheid van de
startstof toevoegt. Maar de hardheid van het kunststof materiaal wordt er
wel 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.