Eigenschappen van stoffen en materialen KLAS 5 VWO EIGENSCHAPPEN VAN STOFFEN EN MATERIALEN Over deze lessenserie De natuur is fascinerend. Natuurkunde wordt gedreven door die fascinatie en probeert de wereld waarin we leven te doorgronden en te beschrijven. Stoffen en materialen zijn in die wereld ongetwijfeld het meest tastbare on- derdeel. Geen wonder dat we al sinds mensenheugenis willen weten hoe stoffen en materialen in elkaar steken. Om onze nieuwsgierigheid te bevredi- gen, maar ook om stof- en materiaaleigenschappen optimaal te kunnen ge- bruiken bij het maken van de scherpste bijlen en speerpunten, of de snelste computers en de hipste mobieltjes. Colofon Project Nieuwe Natuurkunde, Domein E “Straling & Materie”; subdomein E1 “Eigenschappen van stoffen en materialen” Auteurs M.P. Huijbregtse, J.H. van der Schee, J.S. Seldenthuis M.m.v. J.E. Frederik, M. van de Kragt, A. Moerdijk, D.A. van de Straat, J.M. Thijssen Vormgeving: Loran de Vries NiNa redactie: Harrie Eijkelhof, Koos Kortland, Maarten Pieters, Chris van Weert, Fleur Zeldenrust Versie november 2009 Copyright ©Stichting natuurkunde.nl, Enschede 2009 Alle rechten voorbehouden. Geen enkele openbaarmaking of verveelvoudiging is toegestaan, zoals verspreiden, verzenden, opnemen in een ander werk, netwerk of website, tijdelijke of permanente reproductie, vertalen of bewerken of anderszins al of niet commercieel hergebruik. Als uitzondering hierop is openbaarmaking of verveelvoudiging toegestaan - voor eigen gebruik of voor gebruik in het eigen onderwijs aan leerlingen of studenten, - als onderdeel van een ander werk, netwerk of website, tijdelijke of permanente reproductie, vertaald en/of bewerkt, voor al of niet commercieel hergebruik, mits hierbij voldaan is aan de volgende condities: - schriftelijke toestemming is verkregen van de Stichting natuurkunde.nl, voor dit materiaal vertegenwoordigd door de Universiteit van Amsterdam (via [email protected]), - bij hergebruik of verspreiding dient de gebruiker de bron correct te vermelden, en de licen- tievoorwaarden van dit werk kenbaar te maken. Voor zover wij gebruik maken van extern materiaal proberen wij toestemming te verkrijgen van eventuele rechthebbenden. Mocht u desondanks van mening zijn dat u rechten kunt laten gel- den op materiaal dat in deze reeks is gebruikt dan verzoeken wij u contact met ons op te nemen: [email protected] De module is met zorg samengesteld en getest. De Stichting natuurkunde.nl, resp. Commissie Vernieuwing Natuurkundeonderwijs havo/vwo, Universiteit van Amsterdam en auteurs aan- vaarden geen enkele aansprakelijkheid voor onjuistheden en/of onvolledigheden in de module, noch enige aansprakelijkheid voor enige schade, voortkomend uit het gebruik van deze module. 2 INHOUDSOPGAVE Over deze lessenserie................................................................................2 1 Inleiding.........................................................................................6 1.1 Ruimtevaart...................................................................................6 1.2 Stofeigenschappen.........................................................................7 1.3 Van experiment naar theorie........................................................7 Opgaven..............................................................................................................8 2 Het zijn de kleine dingen die het doen........................................10 2.1 Deeltjesmodellen..........................................................................10 2.2 Een eenvoudig model...................................................................11 Opgaven............................................................................................................12 3 Gassen: stoffen op z’n simpelst...................................................13 3.1 De wet van Boyle..........................................................................13 3.2 Kinetische gastheorie – kwalitatief.............................................14 3.3 Kinetische gastheorie – kwantitatief..........................................14 3.4 Absolute temperatuur.................................................................17 3.5 De algemene gaswet.....................................................................18 3.6 Temperatuur als maat voor beweging.......................................20 3.7 De wet van Avogadro..................................................................22 3.8 Zwaartekracht en de atmosfeer..................................................22 3.9 De deeltjes in de atmosfeer..........................................................23 Opgaven............................................................................................................25 4 Fasen en hun overgangen..........................................................32 4.1 Ideale en reële gassen..................................................................32 4.2 Van der Waalskrachten..............................................................32 4.3 Vaste stoffen.................................................................................33 4.4 Vloeistoffen...................................................................................34 4.5 Verdamping..................................................................................34 4.6 Verzadigde dampdruk................................................................35 Opgaven............................................................................................................35 5 Nog meer temperatuureffecten...................................................38 5.1 Uitzetten en krimpen...................................................................38 5.2 Water: een geval apart................................................................39 5.3 Warmtegeleiding..........................................................................40 5.4 Warmtecapaciteit.........................................................................41 Opgaven............................................................................................................43 3 6 Moderne ontwikkelingen............................................................49 6.1 Korte terugblik............................................................................49 Groepsopdracht......................................................................................49 6.2 Vloeibare kristallen.....................................................................49 6.3 Zelfherstellende materialen........................................................50 6.4 Granulaire materie......................................................................51 6.5 Hotpads.........................................................................................51 6.6 Piëzokristallen..............................................................................52 Antwoorden op enkele opgaven …………………………………………53 Bijlage A Appletopdrachten...............................................................54 A.1 Wet van Boyle..............................................................................54 A.2 Algemene gaswet..........................................................................54 A.3 De atmosfeer.................................................................................55 A.4 Faseovergangen van de elementen.............................................55 A.5 Afkoelen........................................................................................56 A.6 Verdampen...................................................................................56 A.7 Extra.............................................................................................57 Bijlage B Practica..............................................................................58 B.1. Grootte van een oliedeeltje..........................................................58 B.2. Intermoleculaire ruimte..............................................................58 B.3 Brownse beweging en vrije weglengte........................................59 B.4 Gay-Lussac...................................................................................60 B.5. Hoogtemeter.................................................................................61 B.6. Uitzetting van een staaf...............................................................61 Bijlage C Procesbeschrijving Groepsopdrachten.............................62 Bijlage C.1 Werkverantwoording proces.............................................64 Bijlage C.2 Werkverantwoording algemene vaardigheden................65 Bijlage C.3 Werkverantwoording resultaat.........................................66 Bijlage C.4 Belangrijke Eindtermen uit het examenprogramma.......67 4 GLOBALE OPBOUW VAN EEN PARAGRAAF In het lesmateriaal is een aantal stijlen gebruikt. De belangrijkste leerstof is weergeven in blauwe tekstvakken. De betekenis van de andere kleuren en stijlen is hieronder aangegeven. Pas op! Veel leerlingen voor jou hebben moeite gehad met onderwerpen die in rode tekstvakken nog eens extra aan- dacht krijgen. Zodat jij niet meer in d eze valkuilen zult vallen! Belangrijke nieuwe vergelijkin- gen uit de natuurkunde zijn aan- gegeven in blauwe tekstvakken. Deze heb je nodig om rekenwerk mee te kunnen verrichten. In groene tekstvakken vind je extra uitleg, niet verplicht voor de toets, maar wel een interessante aanvulling op de tekst. Een goed voorbeeld doet goed volgen! In blauwe tekstvakken worden voorbeelden van berekeningen en redeneringen gegeven, zodat je ziet hoe je een opgave aan kunt pakken. Volg de genoemde link in het gele tekst- vak “Internet” en krijg meer uitleg bij een stuk tekst aan de hand van een film- pje of applet. In het blauwe tekstvak “opgave n” staan de opgaven die je na het lezen van de tekst kan gaan maken In het blauwe tekstvak “Samenvat- ting” staat wat je moet weten en kun- nen. In het blauwe tekstvak “Begrippen” staan belangrijkste termen uit de tekst Opgaven staan bij elkaar aan het einde van een hoofdstuk. De opgaven zijn gegroepeerd per paragraaf. Enkele opgaven staan uitgewerkt op p53. 5 1 Inleiding Waarom een lessenserie over eigenschappen van stoffen en Hoofdstukvraag materialen? Tijdens ruimtereizen kan het er heftig aan toe gaan. Van ijzige kilte tot gloei- ende hitte en gigantische krachten en snelheden. Extreme omstandigheden vragen om extreme materialen. Een kleine onvolkomenheid kan fataal zijn… 1.1 Ruimtevaart Internet In het onderstaande filmpje zie je het trieste lot dat de Challenger ten deel viel: http://www.youtube.com/watch?v=9maWcIatweM&feature=related> Op 28 januari 1986 ging het gruwelijk mis. De Amerikaanse space shuttle Challenger explodeerde 73 seconden na de lancering (figuur 1.1). De voltalli- ge bemanning kwam om het leven. Een rubberen O-ring, gebruikt om de stuwraketten mee af te dichten, bleek niet bestand tegen de lage temperaturen op de dag van de lancering. Hete gassen lekten weg en kwamen in contact met de externe brandstoftanks. De tanks, niet berekend op de hitte, bezweken en het opgesloten waterstof en zuurstof kregen vrij spel om met elkaar te reageren. Een razendsnelle ver- branding later bleven er van de Challenger slechts brokstukken over... Figuur 1.1 Met de Challenger space shuttle gaat het gruwe- lijk mis. a) b) Figuur 1.2 Extra - O-ring a) Een O-ring wordt tussen twee buizen geklemd. b ) Doorsnede waarbij de luchtdichte afsluiting zichtbaar wordt. Een O-ring is een cirkelvormig stuk rubber, dat gebruikt wordt om lucht- Op 1 februari 2003 kreeg de Amerikaanse ruimtevaart een nieuwe schok te dichte afsluitingen te maken (figuur 1.2). Je vindt ze in space shuttles, maar verwerken. Zestien dagen eerder was de space shuttle Columbia met succes ook dichter bij huis: in het deksel van de ruimte ingestuurd voor een onderzoeksmissie. De terugkeer in de aardse jam- of appelmoespotten zit bijvoor- dampkring verliep een stuk minder succesvol. beeld een O-ring verwerkt voor een Enorme wrijving bij het binnentreden van de dampkring doet de tempera- vacuümsluiting. tuur rond een space shuttle tot vele duizenden graden Celsius oplopen. Nor- 6 maal biedt een hitteschild hier bescherming tegen, maar vlak na de lancering van de Columbia had een losgelaten stuk isolatieschuim een gat in het hitte- schild geslagen. Bij het betreden van de dampkring kreeg de hitte kans via die zwakke plek de shuttle binnen te dringen. Al snel raakte de shuttle onbe- stuurbaar en enkele ogenblikken later barstte ook de Columbia in stukken uiteen. Geen van de bemanningsleden heeft het ongeval overleefd. 1.2 Stofeigenschappen Uit de voorbeelden in de vorige paragraaf blijkt hoe belangrijk materiaalkeu- ze kan zijn. Mensenlevens staan op het spel! Maar ook in minder extreme gevallen speelt de keuze voor geschikte materialen een grote rol. Een regen- jas die niet waterafstotend is, zal bijvoorbeeld weinig succes hebben. En wat dacht je van een kaasschaaf van rubber? We kunnen ook zeggen: rubber heeft niet de juiste eigenschappen om er een kaasschaaf van te maken. Stofeigenschappen zorgen ervoor dat we stoffen van elkaar kunnen onderscheiden. Er zijn ontzettend veel stofeigenschappen te bedenken. Wat dacht je van kleur, geur en smaak bijvoorbeeld? Maar ook dichtheid, smeltpunt en soortelijke weerstand. Afijn, te veel om op te noe- men. Door te experimenteren, kun je achterhalen welke eigenschappen een stof bezit. Soms is daar ingewikkelde apparatuur voor nodig, maar soms is het al Figuur 1.3 Twee fasen voldoende om even naar buiten te kijken. Naar het water in de sloten bij- water in een glas. voorbeeld: ’s zomers is het een kabbelende vloeibare massa en ’s winters ligt er – met een beetje geluk – een harde laag ijs. Blijkbaar heeft water de eigen- schap dat het in verschillende vormen kan voorkomen, die we natuurlijk kennen als fasen. Extra Verdere experimenten kunnen je leren hoeveel fasen er zijn, onder welke omstandigheden een overgang tussen fasen plaatsvindt en wat nou de ver- schillen tussen de fasen zijn. Je kunt erachter komen of en hoe water elektri- De aanduidingen ‘stof’ en ‘materiaal’ worden nogal eens door elkaar ge- citeit geleidt. Of warmte. bruikt. Maar wat is eigenlijk het ver- schil? In principe kan het geen kwaad om alles met ‘stof’ aan te duiden. Wan- Met genoeg geduld en de juiste apparatuur kun je door te blijven experimen- neer de stof echter bewust ergens toe- teren de eigenschappen van water achterhalen – en natuurlijk ook van alle gepast wordt, spreken we meestal van andere stoffen. een materiaal. We halen bijvoorbeeld uit mijnen de stof goud, dat als materi- aal dient voor het maken van sieraden. Internet Uit sommige experimenten leer je verrassende eigenschappen kennen. Wist jij dat je met een banaan een spijker in een plank kunt slaan (figuur 1.4)? http://www.youtube.com/watch?v=ZAAQHbCvXhI Figuur 1.4 Kan een banaan dit aan? 1.3 Van experiment naar theorie Experimenteren alleen is niet voldoende. Vaak willen we namelijk niet alleen weten wat de eigenschappen van een stof zijn, we willen ook weten waar- door een stof die eigenschappen heeft. Kortom, we willen stofeigenschappen kunnen verklaren. Om prangende vragen te beantwoorden – “waarom zijn waterstof en zuurstof gassen en is water een vloeistof?” – maar ook om bete- re keuzes te kunnen maken met het oog op toepassingen. 7 In deze lessenserie zullen we stofeigenschappen zowel vanuit experimenteel als theoretisch oogpunt bekijken. Natuurlijk is het onmogelijk om alle stofei- genschappen te behandelen. Niet alleen zijn het er ontzettend veel, van een heleboel stofeigenschappen is de theoretische verklaring ook nog eens be- hoorlijk ingewikkeld. We zullen ons dan ook richten op een select groepje eigenschappen, dat relatief eenvoudig te verklaren is. Om die eigenschappen te verklaren, kijken we naar het gedrag van die stof- fen zoals we ze van buiten kunnen waarnemen en naar het gedrag van hun moleculen. Zo gaan we onder andere in op de volgende vragen: • Waardoor kennen stoffen verschillende fasen? • Hoe gedragen gassen zich? • Waardoor zetten stoffen uit als we ze verwarmen? • Hoe gaat warmtegeleiding in zijn werk? Het zijn dit soort vragen die we in de komende hoofdstukken zullen beant- woorden. Begrippen Samenvatting Je kunt: Stofeigenschappen Fasen • een relatie leggen tussen stofeigenschappen en de functie die de stof in een gegeven toepassing heeft; • het belang van kennis van stof- en materiaaleigenschappen aan de hand van voorbeelden toelichten; • stofeigenschappen van verschillende stoffen met elkaar vergelijken. Opgaven §1.2 1 Verschillen en overeenkomsten a. Noem twee verschillen in eigenschappen tussen: • Goud en aluminium • Water en terpentine b. En twee overeenkomsten? 8 2 Stofeigenschappen in BINAS a. Zoek in BINAS vijf stofeigenschappen op. Welke kun je vinden en in wel- ke tabel staan ze? b. Vergelijk de door jou gevonden eigenschappen met die van jouw buur- man of –vrouw. Welke andere eigenschappen heeft hij/zij kunnen vin- den? 3 Het juiste materiaal a. Noem een drietal eigenschappen dat het materiaal voor een colafles vol- gens jou moet hebben. b. Zoek in BINAS op wat de beste geleider is van elektrische stroom. c. Stroomdraden worden meestal van koper gemaakt. Bedenk waarom ze niet worden gemaakt van het materiaal dat je bij b) gevonden hebt. 9 2 Het zijn de kleine dingen die het doen Hoofdstukvraag Hoe kunnen we de opbouw van stoffen modelleren? Alle materie in de wereld om ons heen en wijzelf bestaan uit kleine deeltjes. Moleculen, atomen, elektronen… we praten over deze deeltjes alsof ze be- staan. Toch heeft nog nooit iemand er een van gezien en dat zal ook nooit gaan gebeuren. Althans: niet met het blote oog en ook niet met een lichtmi- croscoop. Alleen met heel geavanceerde apparaten, zoals de scanning tunne- ling microscope, kunnen we ze waarnemen. Waarom zijn we toch zo over- tuigd van het bestaan van deze minuscule deeltjes? Omdat we er een hoop waarnemingen mee kunnen verklaren! 2.1 Deeltjesmodellen Een goed model is zo eenvoudig mogelijk, maar realistisch genoeg om een Extra - Democritus verklaring te geven van waargenomen feiten. Vaak bevat een model elemen- ten die een verband leggen met iets dat al bekend is. Bijvoorbeeld, de voor- stelling van een atoom als een knikker of biljartbal. Dat helpt niet alleen het Al in de 4e eeuw voor Christus opperde voorstellingsvermogen, maar het is ook een bewuste strategie in de natuur- de Griek Democritus dat stoffen waren opgebouwd uit kleine deeltjes. Hij kunde om bestaande kennis zo efficiënt mogelijk te gebruiken. noemde deze deeltjes “atomen” – niet te verwarren met wat we daar tegenwoor- dig onder verstaan – naar het Griekse Voor theorieën over stofeigenschappen worden modellen van de opbouw van woord atomos dat “ondeelbaar” bete- stoffen gebruikt. Lange tijd kwamen mensen niet verder dan een continu- kent. Hoewel zijn redeneringen meer ummodel: het idee dat alle stoffen continu en oneindig vaak deelbaar zijn. filosofisch dan wetenschappelijk van Een “kleinste stukje” van een stof bestond in hun ogen niet. Ook nu nog aard waren, wordt Democritus gezien als de grondlegger van het deeltjesmo- wordt dit model vaak gebruikt in toepassingen zoals berekeningen aan stro- del. In zijn tijd kregen zijn ideeën echter mingen van lucht en vloeistoffen. Voor de bestudering van deze verschijnse- weinig bijval, en het zou nog zo’n twee- len zijn alleen direct meetbare eigenschappen zoals druk, temperatuur, etce- duizend jaar duren voordat het deel- tera van belang. tjesdenken echt van de grond kwam. En nu? Everything is made of atoms! Na de Middeleeuwen begon er verandering te komen in de ideeën over de stoffelijk wereld. Door experimenten kwamen nieuwe verbanden aan het licht en voor de verklaring van deze ontdekkingen bleek het continuümmo- del steeds vaker ontoereikend. Een heel ander idee bood uitkomst: het idee dat stoffen zijn opgebouwd uit minuscule deeltjes en er dus wél een kleinste stukje van een stof bestaat. We noemen dit idee in het algemeen een deeltjesmodel. De eerste deel- tjesmodellen waren nogal simpel van aard: elke stof zou zijn opgebouwd uit kleine, ondeelbare bolletjes. Toch kon hiermee al een groot aantal stofeigen- schappen in ieder geval kwalitatief verklaard worden. Te denken valt aan het gedrag van gassen, het bestaan van fasen en faseovergangen en tempera- tuureffecten als uitzetten en warmtegeleiding. De meeste natuurkundige 10