Hoofdstuk 18 Nieuwe materialen Scheikunde vwo 6
§18.2 Metalen en legeringen
Toepassingen van metalen
Koper en brons
Koper wordt in vloeibare toestand vaak gemengd met tin, omdat het te zacht is voor
veel andere toepassingen. Na afkoelen ontstaat dan de legering brons, die veel harder
is en onder meer wordt gebruikt voor het gieten van klokken en beelden.
Ijzer en staal
Onedele metalen zoals ijzer zijn vrij goede reductoren die gemakkelijk aangetast
worden door zuurstof en water. Daarom moet je ijzeren voorwerpen beschermen,
bijvoorbeeld met een laagje verf. Deze ongewenste aantasting van metalen wordt
corrosie genoemd (bij ijzer ook wel roest genoemd). IJzer is relatief goedkoop, omdat
ijzererts op veel plaatsen in de grond zit en het ijzer redelijk gemaakt kan worden
vrijgemaakt in een hoogoven uit erts. Zuiver ijzer is vrij zacht, maar gemengd met een
beetje koolstof, ontstaat staal dat veel harder is dan ijzer en wordt gebruikt voor
bruggen, gebouwen en auto’s. Je kunt een plaat ijzer ook sterker maken door hem te
walsen of te bewerken met een hamer (smeden).
Aluminium
Aluminium is een zeer onedel metaal en wordt geproduceerd door elektrolyse van
gesmolten bauxiet (aluminiumerts). Dit kost veel energie. Aluminium is daarom duurder
dan ijzer, maar wordt veel toegepast in onder meer de luchtvaart, omdat het lichter is
dan ijzer en hoewel het zeer onedel is, blijkt het niet te worden aangetast door corrosie.
Metalen en de standaardelektrodepotentiaal
In de tabel hiernaast staat de edelheid van een aantal metalen en hun
standaardelektrodepotentiaal. Aluminium is een sterkere reductor dan ijzer, maar hoeft
niet te worden beschermd tegen corrosie doordat aluminium zelf een zeer dun laagje
aluminiumoxide vormt. Deze laag sluit het metaal af voor invloeden van buiten en
voorkomt verdere aantasting. Ook chroom vormt een laagje chroomoxide en is
daardoor beschermd tegen corrosie. Daarom wordt ijzer vaak gemengd met minimaal
12% chroom. Er ontstaat dan een afsluitend laagje chroomoxide. Zo’n legering, waarin
ook vaak nikkel en koolstof zit, wordt roestvast staal (rvs) genoemd.
De edelheid van metalen wordt bepaald door de reductorsterkte. Edele metalen hebben
een hoge standaardelektrodepotentiaal, onedele metalen een lage. Onedele metalen
moeten worden beschermd tegen corrosie. Onder meer aluminium en chroom vormen
een beschermend oxidelaagje.
, Bouw van metalen
Als je kijkt naar de eigenschappen van metalen en andere materialen op macroniveau,
dan kijk je op het niveau waarop stoffen en materialen in de praktijk worden gebruikt,
bijvoorbeeld geleiding. Deze eigenschap kun je alleen verklaren als je op microniveau
kijkt naar de bouwstenen van stoffen, de moleculen, ionen en atomen. Een metaal
bestaat uit positief geladen metaalionen, omringd door negatief geladen, vrij
bewegende valentie-elektronen. De aantrekkingskracht tussen deze geladen deeltjes,
de metaalbinding, is heel sterk. De smeltpunten van bijvoorbeeld ijzer en wolfraam zijn
daardoor ook heel hoog. De valentie-elektronen kunnen door het metaal bewegen,
waardoor metalen goede geleiders van elektriciteit zijn. Ook spelen deze vrij bewegende
elektronen een rol bij de goede geleiding van warmte in metalen.
Een andere eigenschap op macroniveau van metalen is buigzaamheid en kun je niet
volledig verklaren vanuit microniveau. Je moet nu ook kijken naar grotere structuren,
naar de wijze waarop de deeltjes van microniveau gegroepeerd zijn. Dit noem je het
mesoniveau en zit tussen micro en macro in.
Op mesoniveau vormen metalen kleine kristallen (groepjes van metaalionen). Ze
hebben een metaalrooster, maar de ene sluit niet precies aan op het andere
metaalrooster. Met de kristalstructuur kun je verklaren waardoor je metalen goed
kunt vervormen en bewerken. Als je voldoende kracht uitoefent op een stukje metaal,
verschuift een laag positief geladen metaalionen in een metaalrooster van een kristal.
De negatief geladen valentie-elektronen bewegen hier tussendoor en houden de
metaalionen op hun nieuwe plaats bij elkaar. De metaalbinding blijft zo in stand.
Geleidbaarheid en buigzaamheid zijn eigenschappen van metalen op macroniveau.
Geleidbaarheid wordt op microniveau verklaard door de bouwstenen van metalen,
positieve ionen en vrij bewegende elektronen. Buigzaamheid wordt op mesoniveau
verklaard door de vorming van kristallen met een metaalrooster.
Roosterfouten
Vaak worden er legeringen gebruikt die minder gemakkelijk vervormen en beschadigen,
want zuivere stoffen zijn vrij zacht. Door veranderingen aan te brengen in het
metaalrooster, verander je de eigenschappen van het metaal op macroniveau. Bij een
legering is een deel van de atomen vervangen door andere atomen die groter of kleiner
zijn. Op mesoniveau zorgen deze atomen voor verstoringen van het metaalrooster, je
veroorzaakt dus roosterfouten. Hierdoor wordt het verschuiven van de lagen in de
metaalkristallen veel moeilijker, waardoor legeringen harder zijn dan zuivere metalen.
Als ijzer meer dan 2% koolstof bevat wordt het zo hard dat het nauwelijks kan
vervormen en zelfs bros wordt. Dus het zal barsten als je het met een hamer bewerkt.
