Productietechnologie - Samenvatting (PDF)

PRODUCTIETECHNOLOGIE THEMA II: MATERIE EN GRONDSTOFFEN Materie: alles wat in de kosmos massa en volume heeft Materiaal: een stof die verwerkt is tot (een onderdeel van) een concreet product of halffabricaat. Kennis van en inzicht in de structuur van materie onmisbaar o Begrijpen hoe gro...

PRODUCTIETECHNOLOGIE THEMA II: MATERIE EN GRONDSTOFFEN Materie: alles wat in de kosmos massa en volume heeft Materiaal: een stof die verwerkt is tot (een onderdeel van) een concreet product of halffabricaat. Kennis van en inzicht in de structuur van materie onmisbaar o Begrijpen hoe grondstoffen en materialen kunnen worden ingezet in productieprocessen o Waarom hebben producten andere mechanische, fysische, thermische, elektrisch eig? o Toepassingsmogelijkheden? Wisselwerking tussen structuur, verwerkingstechnologie en materiaalkeuze 1. Structuur van materie Stoffen bestaan uit atomen Verbinden zich onderling d.m.v. chemische bindingen Stoffen classificeerbaar: anorganisch & organisch Elementaire stoffen: zuivere stoffen die noch via chemische noch via elektrische weg kunnen ontbonden worden in eenvoudigere zuivere stoffen Terug te vinden in periodiek systeem (zie cursus extra notities) o Geordend op basis van eigenschappen en structuur Meeste elementen komen voor als verbindingen, zoals H20, zelden als H of O op zichzelf 1.1 Opbouw van het atoom Opgebouwd uit: Atoomkern o Protonen: positief geladen o Neutronen: neutraal geladen Elektronenwolk er rond o Elektronen: negatief geladen Atoomnummer Z = #P of #E Massagetal A = #P + #N Atoomlading = neutraal 1 Matteo Ballegeer Atomen met zelfde kernlading, maar verschillend aantal neutronen = isotopen Verschillend massagetal, zelfde atoomnummer Zelfde chemische eigenschappen, verschillende fysische eigenschappen Kern: 10-12 cm Atoom: 10-8 cm kern heel klein in vergelijking met het hele atoom 1u = 1 a.m.u. = 1 atomaire massa eenheid = 1,6605620 x 10-27 kg 1 atoom 12C: 12 a.m.u. 1 mol 12C: 6,022 x 1023 (getal van Avogadro NA) atomen 12C = 12g Massadefect 1 mol 12C= 12g 1 atoom 12C : ∑ [(6e- x 9,11. 10-31kg + 6p+ x 1,67. 10-22 kg + 6n x 1,62. 10-22 kg) x NA= 12,07 Bestanddelen van het atoom wegen 12,07g; in gebonden toestand maar 12g => er gaat 0.07g/mol massa verloren: dit is het massadefect Massa wordt aan de omgeving gegeven in de vorm van energie (Einstein E=m.c2 : link massa en energie) Vrijgekomen energie: intra-atomaire bindingsenergie (!!!) Atoommodel van Bohr Chemisch gedrag van atomen wordt bepaald door aantal en locatie van elektronen in elektronenwolk Aantal elektronen per schil 2n2 e- Buitenste schil nooit meer dan 8: de valentie elektronen: bepalen in grote mate chemische eig. Buitenste schil gevuld? => Octetstructuur = edelgasconfiguratie: meest stabiele elektronen o Inert = niet reactief Kwantummechanica Elektronen niet enkel eigenschappen van deeltjes, maar ook van golven Schrödinger: golfvergelijking: beschrijft beweging van deeltjes in termen van hun energie Zo goed mogelijke benadering, oplossing te complex om exact op te lossen Geeft waarschijnlijk aan waar een elektron met een bepaalde energie kan worden aangetroffen. o Kans hoogst om een elektron aan te treffen op plek met hoge elektrondensiteit 2 Matteo Ballegeer Orbitaal: ruimte rond kern waar een elektron met bepaalde energie meest aanwezig is Drukken dus uit waar je een elektron kan vinden Gegroepeerd op vaste energieniveau: volgens hoofdkwantumgetal o Op elk energieniveau 1 of meer orbitalen o Max 2 e- per orbitaal, max 2n2 e- per schil Niveau 1 (max 2 elektr.): 1 orbitaal: s-orbitaal: Sferisch, bolsymmetrisch (dichtst bij kern) Niveau 2 (max 8 elektr.): 4 orbitalen: 2s-orbitaal (bolsymmetrisch, maar straal groter verder van kern, hoger energieniveau) 2px-orbitaal (in x dimensie) Zelfde energie-inhoud 2py-orbitaal (in y dimensie) Peervormige halters, symmetrisch rond assen die onderling loodrecht op elkaar staan 2pz-orbitaal (in z dimensie) Niveau 3: (max elektr.): 9 orbitalen: één 3s-, drie 3p- en vijf 3d-orbitalen ….. Elektronenverdeling over niveaus (3 regels) 1. Afbauprincipe Eerst laagste energieniveaus invullen 2. Regel van Hund Orbitalen qua energie gelijk: o Eerst alle orbitalen met één elektron opvullen o Vb. (2px , 2py , 2pz) 3. Pauli-principe Elke orbitaal max 2 elektr. o Moeten een tegengestelde elektronenspin hebben = gepaarde elektronen 1.2 Atoombindingen en moleculen Aantal valentie elektr. Bepaalt voor groot deel chemische eigenschappen Alle atomen streven naar edelgasconfiguratie (8 elektr. Op buitenste schil) o Edelgassen hebben deze al, ze zijn chemisch inactief (inert) o Andere atomen realiseren dit door een binding aan te gaan met één of meer andere atomen => ontstaan moleculen d.m.v. afstaan en opnemen van valentie-elektronen Metalen staan valentie-elektronen af Niet-metalen nemen valentie-elektronen op Elementen met eigenschappen van beide, zijn metalloïden of semi-metalen o vb. boor, silicium 3 Matteo Ballegeer Drie Soorten primaire bindingen 1. Ionbinding of heteropolaire binding Gevolg van onderlinge aantrekkingskracht + en – geladen ionen Vooral tussen metalen en niet metalen dus Door elektrostatische aantrekkingskracht binding tussen verschillend geladen ionen => creatie kristalrooster, met + en – gebonden aan elkaar Vooral anorganische stoffen 2. Covalente binding of homopolaire binding Voornamelijk bij niet-metalen en metalloïden Eén of meer valentie-elektr. van elk atoom behoort gelijktijdig tot beide atomen o Zowel tussen zelfde (vb. Cl-Cl) en verschillende (vb. CH4) atoomsoorten Ene atoomorbitaal overlapt met andere atoomorbitaal => gemeenschappelijk molecuulorbitaal o Symmetrisch langs as beide kernen: Lineaire overlap: σ-binding o Parallel aan elkaar staande p-orbitalen: zijdelingse overlap: π-binding Elektronenverdeling van atoom op zich (vb. C) is niet altijd hetzelfde als de verdeling van datzelfde atoom in gebonden toestand Vooral bij organische verbindingen Simpelste organische verbinding: CH4 (methaan): vier valentie-elektronen o Bewegen in een gehybridiseerd sp3- orbitaal, met lengteassen in de vorm van een tetraëder. Hybridisatie: her-mengen van de orbitalen: hier sp3-hybridisatie Van één s- en drie p-orbitalen naar vier sp3-orbitalen Bindingshoeken: 109,5° (zo ver mogelijk van elkaar) Vorm zeer geschikt voor lineaire overlap: sterke covalente σ-bindingen Vaak dubbele of driedubbele bindingen tussen koolstofatomen = onverzadigdheid o bv. etheen H2C = CH2 en ethyn HC ≡ CH o Belangrijke rol bij (polymerisatie) voor bv kunststoffen Lineaire overlap van twee gehybridiseerde sp2-orbitalen (σ-bindingen) + zijdelingse overlap van twee (ongehybridiseerde) p-orbitalen (π-binding). 4 Matteo Ballegeer  3 dubbele binding: één σ-binding, twee π-bindingen o Lineaire overlap van twee gehybridiseerde sp2-orbitalen (σ-bindingen) + 2 zijdelingse overlappingen van 2x twee (ongehybridiseerde) p-orbitalen (2 π-bindingen) 3. Metaalbinding Metalen hebben weinig valentie-elektronen, dus gooien ze ze allemaal samen. => positieve metaalionen met daartussen valentie-elektronengas Metaalkristal: stapeling positief geladen ionen, waarin valentie-elektronen zich vrij bewegen. Elektronengas: verzorgt de verbinding. Valentie-elektronen zijn niet aan een bepaalde plek gebonden Overige elektronen blijven gelokaliseerd aan de positief geladen ionen! EIGENSCHAPPEN MATERIALEN STERK VERBONDEN MET STRUCTUUR: VANDAAR HET BELANG Bindingslengte en –sterkte Intramoleculaire afstand bepaalt sterkte van bindingen In termen van energie: gunstig om minimale energie-inhoud te hebben, dus maximale uitstoot aan omgeving Te ver: zwak, aantrekkingskracht niet sterk genoeg Te dicht: afstoting van positieve kernen, meer energie inhoud, minder gunstig Optimum hier een minimum: optimale energiewinst (minimale inhoud, maximale uitstoot) Bindingslengte: optimale afstand tussen atomen voor bindingen met minimale energie-inhoud INTRAMOLECULAIRE bindingsenergie!!! Bindingssterkte: Energie die op optimum vrijkomt aan omgeving o Ook energie nodig om binding te breken Koolwaterstoffen hebben een grote bindingssterkte 5 Matteo Ballegeer 1.3 Elektronegativiteit In HF: Fluor is negatief geladen , H positief geladen o Bij atomen met verschillende elektronegativiteit o Negatieve elektr. zal eerder naar fluor getrokken worden: negatieve pool δ- Permanente dipolen o Positieve H-atoom trekt er minder aan: positieve pool δ+ = Covalente binding met partieel ionair karakter = Polaire covalente binding o Symmetrische moleculen zijn apolair Elektronegativiteit: relatieve aantrekkingskracht van atoomkernen op de bindingselektronen Referentieatoom fluor: 4,0 Polariteit van een binding: verschil van elektronegativiteit van de atomen ΔEN => vertelt ons welk type binding het is: Door beweging van de elektronen in de molecule ontstaan plekken waar lading niet evenredig verdeeld is = geïnduceerde dipool: was apolair, aantrekkingskrachten heffen elkaar op o polariteit geïnduceerd door andere moleculen/atomen 1.4 Intermoleculaire krachten Actief tussen moleculen onderling of tussen moleculen en ionen Van der Waals (secundaire bindingen: fysische aantrekkingskrachten tussen permanent en geïnduceerde dipolen. 1. Dipool – dipool krachten (Keesom-krachten) Tussen 2 (permanente) dipolen onderling Negatieve en positieve deellading trekken elkaar aan 2. Dipool – geïnduceerde dipool (Debye-krachten) Tussen dipool en geïnduceerde dipool Geïnduceerde dipool was apolair, de aantrekkingskrachten heften elkaar op o Dipool soort magneet die polariteit induceert 3. Geïnduceerde dipool – geïnduceerde dipool (London-krachten) Beide moleculen induceren elkaar INTERMOLECULAIRE KRACHTEN: INVLOED OP FYSISCHE EIG. Vb. sterkte, oplosbaarheid (apolair goed in apolair, polair goed in polair) Smeltpunt, kookpunt,… INTERATOMAIRE KRACHTEN: INVLOED OP CHEMISCHE EIG Vb. atoommassa, elektronegativiteit, elektronenconfiguratie,… 6 Matteo Ballegeer Waterstofbruggen Waterstof legt een brug tussen twee elektronegatieve atomen waarbij het aan de ene kant verbonden is door een polair covalente binding en aan de andere kant door elektrostatische krachten. Sterkste intermoleculaire krachten Tussen positief gepolariseerd wateratoom en vrij elektr. paar van een klein elektronegatief atoom Dipool-dipool kracht 20 kJ/mol (nog steeds 20x kleiner dan primaire bindingen (400kJ/mol Komen voor tussen watermoleculen, maar ook tussen andere atomen onderling o Bv. ethanol: hoog kookpunt en grote verdampingswarmte Factoren die het gemak waarmee moleculen Van der Waalskrachten kunnen aangaan bepaalt. Polariseerbaarheid: Mate waarin een verstoring van de elektronenverdeling in de molecule kan veroorzaakt worden door een andere molecule. o Grote, diffuse elektronenwolk -> sterk polariseerbaar. Grootte van contactoppervlak o Grote moleculen dus hoger kookpunt dan kleinere o Moleculen met lange rechte keten: groter contactoppervlak dan moleculen met veel vertakkingen. 1.5 Aggregatietoestanden Kinetische energie Translatie-energie Vibratie-energie Rotatie-energie Elektrische energie Nemen toe met de absolute temperatuur Aggregatietoestand wordt bepaald door balans tussen potentiële energie gekoppeld aan intermoleculaire aantrekkingskrachten en de kinetische energie van de samenstellende deeltjes. Translatie Rotatie Vibratie Vorm Volume Gas X X X Variabel Variabel Vloeistof Beperkt X X Variabel Vast Vaste - - Beperkt Vast Vast stof Bij gassen: intermoleculaire krachten verwaarloosbaar t.o.v. kinetische krachten => ideaal gas Verlagen temp: lagere kinetische energie: Van gas naar vast: verlaging van kinetische energie, stijging van intermoleculaire krachten 7 Matteo Ballegeer Gassen P.V=n.R.T met R = ideale gasconstante = 8,314 J. mol-1. K-1 1. Sterk samendrukbaar: als p stijgt, moet V dalen 2. Thermische expansie: T stijgt, V stijgt: gassen zetten veel sterker uit dan vloeibare / vaste stoffen 3. Lage viscositeit: Weerstand van het over elkaar glijden van moleculen Kleine intermoleculaire krachten -> lage weerstand -> lage viscositeit 4. Kleine dichtheid: Eenheid = g/L: ongeveer 1 tot 1,5 g/L 5. Onderling oneindig mengbaar: homogeen mengsel Vloeistoffen 1. Beperkte samendrukbaarheid: sterkere intermoleculaire krachten 2. Mengbaar, maar trager 3. Grotere viscositeit: grotere intermoleculaire krachten Temperatuurafhankelijk: hogere temp. = lager viscositeit o Hogere temp. = hogere kin. energie = lagere intermol. krachten = lagere viscositeit Vaste stof Ruimtelijk ordelijk patroon: symmetrisch en regelmatig Gerangschikt in een 3D basispatroon dat zich voortdurend herhaalt: kristallijne structuur o Eenheidscel: de eenvoudigste verzameling van roosterpunten die bij herhaling in de drie dimensies het volledige kristalrooster oplevert o Eigenschappen kristallijne materialen afhankelijk van 1. Kristalstructuur 2. Grootte van kristallen 3. Uniformiteit in afmetingen van de kristallen 4. Sterkte van de bindingen tussen de atomen 5. Fouten in het kristalrooster o Structuur bepaald door samenstelling (type eenheidscel), temperatuur en druk o Vooral metalen en anorganische stoffen (uitzondering: veel glassoorten) Types eenheidscellen (belangrijkste): roosterpunten op hoeken (en center of vlakken) 8 Matteo Ballegeer  Amorfe stoffen: geen herhalend driedimensionaal patroon o Organische stoffen (uitzondering: sommige kunststoffen Bepaalde stoffen komen voor in meerdere structuren: polymorf of allotroof Vb. Koolstof: diamant en grafiet Diamant: hard, doorzichtig, transparant, geen geleider Grafiet: niet transparant, zacht, wel geleider Zelfde materiaal -> totaal andere eigenschappen Reden: andere structuur Eigenschappen en gedrag van materialen wordt bepaald door de structuur Diamant Tetrahedrale structuur: allerlei tetraëders aan elkaar Koolstof in sp3-gehybridiseerde toestand o Elk C-atoom omgeven door 3 gehybridiseerde sp3-orbitalen Allemaal sterke chemische primaire σ-bindingen tussen de C-atomen Grafiet Hexagonale structuur: vlak van zeshoeken C-atoom in sp2-gehybridiseerde toestand o Elk C-atoom omgeven door 3 sp2 gehybridiseerde orbitalen o Elke C 3 sterke chemische primaire σ-bindingen met de C atomen in het vlak Loodrecht het 2p2 orbitaal voor elke C -> fysische secundaire aantrekkingskrachten (London) o Zwakke krachten tussen vlak -> laagjes afveegbaar (Schrijven met potlood) 1 laagje grafiet = grafeen: zeer sterk, transparant, gas ondoorlatend, geleidend,… Faseovergangen Bij constante druk: faseovergangen bij welbepaalde temperatuur Gas -> vloeistof -> vast = Exotherm vast -> vloeistof -> gas = endotherm Toestandsdiagramma Samenvoegen dampspanningslijn, smeltlijn en sublimatielijn Triple point: snijpunt van de 3 lijnen Lage druk: lager kookpunt Toepassing: gas opslaan: inefficiënt, grote tanks nodig door kleine dichtheid/grote spreiding => afkoelen of druk verlagen om ze in vloeibare toestand te bewaren 9 Matteo Ballegeer  Ook: vriesdrogen: water verwijderen om microbieel bederf te vermijden -> langer houdbaar Alternatief is verdamping door temp. stijging o Nadeel: verlies smaak en geur Vriesdrogen: 1. Water afkoelen tot ijs 2. Sublimeren: van vast naar gas door drukverhogen => water verwijderd: minder microbieel verderf => geen geur of smaakverlies Faseovergangen van water Tijd: tijd waarin je energie toevoegt aan stof 1. ijs: sterke moleculaire krachten Energie toevoegen, kinetische kracht neemt toe 2. ijs & water: eerste moleculen beginnen te roteren Energie toevoegen, temperatuur blijft constant => toegevoegde energie wordt gebruikt voor verbreken intermoleculaire krachten, zodat al het ijs vloeibaar wordt, niet voor temperatuurstijging: molaire smeltenthalpie: hoeveelheid energie voor 1 mol ijs (0°C) -> 1 mol water (0°C) 3. Water: energie toevoegen, temperatuur neemt toe, kinetische energie stijgt molaire warmtecapaciteit van water: energie nodig om 1 mol water 1°C te laten stijgen in warmte 4. Eerste moleculen beweegt naar gasvorm, translatie mogelijk: kookpunt: ontstaan stoom Energie toevoegen, temperatuur blijft constant => idem: energie gebruikt voor omzetting naar gasvorm (breken intermoleculaire krachten) molaire verdampingsenthalpie (latente verdampingswarmte) = hoeveelheid benodigde energie om 1 mol water (100°C) om te zetten tot 1 mol stoom (100°C) Energie-inhoud stoom op 100°C groter dan van water op 100°C Molaire warmtecapaciteit stoom: energie nodig om 1 mol temp. met 1°C te laten stijgen Water: sterke intermoleculaire krachten 1. Relatief grote molaire verdampingsenthalpie GRAFIEK GELDT BIJ EEN DRUK VAN 1atm ! DRUKAFHANKELIJK 10 Matteo Ballegeer 2. Industriële grondstoffen Primaire grondstof: Alle elementen en verbindingen/mengsels in de natuur om iets mee te produceren of om energie uit te halen Soorten primaire grondstoffen 1. Uit atmosfeer: vb. zuurstof 2. Uit hydrosfeer: vb. ijskappen, zoetwater, zeewater, grondwater,… 3. Biomassa 4. Energieflowing: zonne-energie, waterkracht, windenergie,… 5. Delfstoffen: uit aardkorst Als gas/ vloeistof: aardolie en aardgas Als vaste vorm: in gesteenten: heterogene mengsels o Mineralen: homogene bestanddelen ervan Grote diversiteit aan stoffen: belangrijkste: zuurstof, silicium, alkalimetalen en aardalkalimetalen Studie van gesteenten: petrologie Soorten gesteenten (in aardkorst) 1. Magmatische gesteenten: Ontstaan door stolling van magma Opgebouwd uit silicaten, alkalimetalen en aardalkalimetalen Stolling bij oppervlak -> stollingsgesteenten: bv. basalt en graniet Magma: vloeibare silica met daarin opgeloste ionen van ijzer, alkalimet. en aardalkalimet. 2. Sedimentaire gesteenten: door erosie/verwering losgemaakt, elders neergezet: sedimentatie Erosie door water, wind, massabeweging, ijs,… Neerzetting in laagjes: zorgt voor gelaagdheid of stratificatie Lagen drukken op elkaar: compactie/diagenese bv. zandsteen, kalksteen 3. Metamorfe gesteenten: herkristallisatie van bestaande gesteenten (magmatisch, sedimentair,…) Onder invloed van hoge temperatuur en/of druk Nieuwe mineralen kristalliseren uit en vormen mineraalassociatie in evenwicht met nieuwe temperatuur- en drukvoorwaarden Vb. leisteen, marmer Mineralen: fysische en chemische bestanddelen in heterogene gesteenten Bijna altijd in vaste toestand (behalve kwik) Bijna altijd anorganische toestand en kristallijn (behalve zand) Vb. kwarts (meer dan 10% van aardkorst) SILICIUM EN ZUURSTOF BELANGRIJKSTE STOFFEN!! 11 Matteo Ballegeer Indeling mineralen (TABEL CURSUS) 1. Volgens gesteenten waarin ze voorkomen: bv. sedimentaire, metamorfe, magmatische 2. Volgens chemische samenstelling a. Elementen: voorkomen in elementaire vorm b. Anorganische verbindingen c. Organische verbindingen 2.2 Ontginning van delfstoffen 1. Dagbouw: delfstonnen winnen aan de oppervlakte, bv. in een groeve. Van kleine tot enorme groeves 2. Schachtbouw: bekendste vorm van mijnbouw: vanuit verticale schachten (tot honderden meters diep) en/of tunnels (kilometers lang) delfstoffen winnen. 3. Aanboren en vervolgens vloeibaar of in gasvorm naar de oppervlakte brengen 2.3 Economische en industriële relevantie van delfstoffen Veel mineralen economische relevantie als grondstof bij industriële productie Mineralen die een waardevol mineraal bevatten: ertsmineralen: o komen voor in ertsen (gesteenten) Vb. galeniet, hematiet Andere doeleinden: industriële mineralen Voorbeelden o Kwarts als grondstof voor glasindustrie o Gips voor plaasterbereiding o Calciet voor bereiding kalk en cement 2.4 Grondstoffen in België Beperkte aanwezigheid van grondstoffen Extra: EU rapport Critical Raw Materials x-as: belang in economie y-as: dreiging gebrek aan voorraad Kritieke zone: rechts bovenaan: grote waarde, kleine hoeveelheid: Critical raw materials helemaal bovenaan: zeldzame aardmetalen 12 Matteo Ballegeer