Deze oefentoets bestaat uit vijf vragen over het onderwerp polymeren.
De uitwerking vind je na het openen van alle hints. Let op, als er geen ‘Controleer antwoord’ knop staat, moet je zelf je antwoord controleren met behulp van de hints en uitwerking.
Vraag 1
Vraag 2
PVC wordt in de chemische industrie op grote schaal gemaakt door polymerisatie van chlooretheen. PVC wordt vervolgens in korrelvorm geleverd aan fabrieken waar men van PVC bijvoorbeeld kozijnen, deuren, waterleidingen en kabels maakt. Hierbij wordt gebruik gemaakt van het feit dat PVC een thermoplast is.
Voorafgaand aan de verwerking tot kozijn voegt men aan PVC korrels allerlei stoffen toe, zoals kleurstoffen en stabilisatoren. Als PVC wordt verwarmd zonder stabilisator, ontleedt het bij verwarmen waarbij waterstofchloride ontstaat. Bij deze ontleding ontstaan in moleculen PVC zogenoemde geconjugeerde bindingen. Daarbij zijn om en om C-C en C=C bindingen aanwezig. De H-atomen rondom de C=C bindingen nemen hierbij de trans-configuratie aan.
Vraag 3
Penta-1,4-dieen kan bij polymerisatie crosslinks vormen.
Teken een stukje uit het midden van het polymeermolecuul bestaande uit drie monomeereenheden van polypenta-1,4-dieen waarbij de middelste repeterende eenheid een crosslink heeft gevormd met een andere polymeerketen (die ook uit drie monomeereenheden bestaat). Ga ervan uit dat de polymeerketen via 1,2-additie tot stand is gekomen.
Vraag 4
Nafion is een polymeer dat wordt toegepast als membraan in een bepaald type batterij. Nafion kan beschouwd worden als een additiepolymeer, ontstaan uit twee soorten monomeren. Een gedeelte uit het midden van een molecuul Nafion kan als volgt worden weergegeven:
In dit gedeelte wisselen beide monomeereenheden elkaar niet regelmatig af.
De groepen die in bovenstaande structuurformule met –SO3H zijn aangeduid, worden sulfonzuurgroepen genoemd.
Vraag 5
Het koelen van kantoorgebouwen kost veel energie. Een manier om de energiekosten voor het koelen te verminderen is het dak van het gebouw met sponsachtig materiaal te bedekken dat regenwater opneemt. Wanneer later de zon schijnt, verdampt het water waardoor het gebouw minder opwarmt. Een groep wetenschappers heeft onderzocht of een hydrogel hiervoor een geschikt materiaal is. Een hydrogel is een homogeen mengsel van een polymeer met water. De watermoleculen zijn ingesloten tussen de polymeerketens. Interacties tussen de ketens zorgen ervoor dat het mengsel niet vloeibaar is en niet ontmengt. Wetenschappers onderzochten eerst of een hydrogel gebaseerd op het polymeer pHEMA geschikt was om gebouwen te koelen. pHEMA is het additiepolymeer van HEMA.
pHEMA wordt bereid door aan een mengsel van HEMA met water een kleine hoeveelheid ammoniumpersulfaat, (NH4)2S2O8, toe te voegen. De initiatiereactie van de polymerisatie is hieronder weergegeven.
S2O82– ⟶ 2 SO4– (initiatie)
Het deeltje SO4– is het radicaal dat de polymerisatie op gang brengt.
Het radicaal SO4– reageert met HEMA, waardoor uiteindelijk pHEMA ontstaat.
pHEMA kan veel water opnemen. Als pHEMA geheel met water wordt verzadigd, bedraagt het massapercentage water in de ontstane hydrogel 72%.
Omdat pHEMA in de praktijk bleek tegen te vallen, is het verwante polymeer pNIPAM onderzocht. In figuur 1 is een gedeelte van de microstructuur van pNIPAM weergegeven. pNIPAM is een netwerkpolymeer dat wordt gemaakt uit twee monomeren. Bij de polymerisatie treden uitsluitend additiereacties op.
Als pNIPAM-korrels worden samengevoegd met water bij een temperatuur onder 33 °C zwelt het materiaal op door opname van water. Ketendelen van pNIPAM worden dan volledig omgeven door watermoleculen.
Als een dak wordt bedekt met een laag pNIPAM-korrels, kan het materiaal water opnemen tijdens regenbuien. Als dan later de zon schijnt neemt de natte hydrogel energie op én verdampt het water. Hierdoor zal een gebouw minder opwarmen. Omdat het proces herhaalbaar is, kan het materiaal langere tijd worden gebruikt.
Het eerder onderzochte pHEMA is niet geschikt voor deze toepassing omdat bij het verdampen van water zich een harde korst van pHEMA vormt. Hierdoor wordt de opname van water belemmerd.
De onderzoekers veronderstellen dat dit wordt veroorzaakt doordat tijdens het opdrogen de polymeerketens van pHEMA zich regelmatig rangschikken waardoor kristallijne gebieden worden gevormd. De interacties tussen de ketens zijn dan zo sterk dat watermoleculen niet meer tussen de ketens kunnen dringen.
Om de koelende werking van pNIPAM te onderzoeken, zijn temperatuurmetingen gedaan aan een miniatuurhuis waarvan het dak met een laag pNIPAM-korrels is bedekt. Aan het begin van de meting werd de laag verzadigd met water. Het miniatuurhuis werd vervolgens verwarmd onder een sterke lamp, terwijl de temperatuur van de natte hydrogel werd gemeten. De temperatuur van de natte hydrogel steeg van 24 °C tot 33 °C door de opname van energie.
Bij 33 °C bleef de temperatuur constant totdat al het aanwezige water was verdampt.
De totale hoeveelheid energie die op dat moment is opgenomen door de pNIPAM-laag hoeft niet meer door koeling te worden afgevoerd.
Beroep
Een chemische gereedschapskist voor de toekomst
Beroep
Orgaanschade omkeren
Beroep
DNA naar wens aanpassen
Beroep
Een duurzame coating
Beroep
Een huid voor robots
Beroep
Een stromend, staalhard materiaal
Beroep
Verliefd op moleculen
