Superslurpers, nu nog beter!



Dovnload 168.04 Kb.
Pagina1/2
Datum27.08.2016
Grootte168.04 Kb.
  1   2






Superslurpers, nu nog beter!





Centrum voor Didactiek van

Wiskunde en Natuurwetenschappen

Sectie Chemiedidactiek

Augustus 2003

Document # 02-01

Superslurpers, nu nog beter!




Centrum voor Didactiek van

Wiskunde en Natuurwetenschappen

Sectie Chemiedidactiek

Superslurpers, nu nog beter! Handleiding voor leerlingen

Versie 2.4, augustus 2003, document # 02-01
Gepubliceerd en gedistribueerd door

Universiteit Utrecht

Centrum voor Didactiek van Wiskunde en Natuurwetenschappen

Sectie Chemiedidactiek

Princetonplein 5

3584 CC Utrecht

Nederland
Telefoon: 030-2533980

Fax: 030-2537494



E-mail: R.Leewis@phys.uu.nl

Internet: www.chem.uu.nl/chemdid/


Auteurs

Kitty Jansen

Aonne Kerkstra

Marijn Meijer


Supervisie

Albert Pilot


Eindredactie

Marleen Slob


Deze 2e versie van Superslurpers is een ingrijpende bewerking van het lespakket Superslurpers dat in mei 2001 is uitgegeven door de Stichting Leerplan Ontwikkeling uit Enschede.


© 2002, 2003 Universiteit Utrecht, Sectie Chemiedidactiek, Utrecht.

Alle rechten voorbehouden. Mits deze bron wordt vermeld is het toegestaan om zonder voorafgaande toestemming van bovenstaande uitgever deze uitgave geheel of gedeeltelijk te kopiëren dan wel op andere wijze te verveelvoudigen. De Sectie Chemiedidactiek stelt het op prijs geïnformeerd te worden over het gebruik van deze uitgave en de ervaringen die ermee zijn opgedaan.

Inhoudsopgave

Inleiding



Hoe nu verder?


Bijlage 1: Wat voor soort stoffen zitten er eigenlijk in wegwerpluiers?
1.1 Alkanen
1.2 De systematische naamgeving
1.3 Alkenen
1.4 Carbonzuren
1.5 Additiereactie bij alkenen
1.6 Additiepolymerisatie
Bijlage 2: Hoe werkt een wegwerpluier precies?

De plas wordt wel opgenomen maar komt er niet meer uit,

hoe kan dat?
2.1 Inleiding
2.2 Osmose
2.3 Hydratatie
Bijlage 3: Zijn er nog ander toepassingen met absorberende stoffen?
Keuzeopdracht 1: Superslurpers in de tuinbouw.
Keuzeopdracht 2: Blijven baby’s billetjes echt droog?
Keuzeopdracht 3: Helpen superslurpers bij brand?
Keuzeopdracht 4: Wegwerpluiers, nu nog beter en droger!
Keuzeopdracht 5: Nog andere toepassingen?
Keuzeopdracht 6: Verbranden of recyclen?

5
8
8
8
10
13
15
17
17
21

21
22


25
26
27
28
28
29
29
30






Inleiding

Mevrouw Cornelia Hansop uit Vlissingen is zwanger van haar eerste kind. Samen met haar man bereidt ze de komst van de baby zo goed mogelijk voor. Haar moeder vertelt vaak hoe dat ging bij Cornelia’s geboorte. Toen waren er bijvoorbeeld alleen nog maar katoenen luiers. Zo’n luier werd na gebruik gewassen en daarna weer gebruikt. Dat wassen was geen fijne bezigheid en nam veel tijd in beslag.

Wetenschappers hebben hier in 1976 een oplossing voor gevonden: de wegwerpluier. De eerste generatie wegwerpluiers had nog een losse plastic strikslip. De opmars van de wegwerpluier kwam pas goed op gang met de introductie van Pampers, de eerste broekluier. Deze luier bestond uit een plastic velletje aan de buitenkant, een vocht absorberende vulling in het midden en een waterafstotende laag aan de binnenkant. De absorberende vulling zorgt ervoor dat de wegwerpluier veel vocht kan opnemen én vasthouden. Het is een echte superslurper, ofwel een superabsorberende stof. Pampers waren een groot succes en al snel kwamen er concurrenten met Libero en Huggies op de markt.

Vandaag de dag kiezen de meeste mensen voor wegwerpluiers (80-85%). Tussen de 15-20% kiest voor wasbare luiers.




  1. Noem een aantal voor- en nadelen van katoenen luiers.

  2. Noem een aantal voor- en nadelen van wegwerpluiers.

  3. Aan welke eisen moet een goede luier voldoen?

Ze zijn natuurlijk wel erg gemakkelijk in het gebruik, die wegwerpluiers, maar ze leveren veel afval op. En wat gebeurt er als de volgeplakte luiers via het afval in de verbrandingsoven terechtkomen? Worden de luiers wel milieuvriendelijk verbrand? Wat voor soort stoffen zitten er eigenlijk in wegwerpluiers?

In figuur 1 zie je uit welke onderdelen een moderne wegwerpluier bestaat.





Figuur 1: een wegwerpluier.
Wegwerpluiers zijn hoofdzakelijk gemaakt van verschillende soorten koolwaterstoffen.

Koolwaterstoffen bevatten, zoals de naam al aangeeft, de elementen koolstof en waterstof.

In de reclame zie je dat de plas door de luier wordt opgenomen, de luier blijft droog aanvoelen. Hoe kan dat eigenlijk, vraagt mevrouw Hansop zich af. Verder zijn er in de supermarkt zoveel verschillende soorten luiers te koop. Welke moet ze kiezen? Zijn er ook nog wasbare luiers te koop?

Mevrouw Hansop weet met al deze vragen niet zo snel raad en besluit om de redactie van het Albert Heijn-tijdschrift Allerhande een brief te schrijven.


Allerhande

Postbus 1234

1500 AA Zaandam

Vlissingen, 1 februari 2002

Geachte redactie,
Over enkele maanden verwachten mijn man en ik ons eerste kind. In het Albert Heijn-filiaal bij ons in de buurt worden verschillende merken wegwerpluiers verkocht. Van de reclame op de televisie weet ik dat deze luiers grote hoeveelheden vocht kunnen absorberen zonder dat de billetjes van de baby nat worden.

Mijn man en ik proberen zoveel mogelijk milieuvriendelijke producten te kopen. Wij lazen bij http://www.milieuloket.nl/ dat sommige mensen zich nogal kritisch hebben uitgelaten over het gebruik van wegwerpluiers. Maar zijn wasbare luiers wel zoveel milieuvriendelijker dan wegwerpluiers?


Wij komen er niet uit. Daarom wil ik u een aantal vragen stellen:

  1. Wat voor soort stoffen zitten er eigenlijk in wegwerpluiers?

  2. Hoe worden de absorberende stoffen gemaakt?

  3. Hoe werkt een wegwerpluier precies? De plas wordt wel opgenomen maar komt er niet meer uit, hoe kan dat?

  4. Zijn er nog andere toepassingen met absorberende stoffen?

  5. Is hergebruik van de luiers mogelijk? Zo ja waar kan ik ze dan inleveren?

Alvast bedankt voor uw antwoord.


Met een vriendelijke groet,

Cornelia Hansop

Wegwerpdreef 24

4380 AK Vlissingen.

Binnen veertien dagen krijgt mevrouw Hansop bericht van Allerhande.

Zaandam, 12 februari 2002

Geachte mevrouw Hansop,
Wij hebben contact gezocht met de leveranciers van onze wegwerpluiers. Zij hebben geprobeerd uw vragen zo volledig mogelijk te beantwoorden. Hier volgt de verkorte tekst.
Het maken van superabsorberende stoffen

Wegwerpluiers bestaan voor een bepaald deel uit superabsorberende stoffen. Deze stoffen ontstaan bij de destillatie van aardolie. Bij de gefractioneerde destillatie van aardolie krijgt men verschillende fracties die mengsels van koolwaterstoffen bevatten. Een deel van deze fracties wordt vervolgens gekraakt, waarbij moleculen met een kleiner aantal koolstofatomen ontstaan. De meeste van deze koolwaterstoffen behoren tot de homologe reeksen van de alkanen en de alkenen.


Bij de synthese van superabsorberende stoffen (superslurper) gaat men uit van propeen. Propeen wordt in aanwezigheid van zuurstof en een katalysator omgezet in propeenzuur:

Via een additiereactie kan met een polymerisatie het product polypropeenzuur (polyacrylzuur) gesynthetiseerd worden.

Het ontstane polyacrylzuur wordt nu met natronloog geneutraliseerd tot pH 6-7. Hierbij ontstaat het geneutraliseerde polyacrylzuur, dat natriumpolyacrylaat wordt genoemd. Dit polymeer heeft de superabsorberende eigenschappen die u in wegwerpluiers aantreft.


De werking van superabsorberende stoffen.

Superabsorberende stoffen zijn materialen die, ook tegen de druk in, veel meer vocht kunnen opnemen én vasthouden dan gewone absorberende aanrechtdoekjes en keukenrollen.

De superslurper neemt via osmose (een begrip uit de biologie) een grote hoeveelheid lichaamsvocht op. Daarbij worden de natriumionen, die opgesloten zitten in de holtes tussen de polymeerketens, gehydrateerd en komen ze op enige afstand van de negatief geladen ionen te zitten. Deze negatief geladen groepen zullen elkaar afstoten. De polymeerketens gaan zich hierdoor strekken. Daardoor wordt het oppervlak groter en kan er meer vocht door de poriën heen worden opgenomen en vastgehouden. Er ontstaat een zogenaamde hydrogel.

De absorptiecapaciteit van wegwerpluiers waarin superslurpers worden toegepast is tegenwoordig zó goed, dat baby’s nauwelijks meer natte billetjes krijgen.


Andere toepassingen van absorberende stoffen.

Superslurpers of hydrogels worden niet alleen in luiers toegepast. Ze komen ook voor in maandverband en incontinentieluiers. Daarnaast worden ze op verschillende manieren toegepast in de cosmetica. Denk hierbij aan haargel. Ook in de tuinbouw worden superslurpers gebruikt en zelfs als brandwerend materiaal zijn ze bruikbaar.


Nadere uitleg vindt u in de drie apart toegevoegde bijlagen.
In de hoop dat wij U hiermee van dienst zijn geweest, verblijven wij,

met een vriendelijke groet,

namens het redactieteam van Allerhande,
Carolien Vermans.

Hoe nu verder?
Na het lezen van deze briefwisseling zal het jullie nog even onduidelijk zijn als daarvoor. Wat zijn superslurpers? Hoe worden absorberende stoffen gemaakt? Wat is de werking van een wegwerpluier? Bovendien worden niet alle vragen van mevrouw Cornelia Hansop beantwoord; zij is immers ook geïnteresseerd in de verwerking van de wegwerpluier.

In de brief van Allerhande zijn de onbekende begrippen vet gedrukt. Deze begrippen zijn voor jullie in de aparte bijlagen uitgewerkt. De leerstof die in deze bijlagen wordt uitgelegd, is de kennis die jullie na afloop van deze lessenserie moeten beheersen. Jullie hebben deze kennis ook nodig om aan het eind van dit project over superslurpers een eigen onderzoek te kunnen doen over één van de vele aspecten van superslurpers.

Voordat jullie aan de theorie beginnen, gaan jullie eerst een praktische opdracht uitvoeren.
Praktische opdracht 1

Een superslurper kan een aantal keren zijn eigen gewicht aan vocht opnemen én vasthouden.

In deze opdracht ga je onderzoeken of dit klopt voor de toepassing van superslurpers in wegwerpluiers.

1. Ontwerp een proef om te onderzoeken hoeveel gram gedemineraliseerd water een stukje wegwerpluier kan absorberen.

Gebruik voor je werkplan het werkblad “absorptievermogen”.
2. Maak een verslag.

Bijlage 1 Wat voor soort stoffen zitten er eigenlijk in wegwerpluiers?
Aardolie wordt wel ‘de machine van de twintigste eeuw’ genoemd, terwijl voor de aardbewoners uit dat tijdvak al de benaming ‘koolwaterstofmens’ is bedacht. Olie en gas zijn koolwaterstoffen. Van ruwe olie worden niet alleen maar brandstoffen gemaakt. De chemische industrie gebruikt de van olie gemaakte grondstoffen voor een oneindig grote variatie aan oplosmiddelen, verf, vezels, kunstmest, rubbers, geneesmiddelen, kunststoffen, enzovoort. Olie en gas spelen dus een belangrijke rol in ons dagelijks leven. In wegwerpluiers zijn verschillende soorten kunststoffen verwerkt. En wil je de werking van superslurpers in luiers kunnen begrijpen dan is enige kennis van koolwaterstoffen en andere organische stoffen noodzakelijk. Bij de destillatie van aardolie ontstaan verschillende fracties die koolwaterstoffen bevatten. De eenvoudigste koolwaterstoffen zijn de alkanen.
1.1 Alkanen

(Bron: CHEMIE VWO bovenbouw scheikunde 1 deel 1, blz. 101-119, Wolters Noordhoff, 1998)

Koolwaterstoffen bevatten de elementen C en H. Een deelverzameling van deze groep zijn de alkanen. Dat zijn koolwaterstoffen die voldoen aan de algemene formule CnH2n+2. Als een groep aan een algemene formule voldoet, zegt men dat deze groep een homologe reeks vormt. Binnen zo’n homologe reeks hebben de stoffen vrijwel gelijke chemische eigenschappen. In figuur 2 staan de molecuulformules en de namen van de eerste acht alkanen. Deze namen en molecuulformules moet je uit het hoofd kennen.





molecuul-

formule

naam

kookpunt in ºC

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12

C6H14

C7H16

C8H18



methaan

ethaan


propaan

butaan


pentaan

hexaan


heptaan

octaan



- 161

- 88


- 42

0

+ 36



+ 69

+ 99


+ 126


Figuur 2: gegevens van enkele alkanen
4. Icosaan is een smeermiddel. Het is een alkaan met 20 koolstofatomen.

Geef de molecuulformule van icosaan.

5. a. Welk verband kun je afleiden tussen de hoogte van het kookpunt van een alkaan en de grootte van de moleculen?

b. Wat kun je zeggen over de grootte van de vanderwaalsbinding en de grootte van de alkaanmoleculen?

6. In tabel 103B zijn de numeriek voorvoegsels genoemd.

Geef de naam van C10H22.
Structuurformules
In methaan, CH4, zijn de bindingen tussen het C-atoom en de 4 H-atomen gelijkwaardig. De hoeken tussen de H-C-H zijn gelijk, 109,5º. Op deze manier zijn de vier atoomresten zo ver mogelijk van elkaar verwijderd.

De H-atomen bevinden zich op de hoekpunten van een denkbeeldig tetraëder, ook wel regelmatig viervlak genoemd (zie figuur 3).

Het maken van een ruimtelijke tekening levert bij het groter worden van het aantal C-atomen steeds meer problemen op. Vandaar dat er structuurformules worden ingevoerd. Hoeken die 109,5º zijn, worden in de structuurformule als 90º getekend. Voor de duidelijkheid tekenen wij de koolstofketen meestal recht.




Figuur 3: de ruimtelijke structuur van methaan

De meest gebruikelijke schrijfwijze voor de structuurformule van butaan is:



De ‘recht’ getekende structuurformule is de meest overzichtelijke. Voortaan teken je alle structuurformules zo.

Opm.: In de antwoordenbladen wordt nogal eens de volgende korte notatie gebruikt voor een structuurformule: CH3 —CH2 —CH2 —CH3, maar dit is een onduidelijke structuurformule.


In de reeks van de alkanen zijn er vanaf C4H10 bij dezelfde molecuulformule meerdere structuurformules mogelijk.
7. Teken naast de structuurformule van butaan nog een structuurformule die eveneens voldoet aan C4H10.
Deze twee gevonden structuurformules stellen dan ook twee verschillende stoffen voor. Wij noemen beide stoffen isomeren. Als bij één molecuulformule twee of meer stoffen horen, spreken wij van isomerie.
Isomeren hebben dezelfde molecuulformule, maar verschillende structuurformules. Het zijn dan ook verschillende stoffen met verschillende fysische eigenschappen.
8. Men onderscheidt vertakte en onvertakte alkanen.

Geef aan de hand van je antwoord op vraag 7 een voorbeeld van een alkaan met een vertakte en een alkaan met een onvertakte structuurformule.
Eerder heb je al de namen geleerd van een aantal alkanen met een onvertakte keten. Maar hoe zou je de alkanen met een vertakte keten moeten noemen?

Internationaal zijn er afspraken gemaakt voor de naamgeving. Men noemt dit de systematische naamgeving. Deze naamgeving is gebaseerd op de structuurformule.


1.2 De systematische naamgeving

De regels voor het opstellen van de systematische naam van een stof zijn als volgt:

1. Zoek de langste onvertakte koolstofketen in het molecuul. Wij noemen dit de ‘hoofdketen’. De naam van de hoofdketen is de ‘stamnaam’.

2. Kijk welke atomen of atoomgroepen (behalve de H-atomen) aan de hoofdketen vast zitten. Voor deze zijgroepen leer je een aantal namen (zie figuur 4).

3. Kijk aan welk C-atoom van de hoofdketen zich de zijgroepen bevinden.

Dit geven wij in de naam met een plaatsnummer aan, het nummer moet zo laag mogelijk zijn.

Zijn er meer zijgroepen aanwezig, dan moet de som van de nummers zo laag mogelijk zijn.


structuurformule

zijgroep

naam

-F

-Cl


-Br

-I

-CH3



-CH2—CH3

-CH2—CH2—CH3

-CH—CH3

|

CH3



fluor

chloor


broom

jood


methyl

ethyl


propyl

(1-methylethyl)





Figuur 4: namen van zijgroepen aan de hoofdketen
Voorbeeld 1

Geef de systematische naam van de stof met de volgende structuurformule:



1. De onvertakte hoofdketen bestaat uit 5 C-atomen. De stamnaam is dus pentaan.

2. De zijgroep is een chlooratoom. Dit wordt aangegeven met het voorvoegsel chloor. De naam wordt dan chloorpentaan.

3. Het chlooratoom is aan het tweede C-atoom gebonden.

De systematische naam wordt dan: 2-chloorpentaan.


9. Geef de systematische namen van de volgende stoffen.
a.



b.


10. De volgende namen zijn fout. Teken eerst de structuurformule en geef vervolgens de juiste systematische naam.

a. 4-joodbutaan

b. 5-chloor-3-fluor-3-joodhexaan
Voorbeeld 2

Geef de systematische naam van de stof met de volgende structuurformule:



1. De stamnaam is butaan.

2. De zijgroepen zijn twee Br-atomen en één methylgroep. Voor de beide Br-atomen wordt het Griekse telwoord di gebruikt.

3. De beide Br-atomen zitten aan het eerste C-atoom en de methylgroep aan het tweede C-atoom.
De systematische naam wordt dan: 1,1-dibroom-2-methylbutaan.
11. Geef de structuurformules van de volgende stoffen.

a. 2,2,3-trichloorpentaan

b. hexafluorethaan

c. 3,4-diethyl-3-methylhexaan

d. propylheptaan; leg uit waarom hier geen plaatsnummer nodig is.

e. 4-(1-methylethyl)octaan


12. Geef van elk van de volgende stoffen de systematische naam.
a.



b.


c.



13. Er zijn stoffen waarbij het plaatsnummer kan worden weggelaten.

a. Een voorbeeld is ethylpentaan. Waarom kan hier het plaatsnummer worden weggelaten? Teken de structuurformule.

b. Mag dat ook bij methylpropaan? En bij methylbutaan? Teken de structuurformules.
14. Geef de structuurformules en de systematische namen van alle isomeren die voldoen aan:

a. C5H12

b. C6H14
1.3 Alkenen

Een andere deelverzameling van de koolwaterstoffen wordt gevormd door de alkenen. Deze groep van stoffen vormt een homologe reeks met de algemene formule CnH2n. Deze stoffen blijken andere chemische eigenschappen te hebben dan de alkanen.


Demonstratieproef 1: een aantoningsreactie

a. Doe in een reageerbuis een paar mL hexaan(l). Doe in een tweede reageerbuis enkele mL’s hexeen(l). Aan beide buizen wordt een beetje broomwater toegevoegd. De buizen worden met een kurk afgesloten en even geschud.



Wat zie je ogenblikkelijk na het schudden?

b. Doe met behulp van een spatel wat dieetmargarine in een reageerbuis. Voeg een beetje broomwater toe. Doe een kurk op de buis en schud krachtig.



Wat zie je nu?
Bij het eerste proefje is hexaan met hexeen vergeleken. Alkenen hebben de kenmerkende eigenschap dat ze snel met broom reageren. Hexeen is gebruikt als voorbeeld van een alkeen. De formule van hexaan is C6H14 en die van hexeen is C6H12.

T
en opzichte van alkanen missen alkenen twee H-atomen in het molecuul. Dit kun je verklaren door aan te nemen dat in het molecuul van een alkeen een dubbele binding tussen de C-atomen voorkomt: C=C. Wij noemen de koolwaterstoffen met een dubbele binding tussen twee C-atomen in de moleculen ook wel onverzadigde koolwaterstoffen; ze zijn niet verzadigd met waterstofatomen. Dit in tegenstelling tot de verzadigde koolwaterstoffen, waarbij in de moleculen alleen enkelvoudige C—C bindingen voorkomen.

Broomwater is een reagens op een onverzadigde verbinding. Vandaar dat in het tweede proefje broomwater werd ontkleurd, want zoals je van de reclame weet bevat een dieetmargarine meervoudige onverzadigde vetzuren.
Bij de alkenen is de dubbele binding een karakteristieke groep. Bij de naamgeving van de alkenen ga je precies zo te werk als bij de alkanen. De dubbele binding in de koolstofketen geef je aan door het achtervoegsel –een in plaats van –aan. De plaats van de dubbele binding geef je aan met een plaatsnummer net zoals bij de zijgroepen. Dit plaatsnummer geeft het koolstofatoom aan waar de dubbele binding begint; bijvoorbeeld 2-buteen (zie figuur 5).


Molecuul-

Formule

naam

structuurformule

C2H4

C3H6
C4H8


etheen


propeen
1-buteen
2-buteen








Figuur 5: enkele voorbeelden van alkenen
15. Leg uit waarom bij propeen geen plaatsnummer voor de dubbele binding hoeft te worden aangegeven.
16. Geef de structuurformules voor de volgende stoffen.

a. 2-penteen

b. 2,3-dimethyl-1-buteen

c. 1,3-butadieen
17. Hoe kun je met een proefje snel onderzoeken of zich in een voorraadpot een alkaan of een alkeen bevindt?
18. Geef de structuurformules en de systematische namen van de isomere alkenen die voldoen aan de molecuulformule C5H10.
19. Geef de systematische namen van de volgende stoffen.



a.



b.



Zoals je al eerder hebt gezien, ontstaan bij de destillatie van aardolie verschillende fracties. Iedere fractie heeft zijn eigen toepassing.

De vraag naar meer brandstoffen voor auto’s neemt vandaag de dag nog steeds toe. Er is dus meer benzine nodig dan voor de destillatie uit ruwe olie is te halen. Daarom is men gaan zoeken naar een methode om ook uit de zware fracties benzine te maken. In de petrochemische industrie doet men dat via een ontledingsreactie met een zeoliet als katalysator. Het idee daarbij is dat de grote moleculen waaruit de koolwaterstoffen van de zware fracties bestaan, in kleinere moleculen worden ‘gekraakt’. Naast alkanen ontstaan er dan alkenen. Sommige alkenen zijn weer de grondstof voor bijvoorbeeld superslurpers.


Demonstratieproef 2: kraken van een zware aardoliefractie

Doe in een reageerbuis van moeilijk smeltend glas ongeveer 3 gram van een zware fractie. Voeg eveneens 3 gram van de katalysator zeoliet Y toe. De buis wordt afgesloten met een kurk waardoorheen een gasuitleidbuisje steekt. De buis wordt vastgeklemd in een statief.


a. De zware fractie met de katalysator wordt zachtjes verhit en de ontwijkende damp wordt opgevangen in een erlenmeyer.

b. Schenk een beetje broomwater in de erlenmeyer en schud het geheel goed.

c. Als er geen gassen meer ontwijken, wordt de erlenmeyer vervangen door een reageerbuis waarin de naftafractie wordt opgevangen.

Vergelijk de geur hiervan met de zware fractie.
Katalysator

Een katalysator is een hulpstof bij een chemische reactie. Het is meestal een korrelvormige stof die de snelheid van een reactie vergroot zonder daarbij verbruikt te worden. Een katalysator kan daardoor meerdere malen worden gebruikt. Een katalysator is meestal selectief, d.w.z. dat hij slechts één reactie bevordert.


20. Een voorbeeld van kraken is de omzetting van octadecaan, C18H38(s), in onder andere octaan en één ander product.

Geef de vergelijking voor dit kraakproces in molecuulformules.
21. Bij het kraken van een alkaan kan nooit alleen een mengsel van alkanen ontstaan. Laat dit zien aan de hand van de reactievergelijking in molecuulformules voor de ontleding van C10H22. Neem aan dat dit in pentaan en in één andere stof ontleedt.
22. In de natuur komt de koolwaterstof squaleen, C30H50,voor. Een molecuul van deze stof heeft een aantal dubbele bindingen.

Bereken hoeveel dubbele bindingen dat zijn per molecuul.
1.4 Carbonzuren

Bij de synthese van onze superslurper gaat men uit van propeen. Propeen wordt in de aanwezigheid van zuurstof en een katalysator omgezet in propeenzuur:




Propeenzuur behoort tot de alkeenzuren en deze zijn een deelverzameling van de carbonzuren.


Carbonzuren worden gekenmerkt door een karakteristieke groep, de carboxylgroep:


De carboxylgroep schrijft men vaak als – COOH.

Het koolstofatoom van de COOH groep heeft altijd plaatsnummer 1.

De alkeenzuren zijn afgeleid van een andere deelverzameling van de carbonzuren: de alkaanzuren.


molecuulformule

Naam


structuurformule

HCOOH


CH3COOH
C2H5COOH

Methaanzuur

(mierenzuur)

ethaanzuur

(azijnzuur)

propaanzuur








Figuur 6: enkele voorbeelden van alkaanzuren
Als er in een molecuul twee carboxylgroepen voorkomen, spreken we van een di-zuur. Een voorbeeld is ethaandizuur (oxaalzuur), HOOC—COOH.
23. Geef de structuurformules van de volgende stoffen.

a. butaanzuur

b. propaandizuur

c. 2-buteenzuur
24. Geef de systematische namen van de volgende stoffen.


a.



b.




1.5 Additiereactie bij alkenen

Al eerder in deze module hebben we gebruik gemaakt van het feit dat alkanen niet en alkenen wel snel met broom reageren. Kennelijk is de aanwezigheid van een dubbele C=C binding in de moleculen noodzakelijk voor deze reactie. Bij de reactie van bijvoorbeeld broom met hexeen blijkt maar één reactieproduct te ontstaan.

Hierbij nemen wij aan dat het broommolecuul in zijn geheel door een hexeenmolecuul wordt gebonden, waarbij één nieuw molecuul ontstaat.

Dit type reactie heet een additiereactie. Additie betekent toevoeging. Aan een onverzadigde koolwaterstof kan nog iets worden toegevoegd, waardoor hij verzadigd wordt.


De mogelijkheid om aan bijvoorbeeld een propeenmolecuul nog een stof toe te voegen, verklaren wij met de dubbele binding tussen de koolstofatomen. Eén van de twee gemeenschappelijke elektronenparen in de dubbele binding kan ‘open springen’. Het is ‘de zwakste schakel’ in het molecuul. Hierdoor kunnen de beide koolstofatomen ieder een ander atoom aan zich binden.

Uit propeen en broom ontstaat op deze manier 1,2-dibroompropaan.



Behalve broom kunnen bijvoorbeeld ook fluor, chloor, jood, waterstof en water worden geaddeerd door alkenen.
25. Uit welke waarneming is af te leiden dat er een reactie is opgetreden tussen broom en een alkeen?
26. Geef de reactievergelijking in structuurformules voor de volgende additiereacties.

Geef tevens de systematische namen van de reactieproducten.

a. Jood met 2-penteen

b. Een overmaat broom met 1,3-hexadieen

c. Waterstof met propeenzuur

d. Leg uit dat bij a, b en c verzadigde verbindingen zijn ontstaan.
27. Bij de additie van waterstofchloride aan 1-buteen ontstaan twee reactieproducten. Geef de structuurformules en de namen van beide reactieproducten.
1.6 Additiepolymerisatie

Hightech onderdelen kom je overal tegen, bijvoorbeeld in een vliegtuig, televisie, laptop of in je mobieltje. Maar je verwacht ze niet in luiers, maandverband of keukenrollen.

Toch presenteren de fabrikanten van luiers en maandverband hun producten graag als hightech. Niet helemaal onterecht, want de moderne wegwerpluier zit op z’n minst ingenieus in elkaar. Aan de binnenkant zit een vettige laag geperforeerd plastic dat de plas doorlaat en voorkomt dat deze terugloopt. De urine wordt vervolgens opgenomen door een laag samengeperste cellulose die de vloeistof transporteert naar een kernlaag met een superabsorberende polymeer, de zogenaamde superslurper. Ongeveer zes gram van zo’n superabsorberend polymeer is in staat om twee babyplasjes tegen te houden. De superslurpers worden gemaakt van in water oplosbaar polyacrylzuur.
Een polymeer is een macromolecuul, waarbij in dit geval algauw zo’n 20.000 C-atomen in een lange keten aan elkaar vast zitten (zie figuur 7). Polymeren worden gemaakt via additiepolymerisatie.

Als een alkeen met een halogeen reageert, vindt er een additiereactie plaats. Wij nemen aan dat de dubbele binding in het alkeenmolecuul ‘openspringt’ en dat de halogeenatomen zich aan de koolstofatomen binden.


Hoe ontstaan polymeren?

Bij het kraakproces van een zware aardolie fractie ontstaan onder andere alkenen, die grondstoffen zijn voor het synthetiseren van onder meer plastics. Plastics zijn kunststoffen die uit zeer lange moleculen zijn opgebouwd, vaak macromoleculen genoemd. Een macromolecuul bestaat uit duizenden C-atomen, die in een lange keten aan elkaar vast zitten.


Voorbeelden van macromoleculaire stoffen zijn: polypropeen PP (bierkratje), polyvinylchloride PVC (regenpijpen), nylon (kleding), rubber (autobanden), cellulose (keukenrol), polyacrylzuur (superslurpers).


Figuur 7: een eenvoudige voorstelling van een polymeermolecuul
De meeste plastics kun je maken uit één eenvoudige grondstof. Zo’n beginstof heet een monomeer. Bij het ontstaan van een macromolecuul koppelen heel veel moleculen van het monomeer aan elkaar. Er ontstaat dan een polymeer (poly betekent veel). Deze reactie noemen wij een polymerisatiereactie. Zo kan uit het monomeer propeen het polymeer polypropeen ontstaan. De naam van het polymeer is dus afgeleid van het monomeer.

Propeenmoleculen bevatten allemaal een C=C binding. Tijdens de reactie kan de dubbele binding in de propeenmoleculen ‘openspringen’. De koolstofatomen krijgen hierdoor de mogelijkheid om nieuwe atoombindingen te vormen met andere propeenmoleculen, waarna de moleculen aan elkaar koppelen.

Deze polymerisatiereactie is een voorbeeld van additiepolymerisatie.

In figuur 8 is dit in structuurformules weergegeven.


Figuur 8: dit stukje polypropeen is opgebouwd uit vier eenheden
In een reactievergelijking met structuurformules is het handig om alle atomen en atoomgroepen die aan de C-atomen van de dubbele binding zijn gekoppeld, naar boven of naar onderen te tekenen.
Vaak schrijf je het verkorte reactieschema zó op:

Hierbij stelt n een groot getal voor. Dit getal is minstens 10.000 monomeren. Afhankelijk van de reactieomstandigheden ontstaan er polypropeen moleculen met een verschillende ketenlengte. De toepassingen zijn dan ook verschillend.

In werkelijkheid vouwen de lange ketens zich op, zoals spaghetti opgevouwen op je bord ligt, zie figuur 11.
28. Bij kamertemperatuur is propeen een gas en is polypropeen vast. Hoe is dit verschil te verklaren?
Zoals eerder vermeld, worden superslurpers gemaakt uit polyacrylzuur. Dit wordt gevormd uit het monomeer acrylzuur:


De systematische naam is propeenzuur.
29. Acrylzuur polymeriseert op dezelfde manier als propeen.


  1. Teken een stukje polyacrylzuur dat tenminste uit 4 monomeer-moleculen is gemaakt.

  2. Geef het verkorte reactieschema weer.

Het ontstane polyacrylzuur wordt nu met natronloog geneutraliseerd tot pH 6-7. Hierbij ontstaat het geneutraliseerd polyacrylzuur, dat natriumpolyacrylaat wordt genoemd (zie figuur 9).





Figuur 9: de bereiding van natriumpolyacrylaat uit polyacrylzuur.
Het ontstane natriumpolyacrylaat, met zijn negatief geladen groepen, blijkt superabsorberende eigenschappen te hebben en wordt daarom gebruikt in luiers en maandverband.
Om het water en alle andere stoffen die in urine en bloed zitten nog beter vast te houden, wordt tijdens het polymerisatieproces een paar procent van een andere stof aan het monomeer acrylzuur toegevoegd. Daardoor vindt vernetting van het polymeer plaats: de ketens worden op bepaalde plaatsen aan elkaar ‘geknoopt’. Op die manier ontstaat er in het polymeer een netwerk met veel holtes waardoor het vocht nog beter wordt vastgehouden (zie figuur 10).





Figuur 10: schematische voorstelling van een netwerk polymeer.

30. Bezoek op het internet de site: http://www.psrc.usm.edu/macrog/index.htm

The Macrogalleria a Cyberwonderland of Polymer Fun’



Ga naar level one: Polymers are Everywhere.

Gegeven: diaper = luier.
a. Bezoek de winkel Pasteur’s Family Pharmacy.
Zoek hier twee artikelen uit en geef aan welke polymeren daarin verwerkt zijn.


b. Geef van deze polymeren ook de structuurformules.

c. Geef aan welke van deze polymeren additiepolymeren zijn; geef van deze polymeren de structuurformules van het monomeer.

d. Surf naar de ‘acrylate family’ en zoek uit in wat voor artikelen het polymeer polymethylmethacrylaat wordt toegepast.

Bijlage 2 Hoe werkt een wegwerpluier precies?

De plas wordt wel opgenomen maar komt er niet meer uit, hoe kan dat?
2.1 Inleiding

Superabsorberende stoffen zijn materialen die, ook tegen de druk in, veel meer vocht kunnen opnemen én vasthouden dan gewone absorberende aanrechtdoekjes en keukenrollen.

Het superabsorberende polymeer dat in luiers en maandverband is verwerkt, wordt gemaakt uit polyacrylzuur. De superabsorberende eigenschap ontstaat als het polyacrylzuur wordt geneutraliseerd (pH 6 7) met natronloog (zie figuur 9). In feite is het polymeer dan een zout geworden, waarin de negatief geladen ionen een ionbinding vormen met de Na+ ionen.

Via osmose kan de superslurper een grote hoeveelheid lichaamsvocht opnemen. Daarbij worden de natriumionen, die opgesloten zitten in de holtes tussen de polymeerketens, gehydrateerd en komen ze op enige afstand van de negatief geladen ionen te zitten. Deze negatief geladen groepen zullen elkaar afstoten (zie figuur 11). De polymeerketens gaan zich hierdoor strekken. Daardoor wordt het oppervlak groter en kan er meer urine door de poriën worden opgenomen en vastgehouden. Er ontstaat een zogenaamde hydrogel. Een hydrogel is een vaste stof die elastisch is en gemakkelijk vervormbaar. Na vervorming veert hij weer terug zoals rubber. Een hydrogel kan een aantal keren zijn eigen massa aan vocht opnemen. De luierfabrikanten brengen de superabsorberende polymeren tegenwoordig in een dun laagje aan. De absorptiecapaciteit is zelfs zó goed, dat baby’s nauwelijks meer natte billetjes krijgen.



Figuur 11: de werking van een luier.
Praktische opdracht 2

Zoals je zelf al hebt onderzocht kan een superslurper een aantal keren zijn eigen gewicht aan vocht opnemen.

Voor wegwerpluiers is het belangrijk dat ze snel een zo groot mogelijke hoeveelheid urine op kunnen nemen. Het is dus nuttig om te weten waarin urine verschilt van gewoon water.

Over de samenstelling van urine kun je het een en ander vinden in tabel 82E2 van Binas.

De zuurgraad - de pH waarde - van urine blijkt te liggen tussen de 4,5 en de 8,5.
1. Onderzoek of de grootte van het absorptievermogen (de opnamecapaciteit) van wegwerpluiers afhangt van:
- de aanwezigheid van opgelost natriumchloride in urine;
- de zuurgraad van urine.

Gebruik voor je werkplan het werkblad “vergelijking absorptievermogen”.


Opm: Bij dit onderzoek moet je de proeven uit beide praktische opdrachten eerlijk met elkaar kunnen vergelijken. Waar moet je dus op letten?

Noem enkele maatregelen.


2. Maak een verslag van de uitgevoerde proeven.

2.2 Osmose

(Bron: Biologie voor jou VWO B1, blz. 31-36, Malmberg,1999).

De opname van vocht door superabsorberende polymeren is gebaseerd op de osmotische waarde van opgeloste stoffen in urine/ bloed. Maar wat is de osmotische waarde? Daarom zullen we eerst aantal basisbegrippen uitleggen.



Concentratie


Een oplossing bestaat uit water met daarin een opgeloste stof. De concentratie van een oplossing kan worden uitgedrukt in bijvoorbeeld gram per liter (gL-1) of in massaprocenten. Een 5% suikeroplossing betekent dat er 5 gram suiker is opgelost in 95 gram water, met als gevolg dat er 100 gram oplossing ontstaat.

Diffusie


Diffusie betekent in de scheikunde en in de biologie spontane menging van stoffen. Dit gaat vrij snel in de gasfase en minder snel in de vloeistoffase. Diffusie komt tot stand doordat moleculen van gassen en vloeistoffen kunnen bewegen. Diffusie leidt tot een gelijkmatige verdeling van de moleculen over de beschikbare ruimte. Als je een schepje suiker in de thee doet, zal de suiker ook zonder dat je roert na verloop van tijd oplossen. De thee smaakt dan overal even zoet. Overal heerst dezelfde suikerconcentratie. Diffusie treedt dus op als er sprake is van een verschil in concentratie in een oplossing.

Diffusie kan ook optreden als vloeistoffen gescheiden zijn door een membraan (wand) waar alle moleculen doorheen kunnen gaan. Zo’n membraan heet doorlatend of permeabel (zie fig. 12). Een poreuze aardewerk bloempot is permeabel.

Sommige membranen hebben poriën die zo klein zijn, dat alleen watermoleculen er doorheen kunnen gaan. De moleculen van de in het water opgeloste stoffen kunnen niet door deze membranen heen. Deze membranen heten halfdoorlatend of semi-permeabel (zie fig. 13) Een voorbeeld uit het dagelijks leven is de ademende regenkleding (Goretex).


Figuur 12: diffusie door een Figuur 13: door een semi-permeabel membraan

permeabel membraan. kunnen alleen watermoleculen.



31. In figuur 14 is een bak getekend die door een permeabele wand in twee gelijke delen is verdeeld. Links bevindt zich een suikeroplossing van 4% en rechts een suikeroplossing van 8%.
a. In welk deel van de bak bevinden zich de meeste suikermoleculen, direct na het vullen van de bak?

b. Bewegen er suikermoleculen door de permeabele wand? Zo ja, in welke richting?

c. In welk deel van de bak bevinden zich de meeste watermoleculen, direct na het vullen van de bak?

d. Bewegen er watermoleculen door de permeabele wand? Zo ja, in welke richting?

e. Wat wordt na enige tijd de suikerconcentratie in de gehele bak?
32. In figuur 15 is een bak getekend die door een semi-permeabel membraan in twee gelijke delen is verdeeld. Links bevindt zich een suikeroplossing van 4% en rechts een suikeroplossing van 8%.
a. Bewegen er suikermoleculen door het semi-permeabel membraan? Zo ja, in welke richting?

b. In welk deel van de bak bevinden zich de meeste watermoleculen, direct na het vullen van de bak?

c. Bewegen er watermoleculen door het semi-permeabel membraan? Zo ja, in welke richting?

d. In welk deel van de bak zal het vloeistofniveau na geruime tijd stijgen? maak hiervan een tekening.

e. Hoe verandert de concentratie van de suikeroplossing in de linkerbak?

f. Hoe verandert de concentratie van de suikeroplossing in de rechterbak?

g. Verwacht je dat de concentratie aan beide zijden van het semi-permeabel membraan gelijk wordt?

Leg je antwoord uit.

Figuur 14: permeabel membraan. Figuur 15: semi-permeabel membraan.

Osmose

Osmose treedt op als twee oplossingen met een verschillende concentratie van elkaar gescheiden zijn door een zogenaamd semi-permeabel membraan. Door dit membraan kunnen alleen watermoleculen (zie figuur13). Door osmose treedt er waterverplaatsing op van de oplossing met de laagste concentratie naar de oplossing met de hoogste concentratie. Hierdoor daalt de concentratie van deze laatste oplossing. Doordat er uit de oplossing met de laagste concentratie water weggaat, stijgt de concentratie van deze oplossing.



De osmotische waarde van een oplossing wordt bepaald door de concentratie van de opgeloste stoffen. Hoe hoger de concentratie van een bepaalde oplossing is, des te hoger is de osmotische waarde (zie Binas tabel 76). De osmotische waarde van een oplossing is afhankelijk van het aantal opgeloste deeltjes per volume-eenheid. Dit is vooral van belang bij stoffen die in water in ionen splitsen. Keukenzout - natriumchloride(s) - valt in water uiteen in ionen.
33.

a. Geef de vergelijking voor het oplossen van keukenzout.

b. Geef de vergelijking voor het oplossen van natriumcarbonaat(s).
Glucose, C6H12O6(s), is een moleculaire stof en valt in water niet uiteen in ionen, er ontstaat C6H12O6(aq).
34. Drie oplossingen worden gemaakt door evenveel ‘deeltjes’ van respectievelijk glucose, natriumcarbonaat en natriumchloride in een gelijk volume water op te lossen.

Leg uit welke oplossing de hoogste osmotische waarde heeft.
Als een natriumchloride-oplossing en een glucose-oplossing gescheiden zijn door een semi-permeabel membraan, treedt osmose op (zie Binas tabel 76).
Samengevat:

Osmose is te omschrijven als de verplaatsing van water door een semi-permeabel membraan, van een plaats met een lage osmotische waarde -, een lage concentratie opgeloste stof - naar een plaats met een hogere osmotische waarde - een oplossing met een hogere concentratie.
Maar hoe zit dat nou in superslurpers?
35. Waterlock is een merknaam voor een waterabsorberend polymeer.

Lees het onderstaande stukje vertaalde tekst aandachtig door. In dit artikel wordt uitgelegd hoe de werking van een superslurper is.

(Bron: http://showcase.netins.net/web/growingtrees/waterlock.htm )


Natriumpolyacrylaat is een polymeer met een zeer bijzondere eigenschap: het is in staat om 825 keer zijn eigen gewicht aan water te absorberen. In de huidige dunne, superslurpende wegwerpluiers wordt gebruik gemaakt van deze eigenschap.

Deze eigenschap is te verklaren met behulp van het principe van osmose: diffusie van deeltjes door een membraan, waardoor concentratieverschillen worden opgeheven. Het watermolecuul heeft een buitenzijde die doorlaatbaar is voor watermoleculen en een binnenzijde, vol met natrium, zodat er een hoge natriumconcentratie binnenin het molecuul is ten opzichte van de natriumconcentratie in het water.

Omdat de natriumionen door de aantrekkende krachten niet uit het molecuul kunnen ontsnappen, komen er door de osmotische druk watermoleculen binnen. Hierbij wordt de natriumionenconcentratie verlaagd en zal het verschil met de natriumionenconcentratie in het water kleiner worden. De toevoeging van een zoutoplossing aan het polymeer, dat zich volgezogen heeft met water, verhoogt de natriumionenconcentratie van het water. Het gevolg is dat er water uit het polymeernetwerk zal stromen in een poging om de beide natriumionenconcentraties binnen en buiten het netwerkpolymeer even groot te maken.
a. In regel 6 staat: ‘Het watermolecuul heeft een buitenzijde, die doorlaatbaar is voor watermoleculen en….’
Welke informatie in deze zin is onjuist?


b. In regel 7 staat: ‘en een binnenzijde vol met natrium’.

Leg uit in welke vorm dit ‘natrium’ voorkomt.

c. Waarom vloeit er bij een stukje natriumpolyacrylaat, dat verzadigd is met water, bij toevoegen van een zoutoplossing water uit het natriumpolyacrylaat?

2.3 Hydratatie


Als een zout in water oplost worden de vrij bewegende ionen door watermoleculen omringd. Chemici spreken dan van hydratatie. Dit wordt later dit jaar in je boek uitvoerig behandeld.

In figuur 16 wordt een voorbeeld gegeven.



Figuur 16: een gehydrateerd chloride ion

Bijlage 3 Zijn er nog andere toepassingen met absorberende stoffen?
Absorberende stoffen - superslurpers - worden niet alleen in luiers toegepast. Ze komen ook voor in keukenrollen, maandverband en incontinentieluiers. Daarnaast worden ze op verschillende manieren toegepast in de cosmetica. Denk hierbij aan haargel. Ook in de tuinbouw worden superslurpers gebruikt en zelfs als brandwerend materiaal zijn ze bruikbaar.

Keus genoeg om nog eens een eigen onderzoekje te doen.


Praktische opdracht 3

Kies één van de keuzeopdrachten, die op de volgende pagina’s staan.


Werkplan

Na je keuze lever je z.s.m. een werkplan in bij je docent en/of TOA. Dit werkplan moet eerst goedgekeurd worden voordat je met je eigen onderzoek begint.


Presentatievorm

Een poster met bijbehorend verslag.


Poster:

* De poster moet op een afstand van 1à 2 meter goed leesbaar zijn.

* Waar gaat de poster over? Dit moet zichtbaar worden gemaakt door een pakkende tekst, een fraaie illustratie of een in het oogspringend plaatje.

* De boodschap moet blijven hangen: weet ik na het één keer, binnen één minuut, wat de boodschap is? En weet ik dat een uur later nog?

* Gebruik een groot, duidelijk leesbaar lettertype.

* Er moet contrast zijn tussen voor- en achtergrond.

* De poster is overzichtelijk, dat wil zeggen op een duidelijke en logische manier ingedeeld.

* De poster heeft een goede vlakverdeling.

* De foto’s, tekeningen en schema’s zijn overzichtelijk en verhelderend.

* De poster ziet er verzorgd uit.


Verslag:

* Een inleiding met de probleemstelling.

* De onderzoeksvraag.

* De resultaten nader uitgewerkt.

* Een duidelijke koppeling naar de theorie van de werking van superslurpers om de resultaten te verklaren.

* Conclusie.

* Discussie en verbeterpunten van je proef.

* Gebruikte bronnen.




Keuzeopdracht 1: Superslurpers in de tuinbouw.
Lees het onderstaande artikel door. (Bron: http://www.watersorb.com)


  1   2


De database wordt beschermd door het auteursrecht ©opleid.info 2017
stuur bericht

    Hoofdpagina