Wikijunior:Natuurkunde/Stoffen en hun eigenschappen

Gezocht: Wikibookianen die een beroep hebben waar natuurkunde bij gebruikt wordt en die in het hoofdstuk "Einde" heel kort iets willen vertellen over hun beroep.

Alles om ons heen, alles op aarde, en alles in het heelal is gemaakt van stof. Stof is de naam die wetenschappers hebben gegeven aan alles wat je kan aanraken, zien, voelen of ruiken. Stof neemt ruimte in en heeft een bepaald gewicht. Om preciezer te zijn, zouden we moeten zeggen dat stof een volume en een massa heeft.

In dit hoofdstuk bespreken we deze stoffen en kom je meer te weten over de werking hiervan. Maar naast de leertekst staan in dit boek ook nog een paar proefjes die je (samen met een volwassenen) kunt doen, zodat je de theorie ook kan uittesten.
Sommige van deze experimenten mogen alleen samen met een volwassenen gedaan worden. Deze experimenten zijn ingeklapt en te herkennen aan de tekst "Opgelet: deze proef mag enkel met een volwassene worden uitgevoerd" De reden hiervan is dat het gevaarlijk kan zijn om kinderen zonder toezicht van een volwassenen gebruik te laten maken van bijvoorbeeld vuur of bepaalde stoffen.

Inleiding: Eigenschappen van stoffen

Veel stoffen hebben nuttige eigenschappen. Je kunt ze gebruiken als medicijn, schoonmaakmiddel, brandstof, bouwmateriaal, enzovoort. Maar stoffen kunnen ook gevaarlijk zijn. Om veilig met stoffen te kunnen werken, moet je hun eigenschappen kennen.

Stofeigenschappen

In je omgeving zie je veel verschillende materialen. Een ballon is van rubber, een brillenglas is van glas en een fiets van staal. Men gebruikt zo veel verschillende materialen, omdat het materiaal geschikt moet zijn voor het voorwerp.

Maar waarom kiezen ze nou voor DAT materiaal? Een ballon is van rubber, omdat rubber elastisch is, een brillenglas is van glas, omdat glas doorzichtig is en een fiets is van staal omdat dat sterk is.

Het betekent dat de eigenschap van de stof niet verandert als de hoeveelheid van het materiaal verandert

Stoffen herkennen

Je kan stoffen herkennen door de kleur (bijvoorbeeld cola is zwart), door de geur (bijvoorbeeld sterke koffie). Bij een onbekende stof mag je NOOIT proeven, omdat ze giftig kan zijn en/of schadelijk voor je gezondheid. Je mag ook NOOIT direct aan een onbekende stof ruiken: dit kan gevaarlijk zijn of pijn doen. Om een onbekende stof te ruiken, houd je de fles voor je en wapper je met je hand een klein beetje van de lucht naar je toe. Benzine is een voorbeeld van zo'n giftige stof.

{{Proef met ouder proef=Verschil in vloeistoffen| materiaal=water, wasbenzine, alcohol, 3 kleine flesjes| uitvoering=Vul alle drie de flesjes met een ander stofje, zodat je 1 flesje met water, 1 met alcohol en 1 met wasbenzine hebt. Wissel de flesjes totdat je niet meer weet wat waar zit. De dop moet op de fles blijven zitten. Kijk naar de fles. Waarin zit volgens jou het water? Dat kun je misschien niet zien. Voel er nu aan. Weet je het nu? HOU NU DE DOP VAST en schud met de flesjes. Haal nu de doppen eraf en ruik eraan. DOE DAT NIET DIRECT! HOU DE FLES EERST VOOR JE EN WAPPER DE GEUR NAAR JE TOE. Weet jij nu waar de benzine, alcohol en het water in zit? |conclusie=je kan stoffen herkennen door de geur}}

{{Proef met ouder proef=Kaarsvet| materiaal=kaars met houder, lucifers, kladblaadje, ouders| uitvoering=Zet de kaars voor je op tafel op het kladblaadje. Steek de kaars aan en laat hem een minuut branden. Blaas hem dan uit en kijk goed naar de kaars, rond het lontje. Het is gesmolten. Laat nu voorzichtig een druppel kaarsvet op het kladblaadje vallen en wacht een minuut. Het kaarsvet stolt, het blijft niet vloeibaar. |conclusie=Kaarsvet kan zowel vloeibaar als vast zijn}}

De massa van stoffen

{{Proef proef=Het gewicht van stoffen| materiaal=even grote blokjes van verschillende materialen, weegschaal| uitvoering=Leg de blokjes op tafel, schakel de balans in en leg één blokje op de weegschaal. Wat is het gewicht? Het wordt gemeten in grammen. Leg nu een ander blokje op de schaal. Ze hebben niet allemaal hetzelfde gewicht.| conclusie=Het gewicht van een stof is een eigenschap.}}

Dichtheid

Je hebt net een proefje gedaan met verschillende stoffen. Elke stof neemt ruimte in en heeft z'n eigen gewicht, om preciezer te zijn, zouden we je moeten zeggen dat een stof een volume en een massa heeft. Het blokje dat het meeste woog, heeft de grootste dichtheid. Want hoe meer samengeperste deeltjes er in het blokje zitten, hoe zwaarder het blokje wordt. Hoe zwaarder een blokje is, hoe groter de massa is. Een klein blokje van hout heeft dus een veel kleinere massa dan een klein blokje van lood.

Stoffen en veiligheid

In sommige flessen zit een gevaarlijke stof. Dat zie je aan het etiket en de kindveilige sluiting.

Kindveilige sluitingen

Kindveilige sluiting zijn er, omdat (kleine) kinderen de fles dan niet kunnen open krijgen omdat de stof vaak giftig of schadelijk is.

Gevarensymbolen

Bij gevaarlijke stoffen staan er op het etiket één of meer van deze symbolen.

• 

  Explosieve stof

• 

  Licht ontvlambaar

• 

  Oxiderende stof

• 

  Giftige stof

• 

  Bijtende stof

• 

  Schadelijke stof

• 

  Milieugevaarlijke stof

Op een fles spiritus staat een vlammetje. Nu gaan we een proefje doen om je te laten zien dat dat dit tekentje er niet zonder reden op staat. ! Let op, doe deze proef met je ouders erbij!

Proef

{{Proef met ouder proef=Gevaarlijke stof| materiaal=een druppelflesje spiritus, een indampschaaltje en lucifers| uitvoering=Druppel tien druppels spiritus in een schoon indampschaaltje. DOE HET FLESJE DICHT EN ZET HET WEG! Heb je het flesje dicht gedaan en weggezet? Steek nu de spiritus in het schaaltje aan. Doe het licht uit en ga op een afstandje staan. Spiritus verbrandt met een blauwe vlam. Zoals je in het hoofdstuk over warmte kunt lezen, dit is dus een volledige verbranding. |conclusie=de symbolen zijn er niet voor niks.}}

Metaal

Verschillende metalen

Deze paragraaf gaat over metalen. Je gebruikt zelf ook metalen voorwerpen. Bijvoorbeeld muntgeld, je fietssleutel of het puntje van je balpen. Metalen kunnen warmte doorgeven, en zijn soms magnetisch. Dat gaan we laten zien bij de volgende proefjes:

Magnetische metalen

{{Proef proef=Magnetisme| materiaal=magneet, metalen voorwerpen| uitvoering=Neem een magneet en ga ermee op jacht. Zoek in huis naar metalen voorwerpen en kijk of ze aan de magneet blijven hangen. Als je denkt dat dat bij alles gebeurt, vergis je je! Onder normaal gesproken blijven alleen huishoudelijke voorwerpen van ijzer en nikkel aan de huis-tuin-en-keuken-magneet hangen! |conclusie=Magneten trekken metalen voorwerpen aan |}}

{{Proef proef=Magnetische kracht gaat door papier| materiaal=magneet, stukjes ijzer, vel papier| uitvoering=Leg de magneet onder het vel papier en leg stukjes ijzer op het vel papier op de plaats waaronder de magneet zit. Je zult zien dat het metaal nog altijd wordt aangetrokken en ook als je de magneet beweegt, beweegt het ijzer mee. Conclusie: magnetische krachten kunnen door sommige stoffen heen gaan. |conclusie=de magnetische kracht gaat door het papier}} Voor meer informatie over magnetisme, lees het hoofdstuk over magnetisme.

Warmtegeleiding

Heb je wel eens pannenkoeken gebakken in een heel oude koekenpan? Heel soms zie je nog wel eens dat de steel van die pannen van metaal is. Hoewel de steel niet direct bovenop het vuur staat, wordt hij tijdens het bakken toch heel heet, en als je hem beetpakt brand je je handen. Dat komt doordat metaal de warmte goed geleidt; alle warmte die op één plek op het metaal terecht komt, wordt doorgegeven aan het héle metaal. Daarom worden stelen van pannen meestal gemaakt van hout of plastic, omdat die de warmte niet geleiden. Met het volgende proefje kun je deze warmtegeleiding onderzoeken. Kijk uit. Deze proef is gevaarlijk. DOE HEM MET JE OUDERS ERBIJ! {{Proef met ouder proef=Warmtegeleiding door metalen| materiaal=spijker, lucifer, ouders| uitvoering=Pak tussen duim en wijsvinger een spijker bij de kop beet. Laat je vader of moeder een lucifer aansteken en het vlammetje onder de punt van de spijker houden. KIJK UIT DAT JE JE NIET BRANDT! Niet alleen het puntje, maar de hele spijker wordt warm, en waarschijnlijk kun je niet de spijker vast te houden tot de lucifer is opgebrand. Conclusie: warmte wordt snel door metaal doorgegeven. |conclusie=Metaal geleidt goed warmte}}

Wanneer je een metaal warm genoeg maakt, gaat het smelten. Niet alle metalen smelten op dezelfde temperatuur. Tin smelt bijvoorbeeld al bij 232 °C, terwijl ijzer pas smelt wanneer de temperatuur hoger is dan 1535 °C graden. De temperatuur waarbij het metaal gaat smelten, wordt het smeltpunt van dat metaal genoemd. Omdat tin bij een lage temperatuur smelt, wordt het gebruikt om mee te solderen. Het materiaal is echter ook een stuk zachter. Voor de meeste metalen kan je zeggen dat hoe hoger de temperatuur van het smeltpunt is, hoe sterker het metaal is.

Legeringen

Soldeertin is een legering.

Met legeren wordt het mengen van een metaal met een andere stof bedoeld. Die andere stof is vaak ook een metaal, maar kan soms ook een niet-metaal zijn. Brons is bijvoorbeeld een legering van koper met een ander metaal, namelijk tin. Een legering van ijzer is staal. Dit bestaat uit ijzer, gelegeerd met koolstof. Dit gewone staal wordt daarom ook wel koolstofstaal genoemd. Door het legeren kunnen de eigenschappen van het materiaal veranderd worden. Staal is veel sterker dan gewoon ijzer, en bovendien kan het zo bewerkt worden, dat het zeer hard wordt, waardoor het geschikt is om mee te snijden. Naast koolstof, kan het ijzer ook nog gemengd (gelegeerd) worden met andere stoffen. Zo kan er bijvoorbeeld chroom bij het staal gemengd worden, waardoor chroomstaal ("roestvrij" staal) ontstaat dat niet zo gemakkelijk roest.

De eigenschappen van een legering zijn niet altijd "beter" dan van het oorspronkelijke metaal. Daarbij is het natuurlijk al de vraag wat "beter" is. Wanneer magnesium, een heel licht metaal, bijvoorbeeld gelegeerd wordt met ijzer of nikkel, gaat het magnesium veel sneller oxideren. Om een bepaalde eigenschap van een metaal te verbeteren is het vaak een kwestie van veel uitproberen om een geschikte legering te vinden. Staal met veel koolstof is bijvoorbeeld heel sterk en hard, dus je kunt er goed een hamer mee maken. Maar het is te hard en niet buigzaam genoeg om een frame voor een auto mee te kunnen maken. Wil je een auto maken, dan kun je daarom beter wat minder koolstof in het staal stoppen.

Mensen die nadenken over welke metaallegeringen voor welke voorwerpen het beste geschikt zijn, worden "metaalkundigen" genoemd.

Geheugenmetalen

Een bijzonder soort metalen zijn de "geheugenmetalen". Geheugenmetalen zijn legeringen die wanneer ze vervormd worden, door verwarming weer de vorm aannemen die ze eerst hadden. Geheugenmetaal wordt bijvoorbeeld door de tandarts gebruikt in beugels. De temperatuur in je mond is hoog genoeg om ervoor te zorgen dat de beugel heel langzaam van vorm verandert, en zo langzaam je tanden stukje bij beetje weer in de juiste stand zet. Een veelgebruikt geheugenmetaal is een legering van titanium en nikkel.

Roesten en oxideren

Het roesten kan ijzer volledig wegvreten

Metalen kunnen worden aangetast door zure regen, vocht, chloor en zuurstof. Het oppervlakte van het metaal raakt dan beschadigd, en soms ontstaan er zelfs putjes in. De aantasting ontstaat door een verbinding van het metaal met zuurstof, al dan niet in combinatie met water. Eigenlijk is er sprake van een langzame vorm van verbranden. Dit proces wordt oxideren genoemd. Roesten is ook een soort oxideren. Wanneer mensen het over roesten hebben, dan bedoelen ze het oxideren van ijzer.

Als metaal oxideert, gebeurt er ongeveer het volgende. In de lucht zitten zuurstofdeeltjes die in contact komen met het metaal. De metaaldeeltjes aan de buitenkant van het metaal vinden het eigenlijk veel prettiger om aan de zuurstofdeeltjes vast te zitten dan aan de rest van het metaal, en vormen met de zuurstofdeeltjes een nieuw deeltje, dat een metaaloxide, een metaal-zuurstofverbinding, genoemd wordt. Wetenschappers hebben het dan over een chemische reactie waarin een reductor (het metaal) elektronen afstaat aan een oxidator, in dit geval zuurstof, en dan een oxide vormt.

Niet alle metalen oxideren even snel. Hoe edeler een metaal is, des te minder snel "wil" het metaal samen met zuurstof een verbinding maken. Zilver en goud zijn bijvoorbeeld heel edele metalen, terwijl zink en ijzer erg onedel zijn en dus snel oxideren. Koper is weer edeler dan ijzer.

Om metalen tegen oxideren te beschermen, worden verschillende behandelingen toegepast. IJzeren hekken worden bijvoorbeeld geverfd om roesten tegen te gaan. De verf zorgt voor een beschermend "jasje" rondom het hek, waardoor zuurstof uit de lucht niet bij het ijzer kan komen. Een ander trucje is het gebruiken van een opofferingsmetaal. Wanneer je twee metalen aan elkaar vastmaakt, en dan laat oxideren, dan oxideert eerst het meest onedele metaal, en daarna het andere metaal pas. Schepen die van ijzer gemaakt zijn, hebben vaak een blok zink aan het schip vastzitten, om te zorgen dat het ijzer van het schip niet gaat roesten.

Geoxideerd koper ziet er dof bruinachtig, of als het vochtig is groen, uit. We gaan een proefje doen met een geoxideerde, koperen buis.

{{Proef proef=Oxideren| materiaal=geoxideerde (dofbruine of groene) koperen buis, schuurpapier| uitvoering=Dit proefje is heel makkelijk. Gewoon even flink schuren op de buis. Je zult zien dat op de plaatsen waar jij schuurt, het koper een mooie roodbruine kleur heeft gekregen. En het glanst. |conclusie=Het oppervlak van het koper is geoxideerd, maar onder de geoxideerde laag is het koper nog in orde.}}

Stoffen

IJzer

IJzer is het bekendste metaal. Het is goedkoop en sterk en het wordt gebruikt voor het maken van bijvoorbeeld auto's en schepen. Meestal gebeurt dat in de vorm van staal. Staal is een legering van ijzer en koolstof. Maar er zijn nog meer toepassingen voor ijzer en staal:

• hoefijzers voor paarden
• het bouwen van grote constructies (staal)
• in transformatoren (ijzer)

Zink

Zink wordt meestal gebruikt in de industrie, in de vorm van legeringen. Dit zijn enkele belangrijke toepassingen:

• in batterijen
• bescherming tegen oxidatie als opofferingsmetaal (verzinken)
• voor messing, zilvernikkel en soldeertin

Lood

Dit zware metaal werd vroeger veel gebruikt. Tegenwoordig veel minder, omdat het schadelijk is voor het milieu. Maar voordat het gebruik minder werd, werd lood voor de volgende dingen gebruikt:

• legering met tin voor het maken van orgelpijpen
• werd gebruikt als elektrode in oplaadbare batterijen en accu's
• het dichten van woningkieren
• lood in diesel voorkomt kloppen van de motor

Goud

Goudstukken.

Dit metaal is waardevol en is tegenwoordig onmisbaar in de industrie. Behalve voor het maken van juwelen wordt goud voor nog meer dingen gebruikt. Hier zijn wat voorbeelden:

• werd vroeger gebruikt voor muntgeld
• wordt gebruikt voor tandvullingen
• in de ruimtevaart wordt goud gebruikt voor kunstmanen, omdat het goed ultraviolette stralen reflecteert

Zilver

Zilverstukken

Sinds het begin van onze jaartelling wordt zilver al voor veel dingen gebruikt. Net als goud werd dit vroeger gebruikt als betaalmiddel, maar er zijn nog meer toepassingen voor dit metaal:

• zilverhalogeniden in de fotografie
• voor het maken van juwelen
• voor het maken van spiegels

Titanium

Titanium, tegenwoordig gewoon titaan genoemd, is een zeer sterk en hard metaal dat moeilijk slijt. Het is net zo sterk als staal, maar het weegt maar half zo veel als staal. Het wordt niet afgestoten door het menselijk lichaam, waardoor het een belangrijk materiaal is voor medische toepassingen. Het maken van zuiver titanium is echter erg moeilijk, en daarom is titanium nog erg duur.

Titanium wordt toegepast:

• in scheepsschroeven vanwege de goede bestendigheid tegen zeewater
• als legering in sterke lichtgewicht toepassingen zoals vliegtuigen, fietsen, maar ook in golfclubs of tennisrackets
• in biomedische toepassingen zoals heupgewrichten, onderkaken
• Titaandioxide is een zeer lichtsterk wit pigment dat in verf en papier wordt toegepast.

Glas

Er zijn veel dingen die van glas zijn gemaakt. Bijvoorbeeld een wijnglas, een raam en sommige schaakspellen. De meeste glazen voorwerpen zijn doorzichtig en breekbaar. Nadelen van glas zijn de breekbaarheid en de scherpe randen. Je kun je er makkelijk aan snijden. Toch zijn er ook voordelen, want glas is bijvoorbeeld goed schoon te maken.

Veiligheidsglas

Veiligheidsglas. Als je dat woord leest, denk je waarschijnlijk dat het niet breekt. Maar dat doet het wel! Maar waarom heet het dan toch veiligheidsglas? Wel, als het breekt, zijn de randen minder scherp en zijn er geen splinters. Dat wordt gebruikt in lampen.

Glasblazer aan het werk

Heet glas

Als je glas heel heet maakt, kun je het buigen, doordat het glas door hitte zachter wordt. Die techniek wordt gebruikt door glasblazers.

Een bekende waarschuwing uit het laboratorium: 'Heet glas ziet er exact hetzelfde uit als koud glas!'

Kunststoffen

Kunststof wordt gemaakt van aardolie. De bekendste kunststof is plastic. Het is niet zwaar en het kan niet roesten. Kunststof wordt ook gebruikt om elektriciteitsdraden, omdat het een goede isolatie is. In vliegtuigen wordt ook plastic gebruikt. Bijvoorbeeld bij bestek, borden en bekers. Het grote voordeel is dat dit veel minder zwaar is dan glazen, metalen bestek en borden van porselein.

Deze isolerende eigenschap van de meeste kunststoffen betekent dat ze elektrisch geladen kunnen worden door erover te wrijven, we noemen dit statische elektriciteit. In volgend proefje kan je deze elektrische lading aantonen: {{Proef proef=Met een kam een waterstraal buigen| materiaal=haarkam, waterkraan| uitvoering=Een elektrische lading kan op eenvoudige wijze worden aangetoond door met een redelijk schone kam schoon droog haar te kammen (en zodoende de kam elektrisch op te laden) en de kam vervolgens bij een dun straaltje water (mag net niet druppelen) uit de waterkraan te houden. Het waterstraaltje zal door de kam worden aangetrokken en in een boogje gaan stromen! |conclusie=Dit komt doordat water enigszins elektrisch geleidend is en lading van dezelfde soort als op de kam zich zover mogelijk van de kam kan verwijderen. Het gedeelte van het waterstraaltje dat zich het dichtst bij de kam bevindt, is nu tegengesteld geladen en wordt door de kam aangetrokken. De aantrekkingskracht tussen de watermoleculen zorgt er verder voor dat de waterstraal toch als een geheel blijft stromen.}}

We gaan nu een proef doen over de brandbaarheid van kunststof. {{Proef met ouder proef=Brandbaarheid van kunststof| materiaal=gasfornuis, kroezentang, triplex plaatje, plaatje poly-etheen, plaatje plexiglas, stukje elektriciteitsschakelaar| uitvoering=Zet het fornuis aan en hou een plaatje poly-etheen met de kroezentang in de vlam. Als dit brandt, haal hem dan GELIJK uit de vlam en blaas de vlam uit. Waai de rookslierten met je hand naar je toe. Je moet maar heel even ruiken, want het is absoluut geen parfumgeur. Leg het plaatje op de tripex-plaat. Herhaal de proef met de andere stukjes kunststof. Gingen alle kunststukjes branden? Was de vlam hetzelfde? Was de reuk hetzelfde? |conclusie=niet alle kunststoffen hebben dezelfde eigenschappen}}

Keramiek

Poreuze keramiek

Keramiek is gebakken klei. Je kunt het ook wel aardewerk noemen. De klei die een pottenbakker gebruikt, is klei met een grotere korrel dan de klei waarvan een baksteen is gemaakt. Dakpannen worden ook van keramiek gemaakt. Keramiek is een goed materiaal daarvoor, omdat het goed tegen lucht en water kan.

Glazuur

Glazuur is een glaslaag die keramiek beschermt en mooier maakt. De tegels zijn goed schoon te maken met water en zeep. Dit soort tegels hebben mooie kleuren.

Poreusheid van baksteen

{{Proef proef=Poreusheid van baksteen| materiaal=droge baksteen, geodriehoek, spuitfles water, bekerglas van 1000 ml, watervaste viltstift| uitvoering=Leg de baksteen voor je, zet op 10 cm van de onderkant een rechte streep met viltstift. Zet de steen in het bekerglas en vul het voorzichtig aan de kraan met water tot vlak onder de streep. Pak de spuitfles en spuit water in het bekerklas tot het PRECIES op de streep staat. Wacht een minuut en kijk ondertussen naar de steen. Er komen luchtbellen aan de steen die naar boven stijgen. De luchtbellen komen uit de kleine gaatjes. Na een paar minuten stopt het opstijgen van de luchtbellen. Wacht nu een kwartier. Kijk naar de streep die je op de steen hebt gezet. Het water is een klein beetje gezakt. Het water wat verdwenen is, is in de steen gedrongen. |conclusie=in poreus materiaal kan water dringen. |}}

Porselein

{{Proef met ouder proef=Hittebestendig?| materiaal=scherven porselein, glas, gasfornuis, kroezentang| uitvoering=Vul het glas voor de helft met water. Neem een stuk porselein in de tang en hou het 2 minuten in de vlam. Haal het dan uit de vlam. RAAK HET NIET AAN, ANDERS KUN JE JE VERBRANDEN. Bekijk het porselein goed. Het porselein is heet, maar dat kun je niet zien. Hou het porselein nog eens 2 minuten in de vlam en laat hem in het water vallen. Het geeft een sissend geluid en er komt damp vanaf. |conclusie=porselein is vuurvast}} Soms zijn er duikers die porselein uit een gezonken schip halen. Het schip lag soms al een paar eeuwen in zee. Het porselein was zo goed als nieuw, doordat porselein niet door water wordt aangetast.