Fundamental · Oplossingen · 10. Materialen en hun eigenschappen StemExpert · Brecht Corbeel · schoolium.me
SE
StemExpert
F10. Materialen en hun eigenschappen — oplossingen
FFundamental · deel F2 · Materie en materialen
Oplossingen · hoofdstuk 10Materialen en hun eigenschappen
Waarom een kas uit aluminium en polycarbonaat bestaat, en hoe je dat met proeven en een keuzetabel onderbouwt
Uitgewerkte oplossingen bij de 15 opdrachten van het werkboek. Voor de leerkracht, en voor wie zichzelf wil verbeteren nadat hij het eerst zelf probeerde.
Een leerling test vier onbekende materialen P, Q, R en S. Resultaten: P krast Q en S; Q krast S; R krast P, Q en S; S krast niets. De vingernagel krast S maar niet Q; de koperen munt krast Q maar niet P; het glas krast P, maar R krast het glas.
a
Rangschik P, Q, R en S van zacht naar hard.
S, Q, P, R.
b
Tussen welke waarden op de schaal van Mohs ligt elk materiaal? Gebruik de vergelijkingsvoorwerpen uit het handboek.
S: onder 2,5 (de nagel krast het). Q: tussen 2,5 en 3,5 (nagel niet, munt wel). P: tussen 3,5 en 5,5 (munt niet, glas wel). R: boven 5,5 (krast glas).
c
Welk materiaal zou je kiezen voor het venster van een horloge, en waarom?
R: het hardste materiaal krast het minst. (Horlogeglas wordt vaak van saffier gemaakt: korund, hardheid 9.)
10.4
Waarom dit materiaal?
Oefenen2Begrijpen12 min
Verklaar elke keuze met één of twee eigenschappen.
a
(a) Een pan met een koperen bodem en een handvat van bakeliet (een kunststof).
Koper geleidt warmte heel goed (snel en gelijkmatig opwarmen); de kunststof geleidt slecht, zodat je het handvat kan vastpakken.
b
(b) Een elektriciteitskabel: koperdraad in een PVC-mantel.
Koper geleidt stroom heel goed; PVC isoleert, zodat je geen schok krijgt, en is soepel en waterbestendig.
c
(c) Een spoelbak in roestvast staal.
Roest niet (chroom in het staal), is hard en makkelijk schoon te maken.
d
(d) Een veiligheidsbril met glazen van polycarbonaat.
Polycarbonaat is taai: het breekt niet in scherven als er iets tegen vliegt; en het is doorzichtig en licht.
e
(e) Vloertegels van keramiek in een keuken.
Keramiek is hard (slijt niet, krast niet), waterdicht, makkelijk schoon te maken en hittebestendig.
Toepassen
Toepassen
meerdere stappen, in een context
10.5
Labo: zeven materialen testen
Toepassen3Labo50 min
Voer de proef 'Buigen, krassen en geleiden' uit het handboek uit met zeven stroken van dezelfde afmetingen.
a
Voorspel eerst: welk materiaal buigt het meest, welk is het hardst, welke geleiden?
Bijvoorbeeld: polycarbonaat buigt het meest, staal het minst; staal is het hardst; alleen de metalen geleiden.
b
Meet en noteer.
Zie de tabel in het handboek: staal minder dan 1 mm, koper ± 0,5 mm, aluminium ± 1 mm, grenen ± 5 mm, acryl en PVC ± 18 à 19 mm, polycarbonaat ± 24 mm.
c
Rangschik de materialen van stijf naar slap. Past dat bij de families?
Staal, koper, aluminium, grenen, acryl, PVC, polycarbonaat. Metalen zijn het stijfst, kunststoffen het slapst, hout zit ertussen.
d
Welke variabelen hield je gelijk, en waarom is dat nodig?
Breedte, dikte, lengte die uitsteekt, het gewicht, de plaats van het gewicht, de manier van meten. Anders meet je niet alleen het verschil in materiaal (hoofdstuk 2).
Zo wordt dit beoordeeld
Veiligheid
Bril bij het buigen; niet naar het gezicht buigen.
Eerlijke proef
Zelfde afmetingen, zelfde uitsteeklengte, zelfde gewicht, zelfde manier van krassen.
Metingen
Doorbuiging in mm met een lat op ooghoogte; waarnemingen per proef.
Besluit
Rangschikking per eigenschap, en verband met de families.
10.6
Doorbuiging meten
Toepassen3Analyseren20 min
Twee stroken van 20 × 3 mm steken 20 cm uit. Je hangt steeds meer gewicht aan het uiteinde.
aluminium
PVC
massa (g)
doorbuiging (mm)
massa (g)
doorbuiging (mm)
0
0,0
0
0,0
200
1,7
20
3,9
400
3,3
40
7,8
600
5,0
60
11,6
800
6,6
80
15,5
Na alle metingen hang je nog 2000 g aan de aluminium strook. Als je het gewicht wegneemt, blijft het uiteinde 3 mm lager staan dan in het begin.
a
Teken voor beide stroken de grafiek van de doorbuiging tegenover de massa.
Twee rechten door de oorsprong; die van PVC is veel steiler (maar tot een kleinere massa).
b
Is de doorbuiging recht evenredig met de massa? Hoe zie je dat?
Ja: dubbel zoveel massa geeft dubbel zoveel doorbuiging, en de punten liggen op een rechte door de oorsprong (hoofdstuk 4).
c
Bereken voor elke strook de doorbuiging per 100 g. Hoeveel keer stijver is aluminium dan PVC?
Aluminium: 6,6mm/8≈0,83mm per 100 g. PVC: 15,5mm/0,8≈19mm per 100 g. 19/0,83≈23: aluminium is ongeveer 23 keer zo stijf.
d
Wat toont de meting met 2000 g? Gebruik de woorden elastisch en plastisch.
Tot 800 g veert de strook telkens terug: ze vervormt elastisch. Met 2000 g gaat ze over haar grens: na het wegnemen blijft ze 3 mm gebogen, ze is plastisch vervormd. Een veerunster (hoofdstuk 11) werkt alleen zolang de veer elastisch blijft.
10.7
Roest onderzocht
Toepassen3Analyseren15 min
Vijf gelijke ijzeren spijkers liggen een week in een afgesloten potje. Resultaat:
potje
omstandigheid
na een week
1
droge lucht (met droogmiddel)
blank
2
gekookt water met een laagje olie erop
bijna blank
3
kraanwater, deels ondergedompeld
roest, vooral aan het wateroppervlak
4
zout water, deels ondergedompeld
veel roest
5
zout water, maar een verzinkte spijker
blank, een wit laagje op het zink
a
Wat is er nodig om ijzer te laten roesten? Welke potjes tonen dat?
Water én zuurstof (lucht) samen. Potje 1 (geen water) en potje 2 (geen zuurstof) roesten niet; potje 3 met allebei wel, vooral waar water en lucht elkaar raken.
b
Waarom kook je het water in potje 2 en giet je er olie op?
Koken drijft de opgeloste lucht uit het water; de olie houdt nieuwe lucht tegen. Zo test je water zonder zuurstof.
c
Wat versnelt roesten? Waar ter wereld roesten auto's het snelst, denk je?
Zout (potje 4). Aan zee en waar in de winter veel gestrooid wordt: zout water op de weg.
d
Welke schroeven gebruik je in de vochtige meetkas? Waarom geen gewone stalen?
Roestvast staal (bijvoorbeeld M4 in A2-roestvast staal), eventueel verzinkt staal. Gewone stalen schroeven roesten in de vochtige kas vast, verliezen hun sterkte en laten roestvlekken na op het frame.
10.8
Een keuzetabel voor de plantenbakjes
Toepassen3Rekenen20 min
Voor de twaalf plantenbakjes twijfel je tussen polypropeen (PP), terracotta (gebakken klei) en hout.
criterium
gewicht
PP
terracotta
hout
houdt water, lekt niet
3
5
2
2
licht
2
5
1
3
gaat lang mee in vocht
3
4
4
2
goed voor de wortels (lucht)
2
2
5
4
prijs
1
5
3
3
recycleerbaar of natuurlijk
1
3
3
5
a
Bereken het totaal voor elke optie. Wat is het maximum?
Welke optie wint? Verklaar twee scores met een eigenschap uit dit hoofdstuk.
PP wint. Terracotta is keramiek: poreus (water sijpelt door en verdampt) en zwaar (dichtheid ± 2). Hout rot als het voortdurend nat is.
c
Een tuinier vindt 'goed voor de wortels' het belangrijkste (gewicht 3) en 'licht' onbelangrijk (gewicht 1). Verandert de winnaar?
PP: 15+5+12+6+5+3=46. Terracotta: 6+1+12+15+3+3=40. Hout: 6+3+6+12+3+5=35. PP wint nog altijd, maar terracotta komt dichterbij: de keuze is vrij stevig.
10.9
Recyclagecodes en de kringloop
Toepassen2Begrijpen12 min
Gebruik de tabel met recyclagecodes en de materialenkringloop uit het handboek.
a
Welke kunststof hebben: (a) een waterfles, (b) een dop, (c) een boterhamzakje, (d) een plantenbakje van de meetkas, (e) een kasplaat van polycarbonaat?
(a) PET (1); (b) HDPE (2) of PP (5); (c) LDPE (4); (d) PP (5); (e) andere (7).
b
Waarom is polycarbonaat (code 7) moeilijker te recycleren dan PET (code 1)?
Code 7 is een verzamelcode: er komen weinig stukken van dezelfde soort binnen, dus apart sorteren en verwerken loont weinig. PET-flessen zijn er in enorme aantallen, van één soort.
c
Zet in volgorde van voorkeur: verbranden, hergebruiken, storten, recycleren, minder gebruiken.
Geef voor de meetkas een voorbeeld van hergebruiken en een voorbeeld van recycleren.
Hergebruiken: een oude PET-fles als maatbeker of als filter (hoofdstukken 3 en 9), de platen van een afgebroken kas opnieuw gebruiken. Recycleren: het aluminium frame omsmelten tot nieuw aluminium.
10.10
Onderzoek: welk materiaal voelt het koudst?
Toepassen3Onderzoeken40 min
Plaatjes van even grote afmetingen (bijvoorbeeld 10 × 10 cm, 3 mm dik) van aluminium, koper, staal, glas, hout en polycarbonaat liggen al een uur in het klaslokaal. Voel eraan: welk voelt het koudst? Leg dan op elk plaatje een even groot ijsblokje en meet hoe lang het duurt tot het gesmolten is.
a
Voorspel: welk plaatje voelt het koudst, en op welk smelt het ijsblokje het snelst? Hebben de plaatjes een verschillende temperatuur?
Veel leerlingen voorspellen dat het metaal kouder is. Alle plaatjes hebben de temperatuur van het lokaal.
b
Meet.
Typisch: koper en aluminium voelen het koudst en smelten het ijs het snelst (enkele minuten), dan staal, dan glas, hout en polycarbonaat het traagst.
c
Verklaar je resultaten met warmtegeleiding.
Metalen geleiden warmte goed: ze voeren de warmte van je hand snel weg (voelt koud) en voeren warmte uit de kamer snel naar het ijsblokje (smelt snel). Hout en kunststof geleiden slecht: je hand warmt het oppervlak zelf op (voelt lauw), en het ijs krijgt weinig warmte.
d
Hoe controleer je dat alle plaatjes echt even warm zijn?
Meet de temperatuur van elk plaatje met een (infrarood)thermometer: ze zijn allemaal ongeveer even warm als de lucht.
Zo wordt dit beoordeeld
Voorspelling
Met een reden.
Eerlijke proef
Even grote plaatjes en ijsblokjes, zelfde ruimte, zelfde start.
Verklaring
Metaal voert warmte snel aan (naar het ijs) en af (weg van je hand); kunststof en hout traag.
Controle
Temperatuur gemeten met een thermometer of een infraroodthermometer.
Uitdagen
Uitdagen
transfer, open problemen, leerlijnen combineren
10.11
Habitat: materialen voor de plantentafel en de bakjes
Uitdagen4Habitat50 min
De twaalf bakjes met vochtige potgrond wegen samen ongeveer 43 kg (hoofdstuk 7). Ze staan op een tafel van 1,18 m × 0,58 m op 30 cm hoogte, boven het reservoir. Opties voor het tafelblad (18 mm dik): multiplex voor binnen, watervast multiplex, een plaat HDPE, en een rooster van aluminium profielen.
a
Stel minstens vijf criteria op voor het tafelblad, met een gewicht en een reden.
Bijvoorbeeld: stijf genoeg voor 43 kg (3), bestand tegen vocht en giet-water (3), licht (1), makkelijk te zagen en te boren (2), prijs (2), laat water door of niet (1).
b
Geef elke optie een score van 1 tot 5 per criterium, met een korte reden, en bereken de totalen.
Bijvoorbeeld: multiplex voor binnen scoort laag op vocht (de lijm laat los, het zwelt). Watervast multiplex: stijf, vochtbestendig, makkelijk te bewerken, betaalbaar; hoogste totaal. HDPE: vochtbestendig maar slap (buigt door onder 43 kg) en duurder. Aluminium rooster: licht en stijf, maar duurder en de bakjes staan minder stabiel.
c
Welke optie kies je? Verandert de keuze als je de gewichten een beetje verschuift?
Meestal watervast multiplex; verschuiven van de gewichten verandert de winnaar niet, omdat binnenmultiplex en HDPE telkens op een zwaar criterium zwak scoren.
d
Welke materialen kies je voor de bakjes en voor de schroeven van het frame? Verwijs naar opdracht 10.7 en 10.8.
Bakjes: PP (opdracht 10.8). Schroeven: roestvast staal M4, met kunststof ringetjes tussen schroef en aluminium (opdracht 10.7 en het handboek).
e
Portfolio: vat de materiaalkeuze van de hele meetkas samen in een tabel (onderdeel, materiaal, belangrijkste reden).
Frame: aluminium koker 20 × 20 × 1,5 mm (licht, roest niet, recycleerbaar); wanden en dak: kanaalplaat polycarbonaat 4 mm (taai, licht, isoleert); tafel: watervast multiplex 18 mm (stijf, vochtbestendig); bakjes: PP (waterdicht, licht); schroeven: roestvast staal M4 (roest niet).
Zo wordt dit beoordeeld
Criteria
Passend bij de taak: draagt 43 kg zonder door te buigen, vochtbestendig, licht, bewerkbaar, prijs.
Scores
Onderbouwd met eigenschappen of metingen, niet met gevoel.
Controle
Gevoeligheid voor de gewichten besproken; wat de tabel niet ziet benoemd.
Portfolio
Volledige tabel voor frame, wanden, tafel, bakjes en schroeven.
10.12
Debat: hout of aluminium voor het kasframe?
Uitdagen3Argumenteren25 min
Een groep wil het frame van de meetkas toch in hout maken: 'Hout groeit terug, aluminium kost veel energie.' Een andere groep houdt vast aan aluminium. Bereid beide kanten voor.
a
Geef drie argumenten voor hout.
Hernieuwbare grondstof die CO₂ opslaat; weinig energie om te maken; makkelijk te bewerken in de klas; goedkoop; geen koudebrug.
b
Geef drie argumenten voor aluminium.
Rot niet in de vochtige kas; licht (3,1 kg); lange levensduur zonder onderhoud; onbeperkt en met weinig energie te recycleren (95 % minder dan nieuw); smalle profielen, dus meer licht.
c
Welke informatie zou je nodig hebben om het echt te beslissen? Denk aan de hele levensloop.
Hoe lang gaat elk frame mee in de kas? Hoeveel energie en CO₂ kost elk, over de hele levensloop (grondstof, maken, gebruik, afdanken)? Is het aluminium gerecycleerd of nieuw? Wordt het hout duurzaam gekapt? (Dat is een levenscyclusanalyse, hoofdstuk 38 in Intermediate.)
d
Formuleer een compromis of een eigen standpunt in twee zinnen.
Bijvoorbeeld: 'Aluminium uit gerecycleerd materiaal voor het frame, omdat het in de vochtige kas veel langer meegaat; hout voor onderdelen die droog blijven, zoals de tafelpoten buiten het water.'
Zo wordt dit beoordeeld
Argumenten
Juist en concreet: grondstof, energie, levensduur, onderhoud, recyclage, massa.
Levensloop
Denkt aan de hele kringloop, niet alleen aan de grondstof.
Standpunt
Helder, en gebaseerd op de argumenten.
10.13
Maak: een composiet uit gips
Uitdagen4Maken60 min
Giet gipsstaafjes van 20 cm × 3 cm × 1,5 cm in een mal (bijvoorbeeld een melkpak dat je in de lengte doorsnijdt). Maak drie soorten: zonder versterking, met twee stukken touw in de lengte net boven de bodem van de mal, en met een strook jute of glasvezelmat onderaan. Laat twee dagen drogen. Leg elk staafje op twee steunen 15 cm uit elkaar en hang in het midden een emmertje waarin je voorzichtig zand giet tot het staafje breekt. Weeg het emmertje.
a
Voorspel welk staafje het meeste draagt, en hoe elk staafje zal breken.
Bijvoorbeeld: het staafje met glasvezel draagt het meest; gewoon gips breekt plots in twee, versterkt gips scheurt maar blijft aan elkaar hangen.
b
Meet.
Eigen metingen. Typisch draagt gewoon gips het minst; de versterkte staafjes dragen meer en vooral: ze vallen niet meteen uit elkaar.
c
Aan welke kant van het staafje moet de versterking zitten: boven of onder? Waarom? Test het eventueel met een staafje dat je omgekeerd legt.
Onderaan: daar wordt het staafje uitgerekt (trek), en gips is zwak op trek. Bovenaan wordt het samengedrukt, en daar is gips sterk. Een omgekeerd staafje (versterking boven) breekt ongeveer zoals gewoon gips.
d
Wat is het verschil tussen de breuk van gewoon gips en van versterkt gips? Welk woord uit dit hoofdstuk past bij elk?
Gewoon gips breekt bros: plots, zonder waarschuwing. Versterkt gips gedraagt zich taaier: het scheurt, buigt door en blijft hangen. Zo werkt ook gewapend beton.
Zo wordt dit beoordeeld
Maken
Drie gelijke staafjes, versterking correct geplaatst, voldoende gedroogd.
Meten
Zand langzaam toegevoegd; massa bij breuk gewogen; breuk beschreven.
Verklaring
Onderaan trek, bovenaan druk; de vezels vangen de trek op.
Veiligheid
Stofmasker bij het mengen van gipspoeder; handen wassen; het emmertje valt op een zachte ondergrond.
10.14
De energie van een blikje
Uitdagen4Rekenen25 min
Een leeg aluminium blikje van 33 cL weegt ongeveer 13 g. Nieuw aluminium maken kost ongeveer 186 MJ per kg, gerecycleerd aluminium ongeveer 8,3 MJ per kg (1 MJ = 1 miljoen joule). Om 1 L water van 20 °C aan de kook te brengen, is ongeveer 0,33 MJ nodig.
a
Hoeveel energie kost het aluminium van één blikje, nieuw en gerecycleerd?
Het aluminium frame van de meetkas weegt 3,1 kg. Hoeveel energie kostte het als nieuw aluminium, en als gerecycleerd aluminium?
Nieuw: 3,1×186≈577MJ. Gerecycleerd: 3,1×8,3≈26MJ.
e
Waarom is recycleren van aluminium zo interessant, en waarom haal je toch nooit 100 % terug?
Nieuw aluminium maken vraagt veel elektriciteit (het moet uit zijn oxide gehaald worden); omsmelten vraagt alleen genoeg warmte om het te smelten (660 °C). Maar niet elk blikje wordt ingezameld, bij het omsmelten gaat een klein deel verloren (als oxide), en legeringen raken vermengd.
10.15
Waarom brak de Schenectady?
Uitdagen4Analyseren25 min
Met de kerfslagproef meet je hoeveel energie een ingekerfd staafje opneemt voor het breekt: veel energie betekent taai, weinig betekent bros. Vereenvoudigde voorbeeldwaarden voor twee soorten scheepsstaal:
temperatuur (°C)
−40
−20
0
10
20
40
staal uit 1943 (J)
5
7
12
25
55
90
modern scheepsstaal (J)
60
110
140
150
150
155
a
Zet beide reeksen in één grafiek (temperatuur horizontaal).
Het oude staal daalt sterk tussen 20 en 0 °C; het moderne blijft hoog tot onder −20 °C.
b
Bij welke temperatuur wordt het oude staal ongeveer bros (sterke daling)? En het moderne?
Het oude staal wordt bros onder ongeveer 10 °C; het moderne pas rond −40 °C.
c
Leg met de grafiek uit waarom schepen van het oude staal vooral in de winter braken.
In de winter was het water en de lucht rond het schip koud: het staal zat in het brosse gebied en nam weinig energie op voor het brak. Een klein scheurtje kon dan zonder waarschuwing door de hele plaat lopen.
d
Waarom is 'sterk' niet genoeg als je staal kiest voor een schip, een brug of het frame van een poolstation?
Sterkte zegt hoeveel kracht het draagt, niet hoe het breekt. Een constructie moet ook taai zijn bij de laagste temperatuur waarin ze gebruikt wordt, zodat ze vervormt en waarschuwt in plaats van plots te breken. Voor een poolstation (tot −25 °C, zoals Habitat) is dat essentieel.
