Eigenschappen van materialen en materiaalkeuze

Waarom dit ertoe doet

Waarom is een pan van metaal, het handvat van kunststof en het venster van glas? Elk voorwerp is gemaakt van materialen die gekozen zijn omdat ze de juiste eigenschappen hebben voor de functie. De minimumdoelen vragen dat leerlingen materie kunnen onderzoeken en vergelijken op basis van hun eigenschappen: in de tweede graad hardheid, breekbaarheid, waterdichtheid, thermische geleidbaarheid en oplosbaarheid, in de derde graad ook smelttemperatuur, elektrische geleidbaarheid en lichtdoorlaatbaarheid 1. De eindtermen vragen bovendien dat leerlingen kunnen zeggen uit welke materialen of grondstoffen technische systemen gemaakt zijn, en kunnen illustreren dat techniek steunt op kennis van materiaaleigenschappen 2.

Grondstof en materiaal

• Een grondstof is een onbewerkt, ruw materiaal dat in een productieproces gebruikt wordt om producten te maken. Natuurlijke grondstoffen zijn bijvoorbeeld olie, mineralen, hout en landbouwgewassen 3.
• Een materiaal is de (bewerkte) stof waaruit een voorwerp gemaakt wordt: planken, glas, staal, papier, kunststof.

Voorbeelden van de keten grondstof → materiaal → product: boomstam → plank → tafel; zand → glas → fles; aardolie → kunststof → speelgoed. De grondstoffen voor kunststoffen zijn koolwaterstoffen uit de aardolieraffinage 4.

Natuurlijk en synthetisch

• Klei is een natuurlijk sedimentgesteente uit zeer fijne deeltjes 5. Gebakken klei geeft baksteen en aardewerk.
• Leer is een materiaal gemaakt van dierenhuid 6.
• Kunststof bestaat uit zeer grote, kunstmatig gevormde moleculen (polymeren), gemaakt via chemische synthese 4. Nylon is een van de bekendste synthetische kunststoffen.
• Van sommige materialen bestaat een natuurlijke en een synthetische versie: een fietsbinnenband is meestal van synthetisch rubber, maar kan ook van natuurrubber (latex) zijn 7.

Deze begrippen (de grondstof, het materiaal, de klei, het leer, de nylon, de kunststof, natuurlijk, synthetisch) staan letterlijk in de minimumdoelen van de tweede graad 1.

Materiaaleigenschappen

Hardheid

Hardheid test je door te krassen: het hardste materiaal laat een kras na op het zachtere. Dat is ook het principe van de hardheidsschaal van Mohs, waarop diamant met waarde 10 het hardst is: met diamant kan je elke andere stof krassen 8. Let op: hard is niet hetzelfde als onbreekbaar. Glas is hard maar breekbaar.

Thermische en elektrische geleidbaarheid

De thermische geleidbaarheid geeft aan hoe goed een materiaal warmte geleidt 9. Metalen hebben typisch een hoge warmtegeleiding én een hoge elektrische geleiding 10. Daarom wordt een metalen lepel in hete soep snel warm en is een koperdraad een goede elektrische geleider. Materialen met een zeer hoge weerstand blokkeren elektrische stroom: dat zijn isolatoren 11. Ook slechte warmtegeleiders noemen we isolerend: sneeuw is bijvoorbeeld een slechte warmtegeleider, waardoor een iglo van binnen verrassend warm kan blijven 12.

Lichtdoorlaatbaarheid

De lichtdoorlaatbaarheid bepaalt of je door een materiaal kan kijken 13:

• transparant (doorzichtig): laat licht door en je ziet er scherp door (helder glas, water);
• doorschijnend: laat licht door, maar je ziet er niet scherp door (matglas, bakpapier);
• ondoorschijnend (opaak): laat geen licht door (hout, karton, metaal).

Smelttemperatuur

Het smeltpunt is de temperatuur waarbij een stof van vast naar vloeibaar gaat 14. Voor technische toepassingen is dat belangrijk: kookgerei moet een hoge smelttemperatuur hebben, terwijl kaarsvet bij een lage temperatuur smelt.

Oplosbaarheid

Oplosbaarheid is de mate waarin een stof kan oplossen in een andere stof, het oplosmiddel 15. Suiker en zout lossen goed op in water; zand niet.

Magnetisme

Een magneet trekt niet alle metalen aan. Magnetische materialen zijn onder meer ijzer, nikkel en kobalt 16. Koper, aluminium, goud en zilver worden niet merkbaar aangetrokken.

Materiaalkeuze

Bij het ontwerpen of analyseren van een technisch systeem vraag je: welke eigenschap is hier nodig, en welk materiaal heeft die?

Naast functionele eigenschappen spelen ook kostprijs, beschikbaarheid, gewicht, uitzicht en duurzaamheid (kan het materiaal hergebruikt of gerecycleerd worden?) een rol.

Samengevat

• Een grondstof is een onbewerkt materiaal uit de natuur (hout, aardolie, zand); een materiaal is de stof waaruit een voorwerp gemaakt wordt.
• Natuurlijke materialen (hout, wol, klei, leer) komen uit de natuur; synthetische (nylon, kunststof) worden chemisch gemaakt, vaak uit aardolie.
• Belangrijke eigenschappen: hardheid, breekbaarheid, waterdichtheid, warmte- en elektrische geleidbaarheid, lichtdoorlaatbaarheid, smelttemperatuur, oplosbaarheid en magnetisme.
• Metalen geleiden goed warmte en elektriciteit; kunststof, glas, rubber en droog hout isoleren.
• Alleen ijzer, nikkel en kobalt (en legeringen zoals staal) zijn merkbaar magnetisch.
• Materiaalkeuze volgt uit de functie: elk onderdeel krijgt het materiaal met de eigenschap die nodig is.