Kulbrinter og Plast. Naturfag. Kompendie om arbejde med plast

Transkript

1 Kulbrinter og Plast Naturfag Kompendie om arbejde med plast

2 Kulbrinter Kulstof (C) optræder altid med valensen 4. Det har fire valenselektroner og mangler fire elektroner for at opnå ædelgasstruktur. Dette kan kulstofatomet få, hvis det kan få elektronfællesskab med fire hydrogenatomer (H). herved opstår den simpleste organiske forbindelse metan, der er en gasart. Alkaner C n H 2n+2 Alkaner tilhører gruppen af kulbrinter med en enkelt bindingsstruktur. Denne struktur kaldes også mættet, fordi molekylerne er mættet med hydrogen. 1. Metan CH 4 Opbygningen af alkanernes forbindelser finder sted efter bestemte mønstre. Alkanerne forekommer enten som ligekædede forbindelser eller som kulstofkæder med sidekæder. I metan er der kun et C-atom, og der kan da bindes fire H-atomer i molekylet. Molekylemassen er her 16 unit. 2. Etan C 2 H 6 Etanmolekylet er opbygget af to CH 3 -grupper, der kaldes for methylgrupper. Det betyde, at formlen C 2 H 6 også kan skrives som CH 3 CH 3. I dette molekyle er massen steget med 14 unit til 30 unit. 3. Propan C 3 H 8 Propanmolekylet består af to methylgrupper CH 3 samt en methylengruppe CH 2, der sidder i midten. Herved stiger massen atter med 14 unit. 4. Butan C 4 H 10 De fire første alkaner er gasser ved almindelig tryk og temperatur. Nordsøgassen består af alle fire gasarter. Dog er ca. 90% af gassen metan, mens etan udgør ca. 5%, propan 2% og butan 1%. Metangassen anvendes til opvarmning, mens propan og butan anvendes som flaskegas. De næste 11 alkaner er væsker. Alkanerne med 6, 7 og 8 kulstofatomer er benzin. Side 2

3 Benzin består af tre forskellige alkaner med 6, 7 og 8 kulstofatomer: hexan, heptan og octan. Hvis en motor banker, kan oktantallet i benzin være for lavt. Derfor blandes benzinen eksempelvis af 95% isooctan og 5% heptan. Denne blanding vil være octan 95 benzin. Brændselsolie er C 14 H 36 vil alkanerne være faste stoffer, hvor paraffin ofte findes. Derfor kaldes alkanerne også for paraffiner. Antal C-atomer Kemisk formel Navn Molekylemasse 1C CH 4 Metan 2C C 2H 6 Etan 3C C 3H 8 Propan 4C C 4H 10 Butan 5C C 5H 12 Pentan 6C C 6H 14 Hexan 7C C 7H 16 Heptan 8C C 8H 18 Octan 9C C 9H 20 Nonan 10C C 10H 22 Decan Alkener C n H 2n Til rækken af alkaner svarer en række alkener, der hver har en dobbeltbinding i molekylet. Deres navne svarer til alkanernes. Blot er endelsen an skiftet med endelsen en. Hvis en kulbrinte optræder med en dobbeltbinding (=), er der tale om en umættet forbindelse. En enkeltbinding i etan (C 2 H 6 ) kan erstattes med en dobbeltbinding. (C 2 H 4 ) Etan C 2H 6 Eten C 2H 4 Da det ikke vil være muligt at danne en dobbeltbinding hos metan, vil den første alken derfor være eten med to C atomer. Industriel fremstilling af eten sker ved spaltning (cracking) af råolie ved høj temperatur. Alkenerne er udgangspunktet for en række kemiske forbindelser i plastindustrien. De er reaktionsvillige med andre molekyler og brændbare. Side 3

4 Eten kan under højt tryk omdannes til store molekyler, der kaldes et højmolekylært stof med en molekylemasse på unit. Dette molekyle kaldes derfor for poly-eten ( poly-etylen) PE Propen - C 3 H 6 Propen kan dannes ved spaltning af propan, hvorved der frigøres hydrogen. C 3 H 8 C 3 H 6 + H 2 Propan kan også spaltes til eten og metan C 3 H 8 C 2 H 4 + CH 4 Penten C 5 H 10 Alkyner C n H 2n-2 Til rækken af alkaner svarer også en række alkyner, hvor der findes en tredobbelt binding ( ) i molekylet. Navnene på disse stoffer er ligeledes afledt af alkanerne. Blot er endelsen an skiftet ud med yn. Det vil ikke være muligt, at danne en tredobbelt binding hos metan. Derfor vil det første alkyn være etyn Etyn, der har formlen C 2 H 2 forhandles under betegnelsen acetylen. Den er en meget effektiv brændgas, som anvendes til f.eks. svejsning og flammeskæring. Acetylen forhandles i rødbrune stålflasker og brænder i atmosfærisk luft med en sodende flamme. Tilsættes den oxygen, får man en fuldstændig forbrænding ved 3160 o C samt en hurtig arbejdsproces. Etyn (acetylengas) Propyn Pentyn C 2H 2 C 3H 4 C 5H 8 Side 4

5 Opgave Tegn I nedenstående skema de 5 første alkaner, alkener og alkyner. Skriv de kemiske formel og navnene på de forskellige stoffer. Antal C atomer Alkaner H H C H H Metan CH 4 Alkener Alkyner Side 5

6 Plast Plast er en fællesbetegnelse for en række materialer, der har fælles egenskaber. Det har erstattet mange andre materialer som papir, gummi, træ, jern, uld og bomuld samt silke. Plast er til mange formål bedre og billigere end de materialer, det erstatter. I Danmark laver vi ikke selv plast, men vi køber råvarerne i udlandet til videre forarbejdning. Råvarerne til plast stammer fra den udenlandske petrokemi, der er baseret på naturgas og olie. Polyethen PE C 2H 4 Polyethen eller polyethylen er det vigtigste plaststof for tiden. Det kendes fra plastposer, folie, kasser, flasker, vandrør og meget andet. Det består af kulbrintekæder med mindst C- atomer. Udgangsmaterialet er ethen C 2 H 4, der har en dobbeltbinding i molekylet. Denne dobbeltbinding kan åbnes, og der er herved mulighed for at sammensætte flere molekyler. C 2 H 4 kaldes for monomer, fordi de er enkelte (mono = enkelte). De sammensatte ethener kaldes polymerer (poly = mange). Monomer Polymer Der er mulighed for at sammenkoble flere tusinde ethenmolekyler. Det sker ved 150 o C og et tryk på 25 atmosfære. Når processen er afsluttet, får man et hvidt pulver, der er polyethen. Polyethen er farveløs plast, der smelter mellem 100 og 150 o C. Ved polymerisation fremstilles High Density Polyethylene (HDPE), Low Density polyethylene (LDPE). Polyethen bruges til folier, poser, sække, flasker, ølkasser og som isolerings materiale i elektriske installationer mm. Monomer Polymer Side 6

7 Polypropen PP C H 3 6 Dette stof er også en kulbrinteforbindelse. Polypropen minder meget om polyethen i udseende,men er hårdere, stivere og lettere. Det er mere varmebestandigt og smelter først ved C. Det anvendes i mange køkken og husholdningsartikler samt madkasser, spande, gulvtæpper, tovværk, bildele og tandbørster. Propylen Polypropylen Polystyren PS C H 8 8 Polystyren er et sprødt glasklart materiale, der bruges til plastservice, kopper og glas. Som skum kaldes det styropor eller flamingo. Det er meget brugt som isoleringsmateriale i byggeri og som indpakningsmateriale. Styren Polystyren, PS Side 7

8 Polyvinylchlorid PVC C 2 H 3 Cl PVC er en polymerforbindelse mellem ethen og chlor. C 2 H 4 + Cl 2 C 2 H 3 Cl + HCl. Reaktionsproduktet bliver chlorethen (vinylchlorid) og chlorbrinte. Hårdt PVC anvendes til byggematerialer som f.eks. tagrender, vandrør, afløbsrør, vindues-rammer og tagplader. Blødt PVC anvendes som gulvbelægning og til elkabler, regntøj, tekstiler samt medicinske artikler som slanger og urinposer. Vinylchlorid Polyvinylchlorid, PVC Denne tabel viser de vigtigste plastmaterialer og giver eksempler på deres anvendelse. Plast Anvendelse Polyethylen (HDPE) Affaldsspande Flasker Rør Polyethylen (LDPE og LLDPE) Poser og sække Affaldsposer Fleksible flasker til f.eks. opvaskemiddel Polypropylen Margarinebægre Havemøbler, kasser Polystyren Bakker til fødevarer Æggebakker Poser til kiks og sprøde snacks Video- og kassettebånd PVC Elkabler, medicinsk udstyr Kreditkort Vinduesrammer og rør PET Flasker til sodavand Ovnfaste bakker til fødevarer Frysebeholdere Polyurethan Møbelpolstring Sportsskosåler Rulleskøjtehjul Acrylplast Vaske og brusekabinevægge Beskyttelsesbriller Billygter Side 8

9 Opgaver Opgave 1 Dette billede viser en typisk moderne bil. - Hvilke dele er fremstillet af plast? - Hvilke fordele og ulemper tror du, plastmaterialer har i forhold til metal? Tænk på sikkerhed, økonomi, stil, farve og pris. Opgave 2 Tænk på mindst 3 ting, som i dag laves af plast, men som for få år siden, blev lavet af andre materialer? Opgave 3 Prøv at give en begrundelse for, hvorfor man nu bruger plast til de ting, du har tænkt på? Opgave 4 Hvor bruges der plast i din uddannelse og hvilken plasttype? (Tømrer, Mekaniker, Kok, Industriteknikker) Side 9

10 Test af plastmateriale Det er ikke nemt at kende forskel på plastmaterialer. Her er nogle egenskaber, der let lader sig teste. Plast Plast-massefyld (g/cm 3 ) Kendetegn ved brand Andre kendetegn Polyethen PE 0,94 Polypropen PP 0,90 Polystyren PS 1,05 Polyvinylchlorid PVC 1,38 Polyamid (Nylon) PA 1,14 Blå flamme med gul top, drypper, lugter som paraffin. Blå flamme med gul top, drypper, lugter som paraffin. Gul og kratig sodende flamme. Selvslukkende flamme, der soder Selvslukkende flamme, drypper, lugter af brændt uld. Voksagtig overflade som hård paraffin, ret blødt. Som PE, overflade knap så voksagtig, ret stift. Højglans, ret sprødt. Beilsteins prøve giver grøn flammefarve. Sejt og hårdt. PVC test Polyvinylchlorid (PVC) er en meget anvendt plasttype i hverdagen. Genanvendelig PVC er ofte forsynet med det trekantmærke, som ses her til højre. Desværre mangler ting, som er lavet af PVC,ofte genbrugsmærkatet, så her er opskriften på et meget enkelt forsøg, der kan afsløre om tingen er lavet af PVC. Hvert hold skal bruge: forskellige plastgenstande bunsenbrænder tang lang, tyk kobbertråd Side 10

11 Vejledning - Opvarm kobbertråden i en bunsenbrænder indtil flammen er farveløs, husk at have udsug over flammen. - Med den varme kobbertråden smelter du lidt af en ting du er sikker på er lavet af PVC og gentag opvarmningen flammen skulle gerne blive grøn. - Opvarm igen kobbertråden i en bunsenbrænder indtil flammen er farveløs. - Dyp nu kobbertråden i noget du er sikker på ikke indeholder PVC f.eks. lidt vand eller polyethylen ( PE ) og gentag opvarmningen flammen skulle nu ikke blive grøn. - Så er det bare med at gå på jagt efter PVC. Denne metode til påvisning af klor i organiske stoffer blev opfundet af den tysk-russiske kemiker Friedrich Beilstein ( ). Udfyld skemaet Materiale Indeholder PVC Indeholder ikke PVC Side 11

12 Øvelse Identifikation af plast vha. massefylden De forskellige plasttyper har forskellige massefylde. Hvert hold skal bruge: forskellige plastgenstande salt - NaCl sprit - etanol vand 3 bægerglas. Glas 1: 100 ml vand + 30 gram salt ( 1,25 g/ cm 3 ) Glas 2: 100 ml vand ( 1 g/cm 3 ) Glas 3: 50 ml vand + 50 ml etanol ( 0,91 g/cm 3 ) Find den omtrentlige massefylde af dine plastting ved at droppe dem ned i de forskellige væsker og se, i hvilke væsker de flyder, og i hvilke de kan gå til bunds. Prøv om I kan afgøre, hvilken slags plast tingene er lavet af. Noter jeres resultater i skemaet og sammenlign dem med tabelopslag. Glas 1 Glas 2 Glas 3 Massefylde (cirka) Plasttype Tabelværdi Side 12

13 Håndtering af affald Når efterspørgslen efter plast stiger, er det formålstjenligt at genanvende så meget plast som muligt for ikke at miste værdifulde ressourcer. Den mest hensigtsmæssige måde at genanvende plast på er ved at benytte alle tilgængelige genanvendelsesteknikker og samtidig sørge for, at der er balance mellem fordelene og omkostningerne. Når man genanvender plast, er det vigtigt, at de forskellige typer plast ikke blandes sammen, fordi det forringer brugsmulighederne. Man bør derfor tilstræbe at genanvende ublandet plast.blandet plast kan dog f.eks. anvendes til vejmarkeringspæle og affaldssække For at undgå at forskellige typer plast blandes, når man skal genanvende det, har de mest almindelige plastmaterialer fået tildelt et kodenummer. Kodenummeret bliver brugt til at identificere plastmaterialerne, når de sorteres manuelt. Kodenummeret finder du f.eks. på meget emballage. PET Polyethylen terapthalat HDPE high density polythylen PVC polyvinylchlorid LDPE low density polyethylen PP polypropylen PS ploystyren Andre inkl. laminater Affaldsforbrænding af PE og PP giver kuldioxid og vand som forbrændingsprodukter. Plast har en høj brændselsværdi, da plast ligesom olie og gas er kemiske forbindelser af bl.a. kulstof og brint kg kul 1 kg dieselolie 1 kg plast Figur] Dette diagram viser den varmeenergi, der findes i 1 kg kul, dieselolie og plast. Når plasten nedbrydes er det derfor principielt uden ubehagelige konsekvenser for miljøet, når brugen af visse tilsætningsstoffer undgås. Ved forbrænding af chlorholdig plast (PVC) bliver der udviklet hydrogenchlorid (HCl), der opløst i vand kaldes saltsyre. Røgen, der udvikles under forbrændingen, indeholder også saltsyre, der kan bidrage til forsuring af luften. Man renser derfor røgen for saltsyre, før den slippes ud i den fri luft. [ Side 13

14 Skydelære Måleflade Måleflader Indvendig målekæbe Udvendig målekæb e Måleflade Nonius Skyder Målestang Tunge Side 14

15 Opgave aflæsning af skydelære Skriv måleresultater ud for de enkelte måleindstillinger Opgave 1 Skriv måleresultat Opgave 2 Skriv måleresultat Side 15

16 Opgave 3 Skriv måleresultat Opgave 4 Skriv måleresultat Opgave 5 Skriv måleresultat Side 16

17 Øvelse udvidelse og sammentrækning Hvert hold skal bruge: 1 plastemne 1 skydelære 1 elkedel - Du skal starte med at måle emnet og skrive resultaterne i nedenstående skema. - Prøv så at måle på et emne, der har været i fryseren (-18 o ). - Prøv at opvarme emnet i el-kogekedlen og herefter måle på emnet. Temperatur Mål længde i mm Mål ydre diameter Mål indre diameter - Hvad sker der ved nedkøling af emnet? - Hvad sker der ved opvarmning af emnet? - Hvad kan man bruge disse resultater til i praksis? - Udregn udvidelseskoefficienten for plast ud fra følgende formel: α = l / ( l t) l = udvidelsen i millimeter l = den oprindelige længde i meter t = temperaturforskellen - Samlign din værdi med den værdi du finder i en tabel over udvidelseskoefficienter. Side 17