TUL ZS 1 M&P Materiaalkunde en tandheelkunde.pptx

# Inleiding tot materiaalkunde en basisbegrippen Dit onderdeel introduceert het vakgebied materiaalkunde, de relevantie ervan in de tandheelkunde en de fundamentele chemische concepten die ten grondslag liggen aan materialen, zoals atomen en hun samenstelling. ### 1.1 Materialenkunde Materiaalkunde is een interdisciplinair veld dat natuurkunde, chemie en technologie combineert om de eigenschappen en het gedrag van materialen te verklaren door de interne structuren ervan te onderzoeken, waaronder atomen, moleculen en de bindingen daartussen. Het verklaart ook de invloed van fabricageprocessen en andere factoren op het gedrag van materialen op lange termijn. In de tandheelkunde worden deze kennis en principes toegepast op biomaterialen. ### 1.2 Basis chemie #### 1.2.1 Mengsels en zuivere stoffen * **Mengsel:** Een verzameling van twee of meer zuivere stoffen. Voorbeelden zijn papier en lucht. * **Zuivere stof:** Een stof die is opgebouwd uit één soort moleculen. * **Verbinding:** Een zuivere stof die chemisch ontleed kan worden in nieuwe stoffen met nieuwe eigenschappen. Uiteindelijk kan een verbinding worden ontleed tot elementen. * **Element:** Een stof die niet verder chemisch te ontleden is. #### 1.2.2 Het atoom Het atoom is de kleinste bouwsteen van materie die zijn chemische eigenschappen behoudt en niet verandert door chemische of fysische processen. * **Structuur van het atoom:** * **Kern:** Bestaat uit protonen (positief geladen) en neutronen (neutraal geladen). De massa van protonen en neutronen is ongeveer gelijk. * **Elektronenwolk:** Negatief geladen elektronen bewegen rond de kern in schillen. Elektronen zijn veel lichter dan protonen en neutronen. * **Elektrische neutraliteit:** Atomen zijn elektrisch neutraal omdat het aantal protonen gelijk is aan het aantal elektronen. * **Elektronenschillen:** Elektronen bewegen in specifieke schillen (K tot en met Q). Alleen de buitenste schil (valentie-elektronen) kan interactie aangaan met andere atomen. * **Stabiliteit:** Atomen streven naar een stabiele toestand, wat meestal wordt bereikt wanneer de buitenste schil volledig gevuld is. Dit kan gebeuren door het uitwisselen of delen van elektronen. #### 1.2.3 Ionisatie * **Ion:** Een atoom of molecuul dat een elektrische lading heeft gekregen door het afstaan of opnemen van één of meerdere elektronen. * **Kation:** Een ion met een positieve lading (verliest elektronen). * **Anion:** Een ion met een negatieve lading (krijgt elektronen). #### 1.2.4 Periodiek systeem der elementen Het periodiek systeem organiseert elementen op basis van hun atoomnummer (aantal protonen) en massagetal (aantal protonen + neutronen). * **Perioden:** Horizontale rijen die het aantal elektronenschillen aangeven. * **Groepen:** Verticale kolommen die het aantal valentie-elektronen aangeven, wat de chemische eigenschappen bepaalt. #### 1.2.5 Isotopen Isotopen zijn atomen van hetzelfde element (zelfde aantal protonen) met een verschillend massagetal (verschillend aantal neutronen). Chemische eigenschappen zijn identiek, maar fysische eigenschappen kunnen verschillen. Instabiele isotopen zijn radioactief. #### 1.2.6 Elementenfamilies (op basis van valentie-elektronen) * **Alkalimetalen:** 1 elektron op de buitenste schil. * **Aardalkalimetalen:** 2 elektronen op de buitenste schil. * **Halogenen:** 7 elektronen op de buitenste schil. * **Edelgassen:** 8 elektronen op de buitenste schil (volledig gevuld, inert). #### 1.2.7 Metalen * **Fysische eigenschappen:** Goede geleiders van warmte en elektriciteit, metaalglans. * **Chemische eigenschappen:** Variëren van edelmetalen (reageren nauwelijks) tot zeer onedele metalen (reageren spontaan met zuurstof). * **Legeringen:** Mengsels van metalen (of metalen met niet-metalen) die combineren de eigenschappen van de componenten. Veel gebruikt in de tandheelkunde (kronen, vullingen). * **Amalgaam:** Een speciaal mengsel van metaalpoeders met kwik, voorheen gebruikt voor vullingen. #### 1.2.8 Niet-metalen * **Belangrijke niet-metalen:** * **Koolstof:** Komt voor in verschillende allotropen zoals grafiet en diamant. * **Zuurstof:** Essentieel voor verbranding en levende organismen. * **Stikstof:** Belangrijk bestanddeel van eiwitten. * **Halogenen (zoutvormers):** Fluor, chloor, broom, jodium. Vormen zouten in combinatie met metalen (bv. natriumchloride). * **Edelgassen:** Reageren niet met andere stoffen (bv. neon, helium). #### 1.2.9 Oxiden, zuren, basen en zouten * **pH-schaal:** Geeft de zuurgraad of basiciteit van een oplossing aan (1-14). pH 7 is neutraal. * **Zuur:** pH < 7 * **Neutraal:** pH = 7 * **Basisch (alkalisch):** pH > 7 * **Oxiden:** Verbindingen van een element met zuurstof. * **Metaaloxiden:** Hebben meestal basische eigenschappen. * **Niet-metaaloxiden:** Kunnen bij oplossen in water zuren vormen (bv. CO₂ → H₂CO₃, zure regen). * **Zuren:** Stoffen die H⁺ ionen kunnen afstaan in water. Kenmerkende eigenschappen: zure smaak, etsend, bijtend. * **Sterke zuren:** Splitsen makkelijk in ionen in water (bv. zwavelzuur, zoutzuur). * **Zwakke zuren:** Splitsen nauwelijks in ionen (bv. koolzuur, azijnzuur). * **Basen:** Stoffen die H⁺ ionen kunnen opnemen in water. Vaak zeepachtig. * **Zouten:** Geïoniseerde verbindingen bestaande uit een kation (niet H⁺) en een anion (niet OH⁻). In water dissociëren ze in ionen. Voorbeelden: bariumsulfaat (röntgencontrastmiddel), calciumcarbonaat (tandpasta), natriumchloride (keukenzout). #### 1.2.10 Koolstofchemie en polymeren * **Koolstofchemie:** De studie van koolstofverbindingen, de basis van de organische chemie. * **Polymerisatiereactie:** Het proces waarbij vele kleine moleculen (monomeren) zich combineren tot grote ketens (polymeren). * **Polycondensatie:** Polymerisatie waarbij een watermolecule ontstaat. * **Polyadditie:** Polymerisatie waarbij dubbele bindingen worden geopend door een initiator. Dit proces is belangrijk bij composietvullingen. #### 1.2.11 Mengsels en oplossingen * **Mengsel:** Een verzameling van twee of meer zuivere stoffen die niet chemisch gebonden zijn. * **Homogene mengsels:** Uniforme samenstelling, overal hetzelfde (bv. zout opgelost in water). * **Heterogene mengsels:** Niet-uniforme samenstelling, zichtbare delen (bv. zand en water). * **Oplossing:** Een homogeen mengsel waarbij de opgeloste stof moleculair verdeeld is in het oplosmiddel. * **Ware oplossing:** Helder, stabiel. * **Colloïdale oplossing:** Troebel, minder stabiel. Deeltjes groter dan in een ware oplossing. * **Suspensie:** Een heterogeen mengsel van een onoplosbare vaste stof in een vloeistof die na verloop van tijd bezinkt. * **Emulsie:** Een mengsel van twee vloeistoffen die van nature niet mengen, gestabiliseerd door een emulgator. * **Dispersie:** De verdeling van de ene stof (gedispergeerde fase) in de andere (dispersiemiddel). De aggregatietoestand van het dispersiemiddel bepaalt de aggregatietoestand van het mengsel. * **Hydrofiel:** Stoffen die water aantrekken (polair, ionogeen, met veel OH- of COOH-groepen). * **Lipofiel:** Stoffen die vet of olie aantrekken (apolaire, met veel C-atomen). * **Watermantel (hydratatie):** Omringing van moleculen of ionen van de op te lossen stof door watermoleculen. ### 1.3 Atoombindingen #### 1.3.1 Fasen Stoffen kunnen zich in verschillende fasen (aggregatietoestanden) bevinden: vaste stof, vloeistof en gas. * **Vaste stof:** Sterke bindingen tussen deeltjes, vaste plaats. * **Vloeistof:** Minder sterke bindingen, deeltjes bewegen vrijer maar blijven bij elkaar. * **Gas:** Zeer zwakke bindingen, deeltjes bewegen willekeurig. * **Faseovergangen:** Processen zoals smelten, stollen, verdampen, condenseren, sublimeren en desublimeren. Deze zijn afhankelijk van temperatuur en druk. * **Cohesie:** Aantrekkingskracht tussen moleculen van dezelfde stof. * **Adhesie:** Aantrekkingskracht tussen moleculen van verschillende stoffen. #### 1.3.2 Chemische bindingen in vaste stoffen Chemische bindingen ontstaan wanneer atomen elektronen delen, afstaan of opnemen om een stabiele elektronenconfiguratie te bereiken. * **Stabiliteit:** Bepaald door het aantal valentie-elektronen. Elementen met een volledig gevulde buitenste schil zijn inert (edelgassen). * **Soorten bindingen:** * **Primaire bindingen:** Sterke bindingen die de atomen in een molecuul of kristalrooster bij elkaar houden. * **Ionbinding:** Ontstaat door elektrostatische aantrekking tussen positieve kationen en negatieve anionen (bv. NaCl). Leidt tot de vorming van kristalroosters. * **Covalente binding:** Ontstaat wanneer atomen een of meer elektronenparen delen. Vormt moleculen, waaronder lange ketens in polymeren. * **Metaalbinding:** De valentie-elektronen worden gedeeld door alle atomen in het metaalrooster, wat zorgt voor eigenschappen zoals geleidbaarheid en vervormbaarheid. * **Secundaire bindingen (Van der Waals-krachten):** Zwakkere bindingen die ontstaan door tijdelijke of permanente partiële ladingen op moleculen. Belangrijk voor de eigenschappen van polymeren. * **Permanente dipolen:** Ongelijke verdeling van elektronen in een covalente binding tussen atomen met verschillende elektronegativiteit (bv. PVC). * **Waterstofbruggen:** Een speciale, relatief sterke vorm van dipoolbinding, waarbij waterstof gebonden is aan een sterk elektronegatief atoom (bv. in water, DNA). * **Tijdelijke (fluctuerende) dipolen:** Ontstaan door tijdelijke oneven verdelingen van elektronen, wat resulteert in zeer zwakke aantrekkingen. ### 1.4 Materialen en hun atomaire bindingen De eigenschappen van een materiaal worden bepaald door de atomen waaruit het bestaat en de manier waarop deze atomen gebonden zijn. #### 1.4.1 Metalen * Gekenmerkt door **metaalbindingen**. * Valentie-elektronen worden gedeeld door alle atomen, wat resulteert in een 'elektronenwolk' rond de positieve atoomkernen. * Dit maakt metalen vervormbaar (buigzaam) en goede geleiders van elektriciteit en warmte. * Metaalroosters kunnen roosterfouten bevatten die zwakke punten vormen. * Voorbeelden in de tandheelkunde: orthodontische draden, klammers voor partiële protheses. #### 1.4.2 Keramische materialen * Worden voornamelijk gebonden door **ionbindingen**, maar ook met covalente bindingen. * Sterk, maar broos, vanwege de aantrekking en afstoting van ionen. * Chemisch stabiel en bestand tegen hoge temperaturen. * Kunnen goed gekleurd worden en zijn vaak translucenter dan metalen, wat belangrijk is voor natuurlijke tandkleuren. * Voorbeelden: glas, porselein, hydroxyapatiet (in tandglazuur en dentine). * Sterk onder druk, maar zwak onder trek- of buigbelasting. #### 1.4.3 Polymeren (plastics) * Opgebouwd uit lange ketens van herhalende eenheden die met **covalente bindingen** aan elkaar zijn gekoppeld. * De eigenschappen variëren sterk afhankelijk van de sterkte van de bindingen tussen de polymeerketens (bv. fluctuerende dipolen, partiële dipolen, cross-links). * Kunnen zacht, flexibel, stijf of relatief sterk zijn. * Voorbeelden: kunststoffen, harsen, rubbers. Gebruikt in tandheelkunde voor composieten en instrumenten. #### 1.4.4 Composieten * Materialen die zijn samengesteld uit twee of meer verschillende materialen (fases), meestal een polymeer met een keramisch materiaal (bv. glasvezelversterkt polymeer). * De eigenschappen van een composiet zijn vaak beter dan de eigenschappen van de individuele componenten. * Veel gebruikt in tandheelkundige vullingen. #### 1.4.5 Colloïden * Materialen die bestaan uit twee of meer fases op microscopisch niveau, maar **geen ware oplossingen** zijn. * De eigenschappen worden beïnvloed door zowel de componenten als het oppervlak van de componentfase. * Voorbeelden: emulsies (mengsels van twee vloeistoffen), gels (vloeistof in een vaste matrix), suspensies. * Veel afdrukmaterialen in de tandheelkunde zijn colloïdaal. --- # Fasen en atoom/chemische bindingen Hier is een gedetailleerde samenvatting van de fasen en atoom/chemische bindingen, opgesteld als een examenklare studiehandleiding. ## 2. Fasen en atoom/chemische bindingen Dit gedeelte behandelt de verschillende fasen waarin materialen zich kunnen bevinden en de fundamentele primaire en secundaire chemische bindingen die de eigenschappen van deze materialen bepalen. ### 2.1 Materiaalleer en basischemie Materiaalkunde verklaart de eigenschappen en het gedrag van materialen door de interne structuren van atomen, moleculen en de bindingen daartussen te onderzoeken. Het is een combinatie van fysica, chemie en technologie. Materiaalkunde helpt ook de invloed van fabricageprocessen en andere gebeurtenissen op het gedrag van materialen te begrijpen. #### 2.1.1 Basischemie * **Mengsel:** Een stof opgebouwd uit verschillende soorten moleculen. * **Zuivere stof:** Een stof opgebouwd uit één soort moleculen. Dit kan een verbinding zijn (die chemisch ontleed kan worden in nieuwe stoffen met nieuwe eigenschappen) of een element (die niet verder te ontleden is). * **Atoom:** De kleinste bouwsteen van een element die zijn eigenschappen behoudt. Atomen zijn erg klein en worden uitgedrukt in nanometer (nm). * **Opbouw van een atoom:** * **Kern:** Bevat protonen (positief geladen) en neutronen (neutraal). * **Elektronenwolk:** Bevat elektronen (negatief geladen) die rond de kern bewegen in schillen. * **Stabiliteit:** Atomen streven naar een volledig opgevulde buitenste schil (elektronenconfiguratie) om stabiliteit te bereiken. Dit kan door elektronen uit te wisselen. * **Elektrisch neutraal:** In een atoom is het aantal protonen gelijk aan het aantal elektronen. * **Ion:** Een atoom of molecuul met een elektrische lading, ontstaan door het afstaan of opnemen van elektronen. * **Kationen:** Positief geladen ionen (elektronen afgestaan). * **Anionen:** Negatief geladen ionen (elektronen opgenomen). * **Periodiek systeem der elementen:** * **Atoomnummer:** Aantal protonen in de kern. * **Massagetal:** Aantal protonen + aantal neutronen. * **Perioden:** Horizontale lijnen die het aantal schillen aanduiden. * **Groepen:** Verticale lijnen die het aantal valentie-elektronen (elektronen op de buitenste schil) aanduiden. * **Isotopen:** Atomen van hetzelfde element met hetzelfde aantal protonen maar een verschillend massagetal (dus verschillend aantal neutronen). Chemische eigenschappen zijn identiek, fysische kunnen verschillen. Instabiele isotopen zijn radioactief. * **Elementenfamilies:** Gedeelde chemische eigenschappen gebaseerd op het aantal valentie-elektronen. Voorbeelden zijn alkalimetalen (1 valentie-elektron), aardalkalimetalen (2 valentie-elektronen), halogenen (7 valentie-elektronen) en edelgassen (8 valentie-elektronen). #### 2.1.2 Mengsels en oplossingen * **Mengsel:** Een verzameling van twee of meer zuivere stoffen. * **Homogene mengsels:** Mengsels waarin de componenten uniform verdeeld zijn (bv. suiker in water, lucht). Oplossingen zijn voorbeelden van homogene mengsels. * **Heterogene mengsels:** Mengsels waarin de componenten niet uniform verdeeld zijn en zichtbaar van elkaar te onderscheiden zijn (bv. zand en water). * **Dispersie:** Een mengsel waarbij de stoffen in elkaar verdeeld zijn. * **Dispersiemiddel:** De stof waar het meest van aanwezig is (continue fase). * **Gedispergeerde stof/fase:** De stof die verdeeld is in het dispersiemiddel. * **Soorten mengsels:** * **Vaste mengsels:** Mengsels van twee of meer vaste stoffen (bv. poedermengsel). * **Half-vaste mengsels (Gel):** Een vloeistof (gedispergeerde fase) die verdeeld is in een vaste stof (continue fase). De lange moleculen van de vaste stof vangen de vloeistof. * **Vloeibare mengsels:** * **Oplossing (Ware oplossing):** Moleculen of ionen van de op te lossen stof zijn moleculair verdeeld in het oplosmiddel. Helder, stabiel mengsel. Kan ook met niet-waterige oplosmiddelen. * **Suspensie:** Colloïdale verdeling van een onoplosbare vaste stof in een vloeistof. De deeltjes blijven niet zweven, maar zakken na enige tijd uit. Kan gestabiliseerd worden met slijmstoffen. * **Sol:** Deeltjes die slecht oplosbaar zijn in water, maar toch blijven zweven door een viskeuzer oplosmiddel. De deeltjes zijn kleiner dan in een suspensie. * **Emulsie:** Mengsel van twee vloeistoffen die uit zichzelf niet mengen (bv. olie en water). Vereist een emulgator om stabiel te blijven. * **Gasvormige mengsels (Aerosol):** Een gas gedispergeerd in een vloeistof of vaste stof. * **Hydrofiel en Lipofiel:** * **Hydrofiel:** Houdt van water; polaire stoffen of ionogene stoffen die makkelijk interactie aangaan met watermoleculen. * **Lipofiel:** Voelt zich niet thuis in water; apolaire stoffen, vaak moleculaire stoffen met lange koolstofketens. * **Hydratatie (Watermantel):** Wanneer een stof oplost, worden de moleculen of ionen ervan omringd door watermoleculen. ### 2.2 Fasen van een stof De fasen (of aggregatietoestanden) waarin een stof zich kan bevinden, zijn afhankelijk van de bindingen tussen de deeltjes en de temperatuur/druk. * **Gas:** Zwakke verbindingen tussen deeltjes, geen vaste plaats, microscopische vibraties. * **Vloeistof:** Minder zwakke bindingen, behoudt geen vorm zonder ondersteuning (ontleent vorm aan recipiënt). * **Vaste stof:** Sterke bindingen tussen deeltjes, vaste plaats. * **Faseovergangen:** * Smelten: Vaste stof naar vloeistof. * Stollen: Vloeistof naar vaste stof. * Verdamping/Koken: Vloeistof naar gas. * Condenseren: Gas naar vloeistof. * Sublimeren: Vaste stof direct naar gas. * Desublimeren: Gas direct naar vaste stof. * Deze overgangen zijn afhankelijk van temperatuur en druk. * **Cohesie en Adhesie:** * **Cohesie:** Aantrekkingskracht tussen moleculen van *dezelfde* stof. * **Adhesie:** Aantrekkingskracht tussen moleculen van *verschillende* stoffen. * **Kristallijne stoffen:** Sterke verbindingen met een geordend, ruimtelijk verband tussen atomen (bv. diamant, zout, hydroxyapatiet). * **Amorfe stoffen:** Sterke verbindingen, maar met een minder geordend ruimtelijk verband (bv. glas, kunsthars). * **Monokristallijn vs. Polykristallijn:** * **Monokristallijn:** Bestaat uit één enkel kristal. * **Polykristallijn:** Bestaat uit meerdere kristalkorrels. * **Isotroop vs. Anisotroop:** * **Anisotroop:** Eigenschappen van de stof zijn richtingsafhankelijk (komt voor bij monokristallijne stoffen). * **Isotroop:** Eigenschappen van de stof zijn in alle drie de dimensies gelijk (komt voor bij polykristallijne stoffen). ### 2.3 Atoombindingen Chemische bindingen ontstaan doordat atomen proberen een stabiele elektronenconfiguratie te bereiken. #### 2.3.1 Primaire bindingen (sterke bindingen) Deze bindingen ontstaan door de interactie van valentie-elektronen en zijn verantwoordelijk voor de meeste macroscopische eigenschappen van materialen. * **Ionbinding:** * Ontstaat door de overdracht van elektronen van een metaalatoom (vormt een positief ion/kation) naar een niet-metaalatoom (vormt een negatief ion/anion). * De aantrekking tussen deze tegengestelde ionen vormt een ionrooster (kristal). * Kenmerken: Sterk, brosse materialen met hoge smelt- en kookpunten. * Voorbeeld: Natriumchloride ($ \text{NaCl} $). * **Covalente binding:** * Ontstaat wanneer twee atomen elektronen delen om een volledig bezette buitenste schil te bereiken. De gedeelde elektronen bevinden zich in een orbitaal rond beide atomen. * Kan leiden tot polaire moleculen als de elektronenverdeling ongelijk is. * Vormt de basis van kunststoffen (polymeren) en veel biologische macromoleculen (eiwitten, DNA). * Kenmerken: Afhankelijk van het specifieke molecuul, kunnen variëren van sterk tot relatief zwak, maar de binding zelf is sterk. * Voorbeeld: Waterstof ($ \text{H}_2 $), methaan ($ \text{CH}_4 $). * **Metaalbinding:** * Kenmerkend voor metalen. Valentie-elektronen worden niet gedeeld tussen specifieke atomen, maar vormen een "elektronenzee" die alle positief geladen atoomkernen omringt. * Kenmerken: Hoge elektrische en thermische geleidbaarheid, vervormbaarheid (buigzaamheid), metaalglans. * Voorbeeld: Koper ($ \text{Cu} $), ijzer ($ \text{Fe} $). * **Metaalroosters:** Metaalatomen liggen dicht tegen elkaar. Roosterfouten (lege plaatsen, onzuiverheden) kunnen de sterkte verminderen. #### 2.3.2 Secundaire bindingen (zwakkere bindingen) Deze bindingen zijn het resultaat van de tijdelijke of permanente ongelijke verdeling van elektronen rond atomen of moleculen en spelen een belangrijke rol bij de interacties tussen moleculen, met name in polymeren. * **Van der Waals krachten:** Algemene term voor zwakke interacties die voortkomen uit partiële ladingen. * **Permanente dipolen:** Ontstaan door ongelijke elektronegativiteit in een covalente binding, waardoor een molecuul een gedeeltelijk positieve en een gedeeltelijk negatieve kant heeft. Deze interactie tussen dipolen zorgt voor een zwakke, maar significante aantrekking. * Voorbeeld: Polyvinylchloride (PVC), waarbij chlooratomen de elektronen sterker aantrekken dan koolstofatomen. * **Fluctuerende dipolen (Tijdelijke dipolen):** Ontstaan door tijdelijke, intermitterende oneven verdelingen van elektronen rond een atoom of molecuul, zelfs als het in principe symmetrisch is. Deze zeer zwakke, kortstondige aantrekkingen maken het mogelijk om gassen tot zeer lage temperaturen te koelen en vloeibaar te maken. * Voorbeeld: Edelgassen zoals helium ($ \text{He} $). * **Waterstofbinding:** Een speciale, relatief sterke vorm van permanente dipool-interactie. Treedt op wanneer waterstof gebonden is aan een sterk elektronegatief atoom (zoals zuurstof, stikstof of fluor) en een interactie aangaat met een ander sterk elektronegatief atoom van een naburig molecuul. * Belangrijk in biologische systemen (DNA, eiwitten) en voor de eigenschappen van water. ### 2.4 Materialen en hun atomaire bindingen De eigenschappen van een materiaal worden bepaald door de atomen waaruit het bestaat en de manier waarop deze atomen gebonden zijn. #### 2.4.1 Metalen * **Bindingstype:** Voornamelijk metaalbindingen, met soms neiging tot covalente of ionbinding. * **Eigenschappen:** Door de metaalbinding kunnen atomen relatief gemakkelijk langs elkaar schuiven, wat leidt tot vervormbaarheid (buigzaamheid) zonder breuk (bv. 24 karaat goud). Goede geleiders van warmte en elektriciteit. * **Toepassingen in tandheelkunde:** Orthodontische draden, klamers. #### 2.4.2 Keramische bindingen * **Bindingstype:** Voornamelijk ionbindingen, maar vaak ook een combinatie met covalente bindingen. * **Eigenschappen:** Sterk, maar bros (door aantrekking en afstoting van ionen). Hoge smelt- en kookpunten, chemisch stabiel. Goed te kleuren en kunnen translucens vertonen. Sterk onder compressie, zwak onder trekbelasting. * **Definitie:** Glas is een amorf (niet-kristallijn) keramisch materiaal. * **Toepassingen in tandheelkunde:** Kroonmaterialen, porselein. #### 2.4.3 Polymeren of plastic * **Bindingstype:** Langgerekte ketens gevormd door covalente bindingen tussen koolstofatomen. De interacties *tussen* deze ketens (secundaire bindingen) bepalen de uiteindelijke eigenschappen. * **Eigenschappen:** Grote variëteit, van zacht, flexibel en rekbaar (bv. plastic zakjes, rubbers) tot hard, stijf en sterk (bv. regenpijpen, delen van meubilair). * **Factoren die eigenschappen bepalen:** * Covalente bindingen in de ruggengraat van de polymeerketen. * Bindingen *tussen* de polymeerketens: * Fluctuerende dipolen (zwak). * Permanente dipolen door zijketens (sterker). * Cross-links (sterkste vorm van binding tussen ketens). * **Toepassingen in tandheelkunde:** Tandheelkundige composieten (de polymere matrix), protheses, instrumenten. #### 2.4.4 Composieten * **Samenstelling:** Bestaan uit twee of meer materialen (fasen) van verschillende categorieën (bv. polymeer met keramische deeltjes). * **Eigenschappen:** De eigenschappen van een composiet zijn vaak superieur aan de eigenschappen van de individuele componentmaterialen. * **Toepassingen in tandheelkunde:** Composietvullingen (keramische deeltjes in een polymere matrix). #### 2.4.5 Colloïden * **Definitie:** Twee-fasen materialen (geen oplossing) waarbij gas, vloeistof of vaste stof op microscopisch niveau gemengd is. * **Eigenschappen:** Combineren eigenschappen van beide fasen en de oppervlakte-eigenschappen van de componentfase. * **Voorbeelden:** Diverse afdrukmaterialen, emulsies (mengsels van 2 onmengbare vloeistoffen gestabiliseerd door een emulgator). > **Tip:** Begrijpen hoe de sterkte en aard van de bindingen (primair vs. secundair) de fasen en macroscopische eigenschappen van materialen beïnvloeden, is cruciaal voor materiaalkeuze en -toepassing, vooral in de tandheelkunde. Besteed extra aandacht aan de verschillen en gelijkenissen tussen ion-, covalente en metaalbindingen, en de impact van secundaire bindingen op polymeren. --- # Classificatie en eigenschappen van materialen Dit gedeelte categoriseert materialen op basis van hun atomaire bindingen (metalen, keramiek, polymeren, composieten) en beschrijft hun specifieke eigenschappen en toepassingen, met nadruk op tandheelkundige context. ### 3.1 Inleiding tot materiaalkunde Materiaalkunde verklaart de eigenschappen en het gedrag van materialen door de interne structuren, waaronder atomen, moleculen en de bindingen daartussen, te onderzoeken. Het is een multidisciplinair veld dat fysica, chemie en technologie combineert en verklaart hoe fabricageprocessen en andere factoren het langetermijngedrag van materialen beïnvloeden. In de tandheelkunde zijn de eigenschappen van materialen cruciaal voor het maken van de juiste keuzes en voor het succesvol vervaardigen, plaatsen en onderhouden van tandheelkundige producten. ### 3.2 Basis chemie #### 3.2.1 Atomen en elementen * **Atoom:** De kleinste bouwsteen van een stof die zijn eigenschappen behoudt en niet veranderd kan worden door chemische of fysische processen. * **Structuur van een atoom:** * **Kern:** Bevat protonen (positief geladen) en neutronen (neutraal). De massa van protonen en neutronen is ongeveer gelijk. * **Elektronenwolk:** Bevat elektronen (negatief geladen), die veel lichter zijn dan protonen en neutronen. * **Elektrische neutraliteit:** Een atoom is elektrisch neutraal omdat het aantal protonen gelijk is aan het aantal elektronen. * **Elektronenschillen:** Elektronen bewegen in schillen rond de kern. De buitenste schil (valentie-elektronen) is de schil die interacties met andere atomen aangaat. Stabiliteit wordt bereikt wanneer de buitenste schil volledig gevuld is. * **Periodiek systeem:** Organiseert elementen op basis van hun atoomnummer (aantal protonen) en massagetal (aantal protonen + neutronen). Groepen (verticale kolommen) geven het aantal valentie-elektronen aan, wat de chemische eigenschappen bepaalt. * **Isotopen:** Atomen van hetzelfde element met hetzelfde aantal protonen maar een verschillend massagetal (aantal neutronen). Ze hebben identieke chemische eigenschappen, maar kunnen verschillen in fysische eigenschappen. #### 3.2.2 Ionvorming * **Ion:** Een atoom of molecuul met een elektrische lading door het afstaan of opnemen van elektronen. * **Kationen:** Positief geladen ionen (door elektronenafgifte). * **Anionen:** Negatief geladen ionen (door elektronenopname). #### 3.2.3 Chemische verbindingen * **Doel van bindingen:** Atomen streven naar een stabiele elektronenconfiguratie, meestal een gevulde buitenste schil, door elektronen uit te wisselen of te delen met andere atomen. #### 3.2.4 Oxiden, zuren, basen en zouten * **pH-schaal:** Meet de zuurgraad of basiciteit van een oplossing (1-14). Een pH van 7 is neutraal. * **Oxiden:** Verbindingen van zuurstof met een ander element. * **Metaaloxiden:** Hebben vaak basiseigenschappen en zijn meestal vaste stoffen (bv. $\text{Al}_2\text{O}_3$). * **Niet-metaaloxiden:** Hebben meestal zure eigenschappen, vooral bij oplossing in water (bv. $\text{CO}_2$, wat leidt tot zure regen). * **Zuren:** Stoffen die $\text{H}^+$ ionen kunnen afstaan in water. Ze hebben een zure smaak en kunnen etsend zijn. Bekende zuren zijn zoutzuur ($\text{HCl}$), zwavelzuur ($\text{H}_2\text{SO}_4$) en azijnzuur ($\text{CH}_3\text{COOH}$). * **Sterke zuren:** Splitsen makkelijk in ionen in water. * **Zwakke zuren:** Splitsen nauwelijks in ionen in water. * **Basen:** Stoffen die $\text{H}^+$ ionen kunnen opnemen. Ze worden vaak beschreven als zeepachtig. Voorbeelden zijn natriumhydroxide ($\text{NaOH}$) en kaliumhydroxide ($\text{KOH}$). * **Zouten:** Geïoniseerde verbindingen bestaande uit een kation (geen $\text{H}^+$) en een anion (geen $\text{OH}^-$). Ze lossen in water op in hun samenstellende ionen (dissociatie). Bekende zouten zijn natriumchloride ($\text{NaCl}$) en calciumcarbonaat ($\text{CaCO}_3$). #### 3.2.5 Koolstofchemie en polymeren * **Koolstofchemie:** Koolstof heeft het unieke vermogen om complexe bindingen aan te gaan, wat leidt tot een enorme verscheidenheid aan organische verbindingen. * **Polymeren:** Lange ketens die worden gevormd door herhalende kleine moleculen (monomeren). * **Polymerisatiereactie:** Het proces waarbij monomeren aan elkaar worden gekoppeld. Dit kan op verschillende manieren gebeuren, zoals polycondensatie (waarbij een watermolecuul ontstaat) of polyadditie (waarbij dubbele bindingen worden geopend). * **Eigenschappen:** Polymeren kunnen variëren van zacht en flexibel tot hard en stijf, afhankelijk van hun structuur en de bindingen tussen de ketens. #### 3.2.6 Mengsels en oplossingen * **Mengsel:** Een verzameling van twee of meer zuivere stoffen die niet chemisch gebonden zijn. * **Homogene mengsels:** Mengsels waarin de componenten uniform verdeeld zijn en er geen zichtbare scheiding is (bv. oplossingen). * **Heterogene mengsels:** Mengsels waarin de componenten niet uniform verdeeld zijn en zichtbare scheidingen optreden (bv. suspensies, emulsies). * **Oplossing:** Een homogeen mengsel waarbij de opgeloste stof moleculair verdeeld is in het oplosmiddel. * **Hydrofiel:** Stoffen die van water houden (polaire stoffen, ionogene stoffen). * **Lipofiel:** Stoffen die zich thuis voelen in olie of vet (apolaire stoffen). * **Dispersie:** Een algemene term voor mengsels waarbij stoffen in elkaar verdeeld zijn. * **Dispersiemiddel:** De stof die het meest aanwezig is (continue fase). * **Gedispergeerde stof:** De stof die verdeeld is (disperse fase). * **Soorten mengsels (dispersies):** * **Vaste mengsels:** Mengsels van twee of meer vaste stoffen. * **Gels:** Een vloeistof die gedispergeerd is in een vaste stof, waarbij lange moleculen een netwerk vormen dat de vloeistof vasthoudt. * **Vloeibare mengsels:** * **Ware oplossingen:** Moleculair verdeelde opgeloste stoffen (bv. suiker in water). * **Suspensies:** Colloïdale verdeling van een onoplosbare vaste stof in een vloeistof die na verloop van tijd uitzakt (bv. modderwater). Stabilisatoren zoals slijmstoffen worden vaak toegevoegd. * **Sols:** Zeer kleine deeltjes van een slecht oplosbare stof die in een vloeistof zweven en niet uit de oplossing zakken (bv. melk). * **Emulsies:** Mengsels van twee vloeistoffen die van nature niet mengen, gestabiliseerd door een emulgator (bv. olie en water met zeep). * **Gasvormige mengsels:** Aerosolen. ### 3.3 Fasen van materialen Materialen kunnen zich in verschillende fasen (aggregatietoestanden) bevinden: vaste stof, vloeistof en gas. * **Gas:** Zwakke verbindingen tussen deeltjes, geen vaste plaats. Thermische energie veroorzaakt microscopische vibraties. * **Vloeistof:** Minder zwakke bindingen dan vaste stoffen, geen vaste plaats zonder ondersteuning. * **Vaste stof:** Sterke bindingen tussen deeltjes, vaste plaats. * **Kristallijne stoffen:** Hebben een samenhangend, ruimtelijk geordend verband tussen atomen of moleculen met gelijkmatige afstanden en hoeken (bv. diamant, keukenzout, hydroxyapatiet). * **Amorfe stoffen:** Hebben een minder geordend, minder georganiseerd ruimtelijk verband (bv. glas, porselein, kunsthars). * **Isotropie en anisotropie:** * **Anisotroop:** Eigenschappen van kristallen zijn richtingsafhankelijk (bv. sterkte is groter in de ene richting dan in de andere). * **Isotroop:** Stoffen vertonen dezelfde eigenschappen in alle drie de dimensies. Dit geldt typisch voor polykristallijne stoffen waarbij de kristalkorrels in alle mogelijke richtingen georiënteerd zijn. * **Faseovergangen:** Processen zoals smelten, koken, condenseren en stollen, die afhankelijk zijn van temperatuur en druk. * **Cohesie en adhesie:** * **Cohesie:** Aantrekkingskracht tussen moleculen van dezelfde stof. * **Adhesie:** Aantrekkingskracht tussen moleculen van verschillende stoffen. ### 3.4 Chemische bindingen in vaste stoffen Chemische bindingen bepalen de eigenschappen van materialen. Stabiliteit wordt bereikt wanneer de buitenste elektronenschil volledig gevuld is. #### 3.4.1 Primaire bindingen (sterke bindingen) * **Ionbinding:** Ontstaat door de elektrostatische aantrekking tussen positief geladen kationen en negatief geladen anionen, die ontstaan wanneer atomen elektronen afstaan of opnemen om een stabiele buitenste schil te bereiken. Dit leidt tot de vorming van een ionrooster en kristallen (bv. $\text{NaCl}$). * **Covalente binding:** Ontstaat wanneer twee atomen een paar elektronen delen, waardoor een orbitaal ontstaat dat rond beide atomen wordt ingenomen. Dit kan leiden tot partieel geladen (polaire) moleculen. Lange ketens van covalente bindingen vormen polymeren (bv. kunststoffen, DNA, eiwitten). * **Metaalbinding:** Kenmerkend voor metalen.valentie-elektronen worden gedeeld door alle atomen van het metaalobject, waardoor een "elektronenzee" ontstaat rond de positief geladen atoomkernen. Dit verklaart de goede geleidbaarheid van warmte en elektriciteit, de vervormbaarheid en de metaalglans van metalen. #### 3.4.2 Secundaire bindingen (zwakkere bindingen) Deze bindingen ontstaan door partiële of tijdelijke ladingen als gevolg van ongelijke elektronenverdelingen rond atomen of moleculen. * **Permanente dipolen:** Ontstaan door ongelijke verdeling van elektronen in een covalente binding (bv. in PVC, waar chlooratomen elektronen sterker aantrekken dan koolstofatomen). Dit leidt tot gedeeltelijke positieve en negatieve ladingen die elkaar aantrekken, wat de stijfheid van het materiaal beïnvloedt. * **Waterstofbinding:** Een speciale, relatief sterke vorm van dipoolbinding die optreedt wanneer waterstof gebonden is aan een sterk elektronegatief atoom (zoals zuurstof). Dit is cruciaal voor de structuur van biologische macromoleculen zoals DNA en eiwitten. * **Tijdelijke (fluctuerende) dipolen (Van der Waals krachten):** Ontstaan door intermitterende oneven verdelingen van elektronen rond atomen of moleculen, wat leidt tot zeer zwakke, tijdelijke aantrekkingskrachten. Deze zijn belangrijk voor het condenseren van gassen tot vloeistoffen bij extreem lage temperaturen. ### 3.5 Materialen en hun atomaire bindingen De eigenschappen van een materiaal worden bepaald door de atomen waaruit het bestaat en de manier waarop deze gebonden zijn. #### 3.5.1 Metalen * **Bindingstype:** Voornamelijk metaalbindingen, maar kunnen ook covalente of ionbindingen vertonen. * **Eigenschappen:** Vaak dense, zware materialen, goede geleiders van warmte en elektriciteit, koud aanvoelend, vertonen een metaalklank. Door de metaalbinding kunnen metaalatomen relatief gemakkelijk verschuiven, wat leidt tot vervormbaarheid (buigzaamheid). * **Toepassingen in tandheelkunde:** Orthodontische draden, klammers voor partiële protheses. #### 3.5.2 Keramische materialen * **Bindingstype:** Voornamelijk ionbindingen en/of covalente bindingen. * **Eigenschappen:** Sterk onder druk, maar broos onder trek- of buigbelasting door de afstoting van ionen. Vereisen hoge temperaturen voor bewerking en zijn chemisch stabiel. Keramiek is goed te kleuren en kan translucide of transparant zijn. Glas is een voorbeeld van een amorf keramisch materiaal. * **Toepassingen in tandheelkunde:** Kronen, bruggen, vullingen (porselein). #### 3.5.3 Polymeren (plastics) * **Bindingstype:** Voornamelijk covalente bindingen binnen de polymeerketens. Secundaire bindingen (fluctuerende dipolen, permanente dipolen, cross-links) tussen de ketens bepalen de uiteindelijke eigenschappen. * **Eigenschappen:** Variërend van zacht en flexibel tot hard en stijf. De eigenschappen zijn afhankelijk van de lengte van de ketens, de bindingen tussen de ketens en de aanwezigheid van zijketens of cross-links. * **Toepassingen in tandheelkunde:** Afdrukmateriaal, vullingen (composieten), kunstgebitten, implantaten. #### 3.5.4 Composieten * **Definitie:** Materialen die zijn samengesteld uit twee of meer verschillende materialen (fasen) met duidelijk verschillende eigenschappen. * **Eigenschappen:** De gecombineerde eigenschappen zijn vaak superieur aan die van de individuele componenten. * **Toepassingen in tandheelkunde:** Tandheelkundige composietvullingen (een combinatie van een polymeer matrix en keramische deeltjes), tandheelkundige keramiek met versterkende vezels. #### 3.5.5 Colloïden * **Definitie:** Twee-fasen materialen die geen echte oplossingen zijn, waarbij deeltjes op microscopisch niveau verdeeld zijn in een continue fase. * **Eigenschappen:** Hebben eigenschappen van beide fasen en van het oppervlak van de componentfase. * **Voorbeelden:** Emulsies (mengsels van twee vloeistoffen die niet mengen, zoals olie en water gestabiliseerd door een emulgator), gels. * **Toepassingen in tandheelkunde:** Verschillende afdrukmaterialen. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Atoom | De kleinste stabiele bouwsteen van een element die zijn chemische eigenschappen behoudt en niet verder te ontleden is door chemische of natuurkundige processen. | | Molecuul | Een groep van twee of meer atomen die chemisch aan elkaar gebonden zijn en samen een stabiele eenheid vormen. | | Ion | Een atoom of molecuul dat een elektrische lading heeft gekregen door het verliezen of verkrijgen van één of meerdere elektronen. Kationen hebben een positieve lading en anionen een negatieve lading. | | Proton | Een positief geladen deeltje dat zich in de kern van een atoom bevindt en een belangrijke bijdrage levert aan de massa van het atoom. | | Neutron | Een neutraal deeltje dat zich in de kern van een atoom bevindt en samen met protonen de massa van het atoom bepaalt. | | Elektron | Een negatief geladen deeltje dat rond de kern van een atoom beweegt in een elektronenwolk en een essentiële rol speelt in chemische bindingen. | | Schil (elektronenschil) | Een energieniveau rond de atoomkern waarin elektronen zich bevinden. De buitenste schil, de valentie-elektronen, bepaalt de chemische reactiviteit van een atoom. | | Periodiek systeem der elementen | Een tabel waarin alle chemische elementen zijn geordend op basis van hun atoomnummer, elektronconfiguratie en terugkerende chemische eigenschappen. | | Isotopen | Atomen van hetzelfde element die hetzelfde aantal protonen hebben, maar een verschillend aantal neutronen, wat leidt tot een verschillend massagetal. | | Primaire bindingen | Sterke chemische bindingen die atomen aan elkaar binden binnen een molecuul of kristalrooster, zoals ionbindingen, covalente bindingen en metaalbindingen. | | Secundaire bindingen | Zwakkere aantrekkingskrachten tussen moleculen of atomen, zoals Van der Waals-krachten (waaronder dipoolkrachten en waterstofbruggen), die de fysische eigenschappen van stoffen beïnvloeden. | | Ionbinding | Een chemische binding die ontstaat door de elektrostatische aantrekking tussen positief geladen kationen en negatief geladen anionen, vaak resulterend in kristallijne structuren. | | Covalente binding | Een chemische binding waarbij atomen een paar elektronen delen om zo een stabiele elektronconfiguratie te bereiken, wat leidt tot de vorming van moleculen. | | Metaalbinding | Een type chemische binding dat kenmerkend is voor metalen, waarbij valentie-elektronen gedeeld worden door een groot aantal atomen, wat leidt tot eigenschappen als geleidbaarheid en vervormbaarheid. | | Dipoolbinding | Een aantrekkingskracht tussen moleculen die een permanente of tijdelijke ongelijke verdeling van ladingen hebben, wat resulteert in partiële positieve en negatieve uiteinden. | | Waterstofbrug | Een specifieke, relatief sterke dipoolbinding die ontstaat tussen een waterstofatoom gebonden aan een sterk elektronegatief atoom (zoals zuurstof, stikstof of fluor) en een ander sterk elektronegatief atoom in de buurt. | | Fase (aggregatietoestand) | De verschillende vormen waarin een stof kan voorkomen, zoals vast, vloeibaar of gasvormig, bepaald door temperatuur, druk en de sterkte van de intermoleculaire krachten. | | Cohesie | De aantrekkingskracht tussen moleculen van dezelfde stof, die ervoor zorgt dat vloeistoffen druppels vormen en vaste stoffen hun structuur behouden. | | Adhesie | De aantrekkingskracht tussen moleculen van verschillende stoffen, wat belangrijk is voor het hechten van materialen aan elkaar of aan oppervlakken. | | Kristallijne stof | Een vaste stof waarvan de atomen, moleculen of ionen gerangschikt zijn in een regelmatig, herhalend driedimensionaal patroon, een kristalrooster. | | Amorfe stof | Een vaste stof die geen geordende, kristallijne structuur heeft; de deeltjes zijn willekeurig gerangschikt, zoals bij glas of sommige kunststoffen. | | Polymeren (plastics) | Grote moleculen die zijn opgebouwd uit lange ketens van herhalende kleinere eenheden (monomeren), gebonden door covalente bindingen, met een breed scala aan eigenschappen afhankelijk van hun structuur. | | Composieten | Materialen die zijn samengesteld uit twee of meer verschillende materialen (fases) om gecombineerde eigenschappen te verkrijgen die superieur zijn aan die van de individuele componenten. | | Colloïde | Een mengsel dat bestaat uit twee of meer fases, waarbij de deeltjes van één fase (de gedispergeerde fase) microscopisch fijn verdeeld zijn in een andere fase (het dispersiemiddel), maar niet oplossen zoals in een ware oplossing. | | Emulsie | Een type colloïde dat bestaat uit twee vloeistoffen die normaal gesproken niet mengen, maar die door toevoeging van een emulgator stabiel verspreid kunnen worden. | | Zuur | Een stof die in water H⁺ ionen kan afstaan of een proton kan opnemen, wat leidt tot een lage pH-waarde en specifieke reactieve eigenschappen. | | Base | Een stof die in water OH⁻ ionen kan afstaan of een proton kan opnemen, wat leidt tot een hoge pH-waarde en vaak zeepachtige eigenschappen. | | Zout | Een geïoniseerde verbinding die ontstaat door de reactie van een zuur en een base, bestaande uit een kation (niet waterstof) en een anion (niet hydroxide). | | pH-schaal | Een schaal die de zuurgraad of basiciteit van een waterige oplossing aangeeft, variërend van 0 tot 14, waarbij 7 neutraal is, waarden lager dan 7 zuur en waarden hoger dan 7 basisch zijn. |