Leerdoelen
- Definieer smelten, vriezen en sublimeren.
Afhankelijk van de omgevingsomstandigheden bestaat normale materie gewoonlijk in een van de drie fasen: vast, vloeibaar of gas.
Een faseverandering is een fysisch proces waarbij een stof van de ene fase in een andere overgaat. Gewoonlijk vindt de verandering plaats bij het toevoegen of onttrekken van warmte bij een bepaalde temperatuur, die bekend staat als het smeltpunt of het kookpunt van de stof. Het smeltpunt is de temperatuur waarbij de stof overgaat van een vaste stof naar een vloeistof (of van een vloeistof naar een vaste stof). Het kookpunt is de temperatuur waarbij een stof overgaat van een vloeistof naar een gas (of van een gas naar een vloeistof). De aard van de faseverandering hangt af van de richting van de warmteoverdracht. Warmte die in een stof gaat, verandert deze van een vaste stof in een vloeistof, of van een vloeistof in een gas. Warmte die aan een stof wordt onttrokken verandert een gas in een vloeistof, of een vloeistof in een vaste stof.
Twee belangrijke punten moeten worden benadrukt. Ten eerste kunnen bij het smeltpunt of het kookpunt van een stof twee fasen tegelijk bestaan. Neem water (H2O) als voorbeeld. Op de schaal van Celsius heeft H2O een smeltpunt van 0°C en een kookpunt van 100°C. Bij 0°C kunnen zowel de vaste als de vloeibare fase van H2O naast elkaar bestaan. Als echter warmte wordt toegevoegd, zal een deel van de vaste H2O smelten en overgaan in vloeibaar H2O. Als de warmte wordt weggenomen, gebeurt het omgekeerde: een deel van de vloeibare H2O verandert in vaste H2O. Een soortgelijk proces kan zich voordoen bij 100°C: door warmte toe te voegen neemt de hoeveelheid gasvormig H2O toe, terwijl door warmte weg te nemen de hoeveelheid vloeibaar H2O toeneemt (figuur
Ten tweede verandert de temperatuur van een stof niet wanneer de stof van de ene fase in de andere overgaat. Met andere woorden, faseveranderingen zijn isotherm (isotherm betekent “constante temperatuur”). Neem opnieuw H2O als voorbeeld. Vast water (ijs) kan bestaan bij 0°C. Als warmte wordt toegevoegd aan ijs bij 0°C, verandert een deel van de vaste stof van fase en wordt vloeibaar, dat ook bij 0°C is. Denk eraan dat de vaste en vloeibare fasen van H2O naast elkaar kunnen bestaan bij 0°C. Pas nadat de vaste stof volledig in vloeistof is gesmolten, verandert de temperatuur van de stof door toevoeging van warmte.
Voor elke faseverandering van een stof is er een karakteristieke hoeveelheid warmte nodig om de faseverandering per gram (of per mol) materiaal uit te voeren. De smeltwarmte (ΔHfus) is de hoeveelheid warmte per gram (of per mol) die nodig is voor een faseverandering die optreedt bij het smeltpunt. De verdampingswarmte (ΔHvap) is de hoeveelheid warmte per gram (of per mol) die nodig is voor een faseverandering die zich voordoet bij het kookpunt. Als je het totale aantal grammen of mol materiaal kent, kun je met behulp van de ΔHfus of de ΔHvap de totale warmte bepalen die voor het smelten of stollen wordt overgedragen met behulp van deze uitdrukkingen:
waarbij (n) het aantal mol is en (ΔH_{fus}) wordt uitgedrukt in energie/mol of
waarbij (m) de massa in gram is en ►(ΔH_{fus}) wordt uitgedrukt in energie/gram.
Voor het koken of condenseren gebruikt men deze uitdrukkingen:
waarbij (n) het aantal mol is) en (ΔH_{vap}) wordt uitgedrukt in energie/mole of
waarbij (m) de massa in gram is en (ΔH_{vap}) wordt uitgedrukt in energie/gram.
Bedenk dat een faseverandering afhangt van de richting van de warmteoverdracht. Als warmte naar binnen wordt overgedragen, worden vaste stoffen vloeistoffen, en worden vloeistoffen vaste stoffen bij respectievelijk het smelt- en kookpunt. Als warmte naar buiten wordt overgedragen, worden vloeistoffen vast, en gassen condenseren in vloeistoffen.
Voorbeeld
Hoeveel warmte is er nodig om 55,8 g ijs (vast H2O) bij 0°C te laten smelten? De smeltwarmte van H2O is 79,9 cal/g.
Oplossing
We kunnen de relatie tussen warmte en smeltwarmte (Eq.) gebruiken om te bepalen hoeveel joule warmte er nodig is om dit ijs te smelten:
& = (55.8: cal}
Oefening
Hoeveel warmte is er nodig om 685 gram H2O te verdampen bij 100°C? De verdampingswarmte van H2O is 540 cal/g.
Tabel (PaginaIndex{1}) geeft een overzicht van de fusie- en verdampingswarmten van enkele veelvoorkomende stoffen. Let op de eenheden van deze grootheden; als je deze waarden gebruikt bij het oplossen van problemen, zorg er dan voor dat de andere variabelen in je berekening worden uitgedrukt in eenheden die overeenkomen met de eenheden in de soortelijke warmte, of de fusie- en verdampingswarmte.
| Stof | ΔHfus (cal/g) | ΔHvap (cal/g) |
|---|---|---|
| aluminium (Al) | 94.0 | 2,602 |
| goud (Au) | 15,3 | 409 |
| ijzer (Fe) | 63.2 | 1.504 |
| water (H2O) | 79.9 | 540 |
| natriumchloride (NaCl) | 123.5 | 691 |
| ethanol (C2H5OH) | 45.2 | 200.3 |
| benzeen (C6H6) | 30,4 | 94,1 |
Looking Closer: Sublimatie
Er is ook een faseverandering waarbij een vaste stof direct overgaat in een gas:
Deze faseverandering wordt sublimatie genoemd. Elke stof heeft een karakteristieke sublimatiewarmte die bij dit proces hoort. Zo bedraagt de sublimatiewarmte (ΔHsub) van H2O 620 cal/g.
We komen sublimatie op verschillende manieren tegen. Misschien bent u al bekend met droog ijs, dat gewoon vast kooldioxide (CO2) is. Bij -78,5°C sublimeert vast kooldioxide, waarbij het direct van de vaste fase in de gasfase overgaat:
Solide kooldioxide wordt droogijs genoemd omdat het niet door de vloeibare fase gaat. In plaats daarvan gaat het direct naar de gasfase. (Kooldioxide kan wel vloeibaar zijn, maar alleen onder hoge druk.) Droogijs heeft veel praktische toepassingen, zoals het langdurig bewaren van medische monsters.
Zelfs bij temperaturen onder 0°C, zal vast H2O langzaam sublimeren. Zo kan bijvoorbeeld een dun laagje sneeuw of rijp op de grond langzaam verdwijnen naarmate de vaste H2O sublimeert, ook al is de buitentemperatuur lager dan het vriespunt van water. Op dezelfde manier kunnen ijsblokjes in een vriezer na verloop van tijd kleiner worden. Hoewel bevroren, sublimeert het vaste water langzaam en slaat het neer op de koudere koelelementen van de vriezer, waardoor periodiek ontdooien nodig is (vorstvrije vriezers minimaliseren deze afzetting). Door de temperatuur in een diepvriezer te verlagen, hoeft deze minder vaak te worden ontdooid.
Onder soortgelijke omstandigheden zal ook uit diepvriesprodukten (bijv. vlees of groenten) water sublimeren, waardoor deze een onaantrekkelijk, gevlekt uiterlijk krijgen, dat vriesbrand wordt genoemd. Het is niet echt “aanbranden” en het voedsel is niet noodzakelijk bedorven, hoewel het er niet smakelijk uitziet. Vriesbrand kan worden geminimaliseerd door de temperatuur van de vriezer te verlagen en door voedsel strak in te pakken, zodat water geen ruimte heeft om in te sublimeren.
Smeltpunt
Vloeistoffen zijn vergelijkbaar met vloeistoffen in die zin dat beide gecondenseerde staten zijn, met deeltjes die veel dichter bij elkaar liggen dan die van een gas. Echter, terwijl vloeistoffen vloeibaar zijn, zijn vaste stoffen dat niet. De deeltjes van de meeste vaste stoffen zijn dicht opeengepakt in een ordelijke ordening. De beweging van individuele atomen, ionen of moleculen in een vaste stof is beperkt tot een trillende beweging rond een vast punt. Vaste stoffen zijn bijna volledig onsamendrukbaar en zijn de dichtste van de drie toestanden van de materie.
Als een vaste stof wordt verhit, gaan de deeltjes sneller trillen als de vaste stof kinetische energie absorbeert. Uiteindelijk begint de organisatie van de deeltjes binnen de vaste structuur af te breken en begint de vaste stof te smelten. Het smeltpunt is de temperatuur waarbij een vaste stof overgaat in een vloeistof. Bij het smeltpunt overwinnen de verstorende trillingen van de deeltjes van de vaste stof de aantrekkingskrachten die binnen de vaste stof werkzaam zijn. Net als bij kookpunten is het smeltpunt van een vaste stof afhankelijk van de sterkte van deze aantrekkingskrachten. Natriumchloride is een ionische verbinding die bestaat uit een veelheid van sterke ionische bindingen. Natriumchloride smelt bij 801°C. IJs (vast stof) is een moleculaire verbinding die bestaat uit moleculen die door waterstofbruggen bij elkaar worden gehouden. Hoewel waterstofbruggen de sterkste van de intermoleculaire krachten zijn, is de sterkte van waterstofbruggen veel minder dan die van ionische bindingen. Het smeltpunt van ijs ligt bij 0°C.
Het smeltpunt van een vaste stof is hetzelfde als het vriespunt van de vloeistof. Bij die temperatuur zijn de vaste en vloeibare toestand van de stof in evenwicht. Voor water vindt dit evenwicht plaats bij 0°C.
Wij denken bij vaste stoffen aan materialen die bij kamertemperatuur vast zijn. Alle materialen hebben echter een smeltpunt. Gassen worden vast bij extreem lage temperaturen, en vloeistoffen worden ook vast als de temperatuur laag genoeg is. De onderstaande tabel geeft de smeltpunten van enkele veel voorkomende materialen.
| Materialen | Smeltpunt (ºC) |
|---|---|
| Waterstof | -259 |
| Zuurstof | -219 |
| Diethylether | -116 |
| Ethanol | -114 |
| Water | 0 |
| Puur zilver | 961 |
| Puur goud | 1063 |
| Iron | 1538 |
Oefening (PaginaIndex{2})
- Leg uit wat er gebeurt als warmte in of uit een stof stroomt bij het smeltpunt of het kookpunt.
- Hoe verhoudt de hoeveelheid warmte die nodig is voor een faseverandering zich tot de massa van de stof?
Antwoord a
De energie gaat zitten in het veranderen van de fase, niet in de temperatuur.
De hoeveelheid warmte is een constante per gram stof.
Samenvatting
- Er is een energieverandering verbonden aan elke faseverandering.
- Sublimatie is de verandering van toestand van een vaste stof naar een gas, zonder door de vloeibare toestand te gaan.
- Depositie is de verandering van toestand van een gas in een vaste stof.
- Koolstofdioxide is een voorbeeld van een materiaal dat gemakkelijk sublimatie ondergaat.
- Het smeltpunt is de temperatuur waarbij een vaste stof in een vloeistof overgaat.
- Intermoleculaire krachten hebben een sterke invloed op het smeltpunt.
Contributions & Attributions
Deze pagina is samengesteld uit inhoud van de volgende contributor(s) en bewerkt (topisch of uitgebreid) door het LibreTexts ontwikkelingsteam om te voldoen aan platformstijl, presentatie en kwaliteit:
-
CK-12 Foundation door Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, en Jean Dupon.