Warmte & Materialen - Faseovergangen

• Natuurkunde
• Middelbare school
• havo, vwo
• Leerjaar 4

Warmte & Materialen

Faseovergangen

Hoofdstuk Warmte & Materialen

Warmte & Materialen - Faseovergangen

Warmte & Materialen - Temperatuur

Warmte & Materialen - Warmtetransport

Warmte & Materialen - Soortelijke warmte

Warmte & Materialen - Geleidbaarheid

Warmte & Materialen - Spanning & rek (HAVO)

Warmte & Materialen - Ideale gaswet (VWO)

Faseovergangen

Stoffen kunnen zich in drie fasen bevinden. We noemen deze fasen vast, vloeibaar en gas. Een stof is vast als de temperatuur onder het smeltpunt ligt. Een stof is vloeibaar als de temperatuur tussen het smeltpunt en het kookpunt ligt en een stof is gasvormig als de temperatuur boven het kookpunt ligt (zie de onderstaande afbeelding).

Ook deze drie fasen kunnen we met het deeltjesmodel begrijpen. 

In de onderstaande linker afbeelding is een vaste stof op atomaire niveau afgebeeld. De atomen in een vaste stof zitten op een vaste plaats en kunnen op deze plaats alleen een beetje heen en weer trillen. Alleen bij 0 K (= -273,15 °C) staan de deeltjes helemaal stil.

Bij een vloeistof zitten de atomen nog steeds tegen elkaar aan, maar hebben ze geen vaste plek meer. Ze kunnen nu vrij langs elkaar heen bewegen (zie middelste afbeelding). Dit verklaart de beweeglijkheid van vloeistoffen. In een gas zijn de atomen helemaal los van elkaar en vliegen kriskras door elkaar heen (zie rechter afbeelding).

Fseovergangen

Als een stof van fase verandert, dan spreken we van een faseovergang. 

Er zijn zes verschillende faseovergangen (zie de onderstaande afbeelding).

Stollen & smelten

Als een vloeistof in een vaste stof verandert, dan noemen we dit stollen. Als een vaste stof in een vloeistof verandert, dan noemen we dit smelten. 

Water stolt als we het afkoelen onder de 0 °C en smelt als we het verwarmen boven de 0 °C. We noemen 0 °C daarom het smeltpunt of het stolpunt van water. Verschillende stoffen hebben een verschillend smeltpunt.

Verdampen & condenseren

Als een vloeistof in een gas verandert, dan noemen we dit verdampen. Als een gas in een vloeistof verandert, dan noemen we dit condenseren (of condensatie). 

Water verdampt als we het verwarmen boven de 100 °C en condenseert als we het afkoelen onder de 100 °C. We noemen 100 °C daarom het kookpunt van water. Verschillende stoffen hebben een verschillend kookpunt. 

Condensatie treedt bijvoorbeeld op in de linker onderstaande afbeelding. 

Waterdamp in de lucht komt in aanraking met de koude fles en op deze manier ontstaan waterdruppeltjes aan de buitenkant van de fles. Ook dauw en mist ontstaan door condensatie (zie de twee rechter afbeeldingen hieronder).

Rijpen & sublimeren

Als een gas in een vaste stof verandert, dan noemen we dit rijpen. Als een vaste stof in een gas verandert, dan noemen we dit sublimeren. 

Als het in de winter vriest, dan kan de waterdamp uit de lucht direct bevriezen. Bij het rijpen van water ontstaan kleine ijskristalletjes (zie de onderstaande afbeeldingen). 

De ijskristallen in de (oude) vrieskist zijn ook door rijpen ontstaan. Sublimeren komt minder vaak voor. Tijdens droge winterdagen zien we soms sneeuw verdwijnen, terwijl het de hele dag heeft gevroren. Sneeuw is in dat geval gesublimeerd tot waterdamp.

Deeltjesmodel

Ook faseovergangen kunnen we met het deeltjesmodel beschrijven. Als we de vaste stof verwarmen, dan gaan de moleculen steeds harder trillen. Als het smeltpunt bereikt is, dan gaan de moleculen zo hard trillen, dat ze niet meer op hun vaste plek kunnen blijven zitten.

Hoewel de moleculen nog steeds dicht tegen elkaar aan liggen, beginnen de moleculen nu langs elkaar te bewegen.

Als dit gebeurt, is het materiaal aan het smelten en ontstaat er een vloeistof. Als we de stof nog verder verwarmen, dan bereiken we op een gegeven moment het kookpunt.

Bij het kookpunt bewegen de moleculen zo snel dat ze ontsnappen uit de vloeistof. Als dit gebeurt, is het materiaal aan het verdampen en ontstaat er een gas.

Opgaven

Opgave 1
a. Hoe noem je de faseovergang van een gas naar een vloeistof?
b. Hoe noem je de faseovergang van een vaste stof naar een gas?

Opgave 2
Geef aan welke faseovergang er plaats vindt:
a. Bij koud weer komen nevelwolkjes uit je mond.
b. Een koud glas limonade beslaat aan de buitenkant.
c. IJskristallen vormen op de producten in de vriezer.
d. Kleren drogen snel op in de wind.
e. Je maakt ijsklontjes in de vriezer.
f. De badkamerspiegel beslaat als je de douche uit stapt.
g. Mist klaart op in de loop van de ochtend.
h. Dauwdruppels vormen op grassprieten

 

Opgave 3
Leg met het deeltjesmodel uit dat gas wel gemakke-lijk samengeperst kan worden en een vloeistof niet.

Opgave 4
Is het vast worden van het ei een faseovergang of niet?

Opgave 5
Een leerling komt een kamer binnen en zijn bril beslaat. Leg uit wat er gebeurt is en onder welke omstandigheden dit gebeurt.

Opgave 6
Zoek het smeltpunt van de volgende stoffen op en leg telkens uit of de stof vast is bij kamertemperatuur (20 °C): aceton, glycerol en methaan.

Opgaven

Opgave 7
De lucht bevat maximaal 4% waterdamp. Bij het condenseren van deze waterdamp ontstaat bijvoorbeeld mist. De lucht bevat ook 80% stikstof. Leg uit waarom stikstofgas niet condenseert en waterdamp wel.

Opgave 8
In de volgende afbeelding zien we bij A stoom ontsnappen uit een ketel. Bij B wordt de stoom een nevel. Uiteindelijk lijkt de nevel 'in het niets' te verdwijnen.
Geef bij elk van deze
drie processen de
naam van de
faseovergang.

 

Opgave 9
Om de planeet Saturnus draait de maan Titan, waar op het oppervlak werke-
lijke zeeën en meren van
methaan en ethaan
aanwezig zijn. De
gemiddelde oppervlakte-
temperatuur in een
gebied boven de evenaar
is van Titan is 90,5 K.

a. In welke fase(s) kunnen methaan en ethaan zich bevinden in het gebied boven de evenaar? Tip: Gebruik BINAS Tabel 12 voor informatie.
b. Bij de evenaar is de gemiddelde temperatuur 94 K. In welke fase bevinden de stoffen zich daar?