Veranderen van fase

• Natuurkunde
• Middelbare school
• vmbo k, g, t
• Leerjaar 2

 - veranderen van fase

Introductie

Het weer kan plotseling omslaan. Een zomerdag kan beginnen met een strakblauwe lucht en eindigen met een flinke onweersbui. ’s Winters zijn bomen en struiken na een koude nacht soms opeens bedekt met een dikke laag rijp. Als de dooi invalt, wordt het ijs waar je gisteren nog op schaatste, snel onbetrouwbaar. In al deze situaties heb je te maken met water dat van fase verandert.

In een vaste stof zijn de moleculen dicht op elkaar gestapeld in een regelmatig patroon. Tussen moleculen die aan elkaar grenzen, bestaan aantrekkende krachten. Dat zorgt ervoor dat elk molecuul op zijn vaste plaats blijft. Hoe kleiner de afstand tussen twee aangrenzende moleculen, des te groter is de onderlinge aantrekkingskracht.

Smelten in het deeltjesmodel

In een vaste stof zijn de moleculen dicht op elkaar gestapeld in een regelmatig patroon. Tussen moleculen die aan elkaar grenzen, bestaan aantrekkende krachten. Dat zorgt ervoor dat elk molecuul op zijn vaste plaats blijft. Hoe kleiner de afstand tussen twee aangrenzende moleculen, des te groter is de onderlinge aantrekkingskracht.

Als de temperatuur stijgt, gaan de moleculen steeds heviger trillen. De afstand tussen de moleculen wordt dan groter. Je merkt dat doordat de stof uitzet. Door de grotere afstand trekken de moleculen elkaar minder sterk aan. Als de temperatuur een bepaalde waarde bereikt (bij water is dat 0 °C), is de aantrekkingskracht te klein om de moleculen op hun vaste plaats te houden: de stof smelt dan en wordt vloeibaar. De moleculen bewegen nu in alle richtingen langs elkaar heen.

In een vaste stof zijn de moleculen dicht op elkaar gestapeld in een regelmatig patroon. Tussen moleculen die aan elkaar grenzen, bestaan aantrekkende krachten. Dat zorgt ervoor dat elk molecuul op zijn vaste plaats blijft. Hoe kleiner de afstand tussen twee aangrenzende moleculen, des te groter is de onderlinge aantrekkingskracht.

Verdampen in het deeltjesmodel

In een vloeistof zijn de moleculen steeds in beweging. Hun onderlinge aantrekkingskracht zorgt ervoor dat ze dicht bij elkaar in de buurt blijven. Alleen aan het vloeistofoppervlak is dat anders. Af en toe heeft een molecuul daar zoveel snelheid dat hij uit de vloeistof kan ontsnappen (figuur 4). Zo’n molecuul gaat dan deel uitmaken van de lucht boven de vloeistof. Zo raakt de vloeistof steeds meer moleculen kwijt: de vloeistof verdampt.

Hoe hoger de temperatuur, des te groter is de gemiddelde snelheid van de moleculen en des te gemakkelijker kunnen ze uit de vloeistof ontsnappen. Vloeistoffen verdampen daardoor sneller als de temperatuur stijgt.

Dichtheid van een materiaal:

Dichtheid (p) = massa (m) : volume (v)

Massa in KG

Volume in M3

Fase-overgangen

 Als water smelt of bevriest, noem je dat een fase-overgang: de stof gaat over van de ene fase in de andere. Er zijn zes fase-overgangen (figuur 1):Er zijn zes fase-overgangen 

• stollen: van vloeibaar naar vast;

• smelten: van vast naar vloeibaar;

• verdampen: van vloeibaar naar gasvormig;

• condenseren: van gasvormig naar vloeibaar;

• rijpen: van gasvormig naar vast;

• vervluchtigen: van vast naar gasvormig.

Er zijn zes fase-overgangen. 

Plaats telkens de juiste beschrijving naast de fase-overgangen.

stollen/bevriezen

smelten

verdampen

condenseren

rijpen

vervluchtigen

gasvormig naarg vast

vast naar vloeibaar

 vloeibaar naar gasvormig

gasvormig naar vloeibaar

vast naar gastvormig

vloeibaar naar vast

De overgang van vloeibaar naar vast

Voor de overgang van vloeibaar naar vast bestaan twee woorden: stollen en bevriezen. Van water zeg je dat het bevriest, van kaarsvet dat het stolt. Welk woord je gebruikt, hangt af van de temperatuur. Als een vloeistof vast wordt bij een temperatuur van 0 °C of lager, noem je dat ‘bevriezen’. Als hetzelfde gebeurt bij een hogere temperatuur, gebruik je het woord ‘stollen’.

Fase-overgangen en het weer

De fase-overgangen van water spelen een belangrijke rol bij allerlei weersverschijnselen.

Bevriezen 

Als het vriest, verschijnt er een laag ijs op het water in plassen en vijvers. Het bovenste laagje water bevriest: van vloeibaar wordt het vast. Als het blijft vriezen, groeit het ijslaagje van onderaf steeds verder aan.

Smelten

Als het gaat dooien, smelt de ijslaag op plassen en vijvers snel weg. Boomtakken die pas nog wit waren van de rijp, worden nu weer kaal, terwijl de waterdruppels naar beneden vallen. Vast ijs wordt weer vloeibaar water.

Verdampen

Als na een regenbui de zon schijnt, zijn de straten al gauw weer droog. Plassen worden steeds kleiner en verdwijnen ten slotte helemaal. Dat komt doordat het regenwater bij warm weer snel verdampt: zichtbaar water wordt onzichtbare waterdamp.

Condenseren

Als warme lucht ’s nachts afkoelt tegen een koud voorwerp, condenseert de waterdamp die erin zit. Op grassprieten en bladeren verschijnen dan kleine waterdruppels (figuur 2). Onzichtbare waterdamp wordt zichtbaar water.

Rijpen

Als de temperatuur ’s nachts daalt tot onder 0 °C, ontstaat er geen dauw, maar rijp. De waterdamp in de lucht gaat over in kleine ijskristallen die boomtakken en grassprieten een prachtig wit uiterlijk geven (figuur 3).

Vervluchtigen

Als de lucht erg koud en droog is, wordt een laag sneeuw geleidelijk dunner. Dat komt doordat ijs onder die omstandigheden langzaam verandert in waterdamp. Er zijn ook stoffen die snel vervluchtigen, zoals vast koolstofdioxide (‘droog ijs’). Een ander woord voor vervluchtigen is sublimeren.

Scheidingstechnieken

Indampen (water en suiker)

Destillatie (alcohol)

Centrifugeren (emulsie)

Bezinken (emulsie, suspensie)

Filtreren (Suspensie)

Welke faseovergang zie je in het plaatje?

1. Verdampen
2. Condenseren
3. Sublimeren
4. Koken

Hoe noem je water in de gasvorm?

1. waterstof
2. waterdamp
3. watergas
4. koolwaterstof

Welke fase heeft het water op plaats C?

1. vast
2. vloeibaar
3. gas

Welke fase heeft het kaarsvet op plaats B?

1. vast
2. vloeibaar
3. gas

In welke fase zit water als het mist?

1. vast
2. gas
3. vloeibaar

1.

2.

3

4.

5.

6.

rijpen

vervluchtigen

smelten

stollen

condenseren

verdampen

Tijdens een willekeurige winterdag zit er veel waterdamp in de lucht. Vervolgens daalt de temperatuur ’s nachts naar −4 °C.
Wat zul je de volgende ochtend op de takken vinden?

1. rijp
2. waterdruppels
3. waterdamp

hoe heet deze faseovergang?
vast --> vloeibaar

1. rijpen
2. smelten
3. stollen
4. verdampen

Door welke faseovergang is dit ijs ontstaan?

1. rijpen
2. bevriezen
3. smelten
4. condenseren

De invloed van de temperatuur

Het is duidelijk dat de temperatuur een belangrijke rol speelt bij de verschillende fase-overgangen. Met het deeltjesmodel kun je verklaren hoe dat komt. Als voorbeeld staan hierna de fase-overgangen smelten en verdampen.