Paragraaf 3.3 - Veranderen van fase

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

3.3 - veranderen van fase

Leerdoelen 

• 3.3.1 Je kunt de zes fase-overgangen van stoffen benoemen.
  
• 3.3.2 Je kunt beschrijven hoe de fase-overgangen van water een belangrijke rol spelen bij allerlei weersverschijnselen.
  
• 3.3.3 Je kunt met het deeltjesmodel verklaren hoe het komt dat de temperatuur een belangrijke rol speelt bij smelten en verdampen.
  
• 3.3.4 Je kunt uitleggen hoe het komt dat water krimpt bij afkoelen tot 4 °C en vervolgens weer uitzet bij verder afkoelen tussen 4 °C tot 0 °C. (EXTRA)

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.

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.

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

Ook bij vorst kun je nat wasgoed gewoon aan de lijn hangen. Het is dan al gauw stijf bevroren. Toch kun je het wasgoed een dag later bijna droog binnenhalen.
Hoe kan het dat het wasgoed na 24 uur in de vrieskou bijna droog is?

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.

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.

Het weerbericht waarschuwt voor mist: “In de loop van de nacht kan er overal in het land mist ontstaan. Het verkeer kan hiervan veel hinder ondervinden. In de loop van de ochtend lost de mist weer op.”
a Welke fase-overgang is verantwoordelijk voor het ontstaan van mist?
b Welke fase-overgang is verantwoordelijk voor het ‘oplossen’ van mist?

EXTRA Water: een uitzondering

Bijna alle vloeistoffen krimpen als de temperatuur daalt. Doordat de moleculen minder snel bewegen, botsen ze minder hevig en duwen ze elkaar minder ver opzij. Toch is er een belangrijke uitzondering op deze regel: water tussen 4 °C en 0 °C. Als water afkoelt, krimpt het net als andere vloeistoffen tot de temperatuur 4 °C is. Maar als water nog verder afkoelt, van 4 °C tot 0 °C, zet het juist weer uit (figuur 5)

EXTRA Water: een uitzondering

Als het water daarna bevriest, zet het nog verder uit: als 1 dm3 water van 0 °C bevriest, ontstaat er ongeveer 1,1 dm3 ijs. Het volume neemt tijdens het bevriezen dus toe met ongeveer 10%. Daarom moet je er erg voor oppassen dat het water in de waterleiding in de winter niet bevriest. De buizen kunnen gemakkelijk kapotvriezen.

  

Dat water uitzet bij bevriezing, heeft te maken met de bijzondere kristalstructuur van ijs. De moleculen vormen zeshoeken met daarbinnen veel lege ruimte (figuur 6). Daardoor is de gemiddelde afstand tussen de moleculen in ijs groter dan in water. Het vormen van zeshoeken begint al wanneer de temperatuur daalt onder 4 °C, al ontstaat er dan nog geen permanent kristalrooster. Daardoor bereikt water zijn grootste dichtheid bij 4 °C.

EXTRA Water: een uitzondering

Als ’s winters de waterleiding bevriest, kan hij stukgaan.
Leg uit waardoor dat komt.

Opdrachten maken

Wat: lees paragraaf 3.3   

Hoe: helemaal stil! muziek mag in!   

Hulp: Geen   

Tijd:  ???? minuten lang   

Huiswerk: opdrachten 1 t/m 13 van paragraaf 3.3 & Test jezelf  

Klaar?: ga bezig met een ander vak!