3.2 Faseveranderingen

Een faseverandering is niet echt een chemische verandering, geen chemische reaktie (hoewel het verschil niet altijd even duidelijk is).
Als er intern iets gebeurt met de deeltjes van de stof (ze ondergaan echte verandering) dan heb je een scheikundige reaktie, maar als die deeltjes alleen maar veranderen in positie, trilling, energie, e.d. maar vanbinnen blijven ze gelijk, dan spreken we meer van fysische veranderingen. Dat kunnen dus faseveranderingen zijn.
Zo kunnen deeltjes in een rooster (vaste stof dus) op een paar manieren uit elkaar vallen:
  1. Bij smelten (als een stof in droge vorm wordt verhit).
  2. Bij oplossen (gebeurt altijd in een oplosmiddel, zoals water)
Als een stof met een ionrooster smelt ((s) → (l)) of oplost ((s) → (aq)), heeft dat tot gevolg dat de ionen vrij door elkaar heen gaan bewegen.
De bekende faseovergangen zijn:

(s) (l) smelten of stollen
(l) (g) koken of condenseren
(l) (g) of (s) (g) verdampen
(g) (s) sublimeren




Fase overgangen zijn dus niet altijd echte chemische reakties; ze behoren tot de natuurkundige verschijnselen. Let er dus op dat bijvoorbeeld koken iets heel anders is dan ontleden!!!! Dit wordt nogal eens door elkaar gehaald. Ook zijn er stoffen die bij verhitting niet smelten of koken, maar voortijdig gaan ontleden (bijv. suiker).

Opdracht 25b
Beschijf zo schematisch mogelijk de volgende twee processen:
  1. het "koken" van suiker
  2. het ontleden van suiker


Een paar voorbeelden van veranderingen van aggregatietoestanden, faseveranderingen:
  1. smelten van ijs: H2O(s) H2O(l)
  2. benzine verdampt: C8H18(l) C8H18(g)
  3. lood kan ook smelten: Pb(s) Pb(l)



Smeltpunten en kookpunten

1. Het ROOSTER is de belangrijkste factor bij het vaststellen van een smeltpunt

hoe sterk is het rooster?
Smelten betekent dat het rooster wordt vernietigd en het kost nogal wat energie om een sterk rooster kapot te maken.

De sterkte van een ionrooster hangt af van de ladingen en van de onderlingen afstanden
Het rooster van CaO (met ladingen 2+ en 2-) zal moeilijker smelten dan dat van NaCl (met ladingen 1+ en 1-). Behalve de ladingen zijn ook nog eens de ionen van CaO kleiner.
Kleinere ionen veroorzaken sterkere roosters.
Zouten zullen over het algemeen hoge smeltpunten hebben.

Ook de metaalroosters hangen af van ladingen en afstanden
Tussen de metalen bestaan nogal wat verschillen: over het algemeen zal een metaalrooster sterk zijn (dus hoog smeltpunt), maar er zijn uitzonderingen:
Kwik(l); Lood, tin, lithium, natrium, kalium hebben geen sterke roosters. Extreem sterk zijn de roosters van: Chroom, Wolffraam en Vanadium. zie ook tabellen)

2. VANDERWAALS-KRACHTEN zijn de tweede factor bij het vaststellen van smeltpunten.

Deze bestaan vooral in molekuulroosters waarvan de sterkte afhankelijk is van:
  1. de deelname van Waterstofbruggen
  2. de deelname van polaire atomen (met δ- of δ+)
  3. de molekuulmassas. Grote molekulen veroorzaken hogere smeltpunten dan kleine.
Stoffen met molekuulroosters hebben niet zo hoge smeltpunten.
Smeltpunten zijn dus afhankelijk van de roostersterkte:
  1. Let eerst op de aanwezigheid van ladingskrachten; hoe groot zijn de ladingen en de ionstralen?
  2. Onderzoek vervolgens de vdWkrachten, die afhankelijk zijn van de molekuulmassa's.
Opdracht 26
Plaats de volgende stoffen in volgorde van toenemend smeltpunt:

Keukenzout, kaliumchloride, broom, water, ongebluste kalk, grafiet..

Kookpunten zijn (in volgorde van belangrijkheid) afhankelijk van:
  1. Ladingskrachten tussen de deeltjes onderling (zijn het ionen of dipoolmolekulen?)
  2. vdWkrachten; dus de M vergelijken.
  3. De ruimtelijke vorm van de deeltjes: Hoe bolvormiger een molekuul is, des te kleiner is haar oppervlak, des te kleiner de onderlinge aantrekkingskracht, dus des te lager het kookpunt (het kookt dan makkelijker).

Opdracht 27
Plaats de volgende stoffen in volgorde van toenemend kookpunt:
water, stikstof, hexaan, 2.3-dimethylbutaan, glycerol.
Antwoord

Gasvormige stoffen bij kamertemperatuur, over het algemeen, hebben geen of weinig aantrekkingskrachten, niet polair noch waterstofbruggen.

Opdracht 28
Leg de karakteristieken uit van de grafiek:

N.B. faseveranderingen worden niet beschouwd als chemische reakties, maar let op: het is niet altijd zo gemakkelijk om scheikundige en natuurkundige processen te onderscheiden.
Er zijn ook stoffen die nooit toekomen aan een smeltpunt of aan een kookpunt. Al voordat ze aan die temperatuur toekomen gaan ze ontleden (dat is zeker een chemisch proces).

Opdracht 29
Geef de vergelijkingen van de volgende "reakties":
  1. suiker "smelten" en suiker "koken"
  2. suiker ontleden

Verdamping

Opdracht 30
bewering: Tijdens verdamping van vast I2 vormen zich jodium-atomen.
Is deze bewering waar of onwaar? Leg uit
Antwoord

Als vloeistofdeeltjes meer energie krijgen, of zelfs als roosterdeeltjes energie krijgen, bijvoorbeeld doordat de stof verwarmd wordt, verhoog je de beweging en trilling van de deeltjes. Op zeker punt zal die beweging zo hevig worden dat de deeltjes niet meer bij elkaar kunnen blijven: De onderlinge aantrekkingskrachten zijn dan niet meer voldoende om ze bij elkaar te houden. Als ze zich van elkaar scheiden, dus bij gasvorming, kunnen die deeltjes nog heel goed met elkaar in botsing komen, maar zullen dan toch niet samenblijven. Wel bij afkoeling natuurlijk. Dan kunnen stoffen weer vloeibaar of vast worden.

een animatie van de beweging van gasmolekulen is te zien op de volgende website: http://www.nvon.nl/na/lesmateriaal/galerij/na000051_moleculen/na000051.html
je kunt zien hoe de temperatuur direct samenhangt met de beweging van de gasmolekulen