Handboek · hoofdstuk 6Het deeltjesmodel
Onzichtbaar kleine deeltjes die altijd bewegen: een model dat smelten, koken, uitzetten en condens verklaart
Waarom smelt ijs, waarom wordt een brug in de zomer langer, waarom ruik je soep tot in de gang, en waarom hangen er 's morgens druppels aan de binnenkant van de meetkas? Eén idee verklaart het allemaal: alle stoffen bestaan uit heel kleine deeltjes die voortdurend bewegen. In dit hoofdstuk leer je met dat deeltjesmodel de drie toestanden, de zes faseovergangen, temperatuur, uitzetten en diffusie verklaren, en je leert ook waar het model ophoudt.
- Je kan de afspraken van het deeltjesmodel opnoemen: deeltjes, lege ruimte, beweging, aantrekking.
- Je kan vaste stoffen, vloeistoffen en gassen beschrijven en hun eigenschappen verklaren met het deeltjesmodel, ook in een tekening.
- Je kan de zes faseovergangen benoemen, voorbeelden geven en zeggen of er energie bij moet of af gaat.
- Je kan uitleggen dat temperatuur een maat is voor hoe snel de deeltjes bewegen.
- Je kan een opwarm- of afkoelcurve lezen en uitleggen waarom de temperatuur tijdens een faseovergang gelijk blijft.
- Je kan uitzetten en krimpen verklaren en uitrekenen hoeveel een brug, een spoorstaaf of een plaat langer wordt.
- Je kan diffusie verklaren en uitleggen waarom ze sneller gaat bij een hogere temperatuur.
- Je kan uitleggen waar condens vandaan komt, en de grenzen van het deeltjesmodel benoemen.
Een dansend korreltje onder de microscoop
Al ongeveer 2400 jaar geleden stelde de Griekse denker Democritus dat alles bestaat uit piepkleine, ondeelbare deeltjes, die hij atomos noemde. Bewijzen kon hij het niet: hij had geen microscoop en deed geen proeven. Tweeduizend jaar lang bleef het een idee.
In 1827 bekeek de Schotse plantkundige Robert Brown onder zijn microscoop stuifmeelkorrels in een druppel water. Hij zag dat heel kleine korreltjes die uit het stuifmeel kwamen, voortdurend schokkerig heen en weer bewogen, zonder ooit te stoppen. Eerst dacht hij dat ze leefden. Maar hij zag precies dezelfde dans bij fijngemalen glas en gesteente, en die leven zeker niet. Brown kon de beweging niet verklaren; ze kreeg zijn naam: de Brownse beweging.
De verklaring kwam pas in 1905, van de jonge Albert Einstein. Het water bestaat uit deeltjes die veel te klein zijn om te zien, en die voortdurend en van alle kanten tegen het korreltje botsen. Omdat die botsingen nooit precies in evenwicht zijn, wordt het korreltje nu eens de ene, dan weer de andere kant op geduwd. Einstein berekende hoe ver zo'n korreltje gemiddeld verschuift. De Franse natuurkundige Jean Perrin mat dat enkele jaren later nauwkeurig na, en haalde er zelfs de grootte van de deeltjes uit. Daarmee waren de laatste twijfelaars overtuigd. Perrin kreeg er in 1926 de Nobelprijs voor.
Niemand kan een watermolecule met het blote oog of een gewone microscoop zien. Toch weten we zeker dat ze bestaan, omdat een model (deeltjes die bewegen) een waarneming (een dansend korreltje) verklaart én een voorspelling doet die je kan nameten. Zo werkt wetenschap: dit hoofdstuk gaat over dat model.
Alles bestaat uit deeltjes
Het deeltjesmodel beschrijft elke stof met vier afspraken:
- Elke stof bestaat uit deeltjes. Ze zijn onvoorstelbaar klein: een deeltje water (een molecule) is ongeveer 0,3 nanometer groot, drie tienmiljoenste van een millimeter (hoofdstuk 3). In één druppel water van 0,05 mL zitten er ongeveer : een 17 met twintig nullen, zo'n 200 miljard keer zoveel als er mensen op aarde zijn.
- Deeltjes van dezelfde zuivere stof zijn gelijk; deeltjes van verschillende stoffen verschillen (in grootte, massa, vorm).
- Tussen de deeltjes is lege ruimte. Daar zit niets: geen lucht, geen water, niets.
- De deeltjes bewegen altijd, en ze trekken elkaar aan. Hoe dichter ze bij elkaar zijn, hoe sterker die aantrekking.
In tekeningen stellen we deeltjes voor als bolletjes. Dat is een afspraak: echte deeltjes hebben geen kleur en geen scherpe rand. Een model is een vereenvoudigde voorstelling die helpt om te redeneren en te voorspellen. Het is niet de werkelijkheid zelf (zie het blad over de grenzen van het model).
Tussen de deeltjes van water zit geen lucht, en tussen de deeltjes van lucht zit ook geen lucht: er zit niets. Lucht bestaat zelf uit deeltjes (vooral stikstof en zuurstof). Een lege ruimte zonder deeltjes heet een vacuüm.
Vast, vloeibaar en gas
Een stof kan in drie aggregatietoestanden voorkomen: vast, vloeibaar of gas. Het verschil zit niet in de deeltjes zelf, maar in hoe ze samen zijn:
| vast | vloeibaar | gas | |
|---|---|---|---|
| afstand | tegen elkaar, in een vaste orde | tegen elkaar, zonder orde | ver uit elkaar (in lucht gemiddeld zo'n tien keer hun eigen grootte) |
| beweging | trillen op hun plaats | schuiven langs elkaar | vliegen vrij rond en botsen |
| aantrekking | sterk | minder sterk | bijna geen |
| vorm | eigen vorm | vorm van het vat | vult het hele vat |
| volume | vast | vast | vult elke ruimte |
| samendrukbaar? | bijna niet | bijna niet | ja, makkelijk |
Met het model verklaar je die eigenschappen. Een vaste stof houdt haar vorm, omdat de deeltjes op hun plaats blijven. Een vloeistof stroomt, omdat de deeltjes langs elkaar kunnen schuiven, maar ze blijft hetzelfde volume houden, omdat ze tegen elkaar blijven. Een gas kan je samendrukken (denk aan een fietspomp met je vinger op het gaatje), omdat er zoveel lege ruimte tussen de deeltjes is.
Een deeltje zuurstof of stikstof in de lucht rond je vliegt bij kamertemperatuur gemiddeld ongeveer 500 meter per seconde: sneller dan een lijnvliegtuig. Toch komt het nergens snel, want het botst miljarden keren per seconde tegen andere deeltjes en verandert telkens van richting.
Een glas ijswater, ingezoomd
Een glas water met een ijsblokje, op een warme dag. Het is één stof, water, in drie toestanden, met lucht erboven. Zoom in op vier plaatsen.
- 1Lucht boven het glas
Een gas: deeltjes ver uit elkaar, snel bewegend. Er zit ook waterdamp tussen: onzichtbare waterdeeltjes die uit het glas zijn verdampt.
- 2Een druppel aan de buitenkant
De koude glaswand koelt de lucht ertegen af. Waterdamp uit de lucht condenseert tot druppels. Het water komt niet door het glas.
- 3Het ijsblokje
Vast: de deeltjes zitten in een vaste orde en trillen op hun plaats. Bij ijs is die orde vrij 'open', met meer ruimte dan in vloeibaar water: daarom drijft ijs (hoofdstuk 7).
- 4Het water
Vloeibaar: de deeltjes raken elkaar, maar schuiven voortdurend langs elkaar. Aan het ijs nemen ze warmte op, en het ijs smelt.
- 5Het wateroppervlak
Hier verdampen voortdurend deeltjes die net snel genoeg zijn om los te komen, ook al is het water ver onder 100 °C.
Temperatuur: hoe snel de deeltjes bewegen
Wat meet een thermometer eigenlijk? In het deeltjesmodel is het antwoord eenvoudig: de temperatuur is een maat voor hoe snel de deeltjes gemiddeld bewegen. In warm water bewegen de waterdeeltjes sneller dan in koud water; in een warme vaste stof trillen de deeltjes heviger dan in een koude.
Niet alle deeltjes bewegen even snel: sommige zijn snel, andere traag, en door de botsingen verandert dat voortdurend. De temperatuur hoort bij het gemiddelde. Eén deeltje heeft dus geen temperatuur: het is niet warm of koud, het is snel of traag.
Hoe verder je afkoelt, hoe trager de deeltjes gaan. Bij −273,15 °C bewegen ze zo weinig als het maar kan. Kouder kan niet: dat heet het absolute nulpunt. De temperatuurschaal die daar begint, de kelvinschaal, leer je in hoofdstuk 16.
Een deeltje ijs, water of stoom is hetzelfde deeltje: een watermolecule. Het verschil tussen ijs en stoom zit in hoe snel de deeltjes bewegen en hoe ver ze uit elkaar zitten, niet in de deeltjes zelf. Ze worden ook niet groter, zachter of vloeibaar.
Zes faseovergangen
Verwarm je een stof, dan bewegen de deeltjes sneller. Op een bepaald moment zijn ze zo snel dat ze hun plaats in de vaste orde verlaten: de stof smelt. Nog sneller, en ze ontsnappen helemaal aan de aantrekking van hun buren: de stof verdampt. Koel je af, dan gebeurt het omgekeerde. Zo zijn er zes overgangen:
| overgang | van | naar | energie | voorbeeld |
|---|---|---|---|---|
| smelten | vast | vloeibaar | erbij | ijsblokje in een glas; tin in een soldeerbout |
| stollen | vloeibaar | vast | eraf | water in de diepvries; kaarsvet dat hard wordt |
| verdampen | vloeibaar | gas | erbij | een plas die opdroogt; koken |
| condenseren | gas | vloeibaar | eraf | een beslagen spiegel; dauw; condens op de kaswand |
| sublimeren | vast | gas | erbij | droog ijs (vaste CO₂); bevroren wasgoed dat toch droogt |
| rijpen | gas | vast | eraf | rijp op het gras en op de autoruit; ijsbloemen |
Verdampen en koken zijn niet hetzelfde. Verdampen gebeurt bij elke temperatuur, aan het oppervlak: de snelste deeltjes ontsnappen. Zo droogt een plas op, ook in de winter. Koken is verdampen in de hele vloeistof tegelijk, met dampbellen die opstijgen: dat gebeurt pas bij het kookpunt (voor water 100 °C bij normale luchtdruk). De temperatuur waarbij een stof smelt, is haar smeltpunt (voor water 0 °C); bij een zuivere stof is dat ook de temperatuur waarbij ze stolt.
Bij de overgangen naar een meer 'losse' toestand (smelten, verdampen, sublimeren) moet er energie bij: de deeltjes moeten zich losmaken van elkaar. Bij de omgekeerde overgangen komt die energie weer vrij. Daarom koelt zweet je af als het verdampt, en daarom verwarmt condenserende stoom je hand heel sterk: een brandwonde door stoom is erger dan een door water van 100 °C.
Het water verdwijnt niet: de deeltjes vliegen als onzichtbare waterdamp in de lucht rond. Koelt die lucht af tegen iets kouds, dan komen ze terug als druppels. Zo gaat er in de waterkringloop (hoofdstuk 28) geen druppel verloren.
De opwarmcurve van ijs lezen
Je verwarmt 100 g ijs van −30 °C met een verwarming die elke seconde evenveel warmte geeft, en er gaat geen warmte verloren. De grafiek toont de berekende temperatuur. (a) Wat gebeurt er in elk stuk van de grafiek? (b) Waarom blijft de temperatuur twee keer een tijd gelijk, hoewel je blijft verwarmen? (c) Welke overgang vraagt het meeste energie?
- de opwarmcurve
- gelijkmatige verwarming: elke seconde evenveel warmte
- de toestand in elk stuk
- de verklaring van de vlakke stukken
- welke overgang de meeste energie vraagt
- 1(a) Van 0 tot ongeveer 13 s warmt het ijs op van −30 tot 0 °C. Van 13 tot 79 s blijft het 0 °C: het ijs smelt, er is ijs en water samen. Van 79 tot 163 s warmt het water op tot 100 °C. Van 163 tot 614 s blijft het 100 °C: het water kookt. Daarna warmt de stoom op.
- 2(b) Tijdens het smelten en het koken gaat alle toegevoerde energie naar het losmaken van de deeltjes uit hun toestand, niet naar sneller bewegen. De gemiddelde snelheid, en dus de temperatuur, blijft gelijk tot alle ijs gesmolten of al het water verdampt is. Dat verklaart ook waarom de temperatuur in hoofdstuk 4 bij het koken op 100 °C bleef steken.
- 3(c) Omdat er elke seconde evenveel warmte bijkomt, is de tijd een maat voor de energie. Smelten duurt s, koken s: bijna zeven keer zo lang. Verdampen vraagt veel meer energie dan smelten: bij het verdampen moeten de deeltjes helemaal los van elkaar, bij smelten alleen uit hun vaste orde.
Kleurstof in koud en in warm water
Verspreidt een druppel kleurstof zich sneller in warm water dan in koud water?
- twee gelijke bekerglazen of glazen potten
- koud water uit de koelkast en warm water (hooguit 60 °C)
- voedingskleurstof met een druppelteller
- twee thermometers, stopwatch
- wit blad als achtergrond
- 1Vul beide glazen met 200 mL water: het ene koud, het andere warm. Meet de temperatuur.
- 2Wacht een minuut tot het water stil staat. Stoot daarna niet meer tegen de tafel.
- 3Laat tegelijk in elk glas één druppel kleurstof vallen, vlak boven het water. Start de stopwatch. Roer niet.
- 4Kijk elke minuut en noteer wat je ziet. Noteer de tijd tot het water overal even sterk gekleurd lijkt.
| tijd | koud water (9 °C) | warm water (58 °C) |
|---|---|---|
| 0 min | de druppel zakt als een sliert naar de bodem | de druppel zakt en waaiert meteen uit |
| 1 min | een gekleurd laagje op de bodem, helder water erboven | een grote gekleurde wolk tot halverwege |
| 5 min | het laagje wordt dikker, bovenaan nog helder | bijna overal gekleurd, bovenaan iets lichter |
| overal even sterk | na meer dan 20 min | na ongeveer 6 min |
Voorbeeld van waarnemingen in een klas. In warm water verspreidt de kleur zich veel sneller.
Zonder te roeren mengt de kleurstof toch met het water: de deeltjes van kleurstof en water bewegen voortdurend en botsen, zodat de kleurstofdeeltjes zich over het hele glas verspreiden. Dat heet diffusie. In warm water bewegen alle deeltjes sneller, dus gaat de diffusie sneller. In het warme glas helpen ook kleine stromingen mee (warm water beweegt omhoog, koeler water zakt), maar ook zonder die stromingen verloopt diffusie sneller bij een hogere temperatuur. De druppel zakt eerst naar beneden, omdat kleurstof met suiker of glycerine erin iets zwaarder is dan water.
Diffusie: mengen zonder te roeren
Diffusie is het vanzelf mengen van stoffen doordat hun deeltjes bewegen. De deeltjes gaan daarbij gemiddeld van de plaats waar er veel zijn naar de plaats waar er weinig zijn, tot ze overal even dicht verspreid zijn. Niemand duwt ze: het is gewoon het gevolg van miljarden botsingen in alle richtingen.
Hoe snel gaat het?
- Warmer is sneller: de deeltjes bewegen sneller (de proef).
- In een gas sneller dan in een vloeistof: gasdeeltjes zijn snel en hebben meer ruimte. In een vaste stof gaat diffusie zo traag dat je er jaren op moet wachten.
- Over korte afstanden gaat diffusie snel, over grote afstanden traag. Dat je de geur van soep tot in de gang ruikt, komt vooral door luchtstromingen; diffusie alleen zou er veel langer over doen.
Diffusie is overal in de natuur. Een theezakje kleurt het water, ook zonder roeren. Zuurstof gaat in je longen vanuit de lucht naar je bloed (hoofdstuk 29), en koolstofdioxide gaat door kleine openingen in een blad naar binnen (hoofdstuk 27). Over zulke kleine afstanden werkt diffusie razendsnel.
Uitzetten en krimpen
Warm je een stof op, dan bewegen de deeltjes heviger en duwen ze elkaar iets verder weg: de stof neemt meer ruimte in. Ze zet uit. Koelt ze af, dan krimpt ze. Dat geldt voor vaste stoffen, vloeistoffen en gassen:
- Gassen zetten het sterkst uit: een halflege ballon in de zon wordt bol.
- Vloeistoffen zetten minder uit: de vloeistof in een thermometer stijgt in het smalle buisje als ze warmer wordt. Zo werkt de thermometer uit hoofdstuk 3.
- Vaste stoffen zetten het minst uit, maar met enorme kracht: een stalen balk die niet kan uitzetten, duwt hard genoeg om beton te laten barsten.
Daarom laten ingenieurs ruimte. In een brug zitten voegen (uitzettingsvoegen of dilatatievoegen): openingen tussen twee delen van het brugdek, vaak met 'vingers' die in elkaar grijpen. Rijd je over een brug, dan voel je ze als een kleine schok. Vroeger lieten spoorlopers kleine openingen tussen de spoorstaven: vandaar het 'tadam-tadam' van de trein. Vandaag worden spoorstaven meestal aan elkaar gelast en stevig vastgezet, zodat ze niet kunnen uitzetten; het staal zit dan onder spanning, en bij extreme hitte kan een spoor toch zijdelings uitknikken.
Hoeveel een stof uitzet, hangt af van het materiaal:
| materiaal | een staaf van 1 m wordt per °C langer met |
|---|---|
| staal | 0,012 mm |
| beton | 0,012 mm |
| aluminium | 0,023 mm |
| glas | 0,009 mm |
| polycarbonaat | 0,065 mm |
Bij uitzetten worden de deeltjes zelf niet groter: ze bewegen heviger en de afstand ertussen wordt groter. Het is dezelfde hoeveelheid stof, met dezelfde massa, in een groter volume.
Hoeveel langer worden een brug en een kasplaat?
(a) Een stalen brugdek is 80 m lang. Op een winternacht is het staal −20 °C, in de zomerzon kan het 50 °C worden. Hoeveel verschilt de lengte? (b) De lange wand van de meetkas is een plaat polycarbonaat van 1,20 m, vastgeschroefd op een aluminium frame. In de kas varieert de temperatuur tussen −5 °C en 45 °C. Hoeveel verandert de lengte van de plaat, en van het frame? Wat betekent dat voor de schroeven?
- staal: 0,012 mm per m per °C; brug 80 m; van −20 tot 50 °C
- polycarbonaat: 0,065 mm per m per °C; aluminium: 0,023 mm per m per °C; 1,20 m; van −5 tot 45 °C
- lengteverschil van de brug
- lengteverschil van plaat en frame
- 1Rekenregel: verlenging = (verlenging per m per °C) × lengte in m × temperatuurverschil in °C.
- 2(a) Temperatuurverschil: van −20 tot 50 °C is °C. Verlenging: , bijna 7 cm. De voeg moet dus minstens 7 cm kunnen openen en sluiten.
- 3(b) Temperatuurverschil: °C. Plaat: . Frame: .
- 4De plaat verandert meer dan het frame. Schroef je ze aan beide uiteinden vast in krappe gaten, dan gaat de plaat in de zomer bol staan of scheurt ze rond de schroeven. De oplossing: gaten in de plaat die groter zijn dan de schroef (of sleufgaten), zodat de plaat kan schuiven.
Condens op de kaswand
Op een heldere nacht koelt de meetkas af. 's Morgens hangen er druppels aan de binnenkant van de wanden en het dak. Lekt de kas? Nee: het water komt uit de lucht in de kas zelf.
Lucht bevat altijd wat onzichtbare waterdamp. In de kas is dat veel: de planten verdampen water door hun bladeren (hoofdstuk 27), en ook de natte grond en het reservoir verdampen water. Maar lucht kan niet onbeperkt waterdamp bevatten, en hoe kouder de lucht, hoe minder:
| temperatuur (°C) | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| maximum waterdamp (g/m³) | 4,8 | 6,8 | 9,4 | 12,8 | 17,3 | 23,0 | 30,3 |
's Avonds is de kaslucht 20 °C en bevat ze 12 g waterdamp per m³: ongeveer 70 % van het maximum (17,3 g/m³). 's Nachts koelt de wand af tot 10 °C. De lucht die tegen de wand afkoelt, kan bij 10 °C maar 9,4 g/m³ bevatten. De rest condenseert: de waterdeeltjes vertragen tegen de koude wand, blijven aan elkaar hangen en vormen druppels. De temperatuur waarbij dat begint, heet het dauwpunt: voor de kaslucht ongeveer 14 °C.
Is condens erg? Druppels houden licht tegen en vallen op de bladeren, waar ze schimmels een kans geven. Maar ze zijn ook nuttig: het water gaat niet verloren en druipt terug naar de grond. In een gesloten ruimte, zoals een ruimtestation, wordt condens net opgevangen en hergebruikt.
Een glas ijswater 'zweet' aan de buitenkant. Het water komt niet door het glas: kleur je het water blauw, dan zijn de druppels buiten toch kleurloos, en het glas wordt zelfs zwaarder. Het water komt uit de lucht die tegen het koude glas afkoelt (opdracht 6.9).
Hoeveel water condenseert er in de meetkas?
De meetkas bevat 576 L lucht (1,20 m × 0,60 m × 0,80 m). 's Avonds is de lucht 20 °C en bevat ze 12 g waterdamp per m³. (a) Hoeveel gram waterdamp zit er in de kaslucht? (b) Stel dat 's nachts alle kaslucht afkoelt tot 10 °C. Hoeveel water condenseert er dan? (c) De planten verbruiken samen ongeveer 1,8 L water per dag, en verdampen bijna alles daarvan. Wat besluit je?
- volume:
- 12 g/m³ waterdamp bij 20 °C
- maximum bij 10 °C: 9,4 g/m³
- verbruik van de planten: 1,8 L per dag
- waterdamp in de kaslucht
- condens bij 10 °C
- besluit
- 1(a) waterdamp: minder dan een eetlepel water.
- 2(b) Bij 10 °C kan er maar 9,4 g/m³ in de lucht blijven. Per m³ condenseert . Voor de hele kas: .
- 3(c) De planten verdampen elke dag ongeveer 1,8 L = 1800 g water: honderden keren meer dan wat er op één moment in de lucht zit. De lucht is dus maar een tussenstation. In een gesloten kas komt het meeste verdampte water uiteindelijk als condens op de koude wanden terecht, vooral 's nachts en 's morgens.
De grenzen van het deeltjesmodel
Het deeltjesmodel verklaart veel met weinig: toestanden, faseovergangen, uitzetten, diffusie, condens. Maar het is een model, en elk model heeft grenzen.
| het model verklaart | het model verklaart niet |
|---|---|
| waarom een vaste stof haar vorm houdt en een gas elk vat vult | waarom water bij 0 °C smelt en ijzer pas bij 1538 °C: daarvoor moet je weten hoe sterk de deeltjes elkaar aantrekken, en waarom |
| waarom de temperatuur tijdens smelten en koken gelijk blijft | waarom water uitzet als het bevriest, terwijl bijna alle andere stoffen dan krimpen |
| uitzetten, krimpen, diffusie, condens | wat de deeltjes zelf zijn, waarom metalen stroom geleiden, waarom stoffen een kleur hebben |
| waarom een gas samendrukbaar is | chemische reacties, waarbij de deeltjes zelf veranderen |
Het voorbeeld van water is opvallend. Volgens het eenvoudige model zitten de deeltjes in een vaste stof dichter op elkaar dan in de vloeistof, dus zou ijs moeten zinken. Toch drijft ijs, en een fles water die bevriest, barst. Watermoleculen hebben een vorm en een manier van binden waardoor ze in ijs een open rooster vormen. Dat leer je in Intermediate (hoofdstukken 12 en 13), met een uitgebreider model: atomen en moleculen.
Wees ook voorzichtig met tekeningen. Twintig bolletjes stellen geen glas water voor, waarin miljarden miljarden deeltjes zitten. In lucht staan de deeltjes gemiddeld zo'n tien keer hun eigen grootte uit elkaar, veel verder dan wij ze tekenen. En echte deeltjes zijn geen gekleurde knikkers.
Wetenschappers vragen niet of een model 'waar' is, maar of het werkt: verklaart het wat we zien, en voorspelt het iets wat we kunnen nameten? Werkt het niet meer, dan maken ze een beter model. Het deeltjesmodel is het eerste van een reeks, en het blijft handig, ook als je later de betere kent.
Overzicht: het deeltjesmodel
| afspraak van het model | gevolg |
|---|---|
| alles bestaat uit heel kleine deeltjes | een deeltje water is ongeveer 0,3 nm; één druppel bevat er ongeveer |
| deeltjes van één stof zijn gelijk | ijs, water en stoom bestaan uit dezelfde deeltjes |
| tussen de deeltjes is lege ruimte | gassen zijn samendrukbaar; tussen de deeltjes zit geen lucht |
| deeltjes bewegen altijd | temperatuur = hoe snel ze gemiddeld bewegen; diffusie |
| deeltjes trekken elkaar aan | vaste stoffen en vloeistoffen houden samen; energie nodig om te smelten en te verdampen |
| overgang | van | naar | energie | voorbeeld |
|---|---|---|---|---|
| smelten | vast | vloeibaar | erbij | ijsblokje in een glas; tin in een soldeerbout |
| stollen | vloeibaar | vast | eraf | water in de diepvries; kaarsvet dat hard wordt |
| verdampen | vloeibaar | gas | erbij | een plas die opdroogt; koken |
| condenseren | gas | vloeibaar | eraf | een beslagen spiegel; dauw; condens op de kaswand |
| sublimeren | vast | gas | erbij | droog ijs (vaste CO₂); bevroren wasgoed dat toch droogt |
| rijpen | gas | vast | eraf | rijp op het gras en op de autoruit; ijsbloemen |
| stof | smeltpunt (°C) | kookpunt (°C) |
|---|---|---|
| water | 0 | 100 |
| ethanol (alcohol) | −114 | 78 |
| zuurstof | −218 | −183 |
| ijzer | 1538 | 2862 |
| koolstofdioxide | sublimeert bij −78,5 °C | |
Bij normale luchtdruk. Het absolute nulpunt is −273,15 °C.
| materiaal | een staaf van 1 m wordt per °C langer met |
|---|---|
| staal | 0,012 mm |
| beton | 0,012 mm |
| aluminium | 0,023 mm |
| glas | 0,009 mm |
| polycarbonaat | 0,065 mm |
| temperatuur (°C) | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| maximum waterdamp (g/m³) | 4,8 | 6,8 | 9,4 | 12,8 | 17,3 | 23,0 | 30,3 |
Waar het deeltjesmodel naartoe leidt
Het deeltjesmodel is de basis van de leerlijn Materie en chemie. In Fundamental gebruik je het om dichtheid, mengsels en scheidingstechnieken te verklaren. In Intermediate krijgen de deeltjes een naam en een binnenkant: atomen, moleculen, ionen, en de bindingen ertussen, zodat je ook smeltpunten, geleiding en reacties begrijpt. In Expert reken je met de beweging van de deeltjes zelf: de kinetische gastheorie verbindt de druk en de temperatuur van een gas met de snelheid van zijn deeltjes. Via temperatuur en faseovergangen raakt het model ook de leerlijn Energie.
De opwarmgrafiek met het vlakke stuk bij 100 °C, en waarom extrapoleren daar misloopt.
Dichtheid en waarom ijs drijft: de deeltjes van ijs zitten verder uit elkaar.
Smelt- en kookpunt als stofeigenschap, en de curves van een zuivere stof en een mengsel.
Indampen en destilleren: scheiden met verdampen en condenseren.
Warmte en temperatuur, de kelvinschaal, en warmtegeleiding verklaard met trillende deeltjes.
Verdamping door de bladeren: waar de waterdamp in de kas vandaan komt.
De waterkringloop: verdampen, condenseren en neerslag op wereldschaal.
Wat de deeltjes zijn: atomen en moleculen.
Waarom water zo bijzonder is en waarom ijs drijft.
De energie van smelten en verdampen berekenen: de lengte van de vlakke stukken in de opwarmcurve.
De kinetische gastheorie, luchtvochtigheid en het dauwpunt, nu kwantitatief.
In het kort
- Alle stoffen bestaan uit heel kleine deeltjes met lege ruimte ertussen; de deeltjes bewegen altijd en trekken elkaar aan.
- Vast: deeltjes in een vaste orde, trillend. Vloeibaar: tegen elkaar, schuivend. Gas: ver uit elkaar, vrij vliegend.
- Zes faseovergangen: smelten, stollen, verdampen, condenseren, sublimeren, rijpen. Naar een lossere toestand moet er energie bij.
- Temperatuur is een maat voor hoe snel de deeltjes gemiddeld bewegen; het absolute nulpunt is −273,15 °C.
- Tijdens smelten en koken blijft de temperatuur gelijk: de energie gaat naar het losmaken van de deeltjes.
- Opwarmen doet stoffen uitzetten, omdat de deeltjes meer ruimte innemen; de deeltjes zelf worden niet groter. Daarom hebben bruggen voegen.
- Diffusie is mengen door de beweging van de deeltjes; ze gaat sneller bij een hogere temperatuur en in gassen.
- Condens ontstaat als vochtige lucht afkoelt tegen een koud oppervlak, onder haar dauwpunt.
- Het deeltjesmodel is een model: het verklaart niet waarom ijs drijft of waarom stoffen verschillende smeltpunten hebben.
Wat je nu kent
- deeltjesmodel
- Een model waarin elke stof bestaat uit heel kleine deeltjes met lege ruimte ertussen, die altijd bewegen en elkaar aantrekken.
- aggregatietoestand
- De toestand waarin een stof zich bevindt: vast, vloeibaar of gas.
- faseovergang
- Het overgaan van een stof van de ene toestand naar een andere, zoals smelten of condenseren.
- smelten
- Van vast naar vloeibaar; er moet energie bij. Het omgekeerde is stollen.
- verdampen
- Van vloeibaar naar gas; er moet energie bij. Gebeurt aan het oppervlak bij elke temperatuur; koken is verdampen in de hele vloeistof bij het kookpunt.
- condenseren
- Van gas naar vloeibaar; er gaat energie af. Zo ontstaan dauw, een beslagen spiegel en condens op een koude wand.
- sublimeren
- Van vast rechtstreeks naar gas, zonder te smelten; bv. droog ijs.
- rijpen
- Van gas rechtstreeks naar vast; bv. rijp op het gras.
- temperatuur
- Een maat voor hoe snel de deeltjes van een stof gemiddeld bewegen.
- absoluut nulpunt
- De laagst mogelijke temperatuur, −273,15 °C: de deeltjes bewegen dan zo weinig als mogelijk.
- uitzetten
- Groter worden door opwarmen, omdat de deeltjes meer bewegen en meer ruimte innemen; de deeltjes zelf worden niet groter.
- diffusie
- Het vanzelf mengen van stoffen doordat hun deeltjes bewegen, van waar veel deeltjes zijn naar waar er weinig zijn.
- dauwpunt
- De temperatuur waarbij lucht zoveel waterdamp bevat als ze maximaal kan bevatten; kouder dan dat condenseert er water.
- Brownse beweging
- Het schokkerig bewegen van kleine korreltjes in water of lucht, doordat onzichtbare deeltjes er van alle kanten tegenaan botsen.