Fysica/Deeltjesmodel

Algemene eigenschappen van de materie en het deeltjesmodel

Massa, volume, dichtheid

• Massa: De massa geeft aan hoeveel materie een object bevat. De massa van een stof wordt uitgedrukt in $kg$ (kilogram). Massa is niet afhankelijk van temperatuur en druk.

• Volume: Het volume duidt aan welke hoeveelheid ruimte wordt ingenomen door een object. Het volume van een object kan je berekenen of meten. Het wordt uitgedrukt in $m^{3}$ (kubieke meter). Het volume van een vaste hoeveelheid (massa) stof is afhankelijk van de temperatuur en van de omgevingsdruk.

• Dichtheid: De dichtheid van een stof geeft aan hoeveel materie een bepaald volume van deze stof bevat. Goud (denk aan Archimedes) heeft een grotere dichtheid dan plastic. De dichtheid wordt uitgedrukt in kg/m³ (kilogram per kubieke meter). Daar de dichtheid samengesteld is uit volume en massa en daar volume afhankelijk is van temperatuur en druk zal de dichtheid dit logischerwijs ook zijn. Bij het vergelijken van dichtheden is het dus noodzakelijk dit te doen onder dezelfde omstandigheden.

De eigenschap dichtheid kan gemakkelijk proefondervindelijk geïllustreerd worden met een emmer water. Elke stof met een dichtheid kleiner dan die van water zal blijven drijven (olie, plastiek, ....) elke stof met een dichtheid groter dan die van water zal zinken (alle metalen).

Ondoordringbaarheid

Wanneer je een blokje hout in een emmer water onderdompelt, merk je dat het waterpeil stijgt. Dat betekent dat het volume van het blokje de plaats heeft ingenomen van het water. Dat is het feit van de ondoordringbaarheid van stoffen : waar een stof is, kan tegelijkertijd geen andere stof zijn.

Oplosbaarheid

Als een stof met een vloeistof gemengd kan worden, noemt men zo'n stof oplosbaar.

De stof die men in de vloeistof oplost, noemt men de opgeloste stof. Het ontstane mengsel noemt men de oplossing. De vloeistof noemt men het oplosmiddel.

De concentratie c of sterkte van een oplossing geeft aan hoeveel stof er is opgelost per hoeveelheid oplossing (of oplosmiddel).

$C={\frac {OS}{OM}}$

Hierin is:

C: de concentratie (g/l) OS: hoeveelheid opgeloste stof (g) OM: de hoeveelheid oplosmiddel (l)

Een verzadigde oplossing is een oplossing waarin de maximale hoeveelheid van een stof is opgelost. Het is niet mogelijk om nog meer van de stof op te lossen in een zelfde hoeveelheid oplosmiddel.

De concentratie van een verzadigde oplossing komt overeen met de maximale oplosbaarheid van die oplossing.

Opgave: Een suikerklontje van 5 g wordt opgelost in een kop (150 ml) koffie. Bereken de concentratie suiker in de koffie. Zeewater heeft een zoutconcentratie van 50 g/l. Bereken hoeveel zout er zit in 200 ml zeewater.

Poreusheid

Wanneer we de hoek van een klontje suiker in een kleurstof dompelen, dan stellen we vast dat de kleurstof in het klontje trekt. Dat noemen we absorberende of materieopnemende stoffen. Het spreekt voor zich dat dit bij een baksteen niet lukt.

Diffusie

Diffusie is de spontane verspreiding van deeltjes in stilstaande vloeistoffen en gassen, als gevolg van de thermische beweging van de deeltjes.

Een voorbeeld van diffusie is een druppel kleurstof in water die zich in de loop van de tijd verspreid, waardoor alle vloeistof na verloop van tijd dezelfde kleur heeft. Dit proces verloopt sneller in warm water dan in koud water omdat de snelheid van de thermische beweging in warm water hoger is.

Aangezien de thermische beweging een volkomen willekeurig karakter heeft, zal een bepaalde soort deeltjes altijd diffunderen van plaatsen waar zij aanvankelijk een hogere concentratie hadden, naar plaatsen waar zijn oorspronkelijk een lagere concentratie bezaten, tot overal dezelfde concentratie bereikt is.

Cohesie en adhesie

• Cohesie is de onderlinge aantrekkingskracht tussen gelijksoortige deeltjes.
• Adhesie is de aantrekkingskracht tussen verschillende soorten deeltjes.

Wanneer in een buis met een vloeistof de cohesiekracht van de vloeistof groter is dan de adhesiekracht met de buiswand, dan zal het vloeistofoppervlak bol staan (vb: kwik). Wanneer de cohesiekracht kleiner is dan de adhesiekracht met de buiswand zal het vloeistofoppervlak hol zijn (vb.: water).

Aggregatietoestanden en faseovergangen

Aggregatietoestanden

De aggregatietoestand van een stof is de staat waarin een stof zich bevindt. Men gaat daarbij meestal uit van een chemische zuivere stof. Er zijn drie aggregatietoestanden:

• vast (s)
• vloeibaar (l)
• gasvormig (g)

Veel zuivere stoffen komen in drie aggregatietoestanden voor. Bij een lage temperatuur vormen ze een vaste stof, bij wat hogere temperatuur een vloeistof en bij een nog hogere temperatuur een gas.

Er is nog een vierde weinig bekende aggregatietoestand: Plasma. Plasma is de fase waarin de stof zo sterk verhit wordt (duizenden graden Celsius) dat ze elektrisch geleidend wordt. De elektronen van het atoom draaien hierbij niet meer rond de kern, maar hebben zoveel energie opgenomen dat ze als het ware los zijn gescheurd van de atoomkern en tussen de kernen door bewegen. Dit plasma komt in de vrije natuur enkel voor door sterren (zowel in het inwendige als in sterrewind). Verder bijvoorbeeld in TL-lampen.

Smelten en stollen

De overgang van een stof in de vaste fase naar de vloeibare fase heet smelten.

Voor een zuivere stof geldt dat het smelten plaats vindt bij een vaste temperatuur. Deze temperatuur heet het smeltpunt. Een mengsel vertoont vaak geen vaste temperatuur tijdens het smelten, maar een langzaam toenemende temperatuur; dit heet het smelttraject.

• IJs smelt bij 0°C tot water.
• Chocola smelt bij ca. 35°C tot gesmolten chocola.

Het omgekeerde proces heet stollen; of voor water specifiek noemt men dit ook wel bevriezen.

Verdampen en condenseren

Verdamping betekent dat een vloeistof overgaat in de gasfase. Verdamping kan optreden als de vloeistof zijn kookpunt bereikt. Ook als een vloeistof aan een drogere lucht is blootgesteld treedt verdamping op.

In de eenvoudigste betekenis van dit woord is condensatie het van gas- of dampvorm overgaan naar vloeibare vorm.

Wanneer warme, vochtige lucht afkoelt, zal de waterdamp in deze lucht condenseren. Dat komt omdat warmere lucht meer waterdamp kan bevatten dan koude lucht. Denk daarbij maar aan stoom, waarbij de lucht bijna 100% water bevat, terwijl het duidelijk is dat als het vriest, de lucht maar heel weinig water kan bevatten (het bevriest dan immers). Dit is goed in een woning waar te nemen als na lang douchen de waterdamp is gecondenseerd tegen de koudere spiegels en de tegels. Condensatie geschiedt doordat de lucht door het koudere oppervlak afkoelt en zodoende het dauwpunt bereikt. Een ander voorbeeld is de dauw, waarbij 's nachts de lucht afkoelt en het water in die lucht neerslaat (condenseert). De absolute vochtigheid in de lucht neemt af bij een temperatuurstijging, terwijl bij een temperatuurdaling de relatieve vochtigheid zal toenemen.

Bij condensatie van vocht uit de lucht komt warmte vrij, deze is gelijk aan het omgekeerde van de verdampingswarmte.

Sublimeren en rijpen

Droog ijs (vast) verandert in koolstofdioxide (CO₂), een gas.

Het is voor sommige stoffen onder bepaalde condities mogelijk om de vloeistoffase over te slaan. Voor de overgang tussen vast en gas spreekt men van sublimeren of vervluchtigen, bij overgang van gas direct naar vaste stof spreekt men van desublimeren of van rijpen (of verrijpen)

Zeep is hier een goed voorbeeld van. Zeep is een vaste stof, maar de geur ontstaat door verdamping van een laagje. Een ander voorbeeld is een mottenbal, deze vaste stof verdampt snel, de geur houdt motten tegen.

Proef: Sublimatie
Benodigdheden: proefbuis, watten, warm water, joodschilfers Breng enkele joodschilfers in een proefbuis met een stop en verwarm dit in warmwaterbad (onder de trekkast). Na verloop van tijd ontstaan paarse dampen. Het vaste dijood sublimeert tot gasvormig dijood.
Wat heb ik geleerd:

Deeltjesmodel

Stoffen zijn opgebouwd uit zeer kleine deeltjes die niet zichtbaar zijn voor het blote oog. Om dit toch te achterhalen moet je van die deeltjes een voorstelling maken (model) en nagaan of je met behulp van het deeltjesmodel een aantal kenmerken van de stof kunt verklaren. Bij de faseovergangen is het niet nodig dat de chemische bindingen in de moleculen van de stof worden veranderd. Bijvoorbeeld de vloeistof water kan bij lagere temperatuur overgaan in ijs en bij hogere temperatuur in waterdamp, onder bepaalde omstandigheden stoom genaamd. Deze drie fasen bestaan allemaal uit dezelfde H₂O-moleculen.

Vaste stoffen

Bij vaste stoffen zijn de cohesiekrachten tussen de deeltjes heel groot. De bewegingsenergie van de deeltjes is onvoldoende om de cohesiekrachten te overwinnen, zodat ze op een vaste plaats blijven zitten. Ze kunnen enkel ter plaatse trillen.

Vloeistoffen

In een vloeistof bestaan ook sterke aantrekkende krachten tussen de deeltjes, maar de deeltjes zitten niet erg lang aan elkaar vast. Anders dan in een vaste stof vinden er voortdurend verschuivingen plaats. Deeltjes bewegen door elkaar heen, maar trekken wel voortdurend aan elkaar. De stof vloeit. Er is niet veel lege ruimte tussen de moleculen. Een vloeibare stof is een stof die zijn vorm niet behoudt, maar wel een vast volume heeft.

Gassen

In een gas zijn de aantrekkende krachten te klein om de snel bewegende deeltjes aan elkaar te plakken. Het grootste deel van de tijd bewegen de moleculen van een gas vrijwel zonder last te hebben van andere deeltjes. Er is lege ruimte tussen de deeltjes.

Gassen zijn dus goed samendrukbaar, hebben een grote poreusheid, botsen tegen de wanden aan, beschikken over wanorde, hebben een hoge potentiële en lage kinetische energie.

• 
  Een vaste stof
• 
  Een vloeibare stof
• 
  Een gasvormige stof

Toetsen van het deeltjesmodel - Brownse beweging

De Brownse beweging is een natuurkundig verschijnsel ontdekt door botanicus Robert Brown in 1849 toen hij als een van de eersten naar zeer kleine deeltjes, in het geval van Brown stuifmeelkorrels, keek onder de microscoop. Hij merkte op dat de deeltjes, hoewel bestaande uit dode materie, een onregelmatige eigen beweging vertoonden en volgens een toevallig aandoend patroon in alle richtingen weg konden schieten. Door deze aaneenschakeling van toevallige verplaatsingen verwijdert een dergelijk deeltje zich langzaam van zijn oorsprong in de loop van de tijd.

Deeltjes waaraan de Brownse beweging goed waar te nemen is zijn o.a. rookdeeltjes in lucht, stofjes in je oog en de roetdeeltjes in verdunde Oost-Indische inkt.

Vergelijk dit met een boot op zee, een klein roeibootje gaat heen en weer van de golven terwijl een groot vrachtschip quasi onbeweeglijk blijft.

De verklaring van de Brownse beweging is dat zeer kleine deeltjes, net zoals alle moleculen onderhevig zijn aan botsingen met talloze moleculen van het gas of de vloeistof waar ze in zweven. De hardste botsingen daarvan brengen voldoende energie over om microscopisch waarneembare bewegingen te veroorzaken. De Brownse beweging is dus een van de indirecte bewijzen voor het bestaan van moleculen en de warmtebeweging daarvan.