Deeltjesmodellen

Leerdoelen

•Je kunt benoemen welke Binas-tabellen relevant zijn voor eigenschappen van stoffen en materialen.

•Je kunt uitleggen wat deeltjesmodellen zijn.

•Je kunt de drie fasen en zes faseovergangen benoemen.

•Je kunt uitleggen wat smeltwarmte en verdampingswarmte is.

•Je kunt uitleggen wat het absolute nulpunt is.

Waarvoor zijn deeltjesmodellen en faseovergangen handig?

Deeltjesmodellen zijn modellen waarin we ons voorstellen dat stoffen bestaan uit hele kleine deeltjes. Met deze vereenvoudigde weergave van de werkelijkheid proberen we natuurkundige verschijnselen te verklaren. Een voorbeeld hiervan is het molecuulmodel, waarbij elk molecuul als één deeltje wordt voorgesteld. Daarbij kunnen faseovergangen uitleggen hoe een stof van de ene fase in de andere fase terechtkomt. Deeltjesmodellen en faseovergangen zijn dus handig om te verklaren waarom stoffen zich in verschillende fasen kunnen bevinden.

Een molecuul is een deeltje dat de stofeigenschappen bepaalt, zoals het smeltpunt en de verbrandingswarmte. Moleculen zijn opgebouwd uit atomen. Dit zijn de bouwstenen van materie. Atomen zelf bestaan uit een kern met protonen en neutronen, en daarbuiten bewegen elektronen. Protonen en neutronen bestaan op hun beurt weer uit quarks.

Welke Binas-tabellen zijn relevant voor stofeigenschappen?

Voor informatie over eigenschappen van stoffen en materialen zijn Binas-tabellen 8 tot en met 12 relevant. Hierin vind je gegevens van metalen, legeringen, vaste stoffen, vloeistoffen, gassen en dampen. Een materiaal is een stof die voor een bepaald doel wordt gebruikt vanwege zijn specifieke stofeigenschappen, zoals kookpunt of smeltwarmte.

Veel stofeigenschappen zijn afhankelijk van de temperatuur. Daarom wordt in de Binas vaak een temperatuur vermeld (bijvoorbeeld\text{T }=293\text{ K}, oftewel20\degree\text{ C}20\degree20\degree20\degree20\degree20\degree20\degree20\degree20\degree20\degree20\degree20\degree20\degree202020202020202020\degree), waarbij de opgegeven waarden gelden. Dit is essentieel, omdat de waarden bij een andere temperatuur zouden veranderen, zoals bij de dichtheid. Ook de eenheden en machten van tien bovenaan de kolommen zijn cruciaal voor de correcte interpretatie van de waarden.

Welke fasen zijn er en hoe bewegen de deeltjes daarin?

Stoffen kunnen zich in drie fasen bevinden, waarbij vooral de bewegingsmogelijkheid van de deeltjes verschilt: de vaste fase, de vloeibare fase en de gasvormige fase (ook wel gasfase genoemd). De deeltjes in een stof bewegen altijd, ongeacht hoe koud of warm ze zijn. De snelheid van de deeltjes is een maat voor de temperatuur en daarmee voor de hoeveelheid kinetische energie (bewegingsenergie) die de deeltjes hebben.

De afstand tussen de deeltjes hangt af van de fase van de stof, wat de potentiële energie van de deeltjes bepaalt. Deeltjes trekken elkaar aan (bijvoorbeeld door van der Waalskrachten); hoe groter de onderlinge afstand, hoe groter de potentiële energie.

•Vaste fase: Deeltjes zitten heel dicht bij elkaar in een geordende structuur, op een vaste plek. Ze trillen wel, maar kunnen niet van hun plaats. Ze hebben een kleine onderlinge potentiële energie. Een stof in de vaste fase heeft een vaste vorm.

•Vloeibare fase: Deeltjes glijden langs elkaar heen. Ze hebben meer ruimte en energie dan in de vaste fase.

•Gasvormige fase: Deeltjes hebben een grote onderlinge afstand en een hoge snelheid. Ze hebben een grote potentiële energie en vullen de gehele beschikbare ruimte.

De som van de kinetische energie en de potentiële energie van de deeltjes wordt de inwendige energie van de deeltjes genoemd. Van de vaste fase naar de vloeibare fase en vervolgens naar de gasfase neemt de inwendige energie van de deeltjes toe.

Wat gebeurt er met de dichtheid bij temperatuurverandering?

De dichtheid van een stof is afhankelijk van de temperatuur. Wanneer de temperatuur hoger wordt, krijgen de deeltjes meer energie en nemen ze meer ruimte in beslag. Dit geldt voor alle fasen. Hoe kouder de stof, hoe minder de deeltjes bewegen en hoe minder ruimte ze innemen, wat resulteert in een hogere dichtheid. Een warmere vloeistof neemt bijvoorbeeld meer ruimte in beslag, waardoor de dichtheid lager wordt en de vloeistof zal opstijgen.

Welke faseovergangen zijn er?

Een stof kan tussen de verschillende fasen overgaan. Dit zijn natuurkundige processen, wat betekent dat de overgang in beide richtingen kan plaatsvinden. Door een stijging van de temperatuur krijgen moleculen meer energie en bewegingsvrijheid; door een daling van de temperatuur verliezen ze energie en bewegingsvrijheid.

Er zijn zes mogelijke faseovergangen:

1.Smelten: Overgang van de vaste fase naar de vloeibare fase (bijvoorbeeld een ijsje dat smelt).

2.Stollen: Overgang van de vloeibare fase naar de vaste fase (bijvoorbeeld gesmolten kaarsvet dat weer hard wordt).

3.Verdampen: Overgang van de vloeibare fase naar de gasvormige fase (bijvoorbeeld water dat verdampt tot mist).

4.Condenseren: Overgang van de gasvormige fase naar de vloeibare fase (bijvoorbeeld waterdamp die op een koude bril condenseert).

5.Sublimeren: Overgang van de vaste fase direct naar de gasvormige fase (bijvoorbeeld geurblokjes die geur verspreiden, of een meteoriet die in de dampkring direct sublimeert).

6.Rijpen: Overgang van de gasvormige fase direct naar de vaste fase (bijvoorbeeld waterdamp die bij plotselinge kou rijp vormt op planten).

Wat gebeurt er tijdens een faseovergang?

Voor een faseovergang is energie nodig, die wordt toegevoerd of afgevoerd. Tijdens een faseovergang blijft de temperatuur van de stof constant, zelfs als er constant warmte wordt toegevoegd. De toegevoegde warmte wordt dan gebruikt om de potentiële energie van de deeltjes te vergroten door de onderlinge afstand tussen de deeltjes te vergroten, in plaats van de kinetische energie te verhogen.

Dit is duidelijk te zien in een temperatuur-tijddiagram.

Temperatuurveranderingen zijn het gevolg van het toe- of afvoeren van warmte, waarbij de deeltjes meer of minder kinetische energie krijgen. Tijdens een faseovergang krijgen de deeltjes vooral meer potentiële energie en blijft de temperatuur gelijk.

Wat zijn smeltwarmte en verdampingswarmte?

Smeltwarmte is de energie die nodig is om één kilogram van een stof op zijn smeltpunt om te zetten van de vaste fase in de vloeibare fase. Bij stollen komt deze energie vrij. Verdampingswarmte is de energie die nodig is om één kilogram van een stof op zijn kookpunt om te zetten van de vloeibare fase in de gasvormige fase. Bij condenseren komt deze energie vrij.

De smeltwarmte van zilver is bijvoorbeeldjoule per kilogram en de verdampingswarmte van water isjoule per kilogram.

Wat is het absolute nulpunt en hoe reken je met kelvin?

Het absolute nulpunt is de temperatuur waarbij de deeltjes niet meer bewegen, maar absoluut stilstaan. Kouder dan dit kan het niet worden. Deze temperatuur komt overeen metgraden Celsius.

De kelvinschaal is een temperatuurschaal waarbij het absolute nulpunt wordt gedefinieerd alskelvin\left(0\text{ K}\right)0\text{ K}000000000. Dit betekent dat smeltend ijs\left(0\,\degree\text{C}\right)0\,\degree\text{C}0\,\degree0\,\degree0\,\degree0\,\degree0\,\degree0\,\degree0\,\degree0\,\degree0\,\degree0\,0\,0\,0\,0\,0000een temperatuur heeft van273{,}15\text{ K}273{,}15273{,}15273{,}15273{,}15273{,}15273{,}15273{,}15273{,}15273{,}15, en kokend water\left(100\,\degree\text{C}\right)100\,\degree\text{C}\cdot100\,\degree\text{C}100\,\degree\text{C}100\,\degree100\,\degree100\,\degree100\,\degree100\,\degree100\,\degree100\,\degree100\,\degree100\,\degree100\degree100\degree100\degree100100100100100100\text{\textbackslash}100\text{\textbackslash t}100\text{\textbackslash te}100\text{\textbackslash tex}100\text{\textbackslash text}100\text{\textbackslash tex}100\text{\textbackslash te}100\text{\textbackslash t}100\text{\textbackslash}een temperatuur van373{,}15\text{ K}.

Je kunt temperaturen tussen de Celsius- en kelvinschaal omrekenen met de volgende formules:

•Van Celsius naar kelvin: \text{T (kelvin) }=\text{ T (Celsius)}+273{,}15\text{T (Kkelvin) }=\text{ T (Celsius)}+273{,}15\text{T (Kelvin) }=\text{ T (Celsius)}+273{,}15\text{T (Kelvin) }=\text{ T (Celsius)}+27315\text{T (Kelvin) }=\text{ T (Celsius)}+273,15\text{T (Kelvin) }=\text{ T (Celsius)}+273,15\text{T (Kelvin) }=\text{T (Celsius)}+273,15 Voorbeeld:20\,\degree\text{C}=20+273{,}15=293{,}15\text{ K}20\,\degree\text{C}=20+273{,}15=29315\text{ K}20\,\degree\text{C}=20+273{,}15=293,15\text{ K}20\,\degree\text{C}=20+27315=293,15\text{ K}20\,\degree\text{C}=20+273,15=293,15\text{ K}20\,\degree\text{C}=20+273,15=293,15\text{ K}20\,\degree\text{C}=20+273,15=293,15\text{ K}20\,\degree\text{C}=20+273,15=293,15\text{ K}20=20+273,15=293,15\text{ K}20\degree=20+273,15=293,15\text{ K}20\degree C=20+273,15=293,15\text{ K}20\degree C=20+273,15=293,15

•Van kelvin naar Celsius: \text{T (Celsius) }=\text{ T (kelvin)}-273{,}15\text{T (Celsius) }=\text{ T (elvin)}-273{,}15\text{T (Celsius) }=\text{ T (Kelvin)}-273{,}15\text{T (Celsius) }=\text{ T (Kelvin)}-27315\text{T (Celsius) }=\text{ T (Kelvin)}-273,15\text{T (Celsius) }=\text{ T (Kelvin)}-273,15\text{T (Celsius) }=\text{T (Kelvin)}-273,15 Voorbeeld:100\text{ K}=100-273{,}15=-173{,}15\,\degree\text{C}100\text{ K}=100-27315=-173{,}15\,\degree\text{C}100\text{ K}=100-273,15=-173{,}15\,\degree\text{C}100\text{ K}=100-273,15=-17315\,\degree\text{C}100\text{ K}=100-273,15=-173,15\,\degree\text{C}100\text{ K}=100-273,15=-173,15\,\degree\text{C}100\text{ K}=100-273,15=-173,15\,\degree\text{C}100\text{ K}=100-273,15=-173,15100\text{ K}=100-273,15=-173,15\degree100\text{ K}=100-273,15=-173,15\degree C100=100-273,15=-173,15\degree C