Afkoelen van stearinezuur - Toelichting - CMA

Afkoelen van stearinezuur
Toelichting
SCHEIKUNDE
Faseovergangen
Introductie
De meeste stoffen kunnen bestaan in drie verschillende toestanden, elk met hun
specifieke eigenschappen:
– Gas: De stof in deze toestand vult de gehele beschikbare ruimte via diffusie. Gassen
hebben een lage dichtheid, zijn samen te drukken, kunnen een gelijkmatige druk
uitoefenen op oppervlakken in alle richtingen, en zijn vaak onzichtbaar.
– Vloeistof: De stof in deze toestand kan direct van vorm veranderen en vereist normaal
gesproken een houder om te voorkomen dat het horizontaal wegstroomt. Vloeistoffen
vormen gewoonlijk door de zwaartekracht een horizontaal oppervlak en hebben typisch
een duizend keer grotere dichtheid dan gassen.
– Vaste stof: De stof in deze toestand behoudt zijn vaste vorm, tenzij ze wordt
samengeperst of uitgerekt door externe krachten. Veel (maar niet alle) vaste stoffen
hebben een grotere dichtheid dan vloeistoffen.
Temperatuur en smeltpunt
De fase van een gegeven stof hangt af van de temperatuur. De overgangstemperatuur
tussen vloeistof en vaste stof wordt het smeltpunt genoemd. D.w.z. dat stof een met een
temperatuur boven het smeltpunt in de vloeibare fase is. Is de temperatuur onder het
smeltpunt dan is de stof in de vaste fase. Bij kamertemperatuur hebben alle vloeistoffen
een smeltpunt dat onder kamertemperatuur ligt en alle vaste stoffen een smeltpunt dat
erboven ligt. Een lijst van stoffen en hun smeltpunten maakt het mogelijk om bij een
gekozen temperatuur te bepalen wat de toestand van die stoffen is. Water is vloeibaar in
het temperatuurgebied van 0 tot 100 °C. In het laboratorium kan de overgang van de
vloeibare naar de vaste fase het best worden waargenomen bij stoffen waarin het
smeltpunt binnen dit bereik ligt.
Kinetische theorie; bindingen, latente warmte, energie
Alle deeltjes in materie zijn continu in beweging. De moleculen of atomen bewegen langs
elkaar en/of ze vibreren. Dit is de kinetische theorie. In vloeistoffen en vaste stoffen
bevinden de deeltjes zich op zodanig kleine afstand van elkaar dat de aantrekkende
krachten de overhand hebben en de stof bijeenhouden. In de vaste fase, zijn de deeltjes
zo dicht opeengepakt, dat zij zich in een vast patroon voegen waarin de individuele
deeltjes kunnen vibreren, maar niet van plaats wisselen. In de vloeibare fase zijn de
deeltjes verder uit elkaar in een losser verband, is hun beweging meer willekeurig dan in
een vaste stof en kunnen ze gemakkelijk van plaats wisselen. [In de gasvormige fase
bewegen de deeltjes willekeurig en met veel grotere snelheden, waarbij ze gemiddeld veel
verder van elkaar af zijn dan in de vloeibare fase.
Afkoelen van stearinezuur – Toelichting
1
De natuurlijke beweging van deeltjes wordt geassocieerd met de temperatuur van de stof;
in gassen en vloeistoffen worden hogere temperaturen geassocieerd met hogere
gemiddelde deeltjessnelheden; in vaste stoffen, worden hogere temperaturen
geassocieerd met hogere vibratiefrequenties van de deeltjes en grotere amplitudes.
De temperatuur van een stof kan worden gerelateerd aan de kinetische energie van de
deeltjes. Dus het verwarmen van een vaste stof betekent een toename van de gemiddelde
kinetische energie van de vibraties van de deeltjes.
Als een object warmte verliest of verkrijgt uit de omgeving hangt de snelheid van
warmteoverdracht (∆Q/∆t) af van het verschil in temperatuur tussen het object en de
omgeving:
Waarin T en To resp. de temperatuur van het object en van de omgeving zijn, en K een
evenredigheidsconstante is.
In macroscopische termen wordt de warmte (∆Q) die vereist
temperatuursverandering (∆T) van een massa (m) beschreven door:
is
voor
een
Waarin ‘c’ de soortelijke warmte is van de stof.
Als een stof verwarmd wordt gebeurt er bij een kritische temperatuur, het smeltpunt, iets
speciaals. De toegevoerde energie wordt gebruikt om de aantrekkende verbindingen
tussen de deeltjes te verbreken, hetgeen resulteert in verlies van de stijve vorm: de stof
wordt vloeibaar . De extra energie die de bindingen tussen de deeltjes verbreekt wordt de
latente smeltwarmte genoemd. Omdat de toegevoerde energie op deze wijze wordt
gebruikt, blijft de gemiddelde temperatuur constant op het smeltpunt, totdat alle stof
vloeibaar is geworden. Daarna begint de temperatuur weer te stijgen. Als een vloeistof
wordt afgekoeld vindt het omgekeerde proces plaats, d.w.z. dat het stollen van de stof
latente warmte vrijmaakt die verloren gaat naar de omgeving. De hoeveelheid vrijgekomen
warmte is gerelateerd aan de massa (∆m) van de stof die gestold is, volgens:
Waarin L de hoeveelheid warmte is die vrijkomt bij de stolling van 1 kg stof.
Tijdens de overgang van vloeistof naar vaste stof, blijft de temperatuur constant op het
smeltpunt (stollingspunt).
2
CMA Lesmateriaal