de Achtergrondinformatie - CMA

Destillatie van rode wijn
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 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 kookpunt
De fase van een gegeven stof hangt af van de temperatuur. De overgangstemperatuur
tussen vloeistof en gas wordt het kookpunt genoemd. D.w.z. dat stof met een temperatuur
boven het kookpunt in de gasvormige fase is. Is de temperatuur onder het kookpunt dan is
de stof in de vloeibare fase. Bij kamertemperatuur hebben alle vloeistoffen een kookpunt
dat boven kamertemperatuur ligt en alle gasvormige stoffen een kookpunt dat erboven ligt.
Een lijst van stoffen en hun kookpunten 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 gasvormige fase het best worden waargenomen bij stoffen waarin het kookpunt
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 in een vast patroon zitten 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.
Destillatie van rode wijn – 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 kookpunt, iets
speciaals. De toegevoerde energie wordt gebruikt om de aantrekkende verbindingen
tussen de deeltjes te verbreken, hetgeen resulteert in verlies van vorm: de deeltjes laten
elkaar los en verspreiden zich over de beschikbare ruimte. De stof wordt gasvormig. De
extra energie die de bindingen tussen de deeltjes verbreekt wordt de latente
verdampingswarmte genoemd. Omdat de toegevoerde energie op deze wijze wordt
gebruikt, blijft de gemiddelde temperatuur constant op het smeltpunt, totdat alle stof
gasvormig is geworden. Daarna begint de temperatuur weer te stijgen. Als een gas wordt
afgekoeld vindt het omgekeerde proces plaats, d.w.z. dat het condenseren 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.
Tijdens faseovergangen, zoals de overgang van vloeistof naar vaste stof, blijft de
temperatuur constant op het smeltpunt (stollingspunt). Dit zie je ook in onderstaande
figuur.
Figuur 1: Een stollingsgrafiek
2
CMA Lesmateriaal