Home  FAQ Oplossingen |
Print | Comment |
| Vorige vraag | Volgende vraag |
 |
Woordenschat | evenwicht eutectisch mengsel vriespuntdepressie smelting punt fasediagram soluut
|
(Opmerking: Als je al bekend bent met chemische potentiëlen, ben je misschien geïnteresseerd in deze alternatieve thermodynamische verklaring.)
Twee dingen gebeuren wanneer ijs en water met elkaar in contact worden gebracht:
- Moleculen aan het oppervlak van het ijs ontsnappen in het water (smelten), en
- moleculen van water worden gevangen aan het oppervlak van het ijs (bevriezen).
Wanneer de vriessnelheid gelijk is aan de smeltsnelheid, veranderen de hoeveelheid ijs en de hoeveelheid water gemiddeld niet (hoewel er aan het oppervlak van het ijs kortstondige schommelingen zijn). Men zegt dat het ijs en het water in dynamisch evenwicht zijn met elkaar. Het evenwicht tussen vriezen en smelten kan worden gehandhaafd bij 0°C, het smeltpunt van water, tenzij de omstandigheden zodanig veranderen dat een van de processen de voorkeur krijgt boven het andere.
Als je de animatie hierboven niet ziet, is een niet-geanimeerde versie beschikbaar; of je kunt de gratis Flash plugin van Macromedia downloaden.
Het evenwicht tussen vriezen en smelten kan gemakkelijk worden verstoord. Als het ijs/water mengsel wordt afgekoeld, bewegen de moleculen langzamer. De langzamer bewegende moleculen worden gemakkelijker gevangen door het ijs, en het bevriezen gebeurt in een hoger tempo dan het smelten. U kunt dit zien door in de animatie op de temperatuur te klikken en deze op een lagere waarde in te stellen (bijvoorbeeld -10).
Omgekeerd geldt dat als je het mengsel verwarmt, de moleculen gemiddeld sneller bewegen, en smelten wordt bevorderd. Stel de animatie opnieuw in en voer vervolgens een hogere waarde in voor de temperatuur (zeg 10) en kijk wat er gebeurt.
Het toevoegen van zout aan het systeem zal ook het evenwicht verstoren. Overweeg om enkele watermoleculen te vervangen door moleculen van een andere stof. De vreemde moleculen lossen op in het water, maar passen niet gemakkelijk in de reeks moleculen in de vaste stof. Probeer de knop “Oplosmiddel toevoegen” in de animatie hierboven in te drukken. Merk op dat er minder watermoleculen aan de vloeibare kant zijn omdat een deel van het water is vervangen door zout. Het totale aantal watermoleculen dat per seconde door het ijs wordt gevangen neemt af, dus de vriessnelheid neemt af. De smeltsnelheid blijft onveranderd door de aanwezigheid van het vreemde materiaal, dus het smelten gaat sneller dan het vriezen.
Daarom smelt zout ijs.
Om het evenwicht te herstellen, moet je het ijs-zoutmengsel afkoelen tot onder het gebruikelijke smeltpunt van water. Bijvoorbeeld, het vriespunt van een 1 M NaCl oplossing is ruwweg -3.4°C. Oplossingen hebben altijd zo’n vriespuntdaling. Hoe hoger de zoutconcentratie, hoe groter de vriespuntdaling.
Maar zal dan geen enkele vreemde stof een vriespuntdaling veroorzaken, volgens dit model? Ja! Voor elke mol vreemde deeltjes die in een kilo water wordt opgelost, daalt het vriespunt met ongeveer 1,7-1,9°C. Suiker, alcohol of andere zouten verlagen ook het vriespunt en doen het ijs smelten.Zout wordt gebruikt op wegen en voetpaden omdat het goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar is.
Het is belangrijk te beseffen dat vriespuntdepressie optreedt omdat de concentratie van watermoleculen in een oplossing lager is dan de concentratie in zuiver water. De aard van het oplosmiddel doet er niet toe. Uit het bovenstaande diagram zou je kunnen afleiden dat een oplossing met grote moleculen beter is in het tegenhouden van watermoleculen die naar het oppervlak van het ijs bewegen. De hypothese dat oplosmiddelen met grote moleculen een grotere vriespuntdaling veroorzaken dan die met kleinere moleculen is niet in overeenstemming met experimentele gegevens! De misvatting ontstaat omdat het diagram niet op schaal kan worden getekend; de grootte van de moleculen is erg klein in vergelijking met de afstand tussen de moleculen.
Fasediagram voor zout water. Ontleend aan een diagram van R. E. Dickerson (noot 3)
Als er ijs uit het zoute water begint te vriezen, wordt de waterfractie in de oplossing lager en daalt het vriespunt verder. De laagst mogelijke temperatuur voor een vloeibare zoutoplossing is -21,1 °C. Bij die temperatuur begint het zout uit de oplossing te kristalliseren (als NaCl-2 H2O), samen met het ijs, totdat de oplossing volledig bevroren is. De bevroren oplossing is een mengsel van afzonderlijke NaCl-2H2O kristallen en ijskristallen, niet een homogeen mengsel van zout en water. Dit heterogene mengsel wordt een eutectisch mengsel genoemd.
Referenties en aantekeningen
- Merk op dat wanneer het smelten voltooid is, het even kan duren voordat er weer ijs begint te vormen, zelfs als de temperatuur vrij laag is. Er moet zich een “zaadkristal” van ijs vormen door toevallige botsingen voordat de kristalgroei echt begint. Echte vloeistoffen kunnen enige tijd onder hun normale smeltpunt bestaan.
- Voor een thermodynamische verklaring van vriespuntdepressie, zie Hoe kan vriespuntdepressie worden verklaard in termen van vrije energieën?
- Het zoutwaterfasediagram is gebaseerd op figuur 6-59, p. 376 van R. E. Dickerson’s Molecular Thermodynamics (Pasadena, California), 1969.
Auteur: Fred Senese [email protected]