Het smelt- en stolgedrag van zuivere stoffen

Vaste stoffen bestaan uit deeltjes die alleen ter plaatse kunnen trillen. Bij vloeistoffen kunnen de deeltjes ook door elkaar bewegen. Wanneer een vaste stof wordt verwarmd, zal deze smelten. Wanneer de temperatuur weer afneemt, zal de stof weer stollen. De smelt-/stoltemperatuur bij een bepaalde druk is uniek voor elke zuivere stof.

Inhoud

• Het smelt- en stolproces bij zuivere stoffen
• Het smelten van water
• Latente warmte
• Merkbare warmte
• Faseovergang vast-vloeibaar bij glas
• Het smeltpunt als identificatiemiddel
• Volumeveranderingen bij smelten en stollen
• De invloed van onzuiverheden op het smeltpunt van een zuivere stof
• Eutectisch mengsel

Het smelt- en stolproces bij zuivere stoffen

Wanneer een vaste stof verwarmd wordt en zijn temperatuur dus toeneemt, zullen de deeltjes van de vaste stof steeds meer energie krijgen. Hierdoor zullen ze in eerste instantie sterker ter plaatse trillen. Bij een bepaalde temperatuur zullen de deeltjes zodanig trillen dat ze vrij ten opzichte van elkaar kunnen bewegen. Bij deze temperatuur treedt dus de faseovergang vast-vloeibaar (smelten) op en deze temperatuur wordt de smelttemperatuur van de stof genoemd.

Wanneer een vloeistof wordt afgekoeld en zijn temperatuur dus afneemt, zal de bewegingsenergie van de deeltjes geleidelijk afnemen. Bij een bepaalde temperatuur zullen de deeltjes zoveel energie verloren zijn dat ze niet meer in staat zijn om door elkaar te bewegen maar alleen nog ter plaatse kunnen trillen. Bij deze temperatuur gebeurt de vloeistof-vast faseovergang (stollen) en deze temperatuur wordt de kristallisatietemperatuur of stollingstemperatuur van de stof genoemd.

Het smelten van water

Een blok ijs waarin zich een thermometer bevindt, wordt in een bekerglas gebracht (figuur a). Het bekerglas wordt verwarmd met een bunzenbrander. In figuur b wordt hetzelfde bekerglas voorgesteld maar tijdens het smelten van het ijs en in figuur c is het smeltproces ten einde en bevat het bekerglas alleen nog water.

Tijdens het smeltproces zullen we geen temperatuurstijging waarnemen. Toch hebben we warmte toegevoegd door middel van een bunzenbrander. Dit komt omdat er voor de faseovergang vast-vloeibaar warmte nodig is. Deze warmte wordt gebruikt door de deeltjes om uit het ijskristalrooster los te raken. In figuur b zullen we op de thermometer dus een constante temperatuur van 0°C kunnen aflezen omdat bij deze temperatuur de faseovergang ijs-water optreedt en alle warmte dus gebruikt wordt om deze overgang te laten doorgaan.

Na het smeltproces (figuur c) zal de temperatuur van het water wel toenemen. Deze warmte laat immers de bewegingsenergie of kinetische energie van de deeltjes toenemen en dit resulteert in een temperatuurstijging.

Latente warmte

De latente (=verborgen) warmte of de overgangswarmte is de warmtehoeveelheid nodig voor een faseovergang. Bij toevoeging of vrijkomen van deze warmte zal er geen temperatuurswijziging optreden.

Merkbare warmte

De merkbare warmte is de warmte die de kinetische energie van de deeltjes en dus de temperatuur van de stof doet toenemen.

Faseovergang vast-vloeibaar bij glas

Als we een glas verhitten, zal dit ook vloeibaar worden. Dit gebeurt echter niet bij 1 welbepaalde temperatuur en we spreken hier dan ook niet van smelten. Tijdens het vloeibaar worden van glas zal de temperatuur niet constant blijven maar stijgen. Dit komt omdat glas een amorfe stof is en dus niet uit kristallen bestaat. Glas is eigenlijk een verglaasde vloeistof. Dit kan je soms merken in ramen van oude gebouwen. Onderaan is daar het glas breder dan bovenaan doordat het glas een beetje is ‘afgelopen’. Dit glas is dus bij een warme zomer wat vloeibaar geworden en dus 'afgelopen'.

Smelten/stollen is alleen mogelijk bij stoffen die kristalliseren.

Het smeltpunt als identificatiemiddel

Bij een bepaalde druk heeft elke zuivere stof een welbepaalde smelttemperatuur. Hierboven werd getoond hoe je de smelttemperatuur van water kan bepalen. Dit is echter een vrij primitieve bepaling. Als je het smeltpunt van een zuivere stof op een nauwkeuriger manier wil bepalen, breng je een beetje van de stof in een gesloten capillair en hecht je dit capillair vast aan een thermometer. Je moet er dan wel voor zorgen dat het alcoholreservoir van de thermometer zich op dezelfde hoogte bevindt als de te meten stof in het capillair. Vervolgens verwarm je het geheel en op het moment dat de stof net volledig gesmolten is, lees je de heersende temperatuur af. Deze temperatuur is dan de smelttemperatuur van de zuivere stof.

Indien de smelttemperatuur van de te onderzoeken stof beneden de 100°C ligt, kan je water gebruiken om het geheel op te warmen. Bij een hogere smelttemperatuur kan men gebruik maken van heldere oliën. Hierbij wordt vaak gebruik gemaakt van een Thielebuis. Op de figuur hiernaast zie je een Thielebuis met daarin een capillair en thermometer.

Volumeveranderingen bij smelten en stollen

De meeste stoffen hebben een groter volume in gesmolten toestand in vergelijking met de gestolde toestand. Dit kan verklaard worden door de grotere beweeglijkheid van de deeltjes in een vloeistof. Dit heeft als gevolg dat het smeltpunt van stoffen afhankelijk is van de heersende druk. We weten dat als we druk op iets uitoefenen we eigenlijk het volume van de stof doen afnemen want we brengen de deeltjes dan dichter bij elkaar. De meeste stoffen zullen dus bij toenemende druk een hoger smeltpunt hebben. De stof zal bij hogere temperaturen in de vaste toestand blijven omdat de vaste vorm nu eenmaal een kleiner volume heeft door de toegenomen druk.

Een uitzondering hierop is water. Water heeft in tegenstelling tot de meeste stoffen een groter volume in vaste toestand. We kennen immers allemaal het fenomeen waarbij een glazen fles gevuld met water stuk springt in de vriezer. Het gevolg is dat water bij hogere druk een lager smeltpunt heeft. Dit maakt dat we kunnen ijsschaatsen. Wanneer we met onze schaatsen over het ijs glijden, gaan we onder onze schaats een druk op het ijs uitoefenen. Op deze plaats zal het ijs dan ook smelten zodat het glad is onder onze schaatsen.

De invloed van onzuiverheden op het smeltpunt van een zuivere stof

Wanneer we onzuiverheden toevoegen aan een zuivere stof zal er een smeltpuntsverlaging optreden. De ontstane oplossing heeft een hogere soortelijke warmte en moet dus meer warmte afstaan om te stollen wat resulteert in een lager smeltpunt.

Zout strooien
Bij nat vriesweer kunnen we preventief zout strooien om ijzel te vermijden. Terwijl mist of neerslag zou bevriezen bij 0°C en alzo een ijslaag op de grond zou vormen, zal dit niet gebeuren in de aanwezigheid van zout. De zout-wateroplossing heeft immers een smelttemperatuur die lager is dan 0°C en de oplossing is dus vloeibaar bij 0°C.

Antivries
In de radiator van onze wagen brengen we in de winter een mengsel van water en antivries. Het antivries zorgt ervoor dat het water bij lagere temperaturen in de vloeibare fase blijft en dus niet bevriest. Als je zout zou toevoegen, zou je hetzelfde resultaat krijgen maar zout is schadelijk voor je radiator.

Zoutwater
Zeewater bevat grote hoeveelheden zout. De smelttemperatuur van zoutwater is dus veel lager dan de smelttemperatuur van rivierwater (zoet water). Rivieren kunnen in de winter dus bevriezen zodat er op kan worden geschaatst. De Noordzee zal echter nooit bevriezen daar de smelttemperatuur van dit zoute water veel te laag is.

Eutectisch mengsel

We kunnen het smeltpunt van water dus verlagen door er bijvoorbeeld keukenzout (NaCl) aan toe te voegen. Maar aan de andere kant verlagen we dan ook het smeltpunt van het keukenzout. Dit nemen we in dagdagelijkse omstandigheden uiteraard niet waar daar keukenzout immers sowieso al een erg hoog smeltpunt (800°C) heeft. Bij een bepaalde samenstelling van beiden verkrijgen we een minimum smeltpunt dat we met dit mengsel kunnen verkrijgen. Een mengsel met die samenstelling noemen we een eutectisch mengsel. Het eutectisch mengsel van water en keukenzout heeft een smelttempertuur van -21.3°C en bestaat uit 23.3 g NaCl en 76.7g water.