Artikel over de fasen van materie (gebaseerd op microscopische eigenschappen)
In het dagelijks leven komen we vaak drie verschillende fasen van materie tegen. Er zijn vaste stoffen (bijvoorbeeld stenen, ijzer, enz.), vloeistoffen (water, benzine, enz.) en gasvormige stoffen (lucht, enz.). De drie fasen van deze stoffen kunnen worden onderscheiden op basis van hun vermogen om hun vorm en grootte te behouden.
Vaste stoffen behouden doorgaans een vaste vorm en een vast volume. Vloeistoffen behouden geen vaste vorm, maar passen zich aan de vorm van de container aan. Als we bijvoorbeeld water in een glas doen, verandert de vorm van het glas. Als we water in een badkuip doen, verandert de vorm van het water ook, net als die van de badkuip. Het volume van een vloeistof is doorgaans altijd constant. Als een glas water in een badkuip wordt geplaatst, blijft de hoeveelheid water in het glas. De vorm van het water kan veranderen, maar het volume blijft hetzelfde. Houd er rekening mee dat de hoeveelheid vaste stoffen en vloeistoffen kan veranderen onder invloed van een voldoende grote kracht.
En hoe zit het met gas? Gas heeft geen vaste vorm en volume. De vorm en grootte van gas passen zich altijd aan de vorm en grootte van de container aan waarin het zich bevindt. Als we bijvoorbeeld gas in een autoband pompen, verandert het gas op dezelfde manier als een band in een auto. Hetzelfde geldt voor het volume. In een band verspreidt het gas zich om de hele band te vullen. In dit geval verandert de hoeveelheid gas net als het volume van een band. Als we een ballon opblazen (lucht in een ballon pompen), veranderen de vorm en het volume van de lucht, net zoals de vorm en het volume van de ballon.
Tot nu toe hebben we de drie vormen van materie alleen onderscheiden op basis van hun macroscopische eigenschappen (macroscopische eigenschappen = de vorm en grootte van een stof). Dit is natuurlijk gebaseerd op de resultaten van onze dagelijkse metingen en observaties. We zullen het verschil tussen de drie vormen van materie bekijken op basis van hun microscopische eigenschappen. Elke stof bestaat uit atomen of moleculen. Wanneer we zeggen dat een steen stabiel is, weten we nooit precies wat er met de atomen of moleculen in de steen gebeurt waardoor de steen vast wordt. Hetzelfde geldt voor water. Wat gebeurt er met de atomen of moleculen die zich samenklonteren, waardoor water vloeibaar is en er geen atmosfeer zichtbaar is?
Stoffen vormen zich op basis van microscopische eigenschappen.
Voordat we de verschillen tussen vaste stoffen, vloeistoffen en gassen bespreken op basis van hun microscopische kenmerken, laten we eerst eens een object bekijken. Bijvoorbeeld stenen. Als we goed naar zand kijken, zien we dat elk deel van de steen aan elkaar vastzit. Zelfs als je ertegenaan schopt of mee gooit, verandert de vorm en grootte nooit. Meestal vormen alle elementen van de steen altijd één geheel. Hoe komt dat? Laten we daar even over nadenken.
Binnenin een steen bevinden zich atomen of moleculen. Stel je nu een rots voor. Probeer je voor te stellen dat zand is opgebouwd uit kleine stukjes. Naarmate de rots verder wordt opgebouwd, worden de stukjes steeds kleiner. Stel je atomen voor als een minimale bol. Moleculen daarentegen bestaan uit meerdere bollen die aan elkaar vastzitten.
In gesteente bevinden zich ontzettend weinig moleculen of atomen. Kun je je voorstellen hoeveel atomen er in een steen zitten?
De diameter van één atoom is ongeveer 10⁻¹⁰ m . Als je een atoom als een bol voorstelt, dan is de diameter van die bol 10⁻¹⁰ meter . Minimaal en niet met het blote oog te zien… Alleen denkbaar. Moleculen zijn atomen die aan elkaar vastzitten, dus de grootte van een molecuul is aanzienlijk groter dan die van een atoom. Maar ook die is niet met het blote oog te zien.
Als atomen of moleculen geen eenheid vormen, dan kleven de delen van de steen natuurlijk niet aan elkaar. Elk stuk gesteente kleeft aan elkaar, waardoor de vorm van het gesteente vast wordt. Waarom scheiden atomen of moleculen zich niet?
Inderdaad, atomen of moleculen trekken elkaar aan. Als atomen of moleculen elkaar niet zouden aantrekken, zouden ze natuurlijk alle kanten op vliegen. Elk atoom of molecuul zou afscheid nemen van een vriend. Zo zouden de stukjes steen overal verspreid liggen. Ook de delen van de rots zouden verspreid raken en we zouden ze uiteindelijk niet meer kunnen zien. Steenfragmenten bestaan immers ook uit atomen of moleculen. De atomen zijn zo klein dat we ze, als ze los van elkaar zouden liggen, natuurlijk niet zouden kunnen zien... Maar zo is het in werkelijkheid niet.
De steen ziet er massief uit, elk deel van de steen zit aan elkaar vast. Hieruit kunnen we concluderen dat de atomen of moleculen waaruit vaste objecten bestaan elkaar aantrekken.
De aantrekkingskracht tussen atomen of moleculen is een elektromagnetische kracht. De aanwezigheid van aantrekkingskrachten zorgt ervoor dat atomen of moleculen dichter bij elkaar komen. Wanneer ze willen botsen, stoten de elektronen in het buitenste deel van het atoom of molecuul elkaar af (elektrische afstoting). Door de afstand bewegen de atomen en moleculen zich naar achteren. Hoewel de atomen of moleculen zich naar achteren bewegen, komen ze door de aantrekkingskracht weer naar elkaar toe. De atomen of moleculen bewegen heen en weer (trillen) terwijl ze een minimale afstand tot elkaar behouden.
Het verschil tussen vaste stoffen, vloeistoffen en gassen, gebaseerd op de feitelijke microscopische eigenschappen, ligt in de sterkte en zwakte van de aantrekkingskracht tussen de atomen of moleculen van de drie stoffen.
Solid
In vaste stoffen zijn de aantrekkingskrachten tussen atomen of moleculen zo sterk dat de atomen of moleculen waaruit de vaste stof bestaat, altijd op dezelfde plek blijven. Atomen of moleculen in vaste stoffen bewegen weliswaar heen en weer (trillen), maar ze blijven op dezelfde plaats trillen.
De sterke aantrekkingskracht tussen de atomen of moleculen van deze vaste stoffen is de reden waarom de vorm en het volume van een vaste stof altijd constant blijven. Zelfs als je een steen of ijzer gooit of ertegenaan stoot, verandert de vorm ervan nauwelijks, omdat de aantrekkingskracht tussen de atomen of moleculen zo sterk is. Als je stenen of metaal in een emmer of badkuip doet, verandert het volume ervan nooit. De sterke aantrekkingskracht tussen de atomen of moleculen waaruit deze vaste stoffen bestaan, zorgt er dus voor dat ze één geheel vormen en hun vorm behouden.
De positie van atomen of moleculen die vaste stoffen vormen, is zoals in de afbeelding te zien is (ook wel het kristalrooster genoemd). Deze afbeelding is vergroot. Atomen of moleculen zijn heel klein.
Vloeistof
In vloeistoffen is de aantrekkingskracht tussen atomen of moleculen minder sterk, waardoor ze volledig vrij heen en weer kunnen bewegen en elkaar kunnen overlappen. De atomen of moleculen waaruit de vloeistof bestaat, kunnen zich weliswaar vrij bewegen, maar ze kunnen geen afscheid nemen van hun 'vrienden'. De aantrekkingskracht is zo sterk dat ze niet uit elkaar worden gerukt.
De reden hiervoor is dat de vorm van een vloeistof kan veranderen, maar het volume altijd constant blijft. Wanneer we water in een glas doen, is de aantrekkingskracht tussen de atomen of moleculen niet sterk genoeg om de vorm van het water aan te passen aan de vorm van het glas. Wanneer we water in een badkuip doen, zorgt de geringere aantrekkingskracht tussen de atomen of moleculen ervoor dat het water zich aanpast aan de vorm van het bad. Het volume van de vloeistof blijft altijd constant, omdat de aantrekkingskracht tussen de atomen of moleculen ze nog steeds bij elkaar houdt. De atomen of moleculen waaruit het water bestaat, zijn niet verspreid, waardoor het volume altijd constant blijft.
De positie van het atoom of molecuul waaruit de vloeistof bestaat, zoals in de afbeelding (de pijl geeft de bewegingsrichting aan).
Gas
In gasvormige stoffen is de aantrekkingskracht tussen atomen of moleculen zwak. Ze bewegen vrij omdat er geen binding tussen hen bestaat. Door deze zwakke aantrekkingskracht zijn de atomen of moleculen waaruit de gasvormige stof bestaat overal verspreid. De atomen in een gasvormige stof zijn vrijer dan de atomen in vaste of vloeibare stoffen.
De positie van de atomen of moleculen waaruit het gas is opgebouwd, is zoals weergegeven in de afbeelding.
De fragiele aantrekkingskracht is de reden waarom de vorm en het volume van een gasvormige stof kunnen veranderen, en waarom we lucht niet kunnen zien. De grootte van atomen of moleculen is zo klein dat we ze niet kunnen zien als ze overal verspreid zijn. De grootte van zandkorrels of suiker is veel groter dan atomen of moleculen, waardoor zelfs als ze verspreid zijn, de zandkorrels nog steeds met het blote oog te zien zijn, hoewel dat wel wat lastig is.
Vaste en vloeibare stoffen zijn zichtbaar omdat de atomen of moleculen niet verspreid zijn. De aantrekkingskracht tussen vaste en gasvormige stoffen is voldoende om ze bij elkaar te houden. De aantrekkingskracht op gassen is echter zo zwak dat deze de atomen of moleculen niet bij elkaar kan houden. Deze geringe aantrekkingskracht is ook de reden waarom gassen en vloeistoffen kunnen stromen.
