Wat is materie'?
'Materie' is alles wat ruimte inneemt (volume heeft) en massa heeft. Het vormt alles in het universum in een of andere vorm; het is alles in het universum. Het vormt onze planeet en het hele universum.
Op aarde bestaat alle materie in drie verschillende toestanden: vast, vloeibaar of gasvormig.
Weet je dat mensen uit alle drie de belangrijkste toestanden van materie bestaan?
De toestand waarin een stof zich bij kamertemperatuur bevindt, wordt de standaardtoestand genoemd. Bij kamertemperatuur bestaat water bijvoorbeeld als een vloeistof. Sommige stoffen bestaan als gassen bij kamertemperatuur (zuurstof en kooldioxide), terwijl andere, zoals water, als vloeistoffen bestaan. De meeste metalen bestaan als vaste stoffen bij kamertemperatuur. Kwik heeft de interessante eigenschappen dat het in zijn standaardtoestand zowel een metaal als een vloeistof is.
Elk van deze toestanden bestaat uit kleine deeltjes. De toestand van materie hangt af van het aantal deeltjes waaruit ze bestaan.
Stevig
Iets wordt gewoonlijk omschreven als een vaste stof als het zijn eigen vorm kan behouden en moeilijk samen te drukken is. Water in vaste vorm is bijvoorbeeld ijs. In een vaste stof zitten de moleculen dicht op elkaar en hebben ze een hoge dichtheid.
Vloeistof
Een vloeistof zoals water kan stromen of stromen, maar kan niet worden uitgerekt of samengedrukt. In vloeistoffen bevinden de moleculen zich bijzonder dicht bij elkaar, maar niet zo dicht bij elkaar als vaste stoffen; moleculen hebben het vermogen om rond te bewegen en langs elkaar heen te glijden. Een vloeibare materie heeft van zichzelf geen vorm; het zal de vorm aannemen van de container waarin het wordt vastgehouden. Voorbeelden van vloeistoffen zijn water, melk, sap, benzine, limonade, enz.
Gas
Gas kan stromen, uitzetten en kan worden samengedrukt. Water in gasvorm is stoom. Als het zich in een niet-verzegelde container bevindt, ontsnapt het. In gassen zijn de moleculen veel meer verspreid dan in vaste stoffen of vloeistoffen, en ze botsen willekeurig met elkaar. Een gas zal elke container vullen, maar als de container niet is afgesloten, zal het gas ontsnappen. Gas kan veel gemakkelijker worden gecomprimeerd dan vloeibaar of vast.
Veranderende toestanden van materie
Materie kan bestaan in een vaste, vloeibare of gasvormige toestand, en de toestand waarin een stof zich bevindt, kan grotendeels worden bepaald door de temperatuur ervan. Elke stof heeft een unieke drempeltemperatuur waarna deze van toestand verandert. Nadat die drempeltemperatuur is overschreden, zal de stof van fase veranderen, waardoor de toestand van de materie verandert. Onder omstandigheden van constante druk is de temperatuur de belangrijkste bepalende factor voor de fase van een stof.
Afhankelijk van de temperatuur kan materie van toestand veranderen. Smelten, bevriezen, koken, verdamping, condensatie, sublimatie en afzetting zijn manieren waarop een materiaal van toestand verandert.
Bij lage temperaturen neemt de moleculaire beweging af en hebben stoffen minder interne energie. Moleculen zullen zich ten opzichte van elkaar in een toestand van lage energie nestelen en zeer weinig bewegen, wat kenmerkend is voor vaste materie. Naarmate de temperatuur stijgt, wordt extra warmte-energie toegepast op de samenstellende delen van een vaste stof, wat extra moleculaire beweging veroorzaakt. Moleculen beginnen tegen elkaar aan te duwen en het totale volume van een stof neemt toe. Op dit punt is de materie in vloeibare toestand gekomen. Er is sprake van een gasvormige toestand wanneer moleculen door de hogere temperaturen zoveel warmte-energie hebben geabsorbeerd dat ze vrij zijn om met hoge snelheden om elkaar heen te bewegen.
Als de druk constant is, zal de toestand van een stof volledig afhangen van de temperatuur waaraan deze wordt blootgesteld. Om deze reden smelt ijs als het uit de vriezer wordt gehaald en kookt water uit een pan als het te lang op een te hoge temperatuur blijft staan. Temperatuur is slechts een maatstaf voor de hoeveelheid warmte-energie die in de omgeving aanwezig is. Wanneer een stof in een omgeving met een andere temperatuur wordt geplaatst, vindt er warmte-uitwisseling plaats tussen de stof en de omgeving, waardoor beide een evenwichtstemperatuur bereiken. Dus wanneer een ijsblokje wordt blootgesteld aan hitte, absorberen de watermoleculen warmte-energie uit de omringende atmosfeer en beginnen ze energieker te bewegen, waardoor het waterijs smelt tot vloeibaar water.
Smelten is het proces waarbij een vaste stof in een vloeistof verandert. Wanneer een vaste stof wordt verwarmd, krijgen de deeltjes meer energie en gaan ze sneller trillen. Bij een bepaalde temperatuur trillen de deeltjes zo hevig dat hun geordende structuur kapot gaat. Op dit punt smelt de vaste stof in een vloeistof. De temperatuur waarbij deze verandering van vast naar vloeibaar plaatsvindt, wordt het smeltpunt genoemd. Elke vaste stof heeft een vast smeltpunt bij normale luchtdruk. Bij een lagere luchtdruk, zoals op een berg, daalt het smeltpunt.
Verdamping is het proces waarbij een vloeistof in een gas verandert. Als u wat water in een container met wijde opening laat staan, zult u merken dat een deel van het water na enige tijd zal verdwijnen. Vloeibaar water verandert in een gas (waterdamp) – dit is verdamping. Het ontstaat wanneer een vloeistof ver onder het kookpunt in een gas verandert. Er zijn altijd deeltjes in een vloeistof die voldoende energie hebben om zich los te maken van de rest en een gas te worden.
Condensatie is het proces waarbij een gas in een vloeistof verandert. Waterdampen in de lucht koelen bijvoorbeeld af en veranderen 's ochtends na een koude nacht in kleine druppels vloeibaar water (dauw) op bladeren en ramen. Koelere objecten absorberen vaak energie van hetere objecten.
Bevriezen is het proces waarbij een vloeistof in een vaste stof verandert. Het is het tegenovergestelde van smelten. Lava is bijvoorbeeld vloeibaar gesteente dat door een vulkaan uitbarst bij temperaturen zo hoog als 1.500 ºC (2.732 ºC ) door een vulkaan. De gloeiend hete lava koelt echter af wanneer deze het aardoppervlak raakt en verandert weer in vast gesteente.
Koken – Wanneer een vloeistof wordt verwarmd, krijgen de deeltjes meer energie. Ze beginnen sneller en verder uit elkaar te bewegen. Bij een bepaalde temperatuur breken de deeltjes van elkaar los en verandert de vloeistof in gas. Dit is het kookpunt. Het kookpunt van een stof is altijd hetzelfde; het varieert niet. Water kookt bijvoorbeeld wanneer het het kookpunt van 100ºC (212ºF) bereikt. Dit is de temperatuur waarbij water in stoom verandert. Stoom is een onzichtbaar gas. Wanneer het het deksel bereikt, koelt het weer af tot een vloeistof.
Sublimatie is het omzetten van een vaste stof in een gas zonder dat deze vloeibaar wordt. Het eenvoudigste voorbeeld van sublimatie is droogijs. Droogijs is vast kooldioxide (CO2). Verbazingwekkend genoeg verandert het, wanneer je droogijs in een kamer laat liggen, gewoon in een gas zonder dat het vloeibaar wordt. Heb je ooit gehoord van vloeibare koolstofdioxide? Het kan worden gemaakt, maar niet in normale situaties. Steenkool is een ander voorbeeld van een verbinding die bij normale atmosferische druk niet zal smelten. Het zal sublimeren bij zeer hoge temperaturen.
Depositie is de omzetting van een gas in een vaste stof. Het treedt op wanneer een gas een vaste stof wordt zonder door de vloeibare toestand van de materie te gaan. Dichter bij de polen kun je op winterochtenden vorst zien. Die kleine ijskristallen op planten stapelen zich op wanneer waterdamp uit de lucht vast wordt op de bladeren van planten.
Chemische veranderingen versus fysieke veranderingen
Het is belangrijk om het verschil te begrijpen tussen chemische en fysische veranderingen. Fysieke veranderingen gaan meestal over de fysieke toestand van materie, en chemische veranderingen vinden plaats wanneer moleculaire bindingen worden verbroken of gecreëerd tijdens een chemische reactie. Chemische veranderingen vinden plaats op moleculair niveau.
Geen verandering aan moleculen
Het uitrekken van een elastiekje, het vullen van de lucht in een ballon of het verpletteren van een blikje zijn allemaal voorbeelden van fysieke veranderingen. Dit zijn alleen veranderingen in de vorm van de items. Er zijn geen veranderingen in de toestand van de materie, omdat de energie op moleculair niveau niet veranderde. Bij een fysieke verandering vindt er geen verandering in moleculen plaats, moleculen zijn nog steeds hetzelfde zonder dat er nieuwe chemische bindingen worden gecreëerd of verbroken.
Op dezelfde manier zijn smeltende ijsblokjes, kokend water of bevriezend vloeibaar water allemaal fysieke veranderingen door het toevoegen van energie. Veranderingen in de fase of toestand van materie, dwz van vast naar vloeistof, van vloeistof naar gas, van vloeistof naar vast, zijn allemaal fysieke veranderingen. Fysieke acties zoals het veranderen van temperatuur of druk kunnen fysieke veranderingen veroorzaken. In smeltend ijs of bevriezend vloeibaar water vindt bijvoorbeeld geen chemische verandering plaats, de watermoleculen zijn nog steeds watermoleculen.
Het veranderen van de moleculen
Chemische veranderingen vinden op veel kleinere schaal plaats. Hoewel sommige experimenten duidelijke chemische veranderingen laten zien, zoals een kleurverandering, zijn de meeste chemische veranderingen niet zichtbaar. De chemische verandering waarbij waterstofperoxide (H2O2) water wordt, is niet waarneembaar omdat beide vloeistoffen helder zijn. Achter de schermen worden echter miljarden chemische bindingen gecreëerd en vernietigd. Wanneer waterstofperoxide in water verandert, kan men belletjes zuurstof (O2) zien. Die belletjes zijn het bewijs van chemische veranderingen.
Het smelten van een suikerklontje is een fysieke verandering, omdat de substantie nog steeds suiker is. Het verbranden van een suikerklontje is een chemische verandering. Vuur activeert een chemische reactie tussen suiker en zuurstof. De zuurstof in de lucht reageert met de suiker en de chemische bindingen worden verbroken.
Wanneer ijzer wordt blootgesteld aan zuurstofgas in de lucht, gaat ijzer roesten. Dit proces kan over een lange periode worden waargenomen. De moleculen veranderen hun structuur naarmate het ijzer wordt geoxideerd en worden uiteindelijk ijzeroxide. Roestige pijpen in verlaten gebouwen zijn voorbeelden uit de praktijk van het oxidatieproces.
Verandering kan omkeerbaar of onomkeerbaar zijn
Een omkeerbare verandering is een verandering die weer kan worden teruggedraaid. Als een ijsblokje bijvoorbeeld wordt gesmolten, wordt het water, maar we kunnen het weer invriezen om een ijsblokje te worden, zodat het naar zijn oorspronkelijke staat kan terugkeren. Smelten en verwarmen zijn voorbeelden van omkeerbare veranderingen.
Een onomkeerbare verandering is een verandering die niet meer teruggedraaid kan worden. Als er bijvoorbeeld een cakemengsel wordt gebakken, wordt het een cake en kunnen we er niet weer een mengsel van maken. De verandering is onomkeerbaar omdat er een chemische reactie heeft plaatsgevonden. Het verbranden of mengen van een vloeistof met natriumbicarbonaat is een voorbeeld van onomkeerbare veranderingen.
Een snelle momentopname van bepaalde termen en gerelateerde faseveranderingen:
Fusie/smelten – Vast tot vloeibaar
Bevriezen – Vloeibaar tot vast
Verdamping/koken – Vloeibaar tot gas
Condensatie – Gas naar een vloeistof
Sublimatie – Vast tot gas
Depositie – Gas tot een vaste stof
