In het dagelijks leven komen we voortdurend drie toestanden van materie tegen: vloeibaar, gasvormig en vast. We hebben een vrij duidelijk beeld van wat vaste stoffen en gassen zijn. Een gas is een verzameling moleculen die willekeurig in alle richtingen bewegen. Alle moleculen van een vast lichaam behouden hun onderlinge rangschikking. Ze oscilleren maar een klein beetje.
Kenmerken van een vloeibare substantie
En wat zijn vloeibare stoffen? Hun belangrijkste kenmerk is dat ze, door een tussenpositie in te nemen tussen kristallen en gassen, bepaalde eigenschappen van deze twee toestanden combineren. Bijvoorbeeld voor vloeistoffen, maar ook voor vaste (kristallijne) lichamen is de aanwezigheid van volume kenmerkend. Tegelijkertijd nemen vloeibare stoffen, zoals gassen, echter de vorm aan van het vat waarin ze zich bevinden. Velen van ons geloven dat ze geen eigen vorm hebben. Dat is het echter niet. De natuurlijke vorm van elke vloeistof -bal. Zwaartekracht verhindert meestal dat het deze vorm aanneemt, dus de vloeistof neemt de vorm aan van een vat of verspreidt zich dun over het oppervlak.
In termen van eigenschappen is de vloeibare toestand van een stof bijzonder complex vanwege zijn tussenpositie. Het begon te worden bestudeerd sinds de tijd van Archimedes (2200 jaar geleden). De analyse van hoe de moleculen van een vloeibare stof zich gedragen, is echter nog steeds een van de moeilijkste gebieden van de toegepaste wetenschap. Er is nog steeds geen algemeen aanvaarde en volledig complete theorie van vloeistoffen. We kunnen echter heel zeker iets zeggen over hun gedrag.
Gedrag van moleculen in een vloeistof
Een vloeistof is iets dat kan stromen. De korteafstandsvolgorde wordt waargenomen in de rangschikking van de deeltjes. Dit betekent dat de locatie van de buren die er het dichtst bij zijn, met betrekking tot elk deeltje, is geordend. Naarmate ze zich echter van anderen verwijdert, wordt haar positie ten opzichte van hen steeds minder geordend, en dan verdwijnt de volgorde helemaal. Vloeibare stoffen zijn opgebouwd uit moleculen die veel vrijer bewegen dan in vaste stoffen (en zelfs vrijer in gassen). Gedurende een bepaalde tijd snelt elk van hen eerst in de ene richting en vervolgens in de andere, zonder weg te gaan van zijn buren. Van tijd tot tijd breekt er echter een vloeibaar molecuul uit de omgeving. Ze komt op een nieuwe plek door naar een andere plek te verhuizen. Ook hier maakt ze gedurende een bepaalde tijd wiebelachtige bewegingen.
Y. I. Frenkel's bijdrage aan de studie van vloeistoffen
I. I. Frenkel, een Sovjetwetenschapper, heeft grote verdienste bij de ontwikkeling van een aantalproblemen over een onderwerp als vloeibare stoffen. Dankzij zijn ontdekkingen ging de chemie enorm vooruit. Hij geloofde dat thermische beweging in vloeistoffen het volgende karakter heeft. Gedurende een bepaalde tijd oscilleert elk molecuul rond de evenwichtspositie. Het verandert echter van tijd tot tijd van plaats en beweegt abrupt naar een nieuwe positie, die van de vorige is gescheiden door een afstand die ongeveer zo groot is als dit molecuul zelf. Met andere woorden, in de vloeistof bewegen de moleculen, maar langzaam. Soms verblijven ze in de buurt van bepaalde plaatsen. Bijgevolg is hun beweging zoiets als een mengsel van bewegingen in het gas en in het vaste lichaam. Fluctuaties op één plaats worden na een tijdje vervangen door een vrije overgang van plaats naar plaats.
Druk in vloeistof
Sommige eigenschappen van vloeibare materie zijn ons bekend vanwege de constante interactie ermee. Dus uit de ervaring van het dagelijks leven weten we dat het met bepaalde krachten inwerkt op het oppervlak van vaste lichamen die ermee in contact komen. Ze worden vloeistofdrukkrachten genoemd.
Als we bijvoorbeeld een waterkraan met een vinger openen en het water aanzetten, voelen we hoe het op de vinger drukt. En een zwemmer die tot grote diepten heeft gedoken, ervaart niet per ongeluk pijn in zijn oren. Het wordt verklaard door het feit dat er drukkrachten op het trommelvlies werken. Water is een vloeibare substantie, dus het heeft al zijn eigenschappen. Om de temperatuur van water op diepte van de zee te meten, zeer sterk:thermometers zodat ze niet kunnen worden verpletterd door vloeistofdruk.
Deze druk is te wijten aan compressie, dat wil zeggen, een verandering in het volume van de vloeistof. Het heeft elasticiteit met betrekking tot deze verandering. De drukkrachten zijn de elasticiteitskrachten. Daarom, als een vloeistof inwerkt op lichamen die ermee in contact komen, wordt deze gecomprimeerd. Aangezien de dichtheid van een stof tijdens compressie toeneemt, kunnen we aannemen dat vloeistoffen elasticiteit hebben in relatie tot een verandering in dichtheid.
Verdamping
Voortgaand op de eigenschappen van een vloeibare substantie, gaan we over tot verdamping. Nabij het oppervlak, maar ook direct in de oppervlaktelaag, werken krachten die het bestaan van deze laag verzekeren. Ze laten de moleculen erin het volume van de vloeistof niet verlaten. Door thermische beweging ontwikkelen sommigen echter vrij hoge snelheden, met behulp waarvan het mogelijk wordt om deze krachten te overwinnen en de vloeistof te verlaten. Dit fenomeen noemen we verdamping. Het kan bij elke luchttemperatuur worden waargenomen, maar met zijn toename neemt de intensiteit van de verdamping toe.
Condensatie
Als de moleculen die de vloeistof hebben verlaten, worden verwijderd uit de ruimte nabij het oppervlak, dan verdampt alles uiteindelijk. Als de moleculen die het hebben verlaten niet worden verwijderd, vormen ze stoom. Dampmoleculen die in het gebied nabij het oppervlak van de vloeistof zijn gevallen, worden erin getrokken door de aantrekkingskracht. Dit proces wordt condensatie genoemd.
Vandaar,als de moleculen niet worden verwijderd, neemt de verdampingssnelheid in de loop van de tijd af. Als de dampdichtheid verder toeneemt, wordt een situatie bereikt waarin het aantal moleculen dat in een bepaalde tijd de vloeistof verlaat gelijk zal zijn aan het aantal moleculen dat er in dezelfde tijd naar terugkeert. Dit creëert een toestand van dynamisch evenwicht. De damp erin wordt verzadigd genoemd. De druk en dichtheid nemen toe met toenemende temperatuur. Hoe hoger het is, hoe groter het aantal vloeibare moleculen dat voldoende energie heeft voor verdamping en hoe groter de dichtheid van de damp moet zijn om ervoor te zorgen dat condensatie gelijk is aan verdamping.
Kokend
Wanneer bij het verhitten van vloeibare stoffen een temperatuur wordt bereikt waarbij verzadigde dampen dezelfde druk hebben als de externe omgeving, ontstaat er een evenwicht tussen verzadigde damp en vloeistof. Als de vloeistof een extra hoeveelheid warmte afgeeft, wordt de bijbehorende vloeistofmassa onmiddellijk omgezet in damp. Dit proces wordt koken genoemd.
Koken is de intense verdamping van een vloeistof. Het komt niet alleen vanaf het oppervlak voor, maar betreft het hele volume. Er verschijnen dampbellen in de vloeistof. Om vanuit een vloeistof in damp te gaan, moeten moleculen energie verkrijgen. Het is nodig om de aantrekkingskrachten te overwinnen die ze in de vloeistof houden.
Kookpunt
Het kookpunt is het punt waaroper is een gelijkheid van twee drukken - externe en verzadigde dampen. Het neemt toe als de druk toeneemt en neemt af als de druk afneemt. Vanwege het feit dat de druk in de vloeistof verandert met de hoogte van de kolom, vindt koken daarin plaats op verschillende niveaus bij verschillende temperaturen. Alleen verzadigde stoom, die zich tijdens het kookproces boven het oppervlak van de vloeistof bevindt, heeft een bepaalde temperatuur. Het wordt alleen bepaald door externe druk. Dit is wat we bedoelen als we het hebben over het kookpunt. Het verschilt voor verschillende vloeistoffen, die veel worden gebruikt in de techniek, met name bij het distilleren van aardolieproducten.
Latente verdampingswarmte is de hoeveelheid warmte die nodig is om een isotherm gedefinieerde hoeveelheid vloeistof in stoom om te zetten als de externe druk hetzelfde is als de verzadigde dampdruk.
Eigenschappen van vloeibare films
We weten allemaal hoe je schuim kunt krijgen door zeep in water op te lossen. Dit is niets anders dan een heleboel luchtbellen, die worden beperkt door de dunste film bestaande uit vloeistof. Van de schuimvloeistof kan echter ook een aparte film worden verkregen. De eigenschappen zijn erg interessant. Deze films kunnen erg dun zijn: hun dikte in de dunste delen is niet meer dan honderdduizendste millimeter. Desondanks zijn ze soms erg stabiel. De zeepfilm kan worden vervormd en uitgerekt, er kan een waterstraal doorheen zonder deze te beschadigen. Hoe deze stabiliteit te verklaren? Om een film te laten verschijnen, is het noodzakelijk om stoffen toe te voegen die erin oplossen tot een pure vloeistof. Maar niet een, maar zodanig,die de oppervlaktespanning aanzienlijk verlagen.
Vloeibare films in de natuur en technologie
In technologie en natuur komen we vooral niet met losse films samen, maar met schuim, dat is hun combinatie. Het kan vaak worden waargenomen in beken, waar kleine stroompjes in kalm water vallen. Het vermogen van water om te schuimen wordt in dit geval geassocieerd met de aanwezigheid van organisch materiaal erin, dat wordt uitgescheiden door de wortels van planten. Dit is een voorbeeld van hoe natuurlijke vloeibare stoffen schuimen. Maar hoe zit het met de technologie? Tijdens de bouw worden bijvoorbeeld speciale materialen gebruikt die een celstructuur hebben die lijkt op schuim. Ze zijn licht, goedkoop, sterk genoeg, slecht geleidend geluid en warmte. Om ze te verkrijgen, worden schuimmiddelen toegevoegd aan speciale oplossingen.
Conclusie
Dus we hebben geleerd welke stoffen vloeibaar zijn, we hebben ontdekt dat de vloeistof een tussenliggende toestand van materie is tussen gasvormig en vast. Daarom heeft het eigenschappen die kenmerkend zijn voor beide. Vloeibare kristallen, die tegenwoordig veel worden gebruikt in technologie en industrie (bijvoorbeeld lcd-schermen), zijn een goed voorbeeld van deze toestand van materie. Ze combineren de eigenschappen van vaste stoffen en vloeistoffen. Het is moeilijk voor te stellen welke vloeibare stoffen de wetenschap in de toekomst zal uitvinden. Het is echter duidelijk dat er een groot potentieel is in deze staat van materie dat kan worden gebruikt ten behoeve van de mensheid.
Speciale interesse in de overweging van fysische en chemische processen die plaatsvindenin vloeibare toestand, omdat de persoon zelf voor 90% uit water bestaat, de meest voorkomende vloeistof op aarde. Daarin vinden alle vitale processen plaats, zowel in de planten- als in de dierenwereld. Daarom is het voor ons allemaal belangrijk om de vloeibare toestand van materie te bestuderen.
