3.3 Theorie

Inleiding

De kunst van het bakken van een goede biefstuk begint bij de de juiste temperatuur. Dat is te zien aan de boter in de pan. Het ideale moment om de biefstuk in de pan te doen is als er geen schuim meer te zien is.

De reden daarvoor is simpel. In de boter zit water. Als de pan heet wordt begint het water in de boter te koken. De gasbelletjes borrelen door de boter en vormen zo het schuim. Als al het water is weggekookt verdwijnt ook het schuim. De temperatuur van de pan is dan veel heter dan 100°C. En dat is de juiste temperatuur om de biefstuk te bakken.

Als je de biefstuk vervolgens in de pan doet begint de biefstuk weer te sissen. Dat sissen is het water dat in de buitenkant van de biefstuk zit. Bak beide kanten 2,5 minuut (dus 2 minuten en 30 seconden). En smullen maar!

Koken (en smelten)

Anders Celsius (van de Universiteit van Uppsala). (ja, dat is een echte universiteit).

Het kookpunt en het smeltpunt van een materiaal is een stofeigenschap. Je kunt dus stoffen herkennen aan de temperatuur waarop ze smelten. De bekendste is water. Water (ijs) smelt bij 0°C en kookt bij 100°C. Professor Anders Celsius maakte er een thermometer van omdat water het meest voorkomende molecuul op aarde is. De schaal met graden Celsius is naar hem vernoemd.

Overzicht van smelt- en kookpunte van een aantal zuivere stoffen.
Overzicht van smelt- en kookpunte van een aantal zuivere stoffen.

Van de meeste stoffen is een kookpunt en een smeltpunt bekend. Het zijn stofeigenschappen. Je vind ze in de tabel hieronder.

Let op! In deze tabel staan alle kook- en smeltpunten aangegeven in °Celsius, niet in Kelvin. Dat betekent nog steeds dat bij een hogere temperatuur een hoger getal hoort. Een temperatuur van -20 °C (253 Kelvin) is nog steeds lager dan een temperatuur van 5 °C (278 K). Dit leidt vaak tot verwarring,

Voor het onderzoeken van de juiste fase (aggregatietoestand) bij een bepaalde temperatuur wordt vaak een globaal schema opgesteld. Dat schema bestaat uit een getallenlijn waarop eerst de temperatuur wordt uitgezet. Daarna worden de kook en smeltpunten aangegeven. Uit het schema is dan snel af te lezen in welke fase een bepaalde stof zich bevindt. Een voorbeeld: Water.

Een globale getallenlijn met de fases van water.
Een globale getallenlijn met de fases van water.

Je hoeft op de getallenlijn alleen maar kook- en smeltpunten aan te geven.

Voorbeeld 1: Welke fase is ijzer bij....

In welke fase is ijzer bij:

    1. 1540 °C
    2. 2740 °C
    3. 2760 Kelvin

Je ziet twee waardes in de eenheid Celsius. Die kunnen we makkelijk vergelijken met de lijst van kook en smeltpunten.

De laatste moeten we eerst omrekenen naar °C.

3100 Kelvin = 2760 - 273 = 2487 °C

In getallenlijn:

smeltenvoorbeeldIjzer is in zowel geval a, b als c een vloeibare stof.

Voorbeeld 2: Welke fase is alcohol bij...

In welke fase verkeert alcohol bij -20 °C?

Eerst zoeken we de smelt- en kookpunten op van alcohol. Alcohol smelt bij -114,4 °C, de stof kookt bij 78,4°C. In getallenlijn:

smeltenvoorbeeld2Alcohol is dus een vloeistof bij -20°C

Voorbeeld 3: Welke stof is het?

Stof X kookt bij een temperatuur van 109 Kelvin. Wat is stof X?

Net zoals in voorbeeld 1 moeten we eerst 109 Kelvin omrekenen in °C

91 Kelvin = 91 - 273 = -164 °C

In de tabel zie je dan dat de zuivere stof Methaan kookt bij -164 °C

Smelt en kooktrajecten

Hierboven ging het over zuivere stoffen. Maar ook mengsels kunnen smelten en koken. Dat doen ze alleen op een andere manier. Bij zuivere stoffen blijft de temperatuur altijd gelijk tijdens het smelten en het koken: Zuivere stoffen hebben vaste smelt- en kookpunten.

Doordat de moleculen in mengsels eigenlijk altijd verschillende kook- en smeltpunten hebben is dat anders. Tijdens het smelten en het koken verandert de tem: Mengsels hebben een smelttraject en een kooktraject.

Zuivere stoffen hebben een vast smeltpunt en een vast kookpunt. Mengsels hebben een smelt- en een kooktraject.

Om de oorzaak van het smelt- en kooktraject te onderzoeken doen we een gedachtenexperiment.

Een groep gelijke moleculen beweegt nauwelijks. Vervolgens worden ze verwarmd. Wat gebeurt er?smeltkookgrafiek

  • De moleculen bewegen nauwelijks, dus de temperatuur zal vlak bij het absolute nulpunt liggen. -273 °C dus.
  • De moleculen worden verwarmd, dus de beweging wordt sterker.
  • De beweging neemt toe totdat de moleculen hun vaste plaats moeten verlaten.
  • De warmte wordt nu niet gebruikt om de moleculen sneller te laten bewegen. Die wordt gebruikt om de aantrekkingskrachten te doorbreken. De stof smelt en wordt vloeibaar.
  • De beweging neemt toe totdat de moleculen wild beginnen te springen. Wederom wordt de warmte niet gebruikt om sneller te bewegen. De warmte wordt gebruikt om aantrekkingskrachten te doorbreken. De stof wordt een gas.

Voor een mengsel is dat anders. Stel, een mengsel van 2 verschillende soorten molekulen , molekuul A en molekuul B worden verwarmd.smeltkookgrafiekmengsel

  • Eerst smelt stof A. Van stof A blijft de temperatuur dus gelijk.
  • Maar, omdat stof B nog niet smelt verandert de temperatuur van stof B dus wel!
  • Bij elkaar betekent dat dus dat tijdens het smelten van een mengsel de temperatuur dus wel verandert!
  • Bij een zuivere stof verandert de temperatuur niet als deze stof aan het koken of aan het smelten is.
  • Zuivere stoffen hebben vaste smeltpunten en vaste kookpunten.
  • Bij een mengsel verandert de temperatuur wel als deze stof aan het koken of aan het smelten is.
  • Mengsels hebben een smelttraject en een kooktraject.