Elke stof kan in verschillende aggregatietoestanden voorkomen: vast, vloeibaar of gasvormig. Welke toestand een stof aanneemt, hangt af van temperatuur en druk. De overgangen tussen deze toestanden — het smelten van ijs, het koken van water, het sublimeren van jood — vormen de basis van tal van laboratoriumtechnieken: van destillatie en vriesdrogen tot kristallisatie en smeltpuntsbepaling. In dit artikel wordt uitgelegd wat aggregatietoestanden precies zijn, welke faseovergangen ertussen bestaan, en hoe deze in de laboratoriumpraktijk worden benut.
Een aggregatietoestand (ook wel: fase) is de fysische verschijningsvorm van een chemische stof, bepaald door de manier waarop de deeltjes (atomen, moleculen of ionen) ten opzichte van elkaar georganiseerd zijn. De drie klassieke aggregatietoestanden zijn:
Naast deze drie klassieke toestanden worden in de moderne fysica ook plasma (geïoniseerd gas), superkritische fluïda en Bose-Einstein-condensaten als aparte aggregatietoestanden erkend. Voor de laboratoriumpraktijk zijn de drie klassieke toestanden het belangrijkst; superkritische fluïda spelen een rol in gespecialiseerde technieken als superkritische vloeistofchromatografie.
Tussen elke twee aggregatietoestanden bestaan twee faseovergangen — één in elke richting. Zes overgangen in totaal, elk met een eigen naam:
Overgangen richting "meer geordende toestand" (stollen, condenseren, rijpen) geven energie af aan de omgeving. Overgangen richting "minder geordende toestand" (smelten, verdampen, sublimeren) nemen energie op. De precieze hoeveelheid warmte die nodig is voor de overgang van één mol stof heet de smelt-, verdampings- of sublimatie-enthalpie en is voor elke stof een karakteristieke materiaaleigenschap.
Elke zuivere stof heeft bij een gegeven druk een smeltpunt — de temperatuur waarbij vast en vloeibaar in evenwicht zijn — en een kookpunt — de temperatuur waarbij vloeibaar en gas in evenwicht zijn en de dampdruk gelijk is aan de omgevingsdruk. Bij 1 atm smelt water bij 0 °C en kookt het bij 100 °C. Bij lagere druk (op de Mount Everest) kookt water bij ongeveer 68 °C.
Deze karakteristieke temperaturen worden in de analytische praktijk gebruikt om een stof te identificeren of om de zuiverheid te controleren. Voor de theorie en praktijk van de smeltpuntsbepaling en kookpuntbepaling verwijzen wij naar de betreffende artikelen. Een onzuivere stof heeft doorgaans een lager en breder smelttraject dan de zuivere stof — een fenomeen dat wordt benut in de omkristallisatie als zuiveringstechniek.
In een fasediagram wordt voor een stof aangegeven welke aggregatietoestand stabiel is bij elke combinatie van druk en temperatuur. Drie belangrijke lijnen delen het diagram in gebieden:
De drie lijnen komen samen in het tripelpunt: de unieke combinatie van druk en temperatuur waarbij alle drie fasen tegelijk in evenwicht zijn (voor water: 273,16 K bij 611,657 Pa). Aan het eind van de kooklijn ligt het kritisch punt — boven deze temperatuur bestaat er geen onderscheid meer tussen vloeistof en gas en spreken we van een superkritisch fluïdum.
Bij destillatie wordt een vloeistofmengsel verhit tot koken; de damp — verrijkt in de vluchtiger component — wordt naar een koeler geleid en condenseert daar tot een verrijkt destillaat. Het verschil in kookpunt tussen de componenten bepaalt hoe effectief de scheiding is. Bij fractionele destillatie vindt in de fractioneerkolom een reeks herhaalde verdampings- en condensatiestappen plaats, waardoor ook componenten met slechts een klein kookpuntverschil kunnen worden gescheiden.
Bij vriesdrogen — ook lyofylisatie genoemd — wordt water uit een bevroren monster verwijderd door sublimatie onder vacuüm. Het bevroren water gaat direct over van vast (ijs) naar gas (waterdamp) zonder de vloeibare fase te passeren. Dit voorkomt schade aan hittegevoelige biologische en farmaceutische producten en levert een makkelijk oplosbaar poeder op.
Bij kristallisatie wordt een opgeloste stof uit oplossing gebracht door verdamping van het oplosmiddel of door afkoelen tot onder het oplosbaarheidsgrens. De vaste stof neemt daarbij een geordende kristallijne structuur aan waarin verontreinigingen worden uitgesloten — daarmee is kristallisatie tegelijk een van de oudste en effectiefste zuiveringstechnieken in de chemie.
Een aantal stoffen heeft bij lage druk een aanzienlijke dampdruk in de vaste fase (jood, camfer, cafeïne, antraceen). Zij kunnen worden gezuiverd via sublimatie: de verontreinigingen blijven achter in de vaste residu, terwijl de gezuiverde stof aan een koudvinger neerslaat. De techniek is snel, sluitend en zuinig in oplosmiddelverbruik, maar beperkt tot een klein aantal geschikte verbindingen.
Bij cryogene opslag wordt gebruik gemaakt van vloeibare stikstof (kookpunt −196 °C) of vloeibare helium (kookpunt −269 °C) om biologische monsters, gassen of gevoelige stoffen te bewaren. Het cryogene medium is bewust in de vloeibare fase gehouden juist onder zijn kookpunt; verdamping is de belangrijkste warmteafvoer en tegelijk het grootste logistieke aandachtspunt (uitademen van damp uit tanks).
Bij een zuivere stof gebeurt de faseovergang bij één scherpe temperatuur. Bij een mengsel — bijvoorbeeld een oplossing of een legering — is dat niet het geval: de faseovergang vindt plaats over een temperatuurstraject. Dit fenomeen ligt aan de basis van de fractionele destillatie, de smeltpuntsdepressie (waarom pekel op wegen ijs doet smelten) en het gebruik van gemengde koudemiddelen. De relatie tussen samenstelling en fasegedrag wordt beschreven door faseovergangsdiagrammen — voor binaire systemen bijvoorbeeld het klassieke temperatuur-samenstellings-diagram met vloei- en soliduslijnen.
Verdampen kan bij elke temperatuur onder het kookpunt gebeuren en vindt plaats aan het oppervlak van de vloeistof (natte was aan de lijn droogt op, ook zonder dat de was kookt). Koken treedt op bij het kookpunt en gebeurt door de hele vloeistof heen: onder in de vloeistof ontstaan gasbellen die naar boven opstijgen. Bij koken is de dampdruk gelijk aan de omgevingsdruk; bij verdampen is de dampdruk lager dan de omgevingsdruk.
Sublimatie is de directe overgang van de vaste fase naar de gasfase zonder tussenkomst van de vloeibare fase. Een klassiek voorbeeld is jood: bij verwarmen op atmosferische druk gaat vast jood direct over in paarse damp. Ook droogijs (vast kooldioxide) sublimeert direct — vandaar de naam. Sublimatie treedt op wanneer de temperatuur en druk zich links van het tripelpunt in het fasediagram bevinden.
Het tripelpunt is de unieke combinatie van druk en temperatuur waarbij alle drie aggregatietoestanden van een zuivere stof tegelijk in evenwicht kunnen bestaan. Voor water ligt het tripelpunt bij 0,01 °C (273,16 K) en 611,657 Pa. Het tripelpunt van water is bijzonder omdat het de definitie van de kelvin-schaal vormde tot 2019.
Tijdens een faseovergang van een zuivere stof blijft de temperatuur constant, ondanks continue warmtetoevoer of -afvoer. Alle toegevoerde warmte gaat in het verbreken (of vormen) van de aantrekkingskrachten tussen de deeltjes — niet in het verhogen van de kinetische energie. Bij water die kookt in een pan blijft de temperatuur op 100 °C tot alle water is verdampt, ondanks de aanhoudende hittebron. Deze eigenschap wordt benut in warmteopslagsystemen met faseovergangsmaterialen (PCM).
In principe wel, maar niet altijd binnen praktische druk- en temperatuurgrenzen. Sommige stoffen ontleden thermisch voordat ze koken (suiker) of sublimeren voordat ze smelten (jood bij atmosferische druk); andere zijn bij kamertemperatuur al gasvormig en kunnen alleen bij extreem lage temperatuur worden vloeibaar gemaakt (helium, dat pas onder 4,2 K vloeibaar wordt en bij standaard omgevingsdruk nooit vast wordt).
Boven het kritisch punt van een stof — voor water bij 374 °C en 22,1 MPa, voor CO₂ bij 31 °C en 7,4 MPa — bestaat er geen onderscheid meer tussen de vloeibare en gasvormige fase. In dit gebied heeft de stof eigenschappen van beide: de dichtheid van een vloeistof (goede oplosbaarheid) en de diffusiesnelheid van een gas (snelle massatransport). Superkritisch CO₂ wordt in de industrie ingezet als milieuvriendelijk oplosmiddel voor onder andere decaffeïnering en extractie van aromastoffen.
Labvakhandel levert een compleet assortiment voor werk met faseovergangen: destillatieopstellingen en fractioneerkolommen, smeltpuntbepalers, vriesdroogapparatuur, sublimatiecondensors, dampdrukthermometers en Dewar-vaten voor cryogene toepassingen. Voor de veilige omgang met cryogene vloeistoffen en heet destillatiegereedschap zijn beschermingsmiddelen beschikbaar. Neem contact op voor advies over de juiste combinatie voor uw toepassing of bekijk het assortiment.
Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als algemene technische toelichting. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl aanvaardt geen aansprakelijkheid voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische, klinische of industriële situaties. Raadpleeg voor uw eigen toepassing altijd de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van fabrikant en apparatuur.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
