Deeltjes in vaste stoffen, vloeistoffen en gassen
Stikstofmoleculen in de lucht om je heen bewegen bij 30 °C met ongeveer 519 m/s, sneller dan een passagiersvliegtuig.
Sleep om te draaien. Scroll of knijp om te zoomen.
Giet water in een glas en het blijft onderin liggen met een vlak oppervlak. Laat hetzelfde water koken en de stoom verspreidt zich door de kamer. De watermoleculen zijn niet veranderd; H₂O is H₂O in ijs, water en stoom. Wat verandert is hoe ver de moleculen uit elkaar zitten, hoe sterk ze elkaar vasthouden en hoe snel ze bewegen. Het deeltjesmodel op deze pagina tekent in elke toestand dezelfde 40 deeltjes, zodat je ze rechtstreeks kunt vergelijken.
Zo verhouden de drie toestanden zich
| Toestand | Deeltjes | Vorm en volume |
|---|---|---|
| Vaste stof | Dicht op elkaar in een regelmatig patroon; trillen op hun plek | Eigen vorm en eigen volume; krimpt nauwelijks bij samendrukken |
| Vloeistof | Dicht op elkaar maar wanordelijk; glijden langs elkaar | Neemt de vorm van het vat aan, behoudt zijn volume; krimpt nauwelijks |
| Gas | Ver uit elkaar; vliegen in rechte lijnen | Vult het vat; krimpt sterk bij samendrukken |
Omdat de deeltjes in vaste stoffen en vloeistoffen elkaar al raken, krijg je ze door harder te duwen niet veel dichter op elkaar. Daarom kan een hydraulische krik een duw doorgeven via olie zonder dat de olie krimpt. In een gas is het grootste deel van het volume lege ruimte tussen de moleculen, en daarom kan een fietspomp lucht in een band persen. De krachten tussen moleculen verklaren ook waarom vloeistoffen druppels vormen en vaste stoffen hun vorm houden: in beide trekken de deeltjes elkaar sterk genoeg aan om bij elkaar te blijven. In een gas bewegen ze te snel en zitten ze te ver uit elkaar om door die aantrekking vastgehouden te worden.
Water doorbreekt de gewone regel
Bij de meeste stoffen is de vaste stof dichter dan de vloeistof, dus een stuk vaste stof zinkt in zijn eigen smelt. Water is anders. Vloeibaar water van 0 °C heeft een dichtheid van 0.99987 g/cm³, en als het bevriest daalt de dichtheid met ongeveer 9% (USGS). IJs drijft met het grootste deel van zijn volume onder het oppervlak, en daarom zit het grootste deel van een ijsberg verborgen. De open rangschikking van moleculen in een ijskristal neemt meer plaats in dan de dooreengeschudde rangschikking in de vloeistof. Vloeibaar water zelf is het dichtst bij 4 °C, met 1.00000 g/cm³, en wordt bij verwarming weer minder dicht, tot 0.95865 g/cm³ bij 100 °C.
Temperatuur is deeltjesbeweging
De Celsiusschaal legt de 0 bij het vriespunt van water. Dat is handig, maar heeft niets met de deeltjes te maken. De kelvinschaal begint bij het absolute nulpunt, de laagst mogelijke temperatuur, die −273.15 °C is. Om om te rekenen tel je 273.15 erbij op: 25 °C is 298.15 K. Op deze schaal is de gemiddelde kinetische energie van de deeltjes recht evenredig met de temperatuur, dus een gas van 600 K heeft twee keer zoveel gemiddelde kinetische energie als hetzelfde gas van 300 K.
Bij een gas volgt de snelheid uit die energie. De wortel uit het gemiddelde kwadraat van de snelheid is u = √(3RT/M), waarbij R gelijk is aan 8.314 J/(mol K), T in kelvin is en M de molaire massa in kilogram per mol. Voor stikstof van 30 °C rekent OpenStax √(3 × 8.314 × 303 ÷ 0.028) = 519 m/s uit. Zwaardere moleculen bewegen bij dezelfde temperatuur langzamer: een zuurstofmolecuul van −23 °C haalt gemiddeld ongeveer 441 m/s. De deeltjes in het plaatje hierboven zijn miljoenen keren vertraagd, zodat je ze kunt volgen.
| Kelvin | °C + 273.15; 0 K is het absolute nulpunt |
| rms-snelheid | u = √(3RT/M) met M in kg/mol |
| Dichtheid van ijs | Ongeveer 9% lager dan van vloeibaar water, dus ijs drijft |
| Water op zijn dichtst | Bij 4 °C: 1.00000 g/cm³ |
- Reken 25 °C om naar kelvin.
- Vloeibare stikstof kookt bij 77.34 K (NIST). Hoeveel is dat in °C (1 decimaal)?
- Een gas wordt verwarmd van 300 K naar 600 K. Zijn gemiddelde kinetische energie…
- wordt twee keer zo groot
- blijft gelijk
- wordt vier keer zo groot
- Bereken de rms-snelheid van een N₂-molecuul (M = 0.028 kg/mol) bij 303 K, afgerond op hele m/s.
- Welk molecuul beweegt bij dezelfde temperatuur gemiddeld sneller?
- N₂ (28 g/mol)
- O₂ (32 g/mol)
- Ze zijn even snel
- Waarom kun je lucht in een band persen en water nauwelijks?
- Gasmoleculen zitten ver uit elkaar; vloeistofmoleculen raken elkaar al
- Watermoleculen zijn zwaarder
- Lucht is geen materie
- Water van 0 °C heeft een dichtheid van 0.99987 g/cm³. IJs is ongeveer 9% minder dicht. Schat de dichtheid van ijs (2 decimalen).
- Bij welke temperatuur is vloeibaar water het dichtst?
- 4 °C
- 0 °C
- 100 °C
- In welke toestand raken deeltjes elkaar maar glijden ze langs elkaar?
- Vloeistof
- Vaste stof
- Gas
- Zet de toestanden in volgorde, van de toestand met de strakst vastgehouden deeltjes tot die met de vrijste.
- De moleculen blijven gelijk; afstand, aantrekking en snelheid veranderen.
- IJs is ongeveer 9% minder dicht dan water en drijft daarom; water is het dichtst bij 4 °C.
- K = °C + 273.15; gemiddelde kinetische energie ∝ T in kelvin.
- Snelheid van een gas u = √(3RT/M): N₂ bij 30 °C ≈ 519 m/s.
Bronnen van deze cursus (8)
- OpenStax Chemistry 2e (openstax.org/books/chemistry-2e): 1.2 Phases and Classification of Matter (matter, three states, plasma, mass and weight, Moon 1/6, conservation of matter, sand and clouds)
- 9.2 gas laws (Boyle's law P1V1 = P2V2, syringe 15.0 mL 13.0 psi to 7.5 mL 26 psi, breathing, divers: every 33 ft of sea water adds 1 atm and halves the air volume at 33 ft, Amontons ~1700, Gay-Lussac ~1800, Charles, STP 273.15 K and 101.325 kPa, -273 °C absolute zero)
- 9.5 kinetic-molecular theory (average kinetic energy proportional to kelvin temperature, KEavg = 3/2 RT, urms = sqrt(3RT/M), N2 at 30 °C 519 m/s, O2 at -23 °C 441 m/s)
- 10.3 phase transitions (vapor pressure, normal boiling point at 1 atm = 101.3 kPa, Leadville 68 kPa about 90 °C, ΔHvap 44.01 kJ/mol at 25 °C and 40.67 kJ/mol at 100 °C, 1.5 L sweat 3600 kJ, ΔHfus 6.01 kJ/mol, ice at -12 °C staying at 0 °C while melting, CO2 sublimation 26.1 kJ/mol, frost is deposition, heating curve example 135 g ice -15 °C to steam 120 °C = 416 kJ with c ice 2.09, water 4.18, steam 1.86 J/g °C, burner turned up does not raise boiling temperature)
- NIST Chemistry WebBook phase change data (webbook.nist.gov: ethanol Tfus 159 K, Tboil 351.5 K; nitrogen Tfus 63.3 K, Tboil 77.34 K; oxygen Tfus 54.8 K, Tboil 90.2 K; mercury Tfus 234.31 K, Tboil 629.81 K; CO2 triple point 216.58 K at 5.185 bar, solid vapour-pressure equation Giauque and Egan 1937 giving 194.7 K at 1 atm)
- USGS Water Science School, Water Density (0.99987 g/cm³ at 0 °C, 1.00000 at 4 °C, 0.95865 at 100 °C; ice about 9% less dense)
- Britannica, Boyle's law (Robert Boyle 1662, air compressed by mercury; Edme Mariotte 1676)
- Boyle's 1662 table (48 spaces at 29 2/16 in, 12 spaces at 117 9/16 in of mercury) as reprinted in J. Appl. Physiol. 87 (1999) 1543.
Geraadpleegd: 2026-10-17