Ml De molecuultheorie.

Om de eigenschappen van gassen te verklaren gebruikt de natuurkunde de molecuultheorie.

In deze theorie stellen we ons voor dat een hoeveelheid gas bestaat uit heel veel kleine, bewegende deeltjes in een lege ruimte. 
Deze deeltjes worden moleculen genoemd.

Om de eigenschappen van gassen te kunnen verklaren moeten deze moleculen een aantal eigenschappen hebben.

Opgave 1

Een afgesloten hoeveelheid gas oefent een druk uit op de wanden van de ruimte waar het in zit. De druk op de wand wordt verklaard door te veronderstellen dat deze veroorzaakt wordt door de botsingen van de moleculen tegen de wand. 
Als de ruimte kleiner wordt gemaakt stijgt de druk.

a	Geef hiervoor de verklaring.

De botsing van moleculen tegen de wand moet verlopen zonder dat de snelheid van de moleculen verandert, 
b	Waarom moet dat?

Als van een afgesloten ruimte de temperatuur vergroot wordt, neemt de druk toe. 
c		Wat gebeurt er dus met de moleculen als de temperatuur stijgt?

Opgave 2
In opgave 1 heb je een aantal eigenschappen van moleculen in een gas opgeschreven.
-	ze bewegen.
-	bij botsingen verliezen ze geen snelheid.
-	als de temperatuur stijgt, gaan de sneller bewegen.
Met deze veronderstellingen kunnen we een aantal eigenschappen van gassen begrijpen.
a 	Waarom zullen niet alle moleculen in een gas dezelfde snelheid hebben?
Het is beter om te spreken van de gemiddelde snelheid van de moleculen in een gas.
b	Hoe kun je de gemiddelde snelheid van de moleculen verlagen?
c	Hoe verandert de druk van een gas als het aantal moleculen per cm3 afneemt en de gemiddelde snelheid gelijk blijft?

d	Hoe verandert de druk als de gemiddelde snelheid van de moleculen afneemt en het aantal moleculen per cm3 gelijk blijft?
e	Hoe kun je het aantal moleculen per cm3 vergroten? 
Opgave 3
Hoe verandert het aantal moleculen per cm3 als: 
a 	het volume van het gas bij constante temperatuur vergroot wordt?
b 	het gas bij constante druk verwarmd wordt?
c 	er bij constante temperatuur meer gas in een ruimte met een vast volume wordt gebracht?
d	de massa van het gas bij constante druk en temperatuur wordt vergroot? 
Opgave 4
Hoe verandert de gemiddelde snelheid van de moleculen als: 
a		het volume van een gas bij constante temperatuur wordt vergroot? 
b		het gas bij constante druk wordt verwarmd?
c	er bij constant volume en temperatuur meer gas in de ruimte wordt gebracht? 
d	de massa van het gas bij constante druk en temperatuur wordt vergroot?

Opgave 5
Hoe wordt in de molecuultheorie beredeneerd dat: 
a		gassen gemakkelijk samendrukbaar zijn? 
b	de gasdruk kleiner wordt als de temperatuur daalt?
c	de gasdruk groter wordt als er in een ruimte met een constant volume gas wordt toegevoegd.?

d	de gasdruk groter wordt als het volume verkleind wordt?

e	de gasdruk groter wordt als het gas bij een constant volume wordt verwarmd?

F	Open de applet temperatuur en moleculen en controleer je antwoorden op de voorgaande vragen.

Opgave 6

a	Hoe verklaar je dat je na enige tijd in het hele lokaal ruikt dat er ergens een gaskraan eventjes open heeft gestaan?

b	Leg uit wat er verschillend is als je de proef bij een hogere temperatuur herhaalt.
Opgave 7

Waterdamp is een gas. Als waterdamp afkoelt, ontstaat water; bij nog verder afkoelen ijs. Als ijs verwarmd wordt, ontstaat water en bij verder verwarmen ontstaat weer waterdamp. 
Het is dus logisch te veronderstellen dat waterdamp, water en ijs uit dezelfde moleculen bestaan.

a	Waaruit blijkt dat de moleculen in ijs en water elkaar aantrekken?

b	Geef een verklaring waarom ondanks die aantrekkende kracht, de moleculen in waterdamp toch niet samenklonteren.
De verschillen in eigenschappen bij waterdamp, water en ijs verklaren we door een verschil in groepering van de moleculen.
-	Bij een gas denken we aan op grote afstand van elkaar vrij bewegende moleculen. De moleculen bewegen te snel om te kunnen samenklonteren.
-	Bij een vloeistof denken we aan dicht langs elkaar bewegende moleculen. De gemiddelde bewegingsenergie van de moleculen is niet groot genoeg de aantrekkende kracht tussen de moleculen te verbreken.
-	Bij een vaste stof stellen we ons voor dat de moleculen op een vaste plaats zitten. Elk molecuul beweegt een beetje op de vaste plaats (het trilt). De moleculen blijven dus gemiddeld op dezelfde plaats. De gemiddelde bewegingsenergie wordt ook hier hoger naarmate de temperatuur hoger wordt.
—	
In figuur 6-la, b en c is weergegeven hoe je je het verschil tussen een gas, vloeistof en vaste

gas	vloeistof	vaste stof

stof kunt voorstellen.
A	b	c
fig 6-1

fig 6-2

Met een gewone microscoop is het niet mogelijk moleculen te zien. Ze zijn er te klein voor. Met een speciaal soort microscoop is men erin geslaagd de moleculen van een vaste stof weer te geven. In figuur 6-2 zie je een foto van het oppervlak van een vaste stof
Hieruit is gebleken dat er wel 1 miljoen moleculen op een
afstand van 1 mm passen.

Opgave 8

Een vloeistof of vaste stof is vrijwel niet samendrukbaar.
We moeten dus veronderstellen dat de moleculen zelf niet samendrukbaar zijn. Als er geen ruimte meer is tussen de moleculen dan is er geen sprake meer van samendrukbaarheid. Als water verdampt ontstaat altijd waterdamp. Als alcohol verdampt ontstaat altijd alcoholdamp.
We nemen daarom aan dat de moleculen in water en alcohol verschillend zijn.

a	Vind je het juist om over waterdampmoleculen, watermoleculen en ijsmoleculen te spreken ?
b	Leg uit of een molecuul kan verdampen.
c	Hoe verklaar je de niet vormvastheid van vloeistoffen ?
d	Hoe verklaar je de vormvastheid van vaste stoffen ?
e	Moet je moleculen zien als bijvoorbeeld kleine tennisballen die je gemakkelijk kunt samendrukken, of meer als kleine knikkertjes? Leg uit waarom.

Opgave 9

De dichtheid van water bij 100°C is 0,96 g/cm3.
De dichtheid van waterdamp bij 100°C is 0,60 mg/cm3.
a	Bereken het volume van 1,0 g waterdamp bij 100°C.
b	Bereken het volume van 1,0 g water bij 100°C.
c	Bereken hoeveel keer het volume groter wordt als 1 g water van 100°C omgezet wordt in 1,0 g waterdamp van 100°C.
Opgave 10

Moleculen in een vaste stof en een vloeistof trekken elkaar aan.
Deze aantrekkingskracht tussen de moleculen heet de 'van de Waalskracht' (genoemd naar de Nederlander van der Waals).

Beneden het kookpunt is de bewegingsenergie van de moleculen te klein om aan de van de Waalskracht te ontsnappen. De moleculen blijven bij elkaar maar bewegen wel door elkaar heen. Bij het kookpunt is de bewegingsenergie van de moleculen groot genoeg om aan de van de Waalskracht te ontsnappen. Er komen dan vrij bewegende moleculen.

Wanneer je twee waterdruppeltjes vlak naast elkaar legt op en ze voorzichtig naar elkaar toe duwt, vloeien ze plotseling in elkaar tot één druppel.

a	Welke uitspraak kun je hieruit doen over de grootte van de 'van der Waals-kracht' als de afstand tussen moleculen groter wordt.
Om dit te verklaren moeten we veronderstellen dat de van de Waalskracht niet steeds even
groot is. De aantrekkingskracht is groot als de moleculen dicht bij elkaar zijn. Bij een grote
afstand tussen moleculen is de van de Waalskracht kleiner.
De aanwezigheid van de van de Waalskracht heeft nog een belangrijk gevolg.
Omdat de moleculen elkaar aantrekken, kost het energie ze verder van elkaar te brengen.
Deze energie lijkt een soort veer-energie.

Bij moleculen spreken we van plaatsenergie: hoe verder de moleculen van elkaar zijn, des te groter de plaatsenergie van de moleculen.

Dit verklaart waarom bijvoorbeeld water van 100°C moet worden verwarmd om waterdamp van 100°C te worden. De bewegingsenergie van de moleculen blijft gelijk omdat de temperatuur niet verandert. Maar de plaatsenergie van de vrij bewegende moleculen is groter dan van de moleculen in de vloeistof. In de theorie is dus energie nodig om de moleculen uit de vloeistof te laten ontsnappen.

b	Rangschik de volgende stoffen als je op de grootte van de van de Waalskracht tussen de moleculen.
Zuurstof (kookpunt 90 K), stikstof (kookpunt 77 K), waterstof (kookpunt 20 K) en neon (kookpunt 27 K).

c	Hoe verklaar je dat het kookpunt van water hoger is dan het kookpunt van alcohol.

Voor het verhogen van de temperatuur van een stof moet warmte worden toegevoegd, 
d	Hoe verandert hierbij de energie van de moleculen?
e	Bij het koken van een vloeistof moet er worden verwarmd. Hoe verandert hierbij de energie van de moleculen?
Opgave 11

Een vloeistof verdampt niet alleen bij het kookpunt. Ook bij een lagere temperatuur verdampt een vloeistof al.
Volgens de molecuultheorie kunnen alleen moleculen ontsnappen die voldoende bewegingsenergie hebben.
En door botsingen zullen een aantal moleculen snel genoeg kunnen bewegen om te ontsnappen.

a	Verklaar waarom een vloeistof bij een hogere temperatuur sneller verdampt.

b	Welke moleculen maken de grootste kans uit de vloeistof te 'springen'?

c	Verklaar waarom een verdampende vloeistof, waaraan geen energie wordt toegevoegd, afkoelt.

d	Maak je vinger nat en blaas erlangs. Je kunt de afkoeling voelen.

e 	Hoe sneller een vloeistof verdampt des te sneller koelt hij af. Vraag een demonstratie.

Opgave 12

Ook moleculen van verschillende soort trekken elkaar aan. 
a		Geef hiervan een voorbeeld.
De aantrekkende krachten tussen verschillende moleculen kunnen erg verschillen.

b	Als je een schoon staafje glas even in water doopt wordt het glas nat.
Wat kun je hieruit concluderen tussen de aantrekkingskracht tussen waterwatermoleculen en glas- watermoleculen?

c	Als het staafje een beetje vet is blijft het bij dezelfde proef droog.
Wat kun je hieruit concluderen over de aantrekkende krachten tussen water- en watermoleculen en vet- en watermoleculen?

fig 6-3

d	Leg uit waarom in figuur 6-3 dit insect niet door het wateroppervlak zakt.

Opgave 13
Als je één uiteinde van een ijzeren staaf verwarmd wordt de warmte door de staaf geleid, 
a	Geef een verklaring waarbij je de molecuultheorie gebruikt, 
b	Als je over een kop hete thee blaast, koelt deze sneller af. Geef een verklaring.

Samenvatting molecuultheorie
■	De molecuultheorie veronderstelt dat stoffen opgebouwd zijn uit moleculen.
■	Moleculen bewegen. De gemiddelde bewegingsenergie is in verhouding met de temperatuur in Keivin.
■	De gasdruk wordt bepaald door de botsingen van moleculen tegen de wand.
■	De botsingen van moleculen zijn zonder energieverlies.
■	Moleculen trekken elkaar (van de Waalskracht). Deze aantrekkingskracht wordt kleiner als de afstand tussen de moleculen groter wordt.
■	Bij een gas denken we aan op grote afstand bewegende moleculen. Bij een vloeistof denken we aan dicht langs elkaar bewegende moleculen. Bij een vaste stof denken we aan een op hun plaats trillende moleculen.
■	Als gevolg van de van de Waalskracht hebben moleculen plaatsenergie. Hoe groter de afstand des te groter de plaatsenergie.