Fase
duidt in de
scheikunde
en de
natuurkunde
op de verschijningsvorm van een
stof
met
macroscopisch
gezien homogene
chemische
en
fysische
eigenschappen
. Deze eigenschappen hebben het karakter van een
statistisch
gemiddelde. Bijgevolg is het begrip fase enkel gedefinieerd voor een
hoeveelheid materie
van voldoende grootte. Twee fasen worden van elkaar gescheiden door een scheidingsvlak; meer specifiek is de
meniscus
het scheidingsvlak tussen twee niet mengbare
vloeistoffen
, of tussen een vloeistof en een
gas
.
Klassiek onderkende men als macroscopische verschijningsvormen de
aggregatietoestanden
vast, vloeibaar en gasvormig. Later werden daaraan nog de aggregatietoestanden
plasma
en
bose-einsteincondensaat
toegevoegd. Met name binnen de
vaste
verschijningsvorm bestaan nog verschillen, zoals tussen
grafiet
en
diamant
, twee verschillende
fasen
van vaste
koolstof
.
De
chemische thermodynamica
houdt zich bezig met de studie van verschillende fasen en de overgangen daartussen, de
faseovergangen
, zoals
smeltpunt
en
kookpunt
.
De eenvoudigste faseovergangen zijn die tussen vaste stof, vloeistof en gasfase. Vaste stof komt voor als
kristallijne
, of als
amorfe
materie:
glas
,
rubber
,
gel
. Vloeistof is meestal
isotroop
, maar er bestaan ook
anisotrope
vloeistoffen (
vloeibare kristallen
).
Veel kristallijne vaste stoffen vertonen, afhankelijk van temperatuur en druk,
chemisch
identieke, maar
fysisch
onderling verschillende,
kristallijne fasen
;
ijs
komt bijvoorbeeld in ten minste vijftien verschillende fasen voor. Iedere kristallijne fase (
polymorf
) van een gegeven stof is
stabiel
bij een karakteristieke
temperatuur
en
druk
. Het voorkomen van een
samengestelde
, vaste stof in meer dan een kristalstructuur wordt
polymorfie
genoemd.
Het voorkomen van verschillende fysische verschijningsvormen van een
enkelvoudige
, vaste stof wordt
allotropie
genoemd. Diamant, een allotroop van
koolstof
, wordt diep in de
aardkorst
als stabiele fase van koolstof gevormd, onder enorm hoge druk en bij hoge temperatuur. Na
delving
blijven diamanten, onder lagere druk en temperatuur, als
metastabiele
fase van koolstof bestaan.
Bij extreem lage temperaturen zijn nog andere aggregatietoestanden mogelijk:
Daarnaast zijn er stoffen met een
ferromagnetische fase
en een
paramagnetische fase
. Een andere bekende fase is de
glasfase
. Bij zeer hoge temperaturen treedt de
plasmafase
op.
Met name in de
vaste
aggregatietoestand
kunnen sommige
stoffen
in verschillende fasen voorkomen.
Diamant
en
grafiet
zijn beide
vaste
fasen van
koolstof
, maar verschillen onderling sterk in de
rangschikking
van hun
kristallen
.
Van vast
water
(
ijs
) zijn veel verschillende manieren bekend waarop de watermoleculen gerangschikt kunnen zijn, zie het artikel
ijskristal
.
We noteren de fasen bij bijvoorbeeld zuurstof (O
2
) als volgt:
voorbeeld
|
fase
|
afkorting
|
|
O
2
(s)
|
vast
|
s
|
solid
is Engels voor vast
|
O
2
(l)
|
vloeibaar
|
l
|
liquid
is Engels voor vloeibaar
|
O
2
(g)
|
gas
|
g
|
gaseous
is Engels voor gasvormig
|
O
2
(aq)
|
opgelost in water
|
aq
|
aqua
is
Latijn
voor water
|
Veel stoffen komen in drie aggregatietoestanden voor. Bij een lage temperatuur vormen ze een vaste stof, bij wat hogere temperatuur een vloeistof en bij een nog hogere temperatuur een gas.
Bij deze veranderingen is het niet nodig dat de chemische bindingen in de
moleculen
van de stof worden veranderd. Bijvoorbeeld de vloeistof
water
kan bij lagere temperatuur overgaan in
ijs
en bij hogere temperatuur in
waterdamp
, onder bepaalde omstandigheden
stoom
genaamd. Deze drie fasen zijn allemaal opgebouwd uit hetzelfde H
2
O-molecuul.
De
faseovergang
van vast naar vloeibaar en die van vloeibaar naar gas kosten
energie
: de
smeltwarmte
en de
verdampingswarmte
die per stof voor die stof karakteristieke constanten zijn.
De overgang van de vaste stof in een vloeistof noemt men
smelten
, die van vloeistof in een gas
verdampen
. Andersom wordt de overgang van gas naar vloeistof
condenseren
genoemd, en van vloeistof naar vaste stof stollen.
Het is voor sommige stoffen onder bepaalde condities mogelijk om de vloeistoffase over te slaan. Voor de overgang tussen vast en gas spreekt men van
sublimeren
, bij overgang van gas direct naar vaste stof spreekt men van desublimeren of van verrijpen.
In een vaste stof zitten atomen strak aan elkaar geplakt. Zij liggen vaak zij aan zij heel dicht op elkaar. Daardoor is de stof vast. Soms vormen de atomen groepsgewijs herkenbare
moleculen
. In dat geval is de wisselwerking tussen de moleculen beduidend zwakker dan de chemische binding tussen de atomen in een molecuul. In veel gevallen is er geen sprake van een moleculaire opbouw.
Hoewel er wat uitzonderingen op deze regel zijn, kunnen atomen (respectievelijk moleculen) zich vrijwel niet door de stof heen en weer bewegen; ze wiebelen meestal maar wat rond rondom een vaste plek. Meestal vertoont de stapeling van de deeltjes een strakke regelmaat en vormt een
rooster
. In dat geval spreken we van een kristallijne vaste stof. Bij een glas ontbreekt deze orde.
Kristallijne vaste stoffen hebben een structuur die in veel gevallen
anisotroop
is. Dat wil zeggen dat de eigenschappen afhangen van de richting in het kristal. De anisotropie hangt nauw samen met de symmetrie van het rooster. De ene kristallijne fase kan vaak van de andere aan de hand van het type rooster en zijn symmetrie onderscheiden worden. Kristallijne fasen kunnen uit moleculen zijn opgebouwd, maar dat is zeker niet altijd het geval.
Een
glas
heeft geen regelmatig rooster en de eigenschappen zijn in de regel isotroop.
Vaste stoffen zijn vaak niet erg in elkaar oplosbaar. Volledige oplosbaarheid is alleen mogelijk als de symmetrieen gelijk zijn of zeer nauw verwant zijn. Een goed voorbeeld van volledige oplosbaarheid zijn de metalen zilver en goud. Zij hebben dezelfde kristalstructuur en zijn in iedere verhouding oplosbaar. Deze
vaste oplossing
(legering) van zilver en goud wordt
elektrum
genoemd.
In een vloeistof bestaan ook sterke aantrekkende krachten tussen de moleculen, maar de moleculen zitten niet erg lang aan elkaar vast. Anders dan in een vaste stof vinden er voortdurend verschuivingen plaats. Moleculen bewegen door elkaar heen, maar trekken wel voortdurend aan elkaar. De stof vloeit, maar er is niet veel lege ruimte tussen de moleculen.
De aanduiding
smelt
wordt gebruikt voor een semi-vloeibare fase en de vloeibare fase van (mengsels van) stoffen die tot ruim boven kamertemperatuur (>200 °C) vast zijn, zoals de meeste
zouten
en
metalen
.
[1]
Vloeistoffen vertonen een sterkere neiging tot wederzijdse oplosbaarheid dan vaste stoffen, maar oplosbaarheid is zeker niet gegarandeerd. Olie en water zijn een goed voorbeeld daarvan.
De meeste vloeistoffen zijn isotroop, maar er zijn uitzonderingen die
vloeibare kristallen
genoemd worden.
In een gas zijn de aantrekkende krachten te klein om de snel bewegende moleculen aan elkaar te plakken. Het grootste deel van de tijd bewegen de moleculen van een gas vrijwel zonder last te hebben van andere moleculen. Er is lege ruimte om de moleculen.
Gassen zijn altijd volledig mengbaar. Men zou kunnen zeggen dat er eigenlijk maar een gasfase bestaat.
De faseovergangen tussen de hierboven genoemde fasen vinden plaats omdat de krachten tussen de moleculen boven een zekere temperatuur niet meer groot genoeg zijn om de moleculen op hun plaats te houden. Het is dus niet zo dat bij hogere temperaturen de krachten tussen de moleculen kleiner worden. De overgang van de ene naar de andere fase verloopt meestal geleidelijk, middels het proces van
nucleatie
en
groei
.
Dat een faseovergang onder bepaalde condities
reversibel
optreedt betekent dat de twee fasen onder die condities een gelijke
vrije energie
hebben. Er kan bij zo'n faseovergang
enthalpie
vrijkomen terwijl de
entropie
van het systeem afneemt, of andersom.
Wanneer aan een systeem dat geen faseovergang vertoont warmte wordt toegevoerd neemt daardoor de temperatuur continu toe. Tijdens een faseovergang wordt (een gedeelte van) de toegevoerde energie gebruikt om de faseovergang te laten plaatsvinden en kan een plotselinge verandering worden waargenomen in de snelheid waarmee de temperatuur toeneemt. Hierop berusten technieken om faseovergangen te kunnen waarnemen (micro-
calorimetrie
).
Een voorbeeld uit de dagelijkse praktijk is een pan water op een vuur: de temperatuur van het water neemt snel toe totdat de faseovergang vloeistof naar damp begint. Op dat moment blijft de temperatuur stabiel op het
kookpunt
van 100 °C totdat al het water in dampvorm is overgegaan. Terwijl deze faseovergang erg duidelijk is en ook kan worden waargenomen zonder de temperatuur in de tijd te volgen, kunnen andere faseovergangen zo subtiel zijn dat er geen enkele andere manier is om ze betrouwbaar waar te nemen.
Een faseovergang in een kristallijn materiaal kan ook worden gevolgd door het maken van
kristallografische
metingen. Hieruit kan vaak in detail worden vastgesteld wat er in de stof verandert tijdens de overgang.
Het
bose-einsteincondensaat
is een laagenergetische toestand (lager dan de vaste toestand), waarbij de atomen als het ware samensmelten tot een groot atoom. Omdat ze bij zeer lage temperaturen zeer langzaam bewegen raakt hun positie volgens de
kwantummechanica
meer verspreid en gaat overlappen. Het condensaat hangt nauw samen met het
fermionisch condensaat
; het verschil tussen beiden ligt in het soort deeltjes dat versmelt.
De
plasmatoestand
is een hoogenergetische toestand (hoger dan de gastoestand) waarbij de
elektronen
loskomen van de kernen (geioniseerd gas).
Als een
vloeistof
zo snel
afkoelt
dat zij geen kristallen kan vormen, zal zij niet de
vaste fase
aannemen. Zij zal daarentegen de
amorfe
fase (glasfase) aannemen. De
temperatuur
waarbij een
vloeistof
omgezet wordt in de glasfase noemt men het
glaspunt
.
Wanneer men een stof nauwkeuriger bestudeert kunnen er binnen met name de vaste
aggregatietoestand
meerdere structuren worden gevonden, dit fenomeen wordt
polymorfie
genoemd. Zo zijn er voor
ijs
(vast water) wel zeven verschillende manieren bekend waarop de watermoleculen gerangschikt kunnen zijn. Dit zijn zeven
vaste
fasen van water. Deze verschillende vaste fasen van een stof treden op bij verschillen in druk en temperatuur. Ook kan het veranderen van de
afkoelsnelheid
bij stollen een andere
vaste fase
opleveren. De verschillen tussen polymorfen van dezelfde chemische stof kunnen groot zijn:
diamant
en
grafiet
zijn twee polymorfen van
koolstof
, die in veel
eigenschappen
verschillen als dag en nacht. Polymorfie bij een
enkelvoudige vaste stof
wordt
allotropie
genoemd.
Voor geneesmiddelen die in vaste vorm worden toegediend is het van groot belang om alle mogelijke vaste kristallijne fasen te verkennen alvorens het product op de markt te brengen. Een onbekende fase (polymorf) kan anders later de werking van het medicijn op gevaarlijke manieren veranderen.
Sommige
chemische verbindingen
kennen verschillende vloeistoffasen. De normale vloeistoffase die bijna alle verbindingen kennen wordt de
isotrope
vloeistoffase genoemd, dat wil zeggen dat er geen richting in kan worden herkend. De eigenschappen zijn hetzelfde in welke richting men ook kijkt. Naast de isotrope vloeistoffase bestaan er ook
anisotrope
vloeistoffasen, ook wel
vloeibaar kristallijne
fasen genoemd. In zo'n fase is er een zekere mate van richting en ordening; de moleculen kunnen bijvoorbeeld allemaal ongeveer dezelfde kant op wijzen, of in kolommen samenpakken.
Echt interessant wordt de faseleer, wanneer
mengsels
worden bestudeerd. Sommige vloeistoffen, zoals
water
en
alcohol
, zijn altijd en in elke verhouding
mengbaar
, andere, zoals water en
olie
, zijn altijd slecht mengbaar. Mengsels vertonen bij verschillende temperaturen verschillend gedrag: bijvoorbeeld
ontmenging
bij
suikerwater
, waaruit bij dalende temperatuur
opgeloste
suiker
neerslaat
/
kristalliseert
. Ook bij mengsels van vaste stoffen kunnen soortgelijke effecten optreden, die een dramatisch verschil kunnen uitmaken in de eigenschappen van materialen.
Zo is wit uitgeslagen
chocolade
het gevolg van een faseovergang van een van de in het
mengsel
chocola aanwezige componenten, waardoor ontmenging optreedt. Boven kamertemperatuur smelt de in de chocola aanwezige
cacaoboter
. Als de omgevingstemperatuur vervolgens daalt, zal de gesmolten cacaoboter stollen/
uitkristalliseren
, maar niet meer in het mengsel chocola terugkeren: er ontstaat een
segregatie
(fasenscheiding), waarbij de cacaoboter-
kristallen
zichtbaar zijn als witte uitslag. Een andere vorm van fasenscheiding in chocola ontstaat wanneer chocola bij hoge
luchtvochtigheid
of bij sterk wisselende temperaturen wordt bewaard. Er vormt zich dan
condens
op de chocola, waarin vervolgens de
suiker
uit de chocola
oplost
. Bij hogere temperatuur of afnemende luchtvochtigheid zal de condens verdampen en blijven de suikerkristallen achter.
Metaallegeringen
(metaalmengsels) bestaan meestal niet uit een vaste fase, maar kennen - afhankelijk van hun precieze samenstelling en temperatuur - meerdere vaste fasen. Dit wordt een
vaste oplossing of mengkristal
genoemd. Elke fase kenmerkt zich door een eigen manier waarop de atomen een
kristalrooster
vormen. De stabiliteit van de verschillende fasen van gemengde stoffen en de met deze stabiliteit samenhangende mengbaarheid van stoffen worden vaak weergegeven in een
fasediagram
, dat in een grafiek de compositie van een 2-componentensysteem tegen een externe variabele, bijvoorbeeld temperatuur, uitzet, of de compositie van een 3-componentensysteem bij vaste (invariabele) omstandigheden.
Tinpest
is een fasenscheiding die optreedt in het metaalrooster van de
zuivere stof
zilverwitte tin. Onder de 13,2 °C streven de tinionen naar een andere ruimtelijke rangschikking. De
nieuwe ruimtelijke rangschikking
van de tinionen heeft bij deze lagere temperaturen de grootste
stabiliteit
. Deze polymorf van tin is het grijszwarte α-tin. Zolang de faseovergang van zilverwitte β-tin naar de grijszwarte α-tin niet voltooid is bestaat het betreffende tinnen voorwerp dus uit een mengsel van twee polymorfen van tin.
Bronnen, noten en/of referenties
|