Green Engineering E41
stoffen en mengsels
Paul Feenstra Kuiper, november 2013
Inleiding
Green Engineering leidt o.a. op voor het werkterrein van de biobased economy.
Voor het opwaarderen van groene (rest)stromen tot brandstoffen, materialen, zuivere grondstoffen, voedsel en medicijnen is o.a. scheikundige kennis van stoffen en
bewerkingen nodig.
Stoffen
We worden omringd door materie, die uit miljoenen verschillende stoffen bestaat. De verschillen tussen die stoffen kunnen we voor een deel direct waarnemen met onze zintuigen. Verschillen zoals kleur, structuur, geur en smaak. Voor weer andere stofeigenschappen gebruiken we technische definities en meetmethodes, bijv. voor dichtheid, kookpunt, zuurgraad en geleidbaarheid.
Fasen van stoffen
Stoffen komen voor als gas, als vloeistof en als vaste stof.
De 3 fasen kunnen naast elkaar voorkomen.
Deze ijsberen bevinden zich te midden van de 3 fasen van water: ijs is vast, water is vloeibaar en boven het water is de (niet zichtbare) gasfase die we waterdamp noemen.
De overgangen van de ene fase naar de andere heten:
smelten (ijs wordt water)
verdampen (water wordt waterdamp) condenseren (mist, nevel, beslagen ruit) stollen (afkoelen frituurvet)
vloeistof gas
en en
condenseren
verdampen
Zuivere stoffen
Materie komt in de 3 fasen voor als mengsels en als zuivere stoffen. In de natuur komen alleen mengsels voor. Zuivere stoffen zijn een product van menselijk handelen.
Een stof is zuiver als alle deeltjes van die stof dezelfde samenstelling hebben. Die deeltjes worden onderscheiden in elementen en deeltjes die zijn samengesteld uit 2 of meer elementen.
Een element is een stof die chemisch niet verder kan worden gesplitst in kleinere deeltjes. Voorbeelden van elementaire zuivere stoffen zijnwaterstofgas (gas fase), kwik (vloeistof fase) en zuiver goud (vaste fase).
In een samengestelde stof zijn de deeltjes opgebouwd uit meer dan 1 element.
Voorbeelden zijn methaangas (bestaat uit de elementen koolstof en waterstof), zuiver water (waterstof en zuurstof) en kristalsuiker (koolstof, waterstof en zuurstof).
Verreweg de meeste zuivere stoffen zijn samengestelde stoffen.
materie
zuivere stof mengsel
element samengesteld heterogeen
meerfase vaste fase
homogeen
oplossing
suspensie colloïd
deeltjes <1 nm
oplossing van metalen heet legering deeltjes >1 µm
- aerosol - droog schuim - stofwolk
deeltjes van 1 nm tot 1 µm
- emulsie - gel - nat schuim - nevel - rook
10-9 10-6 m
10-9 10-6 m 10-9 10-6 m
één soort chemisch niet-splitsbare deeltjes
één soort deeltjes, opgebouwd uit 2 of meer elementen
Mengsels
Mengsels zijn onzuivere stoffen en bestaan uit tenminste 2 soorten deeltjes.
In een homogeen mengsel zijn de verschillende stoffen zo goed gemengd, dat de samenstelling constant is.
Een homogeen mengsel wordt een oplossing genoemd. Een oplossing van metalen heet een legering. Bijv. een geliefd materiaal voor kunstvoorwerpen is brons, een legering van koper en 10-30% tin.
Oplossingen hebben met elkaar gemeen, dat de deeltjes kleiner zijn dan 1 nm (nanometer of 10-9 m).
Bij heterogene mengsels is de samenstelling niet constant.
De eerste onderverdeling is op fasen: alles vaste fase of combinaties van meerdere fasen.
Bij de meer fase mengsels wordt verder onderverdeeld op deeltjesgrootte.
We spreken dan van een suspensie of een colloïd.
Een suspensie heeft de grootste deeltjes, vanaf 1 µm (micrometer of 10-6 m). Een suspensie zakt altijd uit, het is dus een tijdelijk mengsel.
Een colloïd heeft een deeltjesgrootte tussen suspensie en oplossing, van 1 nm tot 1 µm.
Een colloïd zakt niet uit en komt voor het oog over als een oplossing.
Onder een sterke microscoop is wel waarneembaar dat het een heterogeen mengsel is.
Opdrachten
1. Bij vriezend weer neemt de dikte van een laag sneeuw af. Er ontstaat dan waterdamp.
Hoe wordt deze faseovergang genoemd?
2. Carla houdt van suikerwater met ijsblokjes. Hoeveel verschillende deeltjes zitten er in dat mengsel?
3. Geef bij onderstaande mengsels aan of ze homogeen of heterogeen zijn:
- blubber:
- beton:
- latexverf:
- suikervrije cola:
4. Geef bij onderstaande mengsels aan: suspensie, colloïd of oplossing - helder glas:
- mayonaise:
- 18 karaats goud:
- tomatensap:
- vloeibare lucht in duikersfles:
- zeepsop:
- haargel:
- vloeibare printer inkt:
5. Leg uit wat het verschil is tussen:
- een homogeen mengsel en een heterogeen mengsel:
- een rook en een nevel:
6. Van welke stoffen is stroop een mengsel?
7. Geef een voorbeeld uit het dagelijks leven van:
- een rook:
- een nevel:
- een schuim:
8. In toiletten van o.a. restaurants worden vaak vaste geurblokjes gebruikt. Hoe heet de fase verandering, waardoor de geur wordt verspreid?
9. Mayonaise is een troebel mengsel van olie en azijn. Hieraan zijn eigeel, peper, zout en mosterd toegevoegd.
- wat is de naam van een vloeibaar troebel mengsel:
- maak een schematische tekening van mayonaise met de oliedeeltjes en azijndeeltjes als bolletjes:
- waarom wordt eigeel aan de mayonaise toegevoegd:
