Waarom heeft een exotherme faseovergang activeringsenergie nodig voordat het energie afstaat?

Jan stelde deze vraag op 01 oktober 2017 om 15:56.

 Ik heb voor mijzelf als voorbeeld de faseovergang van gas naar vloeistof bij water gebruikt. Hiervan heb ik een energiediagram getekent.

Na het bestuderen van dit energiediagram ben ik tot de conclusie gekomen dat de activeringsenergie nodig is omdat het gas anders uit zichzelf over zou gaan naar water. Maar dit is nog steeds een eigennaardig principe als je er over na denkt. Mijn vraag is nu dus, Waar wordt de activeringsenergie van een exotherme faseovergang voor gebruikt. En geldt dit hetzelfde als voor een endotherme reactie?

Alvast dank voor de hulp,
Jan
P.S. Ik weet dat deze vraag nogal naar de scheikunde kant toewijkt, desalnietemin heb ik het gevoel dat het antwoord op de vraag toch ook met natuurkunde te maken heeft.

Bijlagen:

Reacties

Theo de Klerk op 01 oktober 2017 om 16:50
Zie het als een bal die tegen een klein opstaand randje ligt waarachter een enorme kuil. Om in die kuil te komen (lagere zwaarte-energie) moet het eerst over het randje heen. Daar is energie voor nodig (tijdelijk meer zwaarte-energie nodig).
Klassiek zal er nooit iets in de kuil verdwijnen zonder dat beetje energie. Op niveau van kerndeeltjes (waar quantum mechanica een rol gaat spelen) blijkt dat ondanks dat kleine randje sommige kernen wel in de kuil kunnen komen: tunnel-effect.

Voor exotherme reacties geldt iets soortgelijks. De binding tussen de atomen in een molecuul moet eerst verbroken worden (endotherm) alvorens een nieuwe toestand kan ontstaan van 2 aparte moleculen die samen minder energie nodig hebben: die energie wordt afgestaan: exotherm.

Twee losse moleculen kunnen eerst energie nodig hebben om elkaar dicht genoeg te naderen (endotherm). Als dat lukt, dan reageren ze tot een nieuwe stof die minder energie nodig heeft: de overtollige energie wordt afgegeven: exotherm.

Dit soort energie-beschouwingen ligt inderdaad niet duidelijk op het natuurkunde- of scheikunde-vlak. De natuur is ook niet zo strikt opgescheiden als we het als "vakken" graag zouden zien.
Jan op 01 oktober 2017 om 17:00

Theo de Klerk plaatste:

Zie ... zien.
Dank voor de verhelderende uitleg. Hoewel dit mij een beter begrip geeft over endotherme en exotherme reacties, Maakt dit proces van een faseovergang (zonder dat er een reactie plaatsvindt) niet duidelijker. Bij het condenseren van waterdamp bijvoorbeeld is er geen binding die eerst verbroken moet worden. Mij lijkt het dat door het eerst toevoegen van energie, er alleen maar meer warmte moet worden afgegeven.
Theo de Klerk op 01 oktober 2017 om 17:47
Mijn fout - endotherm/exotherm koppelde ik meteen aan "reactie". Zeker bij een plaatje dat "reactieverloop" als as heeft. Dat is het niet: het is een tijdsas waarbij de energie van water in de tijd is uitgezet - waarbij een overgang wordt getoond, geen reactie. En blijkbaar verandert ook de temperatuur want anders is er geen fase overgang.

Bij een bepaalde temperatuur is er een evenwicht tussen gas en vloeistof. Sommige vloeistofdeeltjes zullen een "ontsnappingssnelheid" krijgen vanuit de vloeistof door gelukkige combinatie van botsingen. Andere deeltjes in het gas zullen door botsingen energie verliezen en weer terugkeren in de vloeistof. In dit evenwicht kun je een "dampspanning" bepalen. Bij elke temperatuur is er ook een maximum dampspanning. Als de maximale hoeveelheid is verdampt dan spreek je van "100% luchtvochtigheid". Da's vervelend voor mensen want zweten heeft dan geen zin: het zweet verdampt niet en je koelt er niet door af. Bij hoge vochtigheidsgraden is het ook niet plezierig: men spreekt van "klam" of "plakkerig" weer en je zweet enorm en wordt kletsnat want het zweet verdampt maar weinig en maakt je huid nat en je koelt ook maar weinig af.

Bij het koken van een vloeistof gebeurt er wat bijzonders. Dan is de dampspanning gelijk aan de buitenluchtdruk en kan water koken: er ontstaan overal in de vloeistof gasbellen. Niet gevuld met lucht maar met waterdamp. De druk erin is 1 atmosfeer. De bellen stijgen op (Wet van Archimedes) en "verdampen" aan het oppervlak. Dat gaat door tot er geen vloeistof meer is.
De energie die je toevoert (koken met aardgas) wordt gebruikt om deeltjes een snelheid te geven waarmee ze zich losmaken van de aantrekkingskracht tussen de vloeistof watermoleculen.
Omgekeerd zal bij afkoelen energie verdwijnen (daardoor koelt het af) waardoor de waterdamp deeltjes minder snelheid overhouden, er minder waterdamp in de lucht kan blijven (dampspanning neemt af) en de deeltjes condenseren tot water: de gasdeeltjes bewegen "zo langzaam" dat ze elkaar weer kunnen aantrekken en tot vloeistof compact samengaan.

Je ziet bij een energie (warmte)-temperatuur grafiek ook dat bij smelten/stollen of koken/condenseren energie wordt opgenomen/vrijgegeven om de onderlinge bindingen tussen watermoleculen te verbreken/te herstellen. Gedurende dat proces blijft de temperatuur constant: kook- of smelttemperatuur. Alle energie wordt gebruikt om die verbindingen te verbreken of komt vrij als de verbindingen hersteld worden.

Er is voor dit verdampen of condenseren geen "drempelenergie" nodig: het gebeurt bij elke temperatuur en wel zodanig dat maximaal de dampspanning wordt bereikt. Dan is er een evenwicht tussen "uit de vloeistof" en "terug in de vloeistof".
Verdampen is endotherm (energie nodig), condenseren exotherm (de energie komt weer vrij). Ditto voor smelten resp. stollen.

Bij verlaging van de temperatuur gaat vanzelf damp over in vloeistof. Daar is geen "duwtje" voor nodig. De hobbel in je tekening is er dan ook niet voor zover ik weet. (Ook dat zette me op het verkeerde been: bij sommige reacties is die wel nodig).

Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Ariane heeft zevenentwintig appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Ariane nu over?

Antwoord: (vul een getal in)