Stoffen en de dichtheid van materie

Na deze aflevering weet je precies hoe het zit met drie belangrijke vragen. Wat is het verschil tussen een zuivere stof en een mengsel? Hoe bepaal je de inhoud van een voorwerp met een grillige vorm? En hoe verklaart het molecuulmodel de drie fasen van een stof? Welkom bij PodThis en Study Session. Alles wat we om ons heen zien, noemen we in de natuurkunde stoffen.

Vandaag gaan we kijken naar stoffen en het verschil tussen mengsels en zuivere stoffen. Dit is de basis voor alles wat je in deze lessen van PodThis leert over de wereld om ons heen. In de natuurkunde en scheikunde is het begrip stoffen heel breed. Eigenlijk zijn alle materialen die we kennen voorbeelden van stoffen. Of je nu kijkt naar de tafel waaraan je zit, de lucht die je inademt of het water dat je drinkt. Het zijn allemaal stoffen. Het is een algemene manier om naar de bouwstenen van onze omgeving te kijken. Zelfs als we naar ons eigen lichaam kijken, zien we dat we volledig uit stoffen zijn opgebouwd. Stel je voor dat je je eigen lichaam onder een vergrootglas legt. Je ontdekt dan dat je voor bijna zeventig procent uit water bestaat. Dat is meer dan de helft van je hele gewicht. Maar water is natuurlijk niet de enige stof in je lijf. Je lichaam heeft ook vet nodig om goed te kunnen werken. Dat vet is ook een stof. Daarnaast zijn er eiwitten. Die zijn heel belangrijk voor je spieren en je organen. Zelfs je botten zijn gemaakt van stoffen, zoals kalk. Al deze verschillende materialen zijn voorbeelden van wat we in de wetenschap stoffen noemen. Alles wat je ziet en wat ruimte inneemt, valt onder die noemer. Nu we weten wat stoffen zijn, moeten we ze leren indelen. In het dagelijks leven komen we stoffen meestal niet alleen tegen. De meeste materialen die je gebruikt, zijn eigenlijk mengsels. Een mengsel is een verzameling van twee of meer verschillende stoffen die door elkaar heen zitten. Je kunt het vergelijken met een bak met verschillende soorten knikkers. Ze zitten bij elkaar in de bak, maar het blijven verschillende soorten. In de scheikunde betekent een mengsel dus simpelweg dat er meerdere soorten stoffen aanwezig zijn die samen één geheel vormen. Soms komt het voor dat een stof helemaal niet gemengd is met iets anders. In dat geval spreken we van een zuivere stof. Een zuivere stof bevat geen sporen van andere materialen. Het is één enkel type stof, zonder enige toevoeging. Dit verschil tussen een mengsel en een zuivere stof is heel belangrijk om te begrijpen hoe materialen in elkaar zitten. Laten we een voorbeeld nemen om dit duidelijker te maken. Kijk maar eens naar het metaal brons. Als je een bronzen beeld in een park ziet staan, lijkt het misschien één enkele, simpele stof. Maar als we brons wetenschappelijk bekijken, is het geen zuivere stof. Brons is een mengsel. Het is ontstaan door twee andere stoffen met elkaar te combineren. Die twee stoffen zijn koper en tin. Koper is op zichzelf een zuivere stof. Als je een blok puur koper hebt, zit daar niets anders in dan koper. Datzelfde geldt voor tin. Tin is ook een zuivere stof, zolang het niet met iets anders is vermengd. Maar wanneer een metaalbewerker koper en tin samenvoegt en laat samensmelten, ontstaat er een nieuw materiaal dat we brons noemen. Omdat brons uit deze twee verschillende onderdelen bestaat, noemen we het een mengsel. Veel materialen die wij als één ding zien, zijn in de scheikunde eigenlijk een combinatie van meerdere zuivere stoffen.

Stofeigenschappen zijn de specifieke kenmerken die ons vertellen welke stof we precies voor ons hebben. Nu je weet dat alles om ons heen uit stoffen bestaat, is dit een logische volgende stap. Wanneer je naar een materiaal of een voorwerp kijkt, zie je eigenlijk een verzameling van deze unieke eigenschappen. Een stofeigenschap is dus simpelweg een kenmerk waaraan je een stof kunt herkennen. Met deze kenmerken kun je de ene stof van de andere onderscheiden. Je kunt hierbij in de eerste plaats denken aan dingen die je direct met je eigen zintuigen kunt waarnemen. De kleur van een glimmende koperen munt is daar een duidelijk voorbeeld van. Of denk aan de sterke geur van een ui. Ook de smaak van een stof telt als een belangrijke eigenschap. Suiker herken je bijvoorbeeld direct aan de zoete smaak wanneer je het proeft. Toch moet je hier in een lokaal voor natuur- en scheikunde natuurlijk heel voorzichtig mee zijn. Veel stoffen zijn namelijk ongezond of zelfs gevaarlijk om te proeven of in te ademen. Naast de zaken die je direct ziet, proeft of ruikt, zijn er ook eigenschappen die je alleen door een meting of een proef kunt vaststellen. De hardheid van een materiaal is daar een goed voorbeeld van. De hardheid bepaalt of een stof gemakkelijk krassen kan maken op een ander oppervlak, of dat het juist zelf snel beschadigt. Een andere meetbare eigenschap die we vaak gebruiken is het kookpunt. Dit is de specifieke temperatuur waarbij een vloeistof overgaat in een gas. Voor een zuivere stof zoals water is dit kookpunt precies honderd graden. Ook de dichtheid is een stofeigenschap die we kunnen meten. De dichtheid vertelt ons iets over de massa van een stof in verhouding tot de ruimte die het inneemt. Al deze verschillende kenmerken samen helpen je om een stof te identificeren. Dit werkt zelfs als een stof op het eerste gezicht op een andere lijkt. Soms zijn de eigenschappen van een stof risicovol voor de mens of voor de omgeving. Een vloeistof kan bijvoorbeeld je huid ernstig aantasten of heel erg brandbaar zijn. Om deze risico's over de hele wereld op precies dezelfde manier duidelijk te maken, is er een internationaal systeem van pictogrammen ontwikkeld. Een pictogram is een klein en herkenbaar symbool op een verpakking. Het waarschuwt je direct voor de specifieke gevaren van een stof. Denk maar eens aan een fles met gootsteenontstopper die je thuis misschien in een keukenkastje hebt staan. Op de verpakking van dit middel staat een pictogram dat waarschuwt voor de bijtende eigenschap van de vloeistof. Dit betekent dat de stof je huid of je ogen ernstig kan beschadigen als je het aanraakt. Omdat dit systeem van pictogrammen wereldwijd hetzelfde is, kan iedereen de risico's begrijpen. Het maakt dan niet uit welke taal er verder op het etiket van de fles staat. Het is een onmisbare manier om de veiligheid te bewaken wanneer we met verschillende stoffen werken bij PodThis. Je kunt hier meer over lezen op bladzijde zevenenzeventig van je tekstboek. Door goed naar deze afbeeldingen te kijken, weet je altijd of je extra bescherming nodig hebt, zoals handschoenen of een veiligheidsbril. Vraag. Wat is het verschil tussen brons en koper als je kijkt naar het soort stof? Antwoord. Brons is een mengsel van de metalen koper en tin, terwijl koper zelf een zuivere stof is.

We gaan het nu hebben over dichtheid. Dat is een stofeigenschap die een meetbare waarde geeft aan de materialen die je eerder hebt leren herkennen aan hun uiterlijk. Je kunt dichtheid omschrijven als de massa van een bepaalde hoeveelheid stof. In de wetenschap gebruiken we de letter rho als symbool voor deze grootheid. Meestal drukken we dit uit in gram per kubieke centimeter. Een bekend voorbeeld hiervan is hout dat op water drijft. Dat gebeurt omdat één kubieke centimeter hout lichter is dan één kubieke centimeter water. In zo'n geval zeggen we dat de dichtheid van het hout kleiner is dan die van het water. Alles om ons heen heeft een eigen dichtheid. Dat geldt voor het water in je lichaam, maar ook voor de metalen in een sieraad. Als je zelf de dichtheid van een voorwerp wilt bepalen, heb je twee verschillende metingen nodig. Je moet de massa en het volume weten. De massa is de hoeveelheid materie waaruit een voorwerp bestaat. Dit meet je simpelweg door het voorwerp op een weegschaal te leggen. De uitkomst noteer je in gram of in kilogram. Het volume is de hoeveelheid ruimte die het voorwerp inneemt. In de natuurkunde gebruiken we daarvoor eenheden zoals de kubieke meter of de kubieke decimeter. In het dagelijks leven of in een laboratorium bij PodThis werk je vaker met milliliters of liters. Voor je berekeningen is het handig om te onthouden dat één milliliter precies hetzelfde is als één kubieke centimeter. Ook is één liter gelijk aan één kubieke decimeter. Bij een voorwerp met een strakke, rechthoekige vorm kun je het volume eenvoudig uitrekenen. Je meet de zijden en vermenigvuldigt de lengte met de breedte en de hoogte. Voor voorwerpen met een grillige vorm, zoals een steen of een sieraad, werkt een liniaal natuurlijk niet. In dat geval gebruik je de onderdompelmethode met een maatcilinder en water. Bij deze methode vul je een maatcilinder eerst met een laagje water. Je leest de beginstand heel nauwkeurig af, bijvoorbeeld vijftig milliliter. Daarna laat je het voorwerp voorzichtig in het water zakken. Je zult zien dat het waterpeil stijgt, omdat het voorwerp de plek van het water inneemt. Als de nieuwe stand in de cilinder achtenzestig milliliter is, bepaal je het volume door het verschil tussen deze twee getallen uit te rekenen. In dit voorbeeld trek je de vijftig milliliter af van de achtenzestig milliliter. De uitkomst is dan achttien milliliter. Omdat we weten dat milliliters en kubieke centimeters gelijk zijn, is het volume van het voorwerp achttien kubieke centimeter. Met deze twee gegevens, de massa van de weegschaal en het volume uit de cilinder, kun je de dichtheid van de stof vaststellen. Zo kun je materialen van elkaar onderscheiden op een manier die veel verder gaat dan alleen kijken of ruiken. Vraag. Noem drie voorbeelden van stofeigenschappen waaraan je een materiaal kunt herkennen. Antwoord. Drie voorbeelden zijn smaak, geur en kookpunt.

We gaan het hebben over atomen en moleculen. Dit zijn de bouwstenen van alle stoffen. Ze leggen uit waarom elk materiaal een eigen gewicht en omvang heeft. Alles om ons heen is opgebouwd uit stoffen. Je eigen lichaam bestaat bijvoorbeeld voor bijna zeventig procent uit water. Daarnaast bevat het stoffen als vet, eiwit en kalk. Om die stoffen echt te doorgronden, moeten we afdalen naar de allerkleinste deeltjes waaruit ze zijn opgebouwd. Moleculen zijn de kleinste brokjes van een stof die nog steeds alle kenmerken van die stof hebben. Stel dat je een stof steeds verder zou opsplitsen. Dan kom je uiteindelijk bij dit kleinste deeltje uit. Maar een molecuul is zelf ook weer opgebouwd uit nog kleinere onderdelen. Die allerkleinste bouwsteentjes noemen we atomen. Water is daar een heel helder voorbeeld van. Eén enkel watermolecuul bestaat uit één zuurstofatoom en twee waterstofatomen. In de scheikunde schrijven we dat met een specifieke code. Het wonderlijke is dat deze atomen los van elkaar totaal niet op water lijken. Pas als ze in deze precieze combinatie samenkomen, vormen ze de stof die wij kennen. In de natuur vinden we tweeënnegentig verschillende soorten atomen. Dat klinkt misschien als weinig voor de hele wereld. Toch kun je met deze beperkte set miljoenen verschillende stoffen maken. Dat komt doordat er eindeloos veel combinaties mogelijk zijn tussen al die atomen. Elke unieke mix levert weer een nieuwe stof op met eigen kenmerken. Er zijn ook stoffen die niet uit combinaties bestaan. Die zijn opgebouwd uit losse, identieke atomen die niet aan elkaar vastzitten in moleculen. Bekende voorbeelden daarvan zijn metalen zoals ijzer, koper en goud. In dat geval is het atoom zelf het kleinste deeltje dat bepaalt hoe de stof zich gedraagt. Als we deze materie bestuderen, kijken we op twee manieren naar stoffen. De eerste manier is het macroniveau. Dat is wat je direct met je zintuigen kunt waarnemen. Denk aan suikerwater. Je ziet dan dat de vloeistof helder is en je proeft dat het zoet is. Dat zijn eigenschappen op macroniveau. De tweede manier is het microniveau. Dan beschrijf je een stof door te kijken naar de moleculen en atomen. Op dat niveau zie je hoe de suikermoleculen zich tussen de watermoleculen door bewegen. We kunnen deze deeltjes niet met het blote oog zien. Toch helpen ze ons om alles wat we in de wereld om ons heen waarnemen te verklaren. Vraag. Hoe bereken je het volume van een onregelmatig voorwerp als het water in een maatcilinder stijgt van veertig naar vijfenveertig milliliter? Antwoord. Je trekt de beginstand van de eindstand af, dus het volume is vijf kubieke centimeter.

Het molecuulmodel en de drie fasen gaan eigenlijk een stap verder dan wat we weten over atomen. Ze leggen uit hoe die kleine bouwstenen samen bepalen in welke toestand een stof is. Om het gedrag van stoffen te begrijpen, gebruiken we in de natuurkunde een model. Zo'n model is een versimpelde weergave van de werkelijkheid. Het helpt ons om dingen voor te stellen die we normaal niet kunnen zien. Moleculen en atomen zijn namelijk veel te klein voor het blote oog. Zelfs met de allersterkste microscoop kun je ze niet zien. Daarom stelt het molecuulmodel deze deeltjes voor als kleine bolletjes. In dit model gelden een paar vaste regels. Om te beginnen zitten de moleculen niet strak tegen elkaar aan. Er zit lege ruimte tussen de bolletjes. Dat betekent dat er tussen die deeltjes echt helemaal niets zit. Daarnaast staan moleculen nooit stil. Ze zijn altijd in beweging en botsen de hele tijd tegen elkaar aan. De derde regel is dat moleculen elkaar aantrekken. Hoe dichter de deeltjes bij elkaar zijn, hoe sterker die kracht is. De temperatuur van een stof heeft veel invloed op dit gedrag. Als de temperatuur omhoog gaat, gaan de moleculen sneller bewegen en vaker botsen. Dit verklaart waarom stoffen in drie verschillende fasen voorkomen. We hebben de vaste fase, de vloeibare fase en de gasvormige fase. Bij water is dat goed te zien. We kennen dat als ijs, vloeibaar water en waterdamp. In de vaste fase, zoals bij ijs, zitten de moleculen heel dicht op elkaar op een vaste plek. Ze bewegen niet vrij rond, maar ze trillen wel de hele tijd op hun plek. Omdat de afstand tussen de bolletjes zo klein is, trekken ze elkaar heel hard aan. Daardoor houdt een vaste stof altijd zijn eigen vorm. Zodra een stof vloeibaar wordt, verandert de situatie op dat allerkleinste niveau. De moleculen hebben dan geen vaste plek meer en bewegen langs elkaar heen. Ze blijven nog wel bij elkaar in de buurt door de aantrekkingskracht, maar ze zitten niet meer vast aan één positie. Hierdoor heeft een vloeistof wel een vast volume, maar neemt het de vorm aan van het glas of de kan waar het in zit. In de gasvormige fase, zoals bij waterdamp, bewegen de moleculen heel ver uit elkaar. De afstand is dan zo groot dat de deeltjes elkaar bijna niet meer aantrekken. Ze schieten met hoge snelheid door de ruimte en botsen overal tegenaan. Omdat er zoveel lege ruimte tussen de deeltjes zit, kun je een gas makkelijk samenpersen. Je kunt deze processen op twee manieren bekijken. Kijk je naar de moleculen en hun bewegingen? Dan beschrijf je de stof op microniveau. Maar kijk je naar de eigenschappen die je met je zintuigen kunt waarnemen, zoals het feit dat ijs hard is of dat water stroomt? Dan noem je dat het macroniveau. Hier bij PodThis gebruiken we het molecuulmodel op microniveau om precies te verklaren wat wij op macroniveau zien gebeuren. Vraag. Hoeveel verschillende soorten atomen komen er in de natuur voor om al die miljoenen stoffen te maken? Antwoord. In de natuur komen tweeënnegentig verschillende atomen voor.

We gaan nu beginnen met de herhalingsquiz. Probeer elke vraag in je hoofd te beantwoorden voordat ik het goede antwoord verklap. Vraag. Wat is het verschil tussen een zuivere stof en een mengsel? Antwoord. Een zuivere stof bestaat uit slechts één soort stof, terwijl een mengsel is opgebouwd uit twee of meer verschillende stoffen. Vraag. Waarom staat er een pictogram op de verpakking van een fles gootsteenontstopper? Antwoord. Dit symbool dient als een internationale waarschuwing voor de gevaren van de stof, zoals de bijtende eigenschap die schade kan aanrichten. Vraag. Hoe bepaal je het volume van een voorwerp met een onregelmatige vorm? Antwoord. Je gebruikt hiervoor de onderdompelmethode, waarbij je kijkt hoeveel het water in een maatcilinder stijgt als je het voorwerp erin laat zakken. Vraag. Wat is het onderscheid tussen kijken naar een stof op macroniveau en op microniveau? Antwoord. Op macroniveau kijk je naar eigenschappen die je met je zintuigen kunt waarnemen, terwijl je op microniveau de stof beschrijft aan de hand van moleculen. Vraag. Hoe verschilt de beweging van moleculen in een gasvormige fase van die in een vaste fase? Antwoord. In een gas bewegen de moleculen ver uit elkaar en trekken ze elkaar nauwelijks aan, terwijl ze in een vaste stof op een vaste plek trillen.

Hoeveel van de vijf? Luister het hoofdstuk opnieuw voor elke vraag die je miste.