Koelvloeistof kiezen voor een demo-opstelling
Een techniekleerling bouwt een demo-opstelling waarin 5 L vloeistof een plaat van 90 °C moet afkoelen. De vloeistof moet in een onverwarmde werkplaats minstens tot -15 °C vloeibaar blijven, mag niet brandbaar zijn en moet met een pomp rondgepompt kunnen worden. Hij vergelijkt vier stoffen. Water: kookpunt 100 °C, stolpunt 0 °C, klein molecuul met twee OH-groepen. Ethanol: kookpunt 78 °C, stolpunt -114 °C, brandbaar. Hexaan: kookpunt 69 °C, stolpunt -95 °C, brandbaar, mengt niet met water. Glycerol (propaan-1,2,3-triol): kookpunt 290 °C, stolpunt 18 °C, stroperig. Een verzadigde keukenzoutoplossing stolt bij ongeveer -20 °C en kookt bij ongeveer 108 °C; een 40%-calciumchlorideoplossing stolt bij ongeveer -30 °C. De leerling wil de vloeistof ook gebruiken om statische lading uit de opstelling af te voeren.
1. Verklaar met intermoleculaire krachten waarom water een hoger kookpunt heeft dan hexaan, terwijl een hexaanmolecuul veel zwaarder is dan een watermolecuul.
Read the worked answer
Kookpunt wordt bepaald door de kracht die nodig is om moleculen uit de vloeistoffase los te maken, niet door de massa van het molecuul.
- Water heeft twee O–H-groepen met een sterk elektronegatieve zuurstof en een waterstof die aan zuurstof gebonden is. Tussen watermoleculen ontstaan waterstofbruggen: de waterstof van het ene molecuul wordt aangetrokken door het vrije elektronenpaar op de zuurstof van een ander molecuul. Bovendien kan één watermolecuul met meerdere buren waterstofbruggen vormen (netwerk).
- Hexaan (C₆H₁₄) is een koolwaterstof: alleen C–H- en C–C-bindingen, dus vrijwel geen dipool. Tussen hexaanmoleculen werken alleen vanderwaalskrachten (tijdelijke dipolen). Die worden wel sterker bij grotere moleculen, maar blijven veel zwakker dan waterstofbruggen.
De waterstofbruggen in water zijn dus sterker dan de (weliswaar talrijkere) vanderwaalskrachten in hexaan. Daarom moet water tot 100 °C worden verhit voordat de moleculen loskomen, terwijl hexaan al bij 69 °C kookt. De grotere massa van hexaan weegt daar niet tegenop: massa beïnvloedt de vanderwaalskracht, maar verandert niets aan de aanwezigheid van waterstofbruggen.
2. Kies een vloeistof of mengsel dat aan alle eisen voldoet en beargumenteer je keuze. Leg voor elk van de afgevallen opties uit welk eis niet gehaald wordt.
Read the worked answer
Eisen: vloeibaar van -15 °C tot minstens 90 °C, niet brandbaar, pompbaar, en elektrisch geleidend.
Keuze: een geconcentreerde zoutoplossing, bijvoorbeeld 40% calciumchloride (of een verzadigde keukenzoutoplossing).
- Water alleen valt af: het stolt bij 0 °C, dus in een werkplaats van -15 °C wordt het ijs en kan de pomp het niet meer rondpompen.
- Ethanol valt af op brandbaarheid (vlampunt ver onder kamertemperatuur) en het kookt al bij 78 °C, dus bij een plaat van 90 °C zou het gaan koken en druk opbouwen.
- Hexaan valt af op brandbaarheid én op het kookpunt van 69 °C; bovendien mengt het niet met water, wat bij lekkage lastig opruimen is.
- Glycerol valt af op het stolpunt van 18 °C: in de koude werkplaats is het een vaste, stroperige stof die niet te pompen is (en de hoge viscositeit maakt pompen ook bij kamertemperatuur al zwaar).
Een opgelost zout verlaagt het stolpunt en verhoogt het kookpunt (vriespuntsdaling en kookpuntsverhoging zijn evenredig met het aantal opgeloste deeltjes). Met calciumchloride haal je ruim -15 °C, blijft de vloeistof bij 90 °C vloeibaar, en is de oplossing niet brandbaar. Nadeel dat je moet noemen: zoutoplossingen zijn corrosief voor metaal, dus de opstelling moet van kunststof of RVS zijn.
3. De leerling wil de vloeistof gebruiken om statische lading af te voeren. Leg uit of zijn gekozen vloeistof daarvoor geschikt is en of glycerol dat ook is. Betrek de aanwezigheid van vrije ladingsdragers in je antwoord.
Read the worked answer
Geleiding vereist vrije ladingsdragers die zich door de vloeistof kunnen verplaatsen.
- In de gekozen zoutoplossing zijn ionen aanwezig (Ca²⁺ en Cl⁻). Die ionen zijn vrij beweeglijk in de oplossing en kunnen onder invloed van een spanningsverschil naar de elektroden bewegen: de oplossing geleidt. Statische lading kan via de vloeistof naar aarde wegvloeien, dus de oplossing is geschikt als antistatisch middel (wel opletten dat de vloeistof zelf niet in de buurt van spanningvoerende delen komt).
- Glycerol is een moleculaire stof: de moleculen zijn neutraal en er zijn geen ionen. Vaste stof of vloeistof, glycerol geleidt de stroom vrijwel niet. Als antistatisch middel is het dus ongeschikt, ook al is het poolachtig en mengt het goed met water.
Dezelfde redenering verklaart waarom vast keukenzout geen stroom geleidt (ionen zitten vast in het rooster) terwijl gesmolten zout of een zoutoplossing dat wel doet: pas als de ionen kunnen bewegen, is er geleiding.