1.3: Classificatie van de materie

Pure stoffen en mengsels

Een zuivere chemische stof is elke materie die een vaste chemische samenstelling en karakteristieke eigenschappen heeft. Zuurstof, bijvoorbeeld, is een zuivere chemische stof die een kleurloos, reukloos gas is bij 25°C. Zeer weinig materiemonsters bestaan uit zuivere stoffen; in plaats daarvan zijn de meeste mengsels, dat zijn combinaties van twee of meer zuivere stoffen in variabele verhoudingen waarin de afzonderlijke stoffen hun identiteit behouden. Lucht, leidingwater, melk, blauwe kaas, brood, en vuil zijn allemaal mengsels. Als alle delen van een materiaal zich in dezelfde toestand bevinden, geen zichtbare grenzen hebben, en overal gelijk zijn, dan is het materiaal homogeen. Voorbeelden van homogene mengsels zijn de lucht die we inademen en het leidingwater dat we drinken. Homogene mengsels worden ook wel oplossingen genoemd. Zo is lucht een oplossing van stikstof, zuurstof, waterdamp, kooldioxide en verschillende andere gassen; leidingwater is een oplossing van kleine hoeveelheden van verschillende stoffen in water. De specifieke samenstelling van beide oplossingen ligt echter niet vast, maar hangt af van zowel de bron als de plaats; zo is de samenstelling van kraanwater in Boise, Idaho, niet dezelfde als die van kraanwater in Buffalo, New York. Hoewel de meeste oplossingen die we tegenkomen vloeibaar zijn, kunnen oplossingen ook vast zijn. De grijze stof die nog steeds door sommige tandartsen wordt gebruikt om gaatjes in tanden te vullen, is een complexe vaste oplossing die voor 50% uit kwik bestaat en voor 50% uit een poeder dat voornamelijk zilver, tin en koper bevat, met kleine hoeveelheden zink en kwik. Vaste oplossingen van twee of meer metalen worden gewoonlijk legeringen genoemd.

Als de samenstelling van een materiaal niet volledig uniform is, dan is het heterogeen (b.v. chocolate chip koekjesdeeg, blauwe kaas, en vuil). Mengsels die homogeen lijken, blijken na microscopisch onderzoek vaak heterogeen te zijn. Melk, bijvoorbeeld, lijkt homogeen, maar wanneer het onder een microscoop wordt onderzocht, bestaat het duidelijk uit kleine vet- en eiwitbolletjes die in water zijn verspreid. De bestanddelen van heterogene mengsels kunnen meestal met eenvoudige middelen worden gescheiden. Mengsels van vaste stoffen en vloeistoffen, zoals zand in water of theebladeren in thee, kunnen gemakkelijk worden gescheiden door filtratie, waarbij het mengsel door een barrière wordt geleid, zoals een zeef, met gaten of poriën die kleiner zijn dan de vaste deeltjes. In principe kunnen mengsels van twee of meer vaste deeltjes, zoals suiker en zout, worden gescheiden door microscopische inspectie en sortering. Meestal zijn echter complexere bewerkingen nodig, zoals bij het scheiden van goudklompjes uit riviergrind door middel van pannen. Eerst wordt vast materiaal uit het rivierwater gefilterd; vervolgens worden de vaste stoffen door inspectie gescheiden. Als goud in gesteente is ingebed, moet het eventueel met chemische methoden worden geïsoleerd.

Figuur 1.2.2: Een heterogeen mengsel. Onder de microscoop is volle melk eigenlijk een heterogeen mengsel van vet- en eiwitbolletjes, verspreid in water. Figuur gebruikt met toestemming van Wikipedia

Homogene mengsels (oplossingen) kunnen worden gescheiden in hun samenstellende stoffen door fysische processen die berusten op verschillen in een of andere fysische eigenschap, zoals verschillen in hun kookpunten. Twee van deze scheidingsmethoden zijn destillatie en kristallisatie. Bij destillatie wordt gebruik gemaakt van verschillen in vluchtigheid, een maat voor het gemak waarmee een stof bij een bepaalde temperatuur in een gas wordt omgezet. Een eenvoudig destillatietoestel voor het scheiden van een mengsel van stoffen, waarvan ten minste één een vloeistof is. Het meest vluchtige bestanddeel kookt het eerst en wordt in de watergekoelde condensor teruggecondenseerd tot een vloeistof, van waaruit het in de opvangkolf stroomt. Wanneer bijvoorbeeld een oplossing van zout en water wordt gedestilleerd, verzamelt de vluchtigste component, zuiver water, zich in de opvangkolf, terwijl het zout in de destillatiekolf blijft.

Figuur 1.2.3: De destillatie van een oplossing van keukenzout in water. De oplossing van zout in water wordt in de destillatiekolf verwarmd tot het kookt. De resulterende damp is verrijkt met de meer vluchtige component (water), die in de koude condensor condenseert tot een vloeistof en vervolgens wordt opgevangen in de opvangkolf.

Mengsels van twee of meer vloeistoffen met verschillende kookpunten kunnen worden gescheiden met een complexer destillatietoestel. Een voorbeeld is de raffinage van ruwe aardolie tot een reeks nuttige producten: vliegtuigbrandstof, benzine, kerosine, dieselbrandstof en smeerolie (in de volgorde van afnemende vluchtigheid). Een ander voorbeeld is de distillatie van alcoholische dranken zoals brandy of whisky. Deze betrekkelijk eenvoudige procedure bezorgde de federale autoriteiten in de jaren 1920 tijdens het tijdperk van de Drooglegging meer dan wat hoofdbrekens, toen illegale distilleerketels in afgelegen gebieden van de Verenigde Staten welig tierden.

Kristallisatie scheidt mengsels op basis van verschillen in oplosbaarheid, een maat voor de hoeveelheid vaste stof die opgelost blijft in een bepaalde hoeveelheid van een gespecificeerde vloeistof. De meeste stoffen zijn beter oplosbaar bij hogere temperaturen, zodat een mengsel van twee of meer stoffen bij een hoge temperatuur kan worden opgelost en vervolgens langzaam kan afkoelen. Als alternatief kan men de vloeistof, het oplosmiddel genaamd, laten verdampen. In beide gevallen vormt de minst oplosbare van de opgeloste stoffen, degene die het minst waarschijnlijk in oplossing zal blijven, gewoonlijk het eerst kristallen, en deze kristallen kunnen door filtratie uit de overblijvende oplossing worden verwijderd.

Figuur 1.2.4: De kristallisatie van natriumacetaat uit een geconcentreerde oplossing van natriumacetaat in water. De toevoeging van een klein “zaad”-kristal (a) zorgt ervoor dat de verbinding witte kristallen vormt, die groeien en uiteindelijk het grootste deel van de kolf in beslag nemen. De video kan hier worden gevonden: https://www.youtube.com/watch?v=BLq5NibwV5g

De meeste mengsels kunnen worden gescheiden in zuivere stoffen, die ofwel elementen ofwel verbindingen kunnen zijn. Een element, zoals grijs, metallisch natrium, is een stof die niet door chemische veranderingen kan worden gesplitst in eenvoudiger stoffen; een verbinding, zoals wit, kristallijn natriumchloride, bevat twee of meer elementen en heeft chemische en fysische eigenschappen die gewoonlijk verschillen van die van de elementen waaruit zij is samengesteld. Op enkele uitzonderingen na heeft een bepaalde verbinding dezelfde elementaire samenstelling (dezelfde elementen in dezelfde verhoudingen), ongeacht de herkomst of geschiedenis ervan. De chemische samenstelling van een stof wordt gewijzigd in een proces dat een chemische verandering wordt genoemd. De omzetting van twee of meer elementen, zoals natrium en chloor, in een chemische verbinding, natriumchloride, is een voorbeeld van een chemische verandering, die vaak een chemische reactie wordt genoemd. Momenteel zijn er ongeveer 115 elementen bekend, maar uit deze 115 elementen zijn miljoenen chemische verbindingen bereid. De bekende elementen zijn opgenomen in het periodiek systeem.

In het algemeen worden verbindingen in een omgekeerd chemisch proces afgebroken tot hun elementen. Zo kan bijvoorbeeld water (een verbinding) worden ontleed in waterstof en zuurstof (beide elementen) door een proces dat elektrolyse wordt genoemd. Bij elektrolyse levert elektriciteit de energie die nodig is om een verbinding te scheiden in haar samenstellende elementen (figuur 1.2.5). Een soortgelijke techniek wordt op grote schaal gebruikt om zuiver aluminium, een element, te verkrijgen uit zijn ertsen, die mengsels van verbindingen zijn. Omdat voor elektrolyse veel energie nodig is, vormen de elektriciteitskosten verreweg de grootste kostenpost bij de produktie van zuiver aluminium. Het recycleren van aluminium is dus zowel rendabel als ecologisch verantwoord. De algemene organisatie van de materie en de methoden om mengsels te scheiden zijn samengevat in figuur 1.2.6.