Verdamping van vloeistoffen
  (CoachLab Experiment)

Datum: augustus 2004

Principe: Een temperatuur sensor gebruiken om het effect van verdamping op de temperatuur vast te stellen voor verschillende vloeistoffen.

Materiaal:

  • keukenrolpapier

  • temperatuursensor

  • elastiekje

  • reageerbuis

  • schaar

  • lekbakje

  • CoachLabII interface gekoppeld aan een PC
  • CoachLab software
  • ethanol
  • spiritus (ethanol/methanol)
  • thinner (tolueen)
  • wasbenzine (alkanen)
  • isopropanol (IPA)
  • aceton (propanon)
  • water

Uitvoering:

  • Neem een vel keukenrolpapier en knip dat op in een aantal even brede stroken.

  • Wikkel een strook om de temperatuursensor en bevestig deze met het elastiekje. De strook moet strak om de sensor zitten.

  • Steek de sensor in CoachLab.

  • Leg deze op de rand van de tafel en leg een lekbakje onder de sensor.

  • Start Coachlab Junior op. Selecteer het project "Het laboratorium" en vervolgens "Afdeling Natuurkunde".

  • Selecteer en activeer de temperatuursensor.

  • Noteer de kamertemperatuur die je als eerste meet.

  • Zet de meetinstelling op 15 minuten met een frequentie van 1/sec.

  • Plaats een grafiek in een van de vensters. Pas de Y-as aan zodat je binnen een temperatuurbereik van 5/10-30 °C meet.

  • Definieer in het andere scherm een tabel.

  • Voeg als commentaarregel toe welke vloeistof je gaat onderzoeken.

  • Start eerst het experiment en maak het strookje goed nat met enkele druppels vloeistof.

  • Wacht tot na de 15 minuten. Sla de resultaten op, 

  • Exporteer de tabel als een tekst file (txt).

  • Droog  elastiekje en sensor.

  • Start de meting pas als de temperatuursensor de kamertemperatuur aangeeft.

  • Onderzoek een ander vloeistof en vergeet niet de commentaarregel aan te passen.

Resultaten:

De txt resultaat files die geëxporteerd werden uit CoachLab na elke meting zijn vervolgens in een excel sheet geïmporteerd (resultaten.xls) waarna de meetresultaten grafisch uitgewerkt werden zoals weergegeven in onderstaande grafiek:

Analyseer de meetresultaten tevens op de behaalde minimum en maximum temperatuur en bereken het temperatuurverschil.

Het resultaat is samengevat in onderstaande tabel.

Discussie:

Verdamping is een endotherm proces waarvoor warmte nodig is. Die warmte wordt onttrokken van de omgeving hetgeen resulteert in een temperatuurdaling die we dus meten.

Door de manier waarop we het experiment opgezet hebben gaan we ervan uit dat we iedere keer ongeveer dezelfde hoeveelheid materiaal opnemen in de tissues. 

De vraag is nu of we een relatie kunnen vinden tussen een of meerder eigenschappen van de stoffen die we gemeten hebben en de temperatuurdaling die we gemeten hebben. Intuïtief denken we dan als eerste aan het kookpunt. Zetten we dit nu grafisch uit dan krijgen we onderstaande grafiek.
Vergelijken we nu thinner/wasbenzine met water dan lijkt dat aardig op te gaan. Aceton heeft een veel lager kookpunt, verdampt dus makkelijker/sneller, daarvoor is veel warmte nodig. De temperatuur daalt dan het verst, de aceton is echter ook sneller helemaal /grotendeels verdampt waardoor in de tijd gezien de temperatuur ook sneller begint te klimmen. 
Met deze redenatie kunnen we ook de vorm van de curve verklaren.

We kunnen op basis van dit experiment niet concluderen dat er een significant verschil is tussen de thinner en de wasbenzine. De stoffen die we in bewerking hebben genomen zijn handelsoplossingen waarvan we alleen maar een globale omschrijving hebben of alleen maar de hoofdcomponent kennen. Onzuiverheden en een andere samenstelling kunnen het kookpunt beïnvloeden. Voor wasbenzine hebben we slechts een range tot onze beschikking en geen gemeten kookpunt. Ook kunnen er nog kleine verschillen zijn in de hoeveelheid materiaal die we in bewerking hebben genomen.

We zien echter ook duidelijk in de grafiek dat de relatie tussen kookpunt en temperatuurdaling niet opgaat voor de alcoholen en het water. 

De mate waarin de temperatuur daalt is, zoals aan bovenstaande  resultaten te zien is afhankelijk van de stof die men gebruikt en wordt dus bepaald door bepaalde eigenschappen van die stoffen. Naast het kookpunt en viscositeit kunnen we echter ook denken aan intermoleculaire aantrekkingskrachten zoals bv waterstofbrugvorming (H-brug), deze laatste heeft ook invloed op de viscositeit. Indien er waterstofbrugvorming kan optreden "klitten" de moleculen beter aan elkaar, de oplossing wordt "stroperiger" (viscositeit) en verdampt moeilijker.
Een grootheid waarmee we het dipoolmoment kunnen uitdrukken is de Debye.  
In nevenstaande tabel hebben we de belangrijkste getallen gerangschikt.

Zouden we alleen het kookpunt hanteren dat zouden we verwachten dat ethanol door verdamping een groter temperatuurverschil zou creëren dan isopropanol. Aan het verschil in dipoolmoment tussen water en ethanol kunnen we zien dat een groter dipoolmoment meer waterstofbrugvorming impliceert (of sterkere bindingen). Het verschil in kookpunt tussen ethanol en IPA is relatief klein, het verschil in dipoolmoment is echter relatief groot. Ethanol, net als water heeft een groter dipoolmoment heeft dan IPA. Het lijkt er dus op alsof een lager dipoolmoment leidt tot meer vluchtigheid.

Op basis van deze metingen zijn geen spijkerharde conclusies te trekken over de relaties die we gelegd hebben. Meer experimenten zouden nodig zijn om dat te bewijzen. Ze zijn op zijn minst echter sterke aanwijzingen.

Conclusie:

  • Stoffen die H-brug vorming kunnen ondergaan laten een kleiner temperatuurverschil zien vergeleken met het verschil in kookpunt.
  • Naast kookpunt speelt de mogelijkheid om H-bruggen te vormen ook een grote rol bij de vluchtigheid die een stof bezit.

Opmerkingen:

  • Als je twee temperatuursensoren hebt kun je twee vloeistoffen tegelijkertijd onderzoeken en zo kleinere verschillen tussen vloeistoffen onderling bepalen.
  • Het inpakken van de tissues me een elastiekje doen we om ervoor te zorgen dat de hoeveelheid opgenomen vloeistof zo uniform mogelijk verdeeld is tussen de experimenten.
  • Probeer de breedte van de tissues zo uniform mogelijk te houden. Op deze manier zorgen we ervoor dat de hoeveelheid materiaal die we in bewerking nemen zoveel mogelijk hetzelfde is.
  • In plaats van de tissue te bedruppelen kunnen we deze natuurlijk ook in een reageerbuis met het te onderzoeken oplosmiddel dompelen.
  • In dit experiment kunnen we ook mooi het effect van zweten zien. Bij zweten wordt water op het oppervlak van de huid gebracht. Dat verdampt. Voor verdamping is warmte nodig die van het lichaam onttrokken wordt waardoor het afkoelt.

Literatuur:

  • LPM Janssen, MMCG Warmoeskerken; "Transport Phenomena Data Companion"; Delftse Uitgevers Maatschappij; 1987 (1991); ISBN 9065650745.
  • CMJI Terhell, JCJM Terhell; "Fysische Chemie 1A"; Heron; 1975; ISBN 9010105733; p. 89-93.
  • P.W. Atkins; "Physical Chemistry"; Oxford; 4th Ed.; 1978 (1990); ISBN 019855284X; p. 401, 645-649.
  • Handbook of Chemistry and Physics; CRC; 60th Ed; p. E-63-E65.

Relevante websites:

Achtergrondinformatie:

Elektrische eigenschappen van moleculen.

Een elektrische dipool is opgebouwd uit twee ladingen q+ en q- die van elkaar gescheiden zijn door een afstand l en wordt weergegeven door een vector u die in de richting van de negatieve naar de positieve staat. De grootheid van de vector is ql en wordt het elektrisch dipoolmoment (m) genoemd.

Een heteronucleair diatomisch molecuul, opgebouwd uit twee verschillende elementen (bv CO en HCl). De elektronenverdeling in de covalente binding tussen de atomen is echter niet symmetrisch aangezien het energetisch gezien gunstiger is voor het elektronenpaar om dichter bij het ene atoom te zitten dan bij het andere. Deze onbalans resulteert in een polaire binding, een covalente binding waarbij een elektronenpaar ongelijk verdeeld wordt tussen twee atomen. Als het elektronenpaar nu dichter bij een atoom zit (bv de Cl in HCl) dan ontstaat daar een netto negatieve lading (d-) die weer gecompenseerd wordt door een netto positieve lading op het H-atoom (d+).
Een polair molecuul is een molecuul met een permanent elektrisch dipoolmoment dat ontstaat door de kleine ladingen op atomen die verbonden worden door polaire bindingen. Een dipoolmoment kan ook ontstaan (of geneutraliseerd worden) als een molecuul zich in een elektrisch veld bevindt. Dan spreekt men van een geïnduceerd dipoolmoment

In water maar ook in alcoholen bevat het O een d- lading en het H een d+ lading. Alhoewel het molecuul in zijn geheel is elektrisch neutraal is kunnen de d+ lading van een H-atoom en de d- lading van een O atoom van verschillende moleculen elkaar aantrekken. Er wordt op deze manier een zwakke binding gevormd tussen de moleculen onderling. Men spreekt dan van een waterstofbrug. 

 

 

12-01-2017