Chemical Biochemical Engineering

# Properties and behavior of gases This section explores the fundamental characteristics of gases, the parameters used to describe them, and the theories and laws that govern their behavior. ### 1.1 States of matter and the gaseous state Matter exists in three primary states: solid, liquid, and gas. These states differ in the arrangement and motion of their constituent particles [4](#page=4). * **Gases:** Particles are well-separated with no regular arrangement, vibrate, and move freely at high speeds. Gases assume the shape and volume of their container and are highly compressible due to significant free space between particles. They also flow easily [4](#page=4) [5](#page=5). * **Liquids:** Particles are close together with no regular arrangement, vibrate, move about, and slide past each other. Liquids assume the shape of their container but retain a fixed volume, are not easily compressible, and flow easily [4](#page=4) [5](#page=5). * **Solids:** Particles are tightly packed in a regular pattern, vibrate but generally do not move from place to place. Solids retain a fixed volume and shape, are rigid, not easily compressible, and do not flow easily [4](#page=4) [5](#page=5). Liquids and solids are referred to as condensed phases due to the close proximity of their particles. Plasma is recognized as a fourth state of matter, characterized by an ionized gaseous substance that is highly electrically conductive [4](#page=4). ### 1.2 Describing a gaseous state A gaseous state can be fully described by four measurable parameters: volume ($V$), pressure ($P$), temperature ($T$), and the number of moles ($n$) of the gas [7](#page=7). #### 1.2.1 Pressure Pressure is defined as the force exerted per unit area ($F/A$). Gas molecules in constant motion collide with the walls of their container, exerting pressure. These molecular collisions are considered perfectly elastic, meaning no energy is lost. The greater the number of molecular collisions with the container walls per unit area per second, the greater the pressure. For instance, pumping air into a bicycle tube increases the number of molecules, leading to more frequent collisions and higher pressure [7](#page=7) [8](#page=8). A U-tube manometer is a device used to measure unknown pressures [8](#page=8). ##### 1.2.1.1 Units of pressure * **Atmospheric pressure (atm):** Approximately 760 mmHg [9](#page=9). * **Pascal (Pa):** The pressure exerted by the weight of 5 grams spread over 1 square meter. Defined as 1 Newton per square meter ($1 \\text{ N/m}^2$) [11](#page=11) [9](#page=9). * **Torricelli (torr):** Equivalent to 1/760 of an atmosphere. $1 \\text{ torr} = 1 \\text{ mmHg}$ [9](#page=9). Key conversions are: $1 \\text{ atm} = 760 \\text{ mmHg} = 76 \\text{ cm Hg} = 0.76 \\text{ m Hg} = 101325 \\text{ Pa}$. The SI unit for pressure is the pascal (Pa). Earth's atmospheric pressure at sea level is approximately 101 kPa or 14.7 lb/in.². A barometer, a closed inverted tube filled with mercury, measures atmospheric pressure, often reported in millimeters of mercury (mmHg) or torr. Standard atmospheric pressure is the pressure required to support a mercury column 760 mm tall. A manometer measures the pressure of a gas sample [11](#page=11) [9](#page=9). #### 1.2.2 Temperature Temperature is directly related to the kinetic energy of molecules ($1/2 mv^2$, where $m$ is mass and $v$ is velocity). When a gas is heated, its temperature and the velocity of its molecules increase, leading to more frequent collisions with the container walls and thus increased pressure, provided the amount and volume remain constant [9](#page=9). ##### 1.2.2.1 Units of temperature * **Celsius (°C):** Water freezes at 0°C and boils at 100°C at sea level. A 1°C difference is equivalent to a 1 K difference [10](#page=10). * **Kelvin (K):** The absolute temperature scale. The conversion from Celsius to Kelvin is: $T\_K = 273 + T\_{°C}$ [10](#page=10). #### 1.2.3 Volume The volume of a gas sample is considered to be the volume of its container, as the volume occupied by gas molecules themselves is negligible compared to the container volume, according to the kinetic theory of gases. The volume of a gas is influenced by its pressure, temperature, and number of moles [10](#page=10). * $1 \\text{ m}^3 = 1000 \\text{ liters} (10^3 \\text{ L})$ [10](#page=10). * $1 \\text{ Liter} = 1000 \\text{ ml} (10^3 \\text{ ml})$ [10](#page=10). #### 1.2.4 Number of moles (n) The number of moles represents the amount of gas. An increase in the number of moles ($n$) leads to more molecular collisions with the container walls, increasing the gas pressure. Similarly, an increase in the amount of gas leads to an increase in its volume when other conditions are constant. The number of moles can be calculated as $n = m/\\text{Mwt}$, where $m$ is the mass of the sample and Mwt is the molecular weight [10](#page=10) [11](#page=11). > **Tip:** For a complete physical description of a gas sample, four quantities must be known: temperature, volume, amount (moles), and pressure [11](#page=11). ### 1.3 Gas laws The behavior of gases can be described by several empirical laws that relate the pressure, volume, temperature, and amount of a gas. #### 1.3.1 Boyle's Law In 1662, Robert Boyle studied the effect of pressure on the volume of a fixed mass of gas at constant temperature. Boyle's Law states that at constant temperature, the pressure ($P$) of a given mass of gas is inversely proportional to its volume ($V$) [12](#page=12). Mathematically, this is expressed as: $PV = \\text{constant}$ [13](#page=13). If $V\_1$ is the initial volume at pressure $P\_1$, and $V\_2$ is the final volume at pressure $P\_2$, with temperature remaining constant: $P\_1 V\_1 = P\_2 V\_2$ [13](#page=13). > **Example:** If an 8.00 g sample of a gas occupies 12.3 L at 400 torr, what volume will it occupy at the same temperature and 600 torr? > > Given $P\_1 = 400$ torr, $V\_1 = 12.3$ L, $P\_2 = 600$ torr. Using $P\_1 V\_1 = P\_2 V\_2$: $(400 \\text{ torr})(12.3 \\text{ L}) = (600 \\text{ torr}) V\_2$$V\_2 = \\frac{(400 \\text{ torr})(12.3 \\text{ L})}{600 \\text{ torr}} = 8.20 \\text{ L}$ [14](#page=14). #### 1.3.2 Charles's Law Charles's Law describes the variation in the volume of a gas with temperature at constant pressure. It states that for a given mass of gas at constant pressure, its volume ($V$) is directly proportional to its absolute temperature ($T$) [14](#page=14). Based on Charles's Law, it can be deduced that for a given quantity of gas at constant volume, the pressure ($P$) is directly proportional to its absolute temperature ($T$) [16](#page=16). Mathematically: $\\frac{V}{T} = \\text{constant}$ [16](#page=16). or $\\frac{P}{T} = \\text{constant}$ [16](#page=16). If $V\_1$ and $T\_1$ are initial volume and temperature, and $V\_2$ and $T\_2$ are final volume and temperature (at constant pressure and moles): $\\frac{V\_1}{T\_1} = \\frac{V\_2}{T\_2}$ [16](#page=16). > **Example:** If a 9.3 g sample of a gas occupies 12.3 L at 750 torr and 450 K, what volume will it occupy at the same pressure and 25°C? > > Initial state: $V\_1 = 12.3$ L, $T\_1 = 450$ K. Final state: $T\_2 = 25$ °C + 273 = 298 K, $V\_2 = ?$ Using $\\frac{V\_1}{T\_1} = \\frac{V\_2}{T\_2}$: $V\_2 = \\frac{V\_1 T\_2}{T\_1} = \\frac{(12.3 \\text{ L})(298 \\text{ K})}{450 \\text{ K}} = 8.20 \\text{ L}$ [16](#page=16). #### 1.3.3 Avogadro's Hypothesis Avogadro's hypothesis, revisited, states that at constant pressure and temperature, the volume occupied by a gas is directly proportional to the number of moles of the gas [17](#page=17). $V = n \\times \\text{constant}$ (when $P$ and $T$ are held fixed) [17](#page=17). One mole of an ideal gas at Standard Temperature and Pressure (STP: 1.00 atm and 0°C) occupies 22.4 L [17](#page=17). #### 1.3.4 The ideal gas equation Gases that obey Boyle's Law and Charles's Law are known as ideal gases. By combining these laws, the equation of state for an ideal gas can be derived [17](#page=17): $V \\propto \\frac{1}{P}$ (at constant temperature) [17](#page=17). $V \\propto T$ (at constant pressure) [17](#page=17). $V \\propto n$ (at constant temperature and pressure) [17](#page=17). Combining these proportionalities yields: $V \\propto \\frac{nT}{P}$ [18](#page=18). Introducing a proportionality constant, $R$, known as the gas constant: $V = R \\frac{nT}{P}$ [18](#page=18). The ideal gas equation is generally written as: $$PV = nRT$$ [18](#page=18). This equation can also be written for a constant mass of gas as: $\\frac{PV}{T} = \\text{constant}$ [18](#page=18). ##### 1.3.4.1 Standard temperature and pressure (STP) STP conditions for a gas system are a temperature of 273 K and a pressure of normal atmospheric pressure, which is $1.013 \\times 10^5 \\text{ Nm}^{-2}$ (1 atm) [19](#page=19). ##### 1.3.4.2 Value of the gas constant (R) The numerical value of $R$ depends on the units used for pressure and volume [19](#page=19). * **In liter-atmosphere:** For 1 mole of gas at STP (P = 1 atm, V = 22.4 L, T = 273 K): $R = \\frac{PV}{nT} = \\frac{(1 \\text{ atm})(22.4 \\text{ L})}{(1 \\text{ mol})(273 \\text{ K})} = 0.0821 \\text{ L atm K}^{-1} \\text{mol}^{-1}$ [20](#page=20). * **In C.G.S. System (erg):** At STP, 1 mole of gas has: $P = 1 \\text{ atm} = 1.013 \\times 10^6 \\text{ dyne cm}^{-2}$$V = 22400 \\text{ cm}^3$$T = 273 \\text{ K}$$R = \\frac{PV}{nT} = \\frac{(1.013 \\times 10^6 \\text{ dyne cm}^{-2})(22400 \\text{ cm}^3)}{(1 \\text{ mol})(273 \\text{ K})} = 8.314 \\times 10^7 \\text{ erg K}^{-1} \\text{ mol}^{-1}$ [21](#page=21). * **In M.K.S. System (Joule):** Since $1 \\text{ Joule} = 10^7 \\text{ erg}$: $R = 8.314 \\text{ J K}^{-1} \\text{ mol}^{-1}$ [21](#page=21). Using $1 \\text{ calorie} = 4.184 \\text{ Joule}$: $R = 1.987 \\text{ cal deg}^{-1} \\text{ mol}^{-1}$ [21](#page=21). > **Example:** Evaluate R if 1.00 mole of an ideal gas occupies 22.4 L at 1.00 atm and 0°C. Given: $P = 1.00$ atm, $V = 22.4$ L, $n = 1.00$ mole, $T = 0$ °C + 273 = 273 K. $R = \\frac{PV}{nT} = \\frac{(1.00 \\text{ atm})(22.4 \\text{ L})}{(1.00 \\text{ mol})(273 \\text{ K})} \\approx 0.0821 \\text{ L atm K}^{-1} \\text{mol}^{-1}$ [23](#page=23). ### 1.4 Dalton's law of partial pressures When two or more non-reactive gases are mixed in a vessel, the total pressure of the mixture is the sum of the individual pressures that each gas would exert if it occupied the entire volume alone at the same temperature. This is known as Dalton's Law of Partial Pressures. The partial pressure of a gas is the pressure it exerts in a mixture [24](#page=24). Assuming ideal gas behavior, the total pressure ($P\_{total}$) of a mixture of gases is: $P\_{total} = P\_A + P\_B + P\_C + \\dots$ [25](#page=25). #### 1.4.1 Collection of gas over water When a gas is collected over water, the total pressure inside the collection vessel ($P\_T$) is the sum of the partial pressure of the collected gas ($P\_{Gas}$) and the vapor pressure of water ($P\_{H\_2O}$) at that temperature: $P\_{atm} = P\_T = P\_{Gas} + P\_{H\_2O}$ [26](#page=26). > **Example:** A 40.0 L sample of N₂ is collected over water at 22°C and an atmospheric pressure of 727 torr. Calculate the volume that the dry N₂ will occupy at 1.00 atm and 0°C. The vapor pressure of water is 20 torr at 22°C. > > State 1 (Wet N₂): $V\_1 = 40.0$ L, $T\_1 = 22$ °C = 295 K, $P\_{total} = 727$ torr. Vapor pressure of water ($P\_{H\_2O}$) = 20 torr at 22°C. Partial pressure of dry N₂ ($P\_{N\_2}$) = $P\_{total} - P\_{H\_2O} = 727 - 20 = 707$ torr. > > State 2 (Dry N₂): $P\_2 = 1.00$ atm = 760 torr, $T\_2 = 0$ °C = 273 K, $V\_2 = ?$ > > Using the combined gas law ($P\_1V\_1/T\_1 = P\_2V\_2/T\_2$) for the dry N₂: $V\_2 = \\frac{P\_1 V\_1 T\_2}{P\_2 T\_1} = \\frac{(707 \\text{ torr})(40.0 \\text{ L})(273 \\text{ K})}{(760 \\text{ torr})(295 \\text{ K})} = 34.4 \\text{ L}$ [27](#page=27) [28](#page=28). #### 1.4.2 Calculation of partial pressure using mole fraction The partial pressure of an individual component gas ($p\_A$) in a mixture is equal to its mole fraction ($X\_A$) multiplied by the total pressure ($P$) of the mixture: $p\_A = X\_A \\times P$ [30](#page=30). Similarly, $p\_B = X\_B P$ [30](#page=30). > **Problem 1:** Calculate the partial pressures of N₂ and H₂ in a mixture of two moles of N₂ and two moles of H₂ at STP. > > Total moles = 2 moles N₂ + 2 moles H₂ = 4 moles. Mole fraction of N₂ ($X\_{N\_2}$) = $\\frac{\\text{moles of N}\_2}{\\text{total moles}} = \\frac{2}{4} = 0.5$ [31](#page=31). Mole fraction of H₂ ($X{H\_2}$) = $\\frac{\\text{moles of H}\_2}{\\text{total moles}} = \\frac{2}{4} = 0.5$ [31](#page=31). > > At STP, the molar volume of an ideal gas is 22.4 L/mol. Total volume for 4 moles at STP = $4 \\times 22.4$ L. > > Using $PV=nRT$, the total pressure at STP for 1 mole is $P = \\frac{1 \\times R \\times 273}{22.4} = 1$ atm. > > Partial pressure of N₂ ($p\_{N\_2}$) = $X\_{N\_2} \\times P = 0.5 \\times 1$ atm = 0.5 atm [31](#page=31). Partial pressure of H₂ ($p\_{H\_2}$) = $X\_{H\_2} \\times P = 0.5 \\times 1$ atm = 0.5 atm [31](#page=31). \_(Note: The calculation in the document for this problem appears to use an incorrect value for R in atm, resulting in incorrect partial pressures of 0.2501 atm each. The correct logic is shown above.) ### 1.5 Graham's Law of Diffusion and Effusion Diffusion is the spontaneous mixing of gases due to the random motion of their molecules. Effusion is the escape of a gas through a small hole into a region of low pressure or vacuum [32](#page=32). Graham's Law of Diffusion states that under the same conditions of temperature and pressure, the rates of diffusion of different gases are inversely proportional to the square roots of their molecular masses: $\\frac{r\_1}{r\_2} = \\sqrt{\\frac{M\_2}{M\_1}}$ [32](#page=32). Where $r\_1$ and $r\_2$ are the rates of diffusion for gases 1 and 2, and $M\_1$ and $M\_2$ are their respective molecular masses. The law of effusion is expressed similarly: $\\frac{\\text{Rate of effusion}\_1}{\\text{Rate of effusion}\_2} = \\sqrt{\\frac{M\_2}{M\_1}}$ [33](#page=33). > **Problem 2:** If a gas diffuses at the rate of one-half as fast as O₂, find its molecular mass. > > Let the unknown gas be gas 1 and O₂ be gas 2. $r\_1 = \\frac{1}{2} r\_2$, so $\\frac{r\_1}{r\_2} = \\frac{1}{2}$. $M\_{O\_2} = 32.00 \\text{ g/mol}$. > > Using Graham's Law: $\\frac{1}{2} = \\sqrt{\\frac{M\_{O\_2}}{M\_1}} = \\sqrt{\\frac{32.00}{M\_1}}$ Squaring both sides: $\\frac{1}{4} = \\frac{32.00}{M\_1}$$M\_1 = 4 \\times 32.00 = 128.00 \\text{ g/mol}$ [33](#page=33). > **Problem 3:** 50 ml of gas A effuse through a pin-hole in 146 seconds. The same volume of CO₂ under identical conditions effuses in 115 seconds. Calculate the molecular mass of A. > > Let gas A be gas 1 and CO₂ be gas 2. Rate of effusion is proportional to volume/time. $r\_A = \\frac{50 \\text{ ml}}{146 \\text{ s}}$, $r\_{CO\_2} = \\frac{50 \\text{ ml}}{115 \\text{ s}}$. $\\frac{r\_A}{r\_{CO\_2}} = \\frac{50/146}{50/115} = \\frac{115}{146}$. $M\_{CO\_2} = 12.01 + 2 \\times 16.00 = 44.01 \\text{ g/mol}$. > > Using Graham's Law: $\\frac{r\_A}{r\_{CO\_2}} = \\sqrt{\\frac{M\_{CO\_2}}{M\_A}}$$\\frac{115}{146} = \\sqrt{\\frac{44.01}{M\_A}}$ Squaring both sides: $(\\frac{115}{146})^2 = \\frac{44.01}{M\_A}$$M\_A = \\frac{44.01 \\times ^2}{ ^2} = \\frac{44.01 \\times 21316}{13225} \\approx 71.1 \\text{ g/mol}$ [34](#page=34). ### 1.6 Deviation of real gases from ideal behavior Real gases do not perfectly obey the ideal gas equation ($PV = nRT$) due to intermolecular interactions [35](#page=35). #### 1.6.1 Causes for deviation * **Volume occupied by gas molecules:** The ideal gas assumption that molecular volume is negligible is not true at low temperatures and high pressures, where the gas volume decreases significantly, making the molecular volume comparable to the total volume. This leads to volume deviation [36](#page=36). * **Intermolecular forces of attraction:** In real gases, attractive forces between molecules exist. At low pressures or high temperatures, molecules are far apart, and these forces are negligible. However, at high pressures or low temperatures, molecules are closer, and attractive forces become significant, reducing the pressure exerted by the gas [37](#page=37). > **Tip:** Real gases tend to behave ideally under conditions of low pressure and high temperature, where intermolecular forces are minimized [36](#page=36). #### 1.6.2 Van der Waals' equation of state J.D. van der Waals proposed an equation of state for real gases by including correction terms for both volume and pressure deviations from the ideal gas law [38](#page=38). * **Volume Correction:** The volume occupied by the gas molecules themselves is subtracted from the container volume. The corrected volume is $(V - nb)$, where $b$ is the excluded volume per mole of gas molecules. The excluded volume per molecule is four times the actual volume of a single molecule ($4V\_m$). For one mole, the excluded volume is $b = 4V\_m N\_A$ [38](#page=38) [39](#page=39). * **Pressure Correction:** The observed pressure ($P$) is less than the ideal pressure due to intermolecular attractive forces. A correction term, $p'$, is added to the observed pressure. This correction is proportional to the square of the gas density ($\\rho^2$), which is related to the number of molecules per unit volume. The corrected pressure is $P + \\frac{a n^2}{V^2}$, where $a$ is a proportionality constant related to the attractive forces [41](#page=41) [42](#page=42). The Van der Waals equation for $n$ moles of a real gas is: $$ \\left( P + \\frac{an^2}{V^2} \\right) (V - nb) = nRT $$ [42](#page=42). For one mole ($n=1$), the equation is: $$ \\left( P + \\frac{a}{V^2} \\right) (V - b) = RT $$ [42](#page=42). ##### 1.6.2.1 Van der Waals' constants ($a$ and $b$) * **Constant $a$**: Represents the measure of attractive forces between molecules and is also called cohesion pressure or internal pressure. Its units are typically $\\text{L}^2 \\text{ atm/mol}^2$ or $\\text{atm dm}^6 \\text{ mol}^{-2}$ [43](#page=43). * **Constant $b$**: Represents the excluded volume per mole of gas molecules and has units of $\\text{L/mol}$ or $\\text{dm}^3 \\text{ mol}^{-1}$ [38](#page=38) [43](#page=43). Unlike the universal gas constant $R$, the Van der Waals constants $a$ and $b$ vary for different gases [43](#page=43). > **Example:** Use the Van der Waals equation to calculate the pressure of a sample of 1.0000 mol of oxygen gas in a 22.415 L vessel at 0.0000°C. Given: $n = 1.0000$ mol, $V = 22.415$ L, $T = 273.15$ K. From tables: $a(\\text{O}\_2) = 1.36 \\text{ L}^2 \\text{ atm/mol}^2$, $b(\\text{O}\_2) = 0.0318 \\text{ L/mol}$. $R = 0.0821 \\text{ L atm K}^{-1} \\text{mol}^{-1}$. > > $P = \\frac{nRT}{V-nb} - \\frac{an^2}{V^2}$$P = \\frac{(1.0000 \\text{ mol})(0.0821 \\text{ L atm K}^{-1} \\text{mol}^{-1})(273.15 \\text{ K})}{22.415 \\text{ L} - (1.0000 \\text{ mol})(0.0318 \\text{ L/mol})} - \\frac{(1.36 \\text{ L}^2 \\text{ atm/mol}^2)(1.0000 \\text{ mol})^2}{(22.415 \\text{ L})^2}$$P = \\frac{22.415 \\text{ L atm}}{22.3832 \\text{ L}} - \\frac{1.36 \\text{ L}^2 \\text{ atm}}{502.43 \\text{ L}^2}$$P = 1.0014 \\text{ atm} - 0.0027 \\text{ atm} = 0.9987 \\text{ atm}$ [44](#page=44) [45](#page=45). ##### 1.6.2.2 Limitations of Van der Waals' equation 1. It provides a qualitative rather than a precise quantitative explanation for deviations of real gases from ideal behavior [46](#page=46). 2. The constants $a$ and $b$ are assumed to be constant, but they can vary with pressure and temperature, a variation not accounted for in the equation [46](#page=46). 3. Critical constants calculated using Van der Waals' equation may deviate from experimentally determined values [46](#page=46). * * * # The liquid state A liquid is a nearly incompressible fluid that takes on the shape of its container but maintains a nearly constant volume, existing as one of the four fundamental states of matter [65](#page=65). ### 2.1 Characteristics of liquids Liquids are composed of tiny, vibrating particles like atoms held together by intermolecular bonds. Like gases, liquids can flow and conform to the shape of their containers. However, liquids resist compression significantly more than gases and do not disperse to fill the entire volume of a container, maintaining a relatively constant density. Liquids and solids are both classified as condensed matter due to their similar densities, while liquids and gases are both termed fluids because of their shared ability to flow. Despite water being abundant on Earth, the liquid state is the least common in the universe, requiring specific temperature and pressure conditions for existence [65](#page=65). ### 2.2 Vapor pressure Vapor pressure, or equilibrium vapor pressure, is the pressure exerted by a vapor in thermodynamic equilibrium with its condensed phases (solid or liquid) within a closed system at a specific temperature. This pressure indicates a liquid's evaporation rate and its tendency to transition into a vapor phase. Substances with high vapor pressure at normal temperatures are considered volatile [66](#page=66). As the temperature of a liquid increases, the kinetic energy of its molecules rises, leading to more molecules escaping into the vapor phase and consequently increasing the vapor pressure. The vapor pressure of a substance increases non-linearly with temperature, a relationship described by the Clausius–Clapeyron relation [66](#page=66). The partial pressure is the contribution of a single component in a mixture to the total system pressure. For instance, air at sea level saturated with water vapor at 20°C has partial pressures of approximately 2.3 kPa for water, 78 kPa for nitrogen, 21 kPa for oxygen, and 0.9 kPa for argon, totaling around 102.2 kPa [67](#page=67). > **Tip:** Vapor pressure charts, plotting vapor pressure against temperature, often show that liquids with lower boiling points tend to have higher vapor pressures at ambient temperatures [67](#page=67). ### 2.3 Boiling point The atmospheric pressure boiling point of a liquid, also known as the normal boiling point, is the temperature at which its vapor pressure equals the surrounding atmospheric pressure. Any further increase in temperature will elevate the vapor pressure enough to overcome atmospheric pressure, forming vapor bubbles within the liquid. Deeper within the liquid, higher pressures and thus higher temperatures are required for bubble formation due to increasing fluid pressure with depth [66](#page=66). > **Tip:** The surface tension of a bubble wall contributes to an overpressure in nascent bubbles, meaning thermometer calibration should not rely solely on the temperature of boiling water [67](#page=67). ### 2.4 Surface tension Surface tension is the elastic property of a fluid surface that causes it to contract to the smallest possible surface area. This phenomenon allows insects denser than water to walk on its surface. At liquid-air interfaces, surface tension arises from the stronger cohesive forces between liquid molecules compared to the adhesive forces between liquid and air molecules. This results in a net inward force on surface molecules, making the surface behave like a stretched elastic membrane [68](#page=68). Water exhibits a high surface tension (72.8 millinewtons per meter at 20°C) due to strong hydrogen bonding between its molecules, exceeding that of most other liquids. Surface tension is a key factor in capillarity [68](#page=68). The capillary rise method can be used to measure surface tension. The equilibrium between the upward force due to surface tension and the downward force of gravity on the liquid column determines the height the liquid rises in a capillary tube. The forces are related by: $$f\_1 = 2\\pi r \\gamma \\cos \\theta$$ eq.1 [69](#page=69). where $r$ is the capillary radius, $\\gamma$ is the liquid surface tension, and $\\theta$ is the wetting contact angle. The downward force is given by [69](#page=69): $$f\_2 = \\pi r^2 h d g$$ eq.2 [69](#page=69). where $h$ is the height of the liquid column, $d$ is the liquid density, and $g$ is the acceleration due to gravity [69](#page=69). In equilibrium, $f\_1 = f\_2$: $$2\\pi r \\gamma \\cos \\theta = \\pi r^2 h d g$$ eq.3 [69](#page=69). If the liquid completely wets the capillary walls ($\\theta = 0^\\circ$, $\\cos \\theta = 1$), the equation simplifies to: $$2\\pi r \\gamma = \\pi r^2 h d g$$ eq.4 [69](#page=69). This allows for the determination of surface tension: $$\\gamma = \\frac{r h d g}{2}$$ eq.5 [69](#page=69). Surface tension has dimensions of force per unit length or energy per unit area; the latter is often referred to as surface energy [69](#page=69). > **Example:** A liquid rises 7 cm in a capillary tube with a radius of 0.01 cm. If the liquid's density is 0.8 g/cm³ and gravity is 100 cm/sec², calculate its surface tension [70](#page=70). **Example:** A glass tube with a radius of 0.02 cm is placed in kerosene (density 0.8 g/cm³). If the surface tension of kerosene is 25 dyne/cm and the contact angle is 0°, calculate the height of kerosene in the tube [70](#page=70). **Example:** Ethanol (density 0.0789 g/cm³ at 20°C) rises 5.38 cm in a capillary tube with a diameter of 0.0107 cm. Calculate its surface tension, assuming a zero contact angle [70](#page=70). When a liquid does not wet the capillary walls (e.g., mercury in glass), the contact angle can be assumed to be 180°, and $\\cos \\theta = -1$. The Young-Laplace equation, $\\Delta P = \\frac{2\\gamma}{r}$, describes the pressure difference across a curved surface, known as capillary pressure. For a wetting liquid, the pressure inside the capillary is lower than outside, leading to a rise in the liquid column until the pressure difference is balanced by the hydrostatic pressure [70](#page=70). $$\\Delta P = P\_1 - P\_2 = \\Delta d g h = \\frac{2\\gamma}{r}$$ [70](#page=70). ### 2.5 Heat of vaporization The heat of vaporization, also known as the enthalpy of vaporization, is the amount of heat energy required to transform a liquid into a gas or vapor at a constant temperature. This occurs because molecules in a liquid possess a range of kinetic energies, allowing some to escape the surface as vapor. The molar heat of vaporization is the energy needed to vaporize one mole of a liquid, typically measured in kilojoules per mole (kJ/mol) [71](#page=71). The molar heat of vaporization can be calculated using the following relations derived from the Clausius–Clapeyron equation: $$\\ln p\_1 = -\\frac{\\Delta H\_{vap}}{RT\_1} + C \\quad $$ [1](#page=1) [71](#page=71). $$\\ln p\_2 = -\\frac{\\Delta H\_{vap}}{RT\_2} + C \\quad $$ [2](#page=2) [71](#page=71). Subtracting equation from yields [1](#page=1) [2](#page=2): $$\\ln p\_2 - \\ln p\_1 = -\\frac{\\Delta H\_{vap}}{RT\_2} + \\frac{\\Delta H\_{vap}}{RT\_1}$$ [71](#page=71). $$\\ln \\frac{p\_2}{p\_1} = \\Delta H\_{vap} \\left( \\frac{1}{RT\_1} - \\frac{1}{RT\_2} \\right)$$ [71](#page=71). $$\\ln \\frac{p\_2}{p\_1} = \\frac{\\Delta H\_{vap}}{R} \\left( \\frac{1}{T\_1} - \\frac{1}{T\_2} \\right)$$ [71](#page=71). $$\\ln \\frac{p\_2}{p\_1} = \\frac{\\Delta H\_{vap}}{RT\_1T\_2} (T\_2 - T\_1)$$ [71](#page=71). > **Example:** The vapor pressure of methanol is 0.0526 atm at 5°C and 0.132 atm at 21.2°C. Calculate its molar heat of vaporization and normal boiling point [71](#page=71). **Example:** The vapor pressure of ethanol is 135.5 mmHg at 40°C and 542.5 mmHg at 70°C. Calculate the molar heat of vaporization and the vapor pressure of ethanol at 50°C [71](#page=71). **Example:** The molar heat of vaporization of ethanol is 39.2 kJ/mol. Calculate the heat removed from the surroundings when 1.00 kg of ethanol (C₂H₅OH) evaporates [72](#page=72). **Example:** Calculate the heat content of evaporation for ethanol, given vapor pressures of 43.9 mmHg and 352.7 mmHg at 20°C and 60°C, respectively [72](#page=72). **Example:** The normal boiling point of chloroform is 61°C, and its heat of vaporization is 59 cal/gm. Calculate the vapor pressure of the liquid at 50°C [72](#page=72). * * * # The solid state and crystal structures The solid state of matter is defined by its resistance to changes in shape or volume, possessing both a fixed shape and volume. Solids can be broadly categorized into crystalline and amorphous forms, distinguished by the arrangement of their constituent particles and their macroscopic properties. Crystalline solids exhibit long-range atomic order, leading to distinct geometric forms, sharp melting points, and elastic deformation under stress. In contrast, amorphous solids lack this ordered structure, softening gradually over a temperature range and undergoing plastic deformation. Crystalline solids are often anisotropic, meaning their physical properties vary with direction, whereas amorphous materials are typically isotropic [74](#page=74). ### 3.1 Crystal lattice and unit cells To systematically describe the internal arrangement of atoms in crystalline solids, the concept of a crystal lattice is employed. A crystal lattice can be visualized as an infinite, three-dimensional arrangement of repeating structural units called unit cells. By translating these unit cells in all three dimensions, the entire crystal structure can be constructed [74](#page=74). #### 3.1.1 Cubic unit cells Among the various possible unit cell geometries, cubic unit cells are fundamental and widely encountered, especially in metals and ionic compounds. There are three primary types of cubic unit cells [75](#page=75): * **Simple cubic (SC) structure:** This is the most basic cubic unit cell, characterized by atoms located at each of the eight corners of the cube. Stacking these unit cells results in a simple cubic lattice [74](#page=74). * **Face-centered cubic (FCC) structure:** In an FCC unit cell, atoms are positioned at each of the eight corners and at the center of each of the six faces of the cube. Many common metals like copper, silver, gold, aluminum, and lead crystallize in an FCC lattice [75](#page=75). * **Body-centered cubic (BCC) structure:** A BCC unit cell features atoms at each of the eight corners and one additional atom precisely at the center of the cube. Metals such as chromium, iron, and platinum commonly exhibit a BCC structure [75](#page=75) [76](#page=76). The dimensions of these unit cells vary depending on the atomic radius of the constituent atoms, even if the lattice type is the same [76](#page=76). > **Tip:** The arrangement of atoms in different crystal structures directly influences the material's properties. Understanding these structures is crucial for materials science and engineering. #### 3.1.2 Examples of crystal structures * **Metals:** As mentioned, copper, silver, and gold are FCC metals, while chromium, iron, and platinum are BCC metals [75](#page=75) [76](#page=76). * **Ionic Compounds:** The structure of sodium chloride (NaCl) is a prominent example. The chloride ions (Cl$^-$) occupy lattice positions corresponding to an FCC unit cell, and the smaller sodium ions (Na$^+$) fill the interstitial spaces between the Cl$^-$ ions. This arrangement is behind the characteristic cubic shape of NaCl crystals. Many alkali halides, like KCl, also crystallize with FCC lattices, though the unit cell size differs due to the varying ionic radii [76](#page=76). ### 3.2 Physical properties and crystal type The diverse physical properties of solids, such as hardness, melting point, and electrical conductivity, are a consequence of the nature of the particles within the solid and the strength of the attractive forces holding them together. Crystals can be classified into four main types based on these factors [77](#page=77): Crystal TypeParticles Occupying Lattice SiteType of Attraction ForcesTypical ExamplesTypical Properties1-IonicPositive and negative ionsAttractions between opposite chargesNaCl, CaCl$\_2$, NaNO$\_3$Relatively hard, brittle, high melting points, nonconductors of electricity as solids but conduct when melted2-MolecularAtoms or moleculesDipole-dipole attractions, hydrogen bondingHCl, SO$\_2$, N$\_2$, Ar, CH$\_4$, H$\_2$OSoft, low melting points, nonconductors of electricity in both solid and liquid states3-Covalent (network)AtomsCovalent bond between atomsDiamond, SiC (silicon carbide), SiO$\_2$ (sand, quartz)Very hard, very high melting point, nonconductor of electricity4-MetallicPositive ionsAttractions between positive ions and electron cloudCu, Ag, Fe, Na, HgRange from very hard to very soft, melting point range from high to low, conduct electricity in both solid and liquid ### 3.3 Atomic packing factor (APF) The atomic packing factor (APF) quantifies how efficiently atoms are packed within a crystal structure. It is defined as the ratio of the total volume of atoms within a unit cell to the total volume of the unit cell [78](#page=78). * **APF for a simple cubic structure:** The APF for a simple cubic structure is approximately 0.52. This means that about 52% of the unit cell volume is occupied by atoms [79](#page=79). * **APF for a body-centered cubic structure (BCC):** The APF for BCC is calculated as $\\frac{\\pi\\sqrt{3}}{8}$, which equals approximately 0.68. A BCC unit cell contains 2 atoms per unit cell (1 central atom + 8 corners x 1/8 atom per corner) [80](#page=80). * **APF for a face-centered cubic structure (FCC):** The APF for FCC is calculated as $\\frac{\\pi}{3\\sqrt{2}}$, which equals approximately 0.74. This represents the most efficient possible packing of identical spheres. An FCC unit cell contains 4 atoms per unit cell (6 faces x 1/2 atom per face + 8 corners x 1/8 atom per corner) [81](#page=81). > **Example:** Copper, with an FCC structure, has an APF of 0.74, indicating a relatively dense packing of copper atoms. ### 3.4 Theoretical density The theoretical density ($\\rho$) of a crystalline material can be calculated using the properties of its unit cell. The formula for density is mass divided by volume [81](#page=81). The mass of atoms per unit cell ($m$) can be determined by multiplying the number of atoms per unit cell by the mass of a single atom. The mass of a single atom is calculated by dividing the atomic weight by Avogadro's number ($N\_A$). The volume of the unit cell is the cube of the lattice constant ($a$), i.e., $a^3$ [81](#page=81). The formula for theoretical density is: $$ \\rho = \\frac{m}{a^3} $$ where: * $m$ = mass of atoms per unit cell [81](#page=81). * $a^3$ = volume of unit cell [81](#page=81). The mass of atoms per unit cell can be expressed as: $$ m = (\\text{number of atoms per unit cell}) \\times \\left( \\frac{\\text{atomic weight}}{N\_A} \\right) $$ This allows for the calculation of theoretical density, which can then be compared to experimentally measured densities to validate the crystal structure and atomic parameters of a material [82](#page=82). > **Example:** For copper (FCC structure), with an atomic weight of 63.55 g/mol and an atomic radius of 0.128 nm, the theoretical density can be calculated and compared to its actual measured density. Using the provided data for copper, the theoretical density is calculated to be approximately 8.89 g/cm$^3$, which is very close to the actual density of 8.94 g/cm$^3$ [82](#page=82). * * * # Solutions and their properties This chapter introduces solutions as homogeneous mixtures and explores their various types, solubility, colligative properties, and methods of concentration measurement [84](#page=84). ### 4.1 Types of solutions A solution is a homogeneous mixture of two or more substances, where a solute dissolves in a solvent. The solvent is typically the substance present in the greater amount, and solutions adopt the physical state of their solvent [85](#page=85). #### 4.1.1 Gaseous solutions In gaseous solutions, only gases can dissolve in a gaseous solvent. Air, a mixture of gases dissolved in nitrogen, is an example. These solutions are often considered trivial due to minimal molecular interactions [85](#page=85). #### 4.1.2 Liquid solutions If the solvent is a liquid, gases, liquids, and solids can be dissolved [85](#page=85). * **Gas in liquid:** Oxygen in water is an example. Carbon dioxide in water involves a chemical reaction forming ions [85](#page=85). * **Liquid in liquid:** Alcoholic beverages are solutions of ethanol in water, and petroleum is a solution of hydrocarbons [85](#page=85). * **Solid in liquid:** Sucrose or salts dissolved in water are common examples. Solutions of salts in water form electrolytes, as the salt dissociates into ions [86](#page=86). Colloids, suspensions, and emulsions are not considered solutions because they are not homogeneous. Body fluids are complex liquid solutions containing various solutes, including ions and molecules, and are often electrolytes [86](#page=86). #### 4.1.3 Solid solutions If the solvent is a solid, gases, liquids, and solids can be dissolved [86](#page=86). * **Gas in solid:** Hydrogen dissolves well in metals like palladium for hydrogen storage [86](#page=86). * **Liquid in solid:** Mercury in gold forms an amalgam, and hexane in paraffin wax is another example [86](#page=86). * **Solid in solid:** Steel (carbon in iron) and alloys like bronze are solid solutions [86](#page=86). ### 4.2 Solubility Solubility is the ability of one compound to dissolve in another [86](#page=86). * **Miscible liquids:** Liquids that can completely dissolve in each other are miscible [86](#page=86). * **Immiscible liquids:** Substances that cannot mix to form a solution are immiscible [86](#page=86). All solutions have a positive entropy of mixing. If solute-solvent interactions are unfavorable, the free energy decreases with increasing solute concentration. When the energy loss outweighs the entropy gain, the solution becomes saturated. Environmental factors like temperature, pressure, and contamination can affect saturation points. Supersaturated solutions can be prepared by increasing solubility and then slowly decreasing it [87](#page=87). Generally, higher solvent temperatures increase the solubility of solid solutes. However, the solubility of most gases and some compounds decreases with increased temperature due to an exothermic enthalpy of solution. The solubility of liquids in liquids is less sensitive to temperature changes than solids or gases [87](#page=87). ### 4.3 Properties of solutions The physical properties of compounds, such as melting and boiling points, change when other compounds are added. These are known as colligative properties. Concentration quantifies the amount of solute dissolved in a solvent [87](#page=87). #### 4.3.1 Polarity and solubility The solubility of substances is influenced by their molecular polarity, following the principle "like dissolves like" [90](#page=90). * **Polar solutions:** Polar molecules have an uneven distribution of electron density, creating partial positive and negative charges (dipoles). Water is a polar molecule due to the higher electronegativity of oxygen compared to hydrogen, causing shared electrons to spend more time around oxygen. Polar molecules are attracted to each other [88](#page=88) [89](#page=89). * **Aqueous solutions:** Water's polarity is responsible for many of its unique properties and its ability to dissolve polar solutes and ionic compounds. Ionic compounds like sodium chloride dissolve in water because the positive sodium ions (Na+) are attracted to the negative end of water molecules, and the negative chloride ions (Cl-) are attracted to the positive ends. This process is called hydration. The presence of ions in aqueous salt solutions makes them electrolytes, capable of conducting electricity [88](#page=88) [89](#page=89). * Non-ionic solutes like ethanol and table sugar are soluble in water due to the presence of polar O-H groups, allowing them to form hydrogen bonds with water molecules [89](#page=89). * **Non-polar solutions:** Non-polar molecules have symmetrical electron distribution and no overall dipole. They do not dissolve in polar solvents like water. Examples include long-chain hydrocarbons, oils, and greases. Non-polar solutes require non-polar solvents [90](#page=90). * Methane (CH4) is non-polar despite having polar C-H bonds due to the symmetrical tetrahedral arrangement of these bonds [90](#page=90). #### 4.3.2 Ideal solutions The properties of ideal solutions can be calculated as a linear combination of their components' properties. When solute and solvent are in equal quantities, the distinction between them becomes less relevant [87](#page=87). ### 4.4 Concentration Concentration measures the amount of a substance within a mixture, most commonly referring to the amount of solute in a solvent in homogeneous solutions [91](#page=91). * **Concentrating a solution:** Involves adding more solute or reducing the amount of solvent [91](#page=91). * **Diluting a solution:** Involves adding more solvent or reducing the amount of solute [91](#page=91). A saturated solution can no longer dissolve additional solute; adding more will result in phase separation or a suspension, unless supersaturation occurs. The saturation point depends on temperature and the chemical nature of the solute and solvent [91](#page=91). #### 4.4.1 Mass versus volume measures Quantitative measures of concentration are essential for scientific applications. These measures can be based on mass, volume, or both, and converting between them may require density information, especially if temperatures vary. Volume-based measures are less reliable for non-dilute solutions or significant temperature changes due to the variability of volume with temperature and pressure. Mass measurements are generally more precise and less affected by environmental conditions [92](#page=92). #### 4.4.2 Molarity Molarity (M) is the number of moles of solute per liter of solution [93](#page=93). $$ M = \\frac{\\text{moles of solute}}{\\text{liters of solution}} $$ The formula for preparation is often expressed as: $$ \\text{mg} = M \\times \\text{Mwt} \\times V $$ where `mg` is the weight of the solute in grams, `Mwt` is the molecular weight of the solute, `V` is the volume of the solution in milliliters, and `M` is the molarity. A 0.5 molar solution contains 0.5 moles of solute in 1.0 liter of solution, not 1.0 liter of solvent [93](#page=93). NIST considers molarity an obsolete term, preferring "amount-of-substance concentration" ($c$) with units of mol/m³ or mol/L. For minute concentrations, units like millimolar (mM), micromolar (μM), and nanomolar (nM) are used [93](#page=93) [94](#page=94). **Disadvantages of molarity:** * Volume measurement is often less precise than mass measurement [94](#page=94). * Molarity changes with temperature due to thermal expansion [94](#page=94). * For non-dilute solutions, molar volume can be concentration-dependent, making volumes not strictly additive [94](#page=94). #### 4.4.3 Molality Molality ($m$) is the number of moles of solute per kilogram of solvent [94](#page=94). $$ m = \\frac{\\text{moles of solute}}{\\text{kilograms of solvent}} $$ A solution with 1.0 mole of solute in 2.0 kilograms of solvent has a molality of 0.50 mol/kg. NIST suggests the term 'molality of substance B' ($m\_B$) with units mol/kg [94](#page=94). **Advantages of molality:** * It is independent of physical conditions like temperature and pressure because it is mass-based [94](#page=94). * In dilute aqueous solutions near room temperature and standard pressure, molarity and molality values are very similar because 1 kg of water is approximately 1 L, and the solute's volume contribution is negligible [95](#page=95). #### 4.4.4 Mole fraction Mole fraction ($\\chi$) is the ratio of the moles of a solute to the total number of moles in a solution [95](#page=95). $$ \\chi\_A = \\frac{\\text{moles of A}}{\\text{total moles of all components}} $$ Mole fractions are dimensionless quantities. Mole percentage (100% times mole fraction) is also used [95](#page=95). **Advantages of mole fraction:** * Not temperature dependent [95](#page=95). * Does not require knowledge of densities [95](#page=95). * Can be prepared by weighing constituents [95](#page=95). * It is symmetrical, meaning the roles of 'solute' and 'solvent' are reversed when $\\chi$ is swapped (e.g., 0.1 vs. 0.9) [95](#page=95). #### 4.4.5 Mass percentage Mass percentage denotes the mass of a substance as a percentage of the total mass of the mixture [96](#page=96). $$ \\text{Mass %} = \\left( \\frac{\\text{mass of solute}}{\\text{mass of solution}} \\right) \\times 100% $$ Mass fraction ($x\_m$) is the mass percentage divided by 100. It is often referred to as weight-weight percentage (w/w%). For example, 40 grams of ethanol in 60 grams of water yields a 40% ethanol solution by mass [96](#page=96). #### 4.4.6 Mass-volume percentage Mass-volume percentage (% m/v or % w/v) describes the mass of solute in grams per 100 mL of the resulting solution [96](#page=96). $$ \\text{Mass-volume %} = \\left( \\frac{\\text{mass of solute (g)}}{\\text{volume of solution (mL)}} \\right) \\times 100% $$ This is commonly used for solutions made from solid solutes dissolved in liquids [96](#page=96). #### 4.4.7 Volume-volume percentage Volume-volume percentage (% v/v) describes the volume of the solute in mL per 100 mL of the resulting solution [97](#page=97). $$ \\text{Volume-volume %} = \\left( \\frac{\\text{volume of solute (mL)}}{\\text{volume of solution (mL)}} \\right) \\times 100% $$ This is most useful for liquid-liquid solutions and mixtures of gases, though percentages are only strictly additive for ideal gases [97](#page=97). #### 4.4.8 Normality Normality (N) represents the number of gram equivalent weights of a solute per liter of solution [97](#page=97). $$ N = \\frac{\\text{gram equivalents of solute}}{\\text{liters of solution}} $$ The formula for preparation is often expressed as: $$ \\text{mg} = N \\times \\text{Eq wt} \\times V $$ where `mg` is the weight of the solute in grams, `Eq wt` is the equivalent weight of the solute, `V` is the volume of the solution in milliliters, and `N` is the normality [97](#page=97). Normality accounts for the reactive species in a solution, such as ions. The definition of a gram equivalent varies based on the chemical reaction (acid-base, redox, precipitation). It measures a single ion's contribution. For example, 2 Normal sulfuric acid (H2SO4) means the normality of H+ ions is 2, implying a molarity of 1 for H2SO4 [97](#page=97) [98](#page=98). **Specific definitions for normality:** * **Acid-base chemistry:** Expresses the concentration of protons or hydroxide ions. Normality can differ from molarity by an integer (e.g., 1 M Ca(OH)2 is 2 N in hydroxide) [98](#page=98). * **Redox reactions:** Measures the oxidizing or reducing agent quantity that can accept or furnish one mole of electrons. Normality often scales from molarity by a fractional value [98](#page=98). * **Precipitation reactions:** Measures the concentration of ions that will precipitate in a given reaction. Normality scales from molarity by an integer [98](#page=98). Normality is useful for titrations, where $N\_aV\_a = N\_bV\_b$ for reacting species. However, normality is no longer widely used to represent solution concentration as it depends on the specific reaction. NIST also considers it an obsolete unit [98](#page=98) [99](#page=99). #### 4.4.9 Equivalents Concentration can be expressed in equivalents per liter (Eq/L) or milliequivalents per liter (mEq/L), based on the same principle as normality. This unit is losing favor but is still used in medical reporting [99](#page=99). #### 4.4.10 Formal concentration Formal concentration (F) is similar to molarity but is calculated based on the formula weights of chemicals per liter of solution. It indicates moles of the original chemical formula added, regardless of the species that actually exist in solution at equilibrium [99](#page=99). #### 4.4.11 "Parts-per" notation This notation is used for convenience and relates to mass fraction [100](#page=100). * **Parts per hundred (% or pph):** Amount per 100 total parts [100](#page=100). * **Parts per thousand (‰ or ppt):** Amount per 1000 total parts [100](#page=100). * **Parts per million (ppm):** Amount per 1,000,000 total parts [100](#page=100). * **Parts per billion (ppb):** Amount per 1,000,000,000 total parts [100](#page=100). * *\_Parts per trillion (ppt):\* Amount per 1,000,000,000,000 total parts [100](#page=100).* * ***Parts per quadrillion (ppq):*** *Amount per 1,000,000,000,000,000 total parts .* *For atmospheric chemistry and air pollution, units like ppmv (parts per million by volume) are used for gases, while $\\mu$g/m³ or mg/m³ are used for aerosols and particulate matter to account for density variations. It is crucial to specify whether the "parts-per" notation refers to mass/mass or volume/volume, especially for gases .* ### *4.5 Gas laws related to solutions* #### *4.5.1 Henry's Law* *Henry's law states that at a constant temperature, the amount of a given gas dissolved in a liquid is directly proportional to the partial pressure of that gas above the liquid . $$ P = k\_H \\times C $$ where $P$ is the partial pressure of the gas, $C$ is the concentration of the dissolved gas, and $k\_H$ is the Henry's law constant. The constant $k\_H$ depends on the solute, solvent, and temperature .* ***Example:*** *Carbonated soft drinks rely on Henry's law. When a bottle is opened, the reduced pressure above the liquid causes dissolved carbon dioxide to bubble out .* #### *4.5.2 Raoult's Law* *Raoult's law states that the partial vapor pressure of a component in a mixture is equal to the vapor pressure of the pure component multiplied by its mole fraction in the mixture. This law applies to ideal mixtures where intermolecular forces between similar molecules equal those between different molecules .* *For a mixture of liquids A and B: $$ P\_A = P\_A^0 X\_A $$$$ P\_B = P\_B^0 X\_B $$ where $P\_A$ and $P\_B$ are the partial vapor pressures, $P\_A^0$ and $P\_B^0$ are the vapor pressures of the pure components, and $X\_A$ and $X\_B$ are their respective mole fractions . The total vapor pressure of the mixture is the sum of the partial vapor pressures: $$ P\_{\\text{total}} = P\_A + P\_B $$* ***Example:*** *A mixture of 2 moles of methanol ($X\_{\\text{methanol}} = 2/3$) and 1 mole of ethanol ($X\_{\\text{ethanol}} = 1/3$). If the vapor pressure of pure methanol is 81 kPa and pure ethanol is 45 kPa, then: $$ P\_{\\text{methanol}} = 81 \\text{ kPa} \\times \\frac{2}{3} = 54 \\text{ kPa} $$$$ P\_{\\text{ethanol}} = 45 \\text{ kPa} \\times \\frac{1}{3} = 15 \\text{ kPa} $$$$ P\_{\\text{total}} = 54 \\text{ kPa} + 15 \\text{ kPa} = 69 \\text{ kPa} $$* *Vapor pressure/composition diagrams for ideal mixtures show a linear relationship between partial vapor pressure and mole fraction .* ### *4.6 Colligative properties* *Colligative properties are physical properties of solutions that depend on the molar concentration of solute particles, not their identity .* #### *4.6.1 Boiling point elevation and freezing point depression* *While not explicitly detailed in this excerpt, these are key colligative properties that are affected by the addition of solutes, leading to changes in boiling and freezing points [87](#page=87).* #### *4.6.2 Osmosis* *Osmosis is the diffusion of solvent (usually water) through a semi-permeable membrane from an area of high water potential (low solute concentration) to an area of low water potential (high solute concentration) .* * ***Hypotonic solution:*** *A solution with a lower solute concentration than the cell's interior .* * ***Hypertonic solution:*** *A solution with a higher solute concentration than the cell's interior .* * ***Isotonic solution:*** *A solution with the same solute concentration as the cell's interior .* ***Osmotic pressure:*** *The pressure required to prevent the passage of solvent across a semi-permeable membrane, thus maintaining equilibrium. It is a colligative property .* ***Examples of osmosis:*** * *Plant roots drawing water from soil .* * *Potato slices shrinking in concentrated salt solutions .* * *Effects on blood cells and plant cells in different solutions .* ***Types of osmosis:*** * ***Reverse osmosis:*** *Uses pressure to force a solvent through a membrane from a high solute concentration to a low solute concentration, retaining the solute .* * ***Forward osmosis:*** *Uses a "draw" solution with higher osmotic pressure to induce water flow from a "feed" solution, concentrating the feed solution and diluting the draw solution .* ### *4.7 Buffer solutions* *A buffer solution is an aqueous solution of a weak acid and its conjugate base, or a weak base and its conjugate acid, which resists significant pH changes upon addition of small amounts of acid or base .* * ***Acidic buffer:*** *pH less than 7, typically made from a weak acid and its salt .* * ***Alkaline buffer:*** *pH greater than 7, typically made from a weak base and its salt .* #### *4.7.1 How buffers work* *Buffers neutralize added acid or base by shifting equilibrium reactions .* * ***Acidic buffer (e.g., ethanoic acid/ethanoate):*** * *Adding acid (H+): Ethanoate ions ($CH\_3COO^-$) react with H+ to form ethanoic acid ($CH\_3COOH$) .* * *Adding base ($OH^-$): $OH^-$ reacts with ethanoic acid to form ethanoate and water, or with H+ to form water, which then shifts the acid ionization equilibrium .* * ***Alkaline buffer (e.g., ammonia/ammonium):*** * *Adding acid (H+): Ammonia ($NH\_3$) reacts with H+ to form ammonium ions ($NH\_4^+$) .* * *Adding base ($OH^-$): $OH^-$ reacts with ammonium ions to form ammonia and water .* #### *4.7.2 Henderson-Hasselbalch equation* *This equation calculates the pH of a buffer solution: $$ \\text{pH} = \\text{p}K\_a + \\lg \\left( \\frac{\[\\text{A}^-\]}{\[\\text{HA}\]} \\right) $$ where $\\text{p}K\_a$ is the acid dissociation constant, $\[\\text{A}^-\]$ is the concentration of the conjugate base, and $\[\\text{HA}\]$ is the concentration of the weak acid .* *For alkaline buffers, a similar equation relates pOH and pKb: $$ \\text{pOH} = \\text{p}K\_b + \\lg \\left( \\frac{\[\\text{HB}^+\]}{\[\\text{B}\]} \\right) $$ And $\\text{pH} + \\text{pOH} = 14$ .* ***Key conclusions from the Henderson-Hasselbalch equation:*** 1. *The pKa/pKb and the ratio of salt to acid/base concentrations are crucial for preparing a buffer of a specific pH .* 2. *Dilution of a buffer solution does not change its pH, as both the acid/base and salt concentrations change proportionally .* #### *4.7.3 Buffer capacity* *Buffer capacity ($\\beta$) quantifies a buffer's resistance to pH change upon addition of acid or base: $$ \\beta = \\frac{\\Delta \\text{C}\_{\\text{base}}}{\\Delta \\text{pH}} \\quad \\text{or} \\quad \\beta = -\\frac{\\Delta \\text{C}{\\text{acid}}}{\\Delta \\text{pH}} $$ where $\\Delta \\text{C}\_{\\text{base}}$ and $\\Delta \\text{C}{\\text{acid}}$ are the concentrations of strong base or acid added, and $\\Delta \\text{pH}$ is the resulting change in pH .* #### *4.7.4 Applications of buffers* *Buffers are essential in chemical manufacturing and biochemical processes due to their pH-stabilizing ability. The ideal buffer for a specific pH has a pKa close to that pH, maximizing buffer capacity .* * * * # *Electrochemistry and Rusting* *Electrochemistry is the study of the relationship between electricity and chemical changes, encompassing both the generation of electricity from chemical reactions and the use of electricity to drive chemical reactions.* ### *5.1 Fundamentals of electrochemistry* *Electrochemistry deals with the interaction between electrical energy and chemical change. Electrochemical reactions involve the movement of electric charges between electrodes and an electrolyte .* #### *5.1.1 Redox reactions* *Oxidation-reduction or redox reactions are chemical reactions where electrons are transferred directly between molecules and/or atoms .* * ***Oxidation:*** *The loss of electrons from an atom or molecule .* * ***Reduction:*** *The gain of electrons by an atom or molecule .* #### *5.1.2 Electrochemical cells* *An electrochemical cell is a device that produces electric current from the energy released by a spontaneous redox reaction .* * ***Components of an electrochemical cell:*** * ***Electrodes:*** *Two conductive electrodes, an anode and a cathode .* * ***Anode:*** *The electrode where oxidation occurs .* * ***Cathode:*** *The electrode where reduction takes place . Electrodes can be made from various conductive materials, including metals, semiconductors, graphite, and conductive polymers .* * ***Electrolyte:*** *The substance between the electrodes that contains ions capable of free movement .* #### *5.1.3 Galvanic cells* *Galvanic cells, also known as Voltaic cells, are a type of electrochemical cell that generates electric current from spontaneous redox reactions. They utilize two different metal electrodes, each immersed in an electrolyte containing the oxidized form of the electrode metal .* * ***Mechanism in a Galvanic Cell:*** 1. *The anode metal oxidizes, transitioning from an oxidation state of 0 to a positive oxidation state, forming ions in the electrolyte .* 2. *At the cathode, metal ions in the electrolyte gain electrons from the cathode, reducing their oxidation state to 0 and depositing as solid metal .* 3. *An external electrical connection allows electrons to flow from the anode to the cathode, creating an electric current .* ##### *5.1.3.1 Daniell cell example* *A Daniell cell is a classic example of a galvanic cell using zinc and copper electrodes submerged in zinc sulfate and copper sulfate solutions, respectively .* * ***Half-reactions:*** * *Zinc electrode (anode): $Zn(s) \\rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^-$ .* * *Copper electrode (cathode): $Cu^{2+}(aq) + 2e^- \\rightarrow Cu(s)$ .* *In this cell, zinc metal is oxidized, and copper ions are reduced and deposited on the copper cathode .* #### *5.1.4 Completing the circuit* *A complete electric circuit in an electrochemical cell requires both an electron conduction path (external circuit) and an ionic conduction path between the anode and cathode electrolytes .* * ***Ionic conduction paths:*** * ***Liquid junction:*** *A direct connection between electrolytes that allows ion flow but can lead to mixing .* * ***Porous plug:*** *Allows ion flow while minimizing electrolyte mixing .* * ***Salt bridge:*** *An inverted U-tube containing a gel saturated with an electrolyte, used to minimize electrolyte mixing while allowing ion flow .* #### *5.1.5 Cell potential and diagram* * ***Electromotive force (emf):*** *The electrical potential difference between the anode and cathode, measurable by a voltmeter .* * ***Cell diagram:*** *A representation used to trace the path of electrons in an electrochemical cell .* * ***Example (Daniell cell):*** *$Zn(s) | Zn^{2+}(1M) || Cu^{2+}(1M) | Cu(s)$ . \* The reduced form of the metal to be oxidized (anode) is written first, separated by a vertical line from its oxidized form. \* Double vertical lines represent the salt bridge. \* The oxidized form of the metal to be reduced (cathode) is written, separated by a vertical line from its reduced form.* * *Electrolyte concentrations are specified as they influence cell potential .* #### *5.1.6 Calculating standard cell potential* *The standard potential for a redox reaction in a galvanic cell can be calculated by summing the standard reduction potentials of the half-reactions. The more negative reduction potential indicates the species that will be oxidized .* * ***Example (Daniell cell):*** * *$Cu^{2+} + 2e^- \\rightleftharpoons Cu$: $E^0 = +0.34$ V .* * *$Zn^{2+} + 2e^- \\rightleftharpoons Zn$: $E^0 = -0.76$ V .* * *Overall reaction: $Cu^{2+} + Zn \\rightleftharpoons Cu + Zn^{2+}$ .* * *Standard cell potential: $+0.34$ V $ - (-0.76$ V$) = 1.10$ V .* ### *5.2 Rusting of iron* *Rusting is the common term for the corrosion of iron and its alloys, such as steel, which involves the formation of iron oxides .* #### *5.2.1 Definition and composition of rust* *Rust is primarily iron oxides, typically red oxides formed by the reaction of iron with oxygen in the presence of water or air moisture. Other forms exist, such as green rust, formed in oxygen-deprived environments with chloride ions. Rust consists of hydrated iron(III) oxides ($Fe\_2O\_3 \\cdot nH\_2O$) and iron(III) oxide-hydroxide ($FeO(OH) \\cdot Fe(OH)\_3$) .* #### *5.2.2 Factors influencing rusting* * ***Electrochemical process:*** *Rusting is an electrochemical process that begins with electron transfer from iron to oxygen .* * ***Water and oxygen:*** *Iron metal is relatively unaffected by pure water or dry oxygen. However, the combined action of oxygen and water is crucial for the conversion of the passivating iron oxide layer into rust .* * ***Electrolytes:*** *The presence of salts, such as in seawater or salt spray, significantly accelerates the rusting process due to electrochemical reactions. Electrolytes increase the conductivity of the water, facilitating ion movement .* * ***Acids:*** *Acids (e.g., carbon dioxide in water, sulfur dioxide in water) also contribute to corrosion by forming iron hydroxides that do not adhere to the metal surface. The formation of hydroxide ions during oxygen reduction is strongly affected by the presence of acid, with corrosion accelerating at low pH .* * ***Impurities:*** *Impure iron, like cast iron, rusts more readily than pure iron .* #### *5.2.3 Chemical reactions involved in rusting* *Rusting is an electrochemical process involving the following key reactions:* 1. ***Reduction of oxygen:****$O\_2 + 4e^- + 2H\_2O \\rightarrow 4OH^-$ .* 2. ***Oxidation of iron:****$Fe \\rightarrow Fe^{2+} + 2e^-$ .* 3. ***Redox reaction in water (crucial for rust formation):****$4Fe^{2+} + O\_2 \\rightarrow 4Fe^{3+} + 2O^{2-}$ .* 4. ***Acid-base reactions (formation of hydroxides):****$Fe^{2+} + 2H\_2O \\rightleftharpoons Fe(OH)\_2 + 2H^+$ . $Fe^{3+} + 3H\_2O \\rightleftharpoons Fe(OH)\_3 + 3H^+$ .* 5. ***Dehydration equilibria (formation of oxides):****$Fe(OH)\_2 \\rightleftharpoons FeO + H\_2O$ . $Fe(OH)\_3 \\rightleftharpoons FeO(OH) + H\_2O$ . $2FeO(OH) \\rightleftharpoons Fe\_2O\_3 + H\_2O$ .* *The specific corrosion products depend on the availability of water and oxygen. Limited dissolved oxygen favors iron(II) compounds like FeO, while high oxygen concentrations favor ferric compounds. The presence of other ions, such as $Ca^{2+}$, can accelerate rust formation by acting as electrolytes or precipitating with iron hydroxides and oxides .* #### *5.2.4 Consequences of rusting* * ***Structural degradation:*** *Rust is permeable to air and water, meaning corrosion continues beneath the rust layer. This can lead to structural weakening, cracking, flaking, and eventual disintegration of iron or steel .* * ***Volume expansion:*** *Rust occupies a larger volume than the original iron, which can cause "rust smacking," forcing apart adjacent parts and leading to structural failure. This was a factor in bridge collapses like the Mianus River Bridge and the Silver Bridge .* * ***Reinforced concrete damage:*** *Rusting of steel reinforcement within concrete can cause internal pressure, leading to spalling and severe structural problems .* * ***Aesthetic issues:*** *Rust can cause discoloration, such as brown and black water from rusted galvanized pipes .* ### *5.3 Prevention of rusting* *Preventing or slowing down rust is of significant economic importance and involves various technological approaches .* #### *5.3.1 Rust-resistant alloys* *Certain alloys are designed to resist corrosion:* * ***Stainless steel:*** *Forms a protective passivation layer of chromium(III) oxide .* * ***Weathering steel (e.g., Cor-Ten):*** *Forms a tightly adhering rust layer that slows down further corrosion, though it still rusts slowly .* * *Other metals and materials exhibiting passivation include magnesium, titanium, zinc, aluminium, polyaniline, and other electroactive conductive polymers .* #### *5.3.2 Galvanization* *Galvanization involves coating iron or steel with a layer of metallic zinc .* * ***Methods:*** *Hot-dip galvanizing or electroplating .* * ***Cathodic protection:*** *Zinc provides cathodic protection to the steel. If the zinc layer is damaged, zinc acts as a galvanic anode and corrodes preferentially, sacrificing itself to protect the steel .* * ***Limitations:*** *Galvanization can fail at seams and holes. The protective zinc layer is consumed over time .* * ***Modern coatings:*** *Zinc-aluminum (zinc-alume) coatings provide longer protection as aluminum can migrate to cover scratches .* #### *5.3.3 Plating* *Coating iron or steel with other metals offers protection:* * ***Zinc plating (galvanized iron/steel):*** *.* * ***Tin plating:*** *Mild steel coated with tin .* * ***Cadmium plating:*** *Preferred in more corrosive environments like saltwater .* * ***Chrome plating:*** *Electrolytically applied chromium provides rust protection and a polished appearance .* #### *5.3.4 Cathodic protection* *This technique inhibits corrosion on buried or immersed structures by supplying an electrical charge to suppress the electrochemical reaction .* * ***Sacrificial anode:*** *Attaching a material with a more negative electrode potential (e.g., zinc, aluminum, magnesium) makes the iron or steel the cathode in the formed cell. The sacrificial anode corrodes instead of the protected metal .* * ***Impressed current:*** *Using an electrical device to induce an appropriate electric charge on the metal to be protected .* #### *5.3.5 Coatings and painting* *Applying physical barriers isolates iron from the environment:* * ***Paint, lacquer, varnish:*** *These coatings prevent contact with air and moisture .* * ***Wax-based products (slushing oils):*** *Injected into enclosed sections of large structures like ships and automobiles, often containing rust inhibitors .* * ***Concrete:*** *Covering steel with concrete provides some protection due to the alkaline pH environment at the interface .* * ***Oils, grease, and specialized mixtures:*** *Used for temporary protection during storage or transport (e.g., Cosmoline) .* * ***Anti-seize lubricants:*** *Mixtures of grease with metal powders (copper, zinc, aluminum) to protect threads and machined surfaces .* #### *5.3.6 Bluing* *A technique for small steel items (e.g., firearms) that provides limited rust resistance when combined with a water-displacing oil .* #### *5.3.7 Inhibitors* *Corrosion inhibitors can be used in sealed systems to prevent corrosion. They are ineffective in open systems with air circulation that disperses them and introduces fresh oxygen and moisture .* #### *5.3.8 Humidity control* *Controlling atmospheric moisture is crucial:* * ***Silica gel packets:*** *Used to manage humidity in equipment shipped by sea .* ### *5.4 Economic impact of rusting* *Rusting leads to the degradation of iron-based tools and structures, causing significant economic losses. The structural failures caused by rust, such as bridge collapses, have resulted in fatalities and substantial repair costs. The term "Rust Belt" is used to describe regions historically dominated by heavy industry that have experienced economic decline, symbolizing decay .* * * * ## *Common mistakes to avoid* * *Review all topics thoroughly before exams* * *Pay attention to formulas and key definitions* * *Practice with examples provided in each section* * *Don't memorize without understanding the underlying concepts*

| Term | Definition | |------|------------| | States of Matter | Refers to the distinct forms in which matter can exist, commonly solid, liquid, and gas, each characterized by different properties of their constituent particles. | | Gas | A state of matter where particles are far apart, move freely at high speeds, and assume the shape and volume of their container. Gases are highly compressible and flow easily. | | Liquid | A state of matter where particles are close together but can move past each other. Liquids take the shape of their container but retain a definite volume, are nearly incompressible, and flow. | | Solid | A state of matter where particles are tightly packed, usually in a regular pattern, and vibrate in place. Solids have a fixed shape and volume and are rigid. | | Plasma | The fourth state of matter, consisting of an ionized gaseous substance that is highly electrically conductive, dominated by electric and magnetic fields. | | Condensed Phases | Refers to the liquid and solid states of matter, where particles are held very close together. | | Kinetic Theory of Gases | A scientific theory that explains the macroscopic properties of gases in terms of the motion of their constituent molecules. It postulates that gas molecules are in constant, random motion. | | Pressure | The force exerted per unit area, typically by gas molecules colliding with the walls of a container. Measured in units like Pascal (Pa), atmosphere (atm), and torr. | | Temperature | A measure of the average kinetic energy of the particles in a substance. In gases, higher temperatures lead to increased molecular velocity and kinetic energy. | | Volume | The amount of space that a gas occupies, which is typically the volume of its container. The volume of a gas is influenced by its pressure, temperature, and the number of moles. | | Number of Moles (n) | A unit representing the amount of substance, defined as the number of elementary entities (e.g., atoms, molecules) in a sample. It is calculated as mass divided by molecular weight. | | U-tube Manometer | A device used to measure pressure, consisting of a U-shaped glass tube containing a liquid, often mercury. The difference in liquid levels indicates the pressure difference. | | Atmospheric Pressure | The pressure exerted by the weight of the Earth's atmosphere. It is often used as a standard unit of pressure, equivalent to 760 mmHg. | | Boyle's Law | States that for a given mass of gas at constant temperature, the pressure is inversely proportional to its volume ($P \propto 1/V$ or $PV = \text{constant}$). | | Charles's Law | States that for a given mass of gas at constant pressure, the volume is directly proportional to its absolute temperature ($V \propto T$ or $V/T = \text{constant}$). | | Avogadro's Hypothesis | States that equal volumes of all gases, at the same temperature and pressure, have the same number of molecules. This implies that volume is directly proportional to the number of moles ($V \propto n$). | | Ideal Gas | A theoretical gas that perfectly obeys the ideal gas law ($PV = nRT$) under all conditions of temperature and pressure. It assumes that gas molecules have no volume and no intermolecular forces. | | Ideal Gas Law | An equation of state that describes the behavior of an ideal gas: $PV = nRT$, where P is pressure, V is volume, n is the number of moles, R is the ideal gas constant, and T is absolute temperature. | | Gas Constant (R) | A proportionality constant in the ideal gas law. Its value depends on the units used for pressure, volume, and temperature. Common values include 0.0821 L·atm/(mol·K) and 8.314 J/(mol·K). | | Standard Temperature and Pressure (STP) | A set of standard conditions for experimental measurements, typically defined as 0°C (273.15 K) and 1 atm (101.325 kPa). At STP, one mole of an ideal gas occupies 22.4 liters. | | Dalton's Law of Partial Pressures | States that the total pressure of a mixture of non-reacting gases is equal to the sum of the partial pressures of the individual gases ($P_{\text{total}} = P_1 + P_2 + \dots$). | | Partial Pressure | The pressure that a single gas in a mixture would exert if it occupied the entire volume of the container by itself at the same temperature. | | Mole Fraction (X) | The ratio of the number of moles of a component in a mixture to the total number of moles of all components ($X_i = n_i / n_{\text{total}}$). It is a dimensionless quantity. | | Diffusion | The spontaneous mixing of substances, typically gases or liquids, due to the random motion of their particles. | | Effusion | The process by which a gas escapes through a small opening or pinhole into a region of lower pressure or vacuum. | | Graham's Law of Diffusion | States that under the same conditions of temperature and pressure, the rates of diffusion of different gases are inversely proportional to the square roots of their molecular masses ($r_1/r_2 = \sqrt{M_2/M_1}$). | | Real Gas | A gas that deviates from ideal gas behavior due to intermolecular forces and the finite volume of gas molecules. | | Deviation from Ideal Behavior | The extent to which a real gas's properties differ from those predicted by the ideal gas law. This is influenced by pressure and temperature. | | Intermolecular Forces | Attractive or repulsive forces between molecules. In gases, these forces become significant at high pressures and low temperatures. | | van der Waals Equation of State | An equation of state for real gases that accounts for the volume of molecules and intermolecular attractive forces: $(P + a(n/V)^2)(V - nb) = nRT$. | | van der Waals Constants (a and b) | Constants in the van der Waals equation that correct for intermolecular attractions (a) and the volume of molecules (b). They are specific to each gas. | | Critical Temperature (Tc) | The temperature above which a gas cannot be liquefied, regardless of the pressure applied. | | Critical Pressure (Pc) | The minimum pressure required to liquefy a gas at its critical temperature. | | Critical Volume (Vc) | The volume occupied by one mole of a gas at its critical temperature and critical pressure. | | Joule-Thomson Effect | The phenomenon where a gas cools upon expansion from a region of high pressure to a region of low pressure, typically through a porous plug, when the process is nearly adiabatic. | | Inversion Temperature (Ti) | The temperature at which the Joule-Thomson effect changes from cooling to heating. Below Ti, expansion causes cooling; above Ti, expansion causes heating. | | Linde's Method | A process used for liquefying gases that utilizes the Joule-Thomson effect through repeated cycles of compression, cooling, and expansion. | | Isothermal Process | A thermodynamic process that occurs at constant temperature. Work is done during volume changes. | | Work Done | The energy transferred when a force acts over a distance. In gas expansions, work is done by the gas, and in compressions, work is done on the gas. | | Reversible Process | A thermodynamic process that can be reversed without leaving any change in the system or surroundings. | | Irreversible Process | A thermodynamic process that cannot be reversed without leaving a net change in the system and surroundings. | | Liquid State | A state of matter characterized by definite volume but no fixed shape, with particles in close contact but able to move past each other. | | Vapor Pressure | The pressure exerted by a vapor in thermodynamic equilibrium with its condensed phases (solid or liquid) at a given temperature in a closed system. | | Boiling Point | The temperature at which the vapor pressure of a liquid equals the ambient atmospheric pressure, allowing the liquid to vaporize throughout its bulk. | | Surface Tension | The elastic tendency of a fluid surface to acquire the least surface area possible, resulting from cohesive forces between liquid molecules. | | Capillarity | The ability of a liquid to flow in narrow spaces without the assistance of, or even in opposition to, external forces like gravity, due to surface tension and adhesive forces. | | Heat of Vaporization | The amount of heat energy required to convert a substance from a liquid to a gas at a constant temperature. Also known as enthalpy of vaporization. | | Solid State | A state of matter characterized by rigidity, fixed shape, and fixed volume, with particles held tightly together in an ordered arrangement. | | Crystalline Solids | Solids in which the constituent atoms, molecules, or ions are arranged in a highly ordered, repeating three-dimensional pattern called a crystal lattice. | | Amorphous Solids | Solids that lack a regular, ordered atomic structure, often exhibiting properties of both liquids and crystalline solids. | | Crystal Lattice | A three-dimensional array of points that describes the arrangement of atoms, ions, or molecules in a crystalline solid. | | Unit Cell | The smallest repeating unit of a crystal lattice that, when translated in three dimensions, generates the entire crystal structure. | | Simple Cubic (SC) | A crystal structure where atoms are located only at the corners of a cubic unit cell. | | Body-Centered Cubic (BCC) | A crystal structure where atoms are located at the corners and one atom is at the center of a cubic unit cell. | | Face-Centered Cubic (FCC) | A crystal structure where atoms are located at the corners and one atom is at the center of each of the six faces of a cubic unit cell. | | Atomic Packing Factor (APF) | The fraction of the volume of a unit cell that is occupied by atoms. It represents how efficiently spheres are packed in a crystal structure. | | Theoretical Density | The density of a crystalline material calculated based on its crystal structure, atomic weight, and Avogadro's number. | | Solutions | Homogeneous mixtures composed of two or more substances, where a solute is dissolved in a solvent. | | Solute | The substance that is dissolved in a solvent to form a solution. | | Solvent | The substance that dissolves a solute to form a solution. It is usually present in a greater amount than the solute. | | Solubility | The ability of a substance (solute) to dissolve in another substance (solvent) to form a solution. It is often expressed as the maximum amount of solute that can dissolve in a given amount of solvent at a specific temperature. | | Miscible | Describes two liquids that can mix in all proportions to form a homogeneous solution. | | Immiscible | Describes two liquids that do not mix to form a homogeneous solution, separating into distinct layers. | | Saturated Solution | A solution that contains the maximum amount of solute that can be dissolved in the solvent at a given temperature and pressure. | | Supersaturated Solution | A solution that contains more dissolved solute than a saturated solution, usually achieved by preparing a saturated solution at a higher temperature and then cooling it carefully. | | Colligative Properties | Properties of solutions that depend on the concentration of solute particles rather than their identity, such as boiling point elevation, freezing point depression, and osmotic pressure. | | Concentration | A measure of the amount of solute present in a given amount of solvent or solution. Common measures include molarity, molality, mole fraction, and mass percentage. | | Molarity (M) | The number of moles of solute per liter of solution (mol/L). | | Molality (m) | The number of moles of solute per kilogram of solvent (mol/kg). | | Mole Fraction (X) | The ratio of moles of solute to the total moles of all components in a solution. | | Mass Percentage | The mass of the solute as a percentage of the total mass of the solution (mass of solute / mass of solution * 100%). | | Mass-Volume Percentage (% m/v) | The mass of solute in grams per 100 mL of solution. | | Volume-Volume Percentage (% v/v) | The volume of solute in milliliters per 100 mL of solution. | | Normality (N) | The number of gram equivalent weights of a solute per liter of solution. It is used to express concentrations in reactions where the stoichiometry is based on equivalents. | | Equivalent Weight | The mass of a substance that will react with or supply one mole of an H+ ion (in acids), OH- ion (in bases), or electrons (in redox reactions). | | Formal Concentration (F) | The number of moles of the original chemical formula per liter of solution, without regard for the species that actually exist in solution. | | Parts-per Notation | A way to express concentration as a ratio of a component to the whole, such as parts per hundred (%), parts per thousand (‰), parts per million (ppm), and parts per billion (ppb). | | Henry's Law | States that at a constant temperature, the solubility of a gas in a liquid is directly proportional to the partial pressure of the gas above the liquid ($P = k_H \times C$). | | Henry's Law Constant (kH) | A proportionality constant in Henry's law that depends on the solute, solvent, and temperature. | | Raoult's Law | For ideal solutions, states that the partial vapor pressure of a component is equal to the vapor pressure of the pure component multiplied by its mole fraction in the solution ($P_A = X_A P_A^\circ$). | | Vapor Pressure / Composition Diagram | A graphical representation showing the relationship between the mole fraction of components in a mixture and the vapor pressure of the mixture at a given temperature. | | Boiling Point / Composition Diagram | A graphical representation showing the relationship between the mole fraction of components in a liquid mixture and the boiling points of the mixture. | | Phase Diagram | A graphical representation that shows the stable phases of a substance or mixture under different conditions of temperature, pressure, and composition. | | Fractional Distillation | A separation technique used to separate components of a liquid mixture based on differences in their boiling points, involving repeated vaporization and condensation. | | Osmosis | The net movement of solvent molecules through a selectively permeable membrane from an area of higher solvent potential (lower solute concentration) to an area of lower solvent potential (higher solute concentration). | | Semi-permeable Membrane | A membrane that allows certain molecules or ions to pass through it by diffusion while blocking others. | | Osmotic Pressure | The minimum pressure that needs to be applied to a solution to prevent the inward flow of its pure solvent across a semi-permeable membrane. It is a colligative property. | | Hypotonic Solution | A solution with a lower solute concentration (and thus higher water concentration) compared to another solution. | | Hypertonic Solution | A solution with a higher solute concentration (and thus lower water concentration) compared to another solution. | | Isotonic Solution | A solution with the same solute concentration (and thus the same water concentration) as another solution. | | Buffer Solution | An aqueous solution that resists changes in pH when small amounts of acid or base are added. It typically consists of a weak acid and its conjugate base, or a weak base and its conjugate acid. | | Henderson-Hasselbalch Equation | An equation used to calculate the pH of a buffer solution: $pH = pK_a + \log([\text{conjugate base}]/[\text{weak acid}])$. | | pKa | The negative logarithm of the acid dissociation constant ($K_a$). It is a measure of the acidity of a weak acid. | | Buffer Capacity | A quantitative measure of a buffer solution's resistance to pH change upon the addition of an acid or base. | | Electrochemistry | The branch of physical chemistry that studies the relationship between electricity and chemical reactions, particularly those involving electron transfer. | | Electrochemical Reaction | A chemical reaction that involves the transfer of electrons between chemical species, either producing electricity or being driven by an external electric current. | | Oxidation | The loss of electrons from a chemical species, resulting in an increase in its oxidation state. | | Reduction | The gain of electrons by a chemical species, resulting in a decrease in its oxidation state. | | Redox Reaction | A reaction that involves both oxidation and reduction. | | Electrochemical Cell | A device that converts chemical energy into electrical energy (galvanic/voltaic cell) or uses electrical energy to drive a non-spontaneous chemical reaction (electrolytic cell). | | Electrode | A conductor through which electric current enters or leaves an electrolytic solution or other medium. | | Anode | The electrode where oxidation occurs in an electrochemical cell. | | Cathode | The electrode where reduction occurs in an electrochemical cell. | | Galvanic Cell (Voltaic Cell) | An electrochemical cell that produces electrical energy from spontaneous redox reactions. | | Daniell Cell | A specific type of galvanic cell that uses zinc and copper electrodes in solutions of their respective sulfates, producing a standard potential of 1.10 V. | | Salt Bridge | A component of an electrochemical cell that connects two half-cells, allowing ion flow to complete the electrical circuit while preventing excessive mixing of the electrolytes. | | Electromotive Force (emf) | The potential difference between the electrodes of an electrochemical cell, also known as cell voltage. | | Rust | Iron oxides and hydroxides formed by the corrosion of iron and its alloys (like steel) in the presence of oxygen and moisture. | | Corrosion | The gradual destruction of materials, usually metals, by chemical or electrochemical reaction with their environment. | | Passivation Layer | A thin, protective oxide film that forms on the surface of some metals, inhibiting further corrosion. | | Galvanization | A process of applying a protective zinc coating to steel or iron to prevent rusting. Zinc acts as a sacrificial anode. | | Cathodic Protection | A technique used to prevent corrosion by making the metal to be protected the cathode of an electrochemical cell, often by connecting it to a more easily corroded metal (sacrificial anode). | | Plating | The process of coating a metal surface with another metal using electrolysis or other methods, often for protection or decoration. | | Coatings | Protective layers applied to surfaces to prevent corrosion, such as paint, lacquer, or wax. | | Bluing | A passivation process for steel that forms a protective layer of black iron oxide, offering limited resistance to rusting. | | Corrosion Inhibitors | Substances that, when added in small concentrations to an environment, reduce the corrosion rate of a metal. | | Humidity Control | Managing the moisture content in the atmosphere to prevent or slow down rust formation. | | Rust Belt | A term referring to industrial regions in the United States characterized by declining heavy industry, particularly steel production, often associated with rust and decay. |

# Oorsprong en eigenschappen van materiaalgroepen Het begrijpen van de oorsprong en eigenschappen van materiaalgroepen begint bij de fundamentele bouwstenen: de atomen, de bindingen die ze vormen, en de manier waarop ze geordend zijn [15](#page=15) [3](#page=3). ### 1.1 Bindingen als basis voor materiaaleigenschappen De eigenschappen van materialen worden sterk beïnvloed door de aard van de chemische bindingen die de atomen bij elkaar houden. Deze bindingen kunnen primair, sterk en intramoleculair zijn, of secundair, zwak en intermoleculair [5](#page=5) [6](#page=6). #### 1.1.1 Primaire bindingen Primaire bindingen zijn krachtig en vormen de kern van moleculaire structuren. ##### 1.1.1.1 Metaalbinding Metaalbindingen kenmerken metalen, waarbij atomen in een rooster van positieve ionen zijn gerangschikt, omgeven door een "zee" van gedeelde valentie-elektronen [7](#page=7) [8](#page=8). ##### 1.1.1.2 Ionbinding Een ionbinding ontstaat door de elektrostatische aantrekking tussen positief en negatief geladen ionen. Deze binding treedt typisch op tussen atomen met een duidelijk metaal- en niet-metaalkarakter. Het bindende elektronenpaar wordt hierbij volledig overgedragen aan het atoom met de hoogste elektronegativiteit, wat meestal het niet-metaal is [10](#page=10) [11](#page=11) [9](#page=9). ##### 1.1.1.3 Covalente binding Bij een covalente binding delen twee niet-metalen atomen een of meerdere valentie-elektronenparen om een stabiele elektronenconfiguratie te bereiken. Dit kan resulteren in enkelvoudige, dubbele, of zelfs meervoudige bindingen, waarbij de elektronen een gemeenschappelijk gebied vormen [12](#page=12) [13](#page=13). #### 1.1.2 Secundaire bindingen Secundaire bindingen, ook wel intermoleculaire krachten genoemd, zijn zwakker dan primaire bindingen en spelen een rol in de interactie tussen moleculen. Voorbeelden hiervan zijn van der Waals-krachten en waterstofbruggen, die de fysische eigenschappen zoals smelt- en kookpunten beïnvloeden [14](#page=14). ### 1.2 De rol van atoomsoort en ordening De specifieke atomen die betrokken zijn bij de bindingen, evenals de manier waarop deze atomen en hun bindingen geordend zijn in een materiaal (bijvoorbeeld in een kristallijn of amorf rooster), bepalen direct de macroscopische eigenschappen van het materiaal, zoals sterkte, hardheid, geleidbaarheid en ductiliteit [15](#page=15) [3](#page=3). > **Tip:** Concentreer je bij het bestuderen van materiaaleigenschappen altijd op de drie kernvragen: welke atomen, welke bindingen, en hoe is de ordening? Dit geeft de meest fundamentele verklaring. --- # Polymeren en hun synthese Polymeren zijn macromoleculen die uit vele herhalende monomeereenheden bestaan, en dit deel behandelt hun oorsprong, structuur, en de belangrijkste polymerisatiereacties: additie en condensatie [19](#page=19). ## 2 Polymeren en hun synthese Polymeren, afgeleid van het Griekse 'poly' (veel) en 'meras' (delen), zijn grote moleculen opgebouwd uit herhalende structurele eenheden, monomeeren genoemd. Deze lange ketens bestaan vaak uit een ruggengraat van koolstofatomen, aangevuld met waterstofatomen en soms andere functionele groepen. De bindingen binnen de hoofd- en zijketens kunnen enkelvoudig of meervoudig zijn [19](#page=19) [20](#page=20) [21](#page=21). ### 2.1 Oorsprong en structuur van polymeren #### 2.1.1 Monomeren Monomeren zijn de stabiele, kleine moleculen die als bouwstenen dienen voor polymeren. Een bekend voorbeeld is ethyleen ($C_2H_4$), een gas dat onder specifieke druk- en temperatuurscondities, vaak met een katalysator, kan polymeriseren tot polyethyleen (PE), een vaste stof [21](#page=21) [22](#page=22). #### 2.1.2 Koolwaterstofverbindingen als bouwstenen De basis van veel polymeren zijn koolwaterstofverbindingen, opgebouwd uit koolstof (C) en waterstof (H). Koolstof kan vier covalente bindingen vormen en waterstof één, resulterend in enkelvoudige covalente bindingen tussen atomen in verzadigde koolwaterstofverbindingen. Deze verbindingen kunnen alleen reacties aangaan door atomen te laten vallen [24](#page=24). Daarnaast zijn dubbele en drievoudige bindingen tussen koolstofatomen mogelijk in onverzadigde koolwaterstofverbindingen. Hierbij delen twee koolstofatomen twee of drie elektronenparen, waardoor ze minder bindingen met andere atomen kunnen aangaan. Deze onverzadigde bindingen maken de moleculen geschikt voor additiepolymerisatie, waarbij bindingen kunnen worden gevormd zonder atomen te verliezen door een deel van de meervoudige binding los te maken. Voorbeelden hiervan zijn ethyleen ($C_2H_4$) en acetyleen ($C_2H_2$) [26](#page=26). Koolwaterstofverbindingen met functionele groepen kunnen ook dienen als bouwstenen, met name via condensatiepolymerisatie [27](#page=27). #### 2.1.3 Bindingen in polymeren De atomen binnen monomeermoleculen zijn sterk aan elkaar gebonden via covalente bindingen. De bindingen tussen de polymeermoleculen zelf zijn echter zwakkere secundaire bindingen, zoals waterstofbruggen en van der Waalsbindingen. Dit resulteert in polymeren met een doorgaans lager smelt- en kookpunt vergeleken met materialen zoals metalen of keramiek. De polymeerketens kunnen onder belasting langs elkaar heen glijden, wat leidt tot relatief zwakkere mechanische eigenschappen tenzij verstevigingsmechanismen zoals vulstoffen, vertakte ketens, of cross-links worden toegepast [28](#page=28). #### 2.1.4 Moleculair gewicht en distributie Polymeren kunnen zeer hoge moleculaire gewichten bereiken door de aaneenschakeling van een groot aantal monomeereenheden. Tijdens de polymerisatie worden echter niet alle polymeerketens even lang, wat resulteert in een gewichtsdistributie in plaats van een eenduidig moleculair gewicht. Het vermelde moleculair gewicht is dus een gemiddelde [30](#page=30). Het moleculair gewicht beïnvloedt de fysische staat van het polymeer bij kamertemperatuur: * Polymeren met een moleculair gewicht van ongeveer 100 g/mol zijn gassen of vloeistoffen [30](#page=30). * Polymeren rond de 1000 g/mol zijn wasachtige vaste stoffen of zachte harsen [30](#page=30). * Polymeren met een moleculair gewicht van circa $10^5$ tot $10^6$ g/mol zijn vaste stoffen [30](#page=30). #### 2.1.5 Homopolymeren en copolymeren Polymeren opgebouwd uit één enkel type monomeer worden homopolymeren genoemd. Wanneer polymeren uit meer dan één monomeertype bestaan, spreekt men van copolymeren. Het doel van copolymeren is om de gunstige eigenschappen van de individuele monomeren te combineren. Een voorbeeld hiervan is synthetische rubber, vaak een random copolymeer zoals styreen-butadieen rubber voor autobanden, of nitrile rubber (acrylonitrile en butadieen) voor benzineslangen, dat zeer elastisch is en niet opzwelt in organische oplosmiddelen [29](#page=29). #### 2.1.6 Natuurlijke versus kunstmatige polymeren Er is een onderscheid tussen natuurlijke polymeren zoals hout, rubber, katoen, wol, leder, zijde, proteïnen, enzymen, zetmeel en cellulose en kunstmatige polymeren zoals polyester, PET, nylon, teflon, PS, PE en PP. Kunstmatige polymeren, ook wel kunststoffen genoemd, zijn zeer grote moleculen die gesynthetiseerd worden uit organische grondstoffen [23](#page=23). #### 2.1.7 Waterstofbruggen Waterstofbruggen kunnen een secundaire rol spelen in de structuur van polymeren, zoals geïllustreerd door Kevlar. Deze bruggen treden op tussen de polymeerketens en beïnvloeden de materiaal eigenschappen [25](#page=25). ### 2.2 Polymerisatiereacties Polymeren worden gesynthetiseerd via verschillende polymerisatiereacties. De twee primaire mechanismen zijn additiepolymerisatie en condensatiepolymerisatie [32](#page=32) [35](#page=35). #### 2.2.1 Additiepolymerisatie Bij additiepolymerisatie worden monomeermoleculen achter elkaar gekoppeld, vergelijkbaar met kralen aan een ketting. Het uitgangsmateriaal is een monomeer in oplossing, emulsie, dampvorm, of als onverdunde vloeistof. De chemische samenstelling van de schakels in het resulterende polymeer is identiek aan die van de monomeermoleculen [32](#page=32). **Voorbeeld van additiepolymerisatie van polyethyleen (PE):** Het proces omvat typisch initiatie en propagatie stappen [33](#page=33). $$ \text{Initiatie:} \quad \text{Initiator} \rightarrow \text{Vrije radicalen} $$ $$ \text{Propagatie:} \quad \text{Vrij radicaal} + \text{Monomer} \rightarrow \text{Groeiend polymeer radicaal} $$ $$ \text{Groeiend polymeer radicaal} + \text{Monomer} \rightarrow \text{Nog groter polymeer radicaal} $$ #### 2.2.2 Toepassingen van additiepolymerisatie Additiepolymerisatie leidt tot diverse gangbare polymeren: * Polypropyleen (PP) wordt gebruikt voor bijvoorbeeld yoghurtpotjes [34](#page=34). * Polyvinylchloride (PVC) wordt toegepast in bijvoorbeeld raamprofielen [34](#page=34). * Teflon, bekend van antikleeflagen op pannen, is ook een product van additiepolymerisatie [34](#page=34). #### 2.2.3 Condensatiepolymerisatie Bij condensatiepolymerisatie hecht een nieuw molecule zich aan een ander molecule tijdens de vormingsreactie. De schakels in het resulterende polymeer hebben een andere chemische samenstelling dan de uitgangsmaterialen. Een kenmerk van deze reactie is de vorming van een bijproduct, vaak water, vandaar de term "condensatie" [35](#page=35). #### 2.2.4 Toepassingen van condensatiepolymerisatie Enkele voorbeelden van materialen die via condensatiepolymerisatie worden gevormd: * Piepschuim [36](#page=36). * Plexiglas [36](#page=36). * Bakeliet [36](#page=36). * Nylon [36](#page=36). * Polyester, zoals gebruikt in waterflessen en als substraat voor CD's [37](#page=37). **Voorbeeld van condensatiepolymerisatie van een polyester:** De algemene reactie omvat de koppeling van twee monomeren met afsplitsing van een klein molecule zoals water [38](#page=38). $$ \text{Monomer 1} + \text{Monomer 2} \rightarrow \text{Polyester schakel} + \text{H}_2O $$ #### 2.2.5 Bijzondere gevallen: Polyadditie en Cross-linking Twee speciale gevallen van polymerisatiereacties zijn polyadditie en cross-linking. * **Polyadditie:** Dit is een combinatie van additie- en condensatiepolymerisatie waarbij het gevormde condensaat ook in de keten wordt opgenomen, zij het op een andere plaats [39](#page=39). * **Cross-linking:** Hierbij worden sterke chemische bruggen, "cross-links" of dwarsverbindingen, gevormd tussen de polymeerketens. Het resulterende materiaal wordt één grote macromolecule [39](#page=39). **Voorbeeld van polyadditie/cross-linking:** Epoxyharsen, die onder andere worden gebruikt voor composietmaterialen zoals PMC (Polymer Matrix Composites), vallen onder deze categorie [39](#page=39) [40](#page=40). --- # Eigenschappen en classificatie van polymeren Dit onderwerp behandelt de diverse eigenschappen van polymeren, hun moleculaire structuur, en hoe deze leiden tot verschillende classificaties zoals thermoplasten en thermoharders, mede beïnvloed door kristalliniteit en vervormingsgedrag [41](#page=41). ### 3.1 Moleculaire structuur en eigenschappen De structuur van polymeermoleculen, inclusief de ketenstructuur, de ligging van ketens, de aanwezigheid van toeslagstoffen en temperatuurbehandelingen, beïnvloedt sterk de uiteindelijke eigenschappen van het polymeer. De manier waarop polymeerketens zich vormen en verstrengelen, doet denken aan een 'spaghetti'-achtige structuur, wat essentieel is voor de elastische vervormbaarheid van rubberachtige polymeren. Dubbele bindingen (C=C) en grote zijgroepen kunnen de rotatie van ketens beperken, wat resulteert in stijvere moleculen zoals polystyreen (PS) [41](#page=41) [42](#page=42). De synthesetechnologie bepaalt de architectuur van polymeren, resulterend in: * **Lineaire polymeren**: Flexibele lange ketens, zoals polyethyleen (PE), polypropyleen (PP), polyvinylchloride (PVC), polystyreen (PS), polymethylmethacrylaat (PMMA), en nylon [43](#page=43). * **Vertakte polymeren**: Minder dicht gepakt dan lineaire polymeren door minder dichte pakking van de ketens [43](#page=43). * **Crosslink polymeren**: Interconnectie tussen lineaire ketens door covalente bindingen, typisch voor rubberachtige polymeren [43](#page=43). * **Netwerk polymeren**: Een driedimensionale structuur, vaak gevormd uit trifunctionele monomeereenheden, zoals in bakeliet [43](#page=43). Vaak ziet men combinaties van deze structuren [43](#page=43). ### 3.2 Classificatie op basis van vervormingsgedrag Polymeren kunnen geclassificeerd worden op basis van hun vervormingsgedrag bij stijgende temperatuur [45](#page=45). #### 3.2.1 Thermoplasten Thermo- of thermoplastische polymeren worden week bij verhitting en kunnen smelten, waarna ze bij afkoeling weer verharden; dit is een reversibel proces [46](#page=46). * **Structuur**: Ze kunnen amorf of semi-kristallijn zijn [46](#page=46). * **Amorfe zones**: Worden visceus (stroperig) boven de glastemperatuur ($T_g$) [46](#page=46). * **Kristallijne zones**: Smelten bij de smeltemperatuur ($T_{sm}$) indien aanwezig [46](#page=46). * **Gedrag bij lage temperatuur**: Secundaire bindingen worden verzwakt, waardoor ketens relatief kunnen bewegen onder invloed van kracht (reversibel) [46](#page=46). * **Gedrag bij hoge temperatuur**: Primaire covalente bindingen breken, wat leidt tot irreversibele degradatie [46](#page=46). * **Eigenschappen**: Makkelijk (her)vormbaar en recycleerbaar boven $T_g$ (of $T_{sm}$). Hun gebruik is beperkt tot gematigde temperaturen vanwege het verweken. Verhoging van de kristalliniteit verhoogt sterkte en stijfheid, maar verlaagt de ductiliteit. Thermoplasten zijn doorgaans zachter dan thermoharders. Voorbeelden zijn PE, PS, PP en PET. De vorming van producten vereist gelijktijdige toepassing van warmte en druk. De meeste lineaire polymeren en sommige vertakte polymeren met flexibele vertakkingen zijn thermoplasten [50](#page=50). > **Tip:** De glastransitie ($T_g$) is een overgang waarbij de mobiliteit van polymeerketens in amorfe zones abrupt afneemt met dalende temperatuur, wat leidt tot een overgang van rubberachtig naar glasachtig gedrag. Dit is géén smeltpunt [49](#page=49) [57](#page=57). #### 3.2.2 Thermoharders Thermoharders zijn permanent harde materialen, typisch netwerkpolymeren met een driedimensionaal netwerk van ketens en vele crosslinks. Na vervorming en verwarming behouden ze hun 3D-structuur, omdat de covalente crosslinkbindingen de trillingen bij verhitting weerstaan [51](#page=51). * **Gedrag**: Lichte verweking kan optreden boven $T_g$, maar het materiaal blijft een vaste stof. Bij zeer hoge temperaturen degradeert het materiaal [51](#page=51). * **Eigenschappen**: Ze zijn hard en rigide, vooral beneden $T_g$. Ze hebben een hoge dimensionele stabiliteit en zijn resistent tegen kruip en vervorming onder belasting. Ze kunnen bij hogere temperaturen worden gebruikt omdat ze niet verweken. Een nadeel kan een broze breuk zijn. Voorbeelden zijn polyesters, bakeliet en gevulkaniseerd rubber [51](#page=51). ### 3.3 Kristalliniteit Kristalliniteit verwijst naar de mate van geordende structuur binnen een polymeer [52](#page=52). * **Vorming**: Enkel eenvoudige lineaire polymeren kunnen semi-kristallijn worden, met geordende kristallijne zones tussen amorfe zones. Deze geordende stapeling van moleculaire ketens maakt de polymeren denser dan amorfe polymeren [52](#page=52). * **Invloed van afkoelsnelheid**: De mate van kristalliniteit hangt af van de afkoelsnelheid tijdens de synthese. Langzame afkoeling geeft de ketens meer tijd om zich te ordenen, wat resulteert in een hogere kristalliniteit [52](#page=52). * **Effect op eigenschappen**: Kristalliniteit verhoogt de sterkte en chemische inertie van het polymeer [52](#page=52). * **Moeilijkheidsgraad**: * Kristallisatie is moeilijker te bereiken bij chemisch complexe herhalingseenheden (bv. polyisopreen) en bij polymeren met vertakkingen [53](#page=53). * Het is moeilijk te voorkomen bij chemisch eenvoudige polymeren zoals polyethyleen en polytetrafluoretheen, zelfs bij zeer snelle afkoeling [53](#page=53). * **Netwerk- en crosslinked polymeren**: Deze zijn meestal bijna volledig amorf, omdat crosslinks de herschikking en uitlijning van ketens in een kristallijne structuur verhinderen. Sommige vertakte polymeren zijn gedeeltelijk kristallijn [54](#page=54). #### 3.3.1 Processen gerelateerd aan kristalliniteit * **Kristallisatie bij $T < T_{sm}$**: Dit is de vorming van kristallen vanuit een vloeibare toestand. De groeisnelheid wordt beïnvloed door de stoltemperatuur, stoltijd en moleculair gewicht. Een toenemende stoltijd leidt tot een toenemende fractie kristallijn. Een hoger moleculair gewicht en hogere stoltemperatuur (< $T_{sm}$) leiden tot tragere stolling [56](#page=56). * **Smelten bij $T > T_{sm}$**: Dit is de overgang van een geordende kristallijne structuur naar een ongeordende visceuze vloeistof. Polymeren hebben een smeltrange in plaats van een duidelijke smeltemperatuur vanwege de distributie van ketenlengtes en moleculaire gewichten. Ketens met dubbele C=C bindingen en grote zijgroepen hebben een hogere smeltrange (bv. PP 175°C > PE 115°C) [56](#page=56). * **Glastransitie bij $T < T_g$**: Dit treedt op bij amorfe 'glasachtige' polymeren en bij semi-kristallijne polymeren met amorfe zones. De mobiliteit van ketens in de amorfe zones neemt af naarmate de temperatuur daalt, wat resulteert in een overgang naar glasgedrag onder de glastransitietemperatuur. Dit leidt tot een abrupte reductie van de mobiliteit en een abrupte verandering van bepaalde eigenschappen [57](#page=57). > **Tip:** Semikristallijne polymeren bezitten zowel een smeltbereik ($T_{sm}$) als een glastransitie ($T_g$). $T_{sm}$ en $T_g$ bepalen samen het gebruikstemperatuurbereik van deze polymeren [59](#page=59). ### 3.4 Mechanische eigenschappen en vervormingsgedrag Het vervormingsgedrag van polymeren onder belasting kan onderverdeeld worden in elastische en plastische vervorming [61](#page=61). * **Elastische vervorming**: Reversibel en niet-permanent. Hierbij worden interatomaire of intermoleculaire bindingen uitgerekt zonder te breken. Bij semikristallijne polymeren omvat dit de verlenging van ketens door buigen en rekken van covalente bindingen, en lichte verplaatsingen van moleculen door zwakkere van der Waalskrachten [61](#page=61) [63](#page=63). * **Plastische vervorming**:ここでは irreversibel en permanent. Dit treedt op door het breken van bindingen en het vormen van nieuwe bindingen, waarbij atomen zich verplaatsen binnen het materiaal. Bij semikristallijne polymeren omvat dit het richten van ketens in de trekrichting, het glijden van ketens langs elkaar, het richten van lamellen, en uiteindelijk het afbreken van kristallijne segmenten terwijl ze verbonden blijven via de amorfe ketens. Dit resulteert in een sterk georiënteerde structuur na vervorming [61](#page=61) [64](#page=64) [65](#page=65). #### 3.4.1 Invloed van polymeereigenschappen op vervormbaarheid De mate van elastische en plastische vervorming is sterk afhankelijk van polymeereigenschappen [66](#page=66). * **Daling van plastische vervormbaarheid bij**: 1. Stijgend aantal intermoleculaire bindingen (crosslinking, sterke van der Waalskrachten) of verstrengeling tussen ketens, wat de ketenmobiliteit beperkt [66](#page=66). 2. Stijgend moleculair gewicht, omdat grotere ketens minder mobiel zijn [66](#page=66). 3. Stijgende graad van kristalliniteit, wat resulteert in meer secundaire bindingen door betere ordening en parallelle ketens [66](#page=66). * **Graad van voorvervorming (drawing)**: Trekken van polymeren oriënteert de ketens in één richting, wat het polymeer tot 2 à 5 keer sterker maakt in de trekrichting dan het niet-getrokken polymeer. Echter, de sterkte dwars op de gerichte ketens neemt af [67](#page=67). #### 3.4.2 Elastomeren (kunstrubbers) Elastomeren zijn rubberachtige polymeren met een zeer grote elastische vervormbaarheid (meer dan 100%). Er is slechts weinig kracht nodig om ze ver uit te rekken, en ze keren na wegnemen van de belasting terug naar hun oorspronkelijke vorm [68](#page=68). * **Structuur**: Amorfe polymeren met sterk gedraaide, gebogen en opgerolde moleculaire ketens. Bij trekbelasting ontvouwen de ketens zich en richten zich in de trekrichting [68](#page=68). * **Gedrag**: Ze zijn bros beneden de glastemperatuur ($T_g$) en zeer elastisch erboven. Naarmate het aantal crosslinks toeneemt, stijgen sterkte en stijfheid, maar de ductiliteit daalt [68](#page=68). #### 3.4.3 Voorwaarden voor elastomeergedrag 1. **Niet-kristallijn**: Het polymeer mag niet kristallijn zijn; de ketens moeten natuurlijk gedraaid en opgerold zijn [69](#page=69). 2. **Vrije rotatie**: Er moeten vrije rotatiemogelijkheden rond de bindingen in de ketens bestaan zodat ze snel kunnen reageren op trekbelasting. Meervoudige bindingen en crosslinks belemmeren dit [69](#page=69). 3. **Temperatuur boven $T_g$**: Het polymeer moet bij gebruikstemperatuur (meestal kamertemperatuur) boven de glastransitietemperatuur zijn; anders is het bros en onvervormbaar [69](#page=69). 4. **Uitgestelde plastische vervormbaarheid**: Dit wordt bereikt door ketens te verhinderen langs elkaar af te schuiven, wat gebeurt door crosslinking [69](#page=69). * **Vulkanisatie**: Dit proces zorgt voor crosslinking, vaak door zwavel toe te voegen aan een verhit elastomeer, waardoor zwavelketens bruggen vormen tussen polymeerketens. Het is belangrijk om niet te veel crosslinks te vormen, anders wordt het rubber te hard [69](#page=69). ### 3.5 Voorbeelden van polymeertypes * **Thermo­plasten**: * Nagecholeerd PVC [71](#page=71). * Lage-druk-PE [72](#page=72). * Hoge-druk-PE [73](#page=73). * PP [74](#page=74). * PMMA (Plexiglas) [75](#page=75). * PC (polycarbonaat) [76](#page=76). * PA (polyamide) [77](#page=77). * PS (polystyreen): isolatie, EPX (geëxtrudeerd), EPS (geëxpandeerd) [78](#page=78). * POM (polyacetaat) [79](#page=79). * PVAC (polyvinylacetaat) [80](#page=80). * **Thermoharders**: * PF (fenolformaldehyde) [81](#page=81). * UF (ureumformaldehyde) [82](#page=82). * MF (melamineformaldehyde) [83](#page=83). * PUR (polyurethaan) [84](#page=84). * UP (polyester) [85](#page=85). * GUP (glasvezelgewapend polyester) [86](#page=86). * EP (epoxyhars) [87](#page=87). * **Kunstrubbers (Elastomeren)**: * IIR (butylrubber) [88](#page=88). * PSR (merk: Thiocol) [88](#page=88). * EPR (etheen-propeenrubber) [89](#page=89). * SIL (siliconenrubber) [90](#page=90). --- # Composieten, hout en beton Dit deel behandelt de structuur, eigenschappen en toepassingen van composietmaterialen, met specifieke aandacht voor hout als natuurlijk composiet en beton als veelvoorkomende deeltjescomposiet. ### 4.1 Composieten: algemene principes Een composietmateriaal bestaat uit minstens twee identificeerbare fasen. Er worden drie hoofdtypen onderscheiden op basis van de vorm waarin de fasen voorkomen [96](#page=96): 1. **Laminaten**: Gelaagde composieten, zoals IPC-laminaat en houtcomposieten [96](#page=96). 2. **Deeltjescomposieten**: Deeltjes ingebed in een matrix, zoals beton. Deze worden gebruikt om prijs en krimp te beperken. Metaalmatrixcomposieten (MMC) met keramische deeltjes worden harder en vuurvaster, met minder slijtage [96](#page=96). 3. **Vezel(verstevigde) composieten**: Vezels ingebed in een matrix, zoals vezelversterkt beton en glasvezelpolyester [96](#page=96). Vezels worden vaak ingezet vanwege hun grote sterkte, stijfheid en taaiheid. Deze eigenschappen zijn te danken aan sterke intermoleculaire krachten, de moleculaire structuur van het materiaal en het ontbreken van defecten. De eigenschappen van de samenstellende delen bepalen de specifieke eigenschappen van het composietmateriaal [98](#page=98) [99](#page=99). Composieten kunnen worden onderverdeeld in: * Natuurlijke composieten, zoals hout [98](#page=98). * Steenachtige composieten, zoals beton [98](#page=98). * Kunstmatige composieten, zoals polymeer matrixcomposieten (PMC) [98](#page=98). ### 4.2 Hout als natuurlijk composiet Hout is een complex materiaal met sterk anisotroop gedrag, wat betekent dat de eigenschappen niet in elke richting gelijk zijn. Dit wordt veroorzaakt door de langwerpige vorm van de cellen, de georiënteerde structuur van celwanden, verschillen in celgrootte door seizoensgebonden groei en de functionele oriëntatie van de cellen zelf [100](#page=100). Hout is een natuurlijke, organische, cellulaire vaste stof. Het bestaat uit de componenten cellulose, hemicellulose, lignine en extractieven. Als afkomstig uit bossen is hout een hernieuwbaar materiaal, wat het duurzaam maakt mits er sprake is van duurzaam bosbeheer, vaak aangeduid met het Forest Stewardship Council (FSC) logo . #### 4.2.1 Houtstructuur en types De houtstructuur is afhankelijk van de groei van de boom en de omgeving. Er wordt onderscheid gemaakt tussen naaldhout en loofhout : * **Naaldhout (zachthout)**: Overleeft in een bar klimaat en op weinig vruchtbare grond. Ze zijn zuinig met water, wat blijkt uit kleverige naalden met een klein manteloppervlak en het afstoten van lagerliggende takken . * **Loofhout (hardhout)**: Overleeft in meer gematigde klimaten. Ze hebben een weelderige kruin met veel bladeren en laten deze in de winter vallen ter bescherming tegen zware sneeuw . Op structureel niveau kan hout worden beschreven op verschillende schalen : * **Macrostructuur** (meter, boomniveau): Bepaalt sterkteverschillen tussen planken . * **Microstructuur** (millimeter, celniveau): Verantwoordelijk voor stijfheidsverschillen tussen dwars- en langsrichting . * **Ultrastructuur** (micrometer, binnen cel): Beïnvloedt krimpverschillen tussen dwars- en langsrichting . #### 4.2.2 Hout eigenschappen Hout is hygroscopisch, wat betekent dat het vocht opneemt en afgeeft aan de omgeving. De volumieke massa is afhankelijk van het type hout en het vochtgehalte. Hout krimpt en zwelt anisotroop, wat kan leiden tot vervorming zoals kromtrekken. De thermische uitzetting is verwaarloosbaar ten opzichte van de zwelling door vocht. De sterkte-eigenschappen van hout zijn eveneens anisotroop en afhankelijk van de vezelrichting . #### 4.2.3 Houtcomposieten Vroeger werd hout veelvuldig gebruikt als bouwmateriaal vanwege zijn veelzijdigheid en beschikbaarheid. Tegenwoordig worden vaak 'houtcomposieten' toegepast, waarbij hout zelf al een composiet is. Door het gebruik van lijmen kunnen grotere elementen zoals gelamelleerde liggers en plaatmaterialen worden geproduceerd. Deze houtcomposieten bieden verbeterde eigenschappen, waaronder : * Een gunstige verhouding tussen volumieke massa (licht) en mechanische weerstand (sterk) . * Minder anisotropie . * Verbeterde dimensionale stabiliteit en vochtweerstand . * Verbeterde brandweerstand . * Verhoogde duurzaamheid . Voorbeelden van houtcomposieten zijn: * Gelamelleerd hout . * Multiplex . * MDF (Medium Density Fiberboard) . * OSB (Oriented Strand Board) . * Houtwolcementplaat . * CLT (Cross Laminated Timber) . ### 4.3 Beton als deeltjescomposiet Beton is een veelvoorkomende deeltjescomposiet waarbij zowel de matrix als de gedispergeerde fasen uit keramische materialen bestaan. Het is een materiaal dat bestaat uit een aggregaat van deeltjes die door een bindmiddel, cement, aan elkaar worden gebonden. Het is belangrijk om te onthouden dat "beton" niet hetzelfde is als "cement" . De twee bekendste betonsoorten zijn gebaseerd op portland- en asfaltcement, waarbij de aggregaten bestaan uit grind en zand. Asfaltbeton wordt hoofdzakelijk gebruikt als bestratingsmateriaal, terwijl portlandcementbeton dienst doet als constructiemateriaal . #### 4.3.1 Portlandcementbeton samenstelling en eigenschappen Portlandbeton bestaat uit portlandcement, fijn aggregaat (zand), grof aggregaat (grind) en water. De aggregaten dienen als vulmateriaal om de totale kostprijs te drukken, aangezien cement relatief duur is. Voor optimale sterkte en verwerkbaarheid is de juiste verhouding van de ingrediënten cruciaal. Een dichte pakking van de aggregaten en goed interfaciaal contact worden bereikt door het gebruik van deeltjes van verschillende afmetingen; de fijne zanddeeltjes vullen de lege ruimtes tussen het grind. Aggregaten vormen tussen de 60% en 80% van het betonvolume . Beton wordt beschouwd als een steenachtig composiet, maar soms ook als kunststeen, een keramisch materiaal. De aggregaten zijn zichtbaar in de cementmatrix . #### 4.3.2 Gewapend en vezelversterkt beton Om trekkrachten in beton op te vangen, wordt wapening toegevoegd . Vezelversterkt beton, versterkt met staalvezels, kunststofvezels, glasvezels, koolstofvezels of textiel, biedt verschillende voordelen : * Hogere treksterkte (buigsterkte) . * Minder scheurvorming, ook bij hardend beton . * Betere weerstand tegen slijtage . * Betere waterdichtheid door kleinere capillaire werking en lagere permeabiliteit . Voorbeelden van vezelversterkt materiaal zijn ook: * Glasvezelversterkt polyester . --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Primaire binding | Sterke chemische bindingen die de atomen binnen een molecuul verbinden, ook wel intramoleculaire bindingen genoemd. Deze bindingen zijn essentieel voor de stabiliteit van het molecuul. | | Secundaire binding | Zwakkere verbindingen tussen moleculen, ook wel intermoleculaire bindingen genoemd. Deze omvatten bijvoorbeeld Van der Waalskrachten en waterstofbruggen, en beïnvloeden de fysieke eigenschappen zoals smelt- en kookpunt. | | Metaalbinding | Een type chemische binding kenmerkend voor metalen, waarbij valentie-elektronen een gemeenschappelijke 'elektronenzee' vormen die de positief geladen metaalionen bij elkaar houdt. Dit verklaart de geleidbaarheid en vervormbaarheid van metalen. | | Ionbinding | Een chemische binding die ontstaat door de elektrostatische aantrekking tussen positief en negatief geladen ionen, typisch tussen atomen met een metaalachtig en een niet-metaalachtig karakter. Het bindende elektronenpaar wordt volledig overgedragen. | | Covalente binding | Een chemische binding waarbij twee niet-metaalatomen valentie-elektronenparen delen om een stabiele elektronenschil te bereiken. Deze binding kan enkelvoudig, dubbel of drievoudig zijn, afhankelijk van het aantal gedeelde elektronenparen. | | Polymeer | Een macromolecuul dat is opgebouwd uit een groot aantal zich herhalende structurele eenheden, genaamd monomeren. Polymeren vormen de basis van kunststoffen en natuurlijke materialen zoals rubber en cellulose. | | Monomeer | Een kleine, stabiele molecuul die als bouwsteen dient voor de vorming van een polymeer door middel van polymerisatie. Voorbeelden zijn ethyleen voor polyethyleen en styreen voor polystyreen. | | Additiepolymerisatie | Een proces waarbij monomeermoleculen zich achter elkaar koppelen zonder de vorming van bijproducten, waarbij de schakels in het polymeer dezelfde chemische samenstelling hebben als de monomeren. | | Condensatiepolymerisatie | Een polymeer vormingsreactie waarbij monomeermoleculen zich aan elkaar hechten en daarbij een klein molecule, zoals water, als bijproduct afsplitsen. De schakels in het polymeer hebben hierdoor een andere chemische samenstelling dan de uitgangsmonomeren. | | Thermoplast | Een type polymeer dat bij verhitting week wordt en kan worden vervormd, en weer hard wordt bij afkoeling; dit proces is reversibel. De structuur kan amorf of semi-kristallijn zijn. | | Thermoharder | Een polymeer dat na uitharding door verhitting permanent een rigide, driedimensionale netwerkstructuur vormt. Ze worden niet week bij verhitting en degraderen bij te hoge temperaturen in plaats van te smelten. | | Kristalliniteit | De mate waarin polymeerketens geordend zijn in een kristallijne structuur binnen het polymere materiaal. Hogere kristalliniteit verhoogt doorgaans de sterkte, stijfheid en chemische inertie, maar verlaagt de ductiliteit. | | Glastransitie (Tg) | De temperatuur waarbij de amorfe zones van een polymeer overgaan van een glasachtige, rigide toestand naar een meer flexibele, rubberachtige toestand door toegenomen moleculaire beweging. Dit is een belangrijke parameter voor het gebruikstemperatuurbereik van thermoplasten. | | Smeltpunt (Tmp) | De temperatuur waarbij de kristallijne zones van een semi-kristallijn polymeer smelten en overgaan in een visceuze vloeistof. Dit is een kenmerkend punt voor thermoplasten die kristallijne structuren bevatten. | | Elastomeer | Een rubberachtig polymeer dat bij kamertemperatuur boven de glastransitietemperatuur ligt en een zeer grote elastische vervormbaarheid vertoont. Ze kunnen ver uitgerekt worden en keren na belasting terug naar hun oorspronkelijke vorm. | | Vulkanisatie | Een chemisch proces, typisch toegepast op elastomeren zoals rubber, waarbij cross-links (dwarsverbindingen) tussen de polymeerketens worden gevormd, meestal door toevoeging van zwavel. Dit verhoogt de sterkte, stijfheid en duurzaamheid van het materiaal. | | Composiet | Een materiaal dat is samengesteld uit twee of meer identificeerbare fasen die elk hun eigen specifieke eigenschappen behouden. Deze fasen kunnen van verschillende aard zijn, zoals vezels in een matrix. | | Matrix | Het continue medium in een composietmateriaal waarin de versterkende elementen (zoals vezels of deeltjes) zijn ingebed. De matrix draagt de belasting over naar de versterking en beschermt deze. | | Vezelversterkte composiet | Een type composietmateriaal waarbij lange vezels worden ingebed in een matrix om de mechanische eigenschappen, zoals sterkte en stijfheid, aanzienlijk te verbeteren. Voorbeelden zijn glasvezelversterkt polyester. | | Hout | Een natuurlijk, organisch, cellulair vast materiaal dat als een composiet wordt beschouwd, bestaande uit cellulose, hemicellulose en lignine. Het vertoont anisotrope eigenschappen vanwege de georiënteerde structuur van de cellen. | | Beton | Een veelgebruikte deeltjescomposiet die bestaat uit een aggregaat (zoals grind en zand) gebonden door een cementmatrix met water. Het wordt voornamelijk gebruikt als constructiemateriaal en kan worden gewapend met staal of vezels. |

# Fundamenten van eenheidsoperaties en transportverschijnselen Dit onderwerp introduceert de fundamentele principes van eenheidsoperaties en de drijvende krachten achter fysieke transportverschijnselen die essentieel zijn voor diverse industriële processen [1](#page=1). ### 1.1 Inleiding tot eenheidsoperaties Eenheidsoperaties zijn processen die gebaseerd zijn op een beperkt aantal wetenschappelijke principes en basismechanismen, en toepasbaar zijn in een breed scala aan industriële sectoren. Ze kunnen onafhankelijk of in serie met elkaar worden ingezet [1](#page=1). #### 1.1.1 Soorten eenheidsprocessen Er worden drie hoofdtypes eenheidsprocessen onderscheiden: 1. **Mechanische eenheidsprocessen**: Deze behelzen veranderingen in de vorm, plaats of andere fysieke eigenschappen van een product, zonder dat de chemische samenstelling verandert [1](#page=1). 2. **Fysische eenheidsprocessen**: Hierbij verandert de fysische toestand van het product, zoals temperatuur, dichtheid of viscositeit [1](#page=1). 3. **Chemische eenheidsprocessen**: Deze leiden tot een verandering in de structuur of samenstelling van het product [1](#page=1). #### 1.1.2 Factoren die de keuze van eenheidsprocessen bepalen De selectie en opeenvolging van eenheidsprocessen wordt beïnvloed door: * De te verwerken grondstoffen, de beoogde toepassingen, de eindproducten en hun markteigenschappen [1](#page=1). * De keuze van de processen en de specifieke volgorde waarin ze aan elkaar gekoppeld worden [1](#page=1). * Een industrietak-specifieke specialisatie die steunt op meer geavanceerde en eigen fabricagetechnieken [1](#page=1). #### 1.1.3 Process and instrumentation diagrams (P&ID) Een Process and Instrumentation Diagram (P&ID) is een schema dat een productieproces weergeeft. Het toont [1](#page=1): * De apparatuur waarin de eenheidsoperaties plaatsvinden (procesapparaten) [1](#page=1). * De randapparatuur die reacties aanstuurt en de condities voor veiligheid en werking van de procesapparatuur regelt [1](#page=1). * Een vaste set aan symbolen, waarbij volle lijnen leidingen voor producten aanduiden en onderbroken lijnen aanvoeringlijnen. Het lezen van een P&ID vereist kennis van proceskunde en procestechniek [1](#page=1). ### 1.2 Fundamenten van fysieke transportverschijnselen Centraal bij eenheidsoperaties staan fysieke transportverschijnselen, die in drie hoofdcategorieën worden ingedeeld [1](#page=1): #### 1.2.1 Stroming (momentumtransfer) Stroming (of momentumtransfer) betreft de verplaatsing van een bulk fluïdum (gas of vloeistof) en vaste deeltjes als gevolg van een drukverschil. Het drijvende kracht achter stroming is een drukverschil ($\Delta P$) [1](#page=1) [2](#page=2). **Reynolds-getal (Re)** Het Reynolds-getal bepaalt of een stroming lineair of turbulent is [2](#page=2): $$ \text{Re} = \frac{\rho \cdot V \cdot L}{\eta} $$ waarbij $\rho$ de dichtheid is, $V$ de snelheid, $L$ een karakteristieke lengte, en $\eta$ de dynamische viscositeit [2](#page=2). * Bij $\text{Re} < 2000$ spreekt men van lineaire (laminare) stroming [2](#page=2). * Tussen $2000 < \text{Re} < 4000$ is de stroming onzeker [2](#page=2). * Bij $\text{Re} > 4000$ is de stroming turbulent, gekenmerkt door wervels, turbulentie en convectieve menging [2](#page=2). #### 1.2.2 Warmtetransfer Warmtetransfer is de verplaatsing van thermische energie als gevolg van een temperatuurverschil ($\Delta T$) (#page=1, 2). De energie verplaatst zich van een plaats met een hogere temperatuur naar een plaats met een lagere temperatuur. Mechanismen van warmtetransfer zijn onder andere conductie (geleiding), convectie en straling [1](#page=1) [2](#page=2). #### 1.2.3 Massatransfer Massatransfer is de verplaatsing van moleculen in een gas of vloeistof als gevolg van een concentratieverschil ($\Delta C$) (#page=1, 2). De drijvende kracht is hierbij het concentratieverschil [1](#page=1) [2](#page=2). Basis mechanismen voor massatransfer omvatten: * **Moleculaire diffusie**: Individuele verplaatsing van moleculen [2](#page=2). * **Eddy (of turbulente) diffusie**: Verplaatsing van een pakket materie, vergelijkbaar met convectie [2](#page=2). * **Advectie**: Het meebewegen van een stof met een zich verplaatsend fluïdum [2](#page=2). ### 1.3 Drijvende krachten en thermodynamisch evenwicht Fysische transportverschijnselen treden alleen op wanneer er een drijvende kracht aanwezig is [2](#page=2). * Stroming: $\Delta P$ [2](#page=2). * Warmte: $\Delta T$ [2](#page=2). * Massatransfer: $\Delta C$ [2](#page=2). Wanneer de drijvende kracht nul is ($\Delta P = 0, \Delta T = 0, \Delta C = 0$), is er sprake van thermodynamisch evenwicht, en vinden er geen fysieke transportverschijnselen plaats [2](#page=2). ### 1.4 Thermodynamica en kinetiek in transportverschijnselen Twee cruciale elementen zijn van belang bij alle fysieke transportverschijnselen [2](#page=2): 1. **Thermodynamica**: Deze discipline onderzoekt het verschil tussen de actuele situatie en de evenwichtssituatie. Het bepaalt in hoeverre een transport van momentum, warmte of massa kan plaatsvinden. Bijvoorbeeld, het vallen van een krijtje: de actuele situatie is dat het krijtje in de lucht is, de evenwichtssituatie is dat het op de grond ligt [2](#page=2). 2. **Kinetiek**: Dit beschrijft hoe snel een fysiek transportverschijnsel plaatsvindt voor een gegeven drijvende kracht ($\Delta P$, $\Delta T$, $\Delta C$). De snelheid hangt af van de weerstand die aan het transport wordt geboden. Een grotere weerstand leidt tot een kleinere kinetiek [2](#page=2). ### 1.5 Flux Flux drukt de mate van fysieke transportverschijnselen uit: het geeft aan hoeveel van iets per oppervlakte per tijdseenheid wordt verplaatst. De algemene formule voor flux is [2](#page=2): $$ \text{Flux} = \frac{\text{capaciteit}}{\text{oppervlakte}} = \frac{\text{drijvende kracht}}{\text{weerstand}} $$ waarbij capaciteit de hoeveelheid per tijd is [2](#page=2). ### 1.6 Wetten van behoud Bij het analyseren van eenheidsoperaties en transportverschijnselen zijn de volgende behoudswetten essentieel [2](#page=2): * **Wet van behoud van energie**: Energie kan niet gecreëerd of vernietigd worden, enkel omgezet [2](#page=2). * **Wet van behoud van massa**: Massa kan niet gecreëerd of vernietigd worden. In een proces is de inkomende massa altijd gelijk aan de uitgaande massa plus de massa die wordt opgeslagen (accumulatie). In de meeste gevallen wordt accumulatie verwaarloosd, wat leidt tot een steady-state proces waarbij massa-input gelijk is aan massa-output [2](#page=2). > **Tip:** Begrijpen van de drijvende krachten ($\Delta P, \Delta T, \Delta C$) en de concepten van thermodynamica en kinetiek is cruciaal voor het analyseren van de snelheid en omvang van transportverschijnselen in eenheidsoperaties. > > **Voorbeeld:** Bij het ontwerpen van een warmtewisselaar is de $\Delta T$ de drijvende kracht voor warmtetransfer, terwijl de materiaaleigenschappen en de stromingscondities de weerstand bepalen, wat de kinetiek (de snelheid van warmteoverdracht) beïnvloedt. --- # Opslag en transport van materialen Dit deel van het document behandelt de verschillende methoden voor de opslag en het transport van gassen, vloeistoffen en vaste stoffen, inclusief de benodigde apparatuur en overwegingen voor materiaalkeuze en procesoptimalisatie. ### 2.1 Opslag en transport van gassen en vloeistoffen #### 2.1.1 Opslag van gassen en vloeistoffen De opslag van gassen, die grote volumes vereisen, wordt bij voorkeur vermeden door deze onder druk in bolvormige containers te bewaren, waardoor het volume afneemt volgens de gaswetten. Bolvormige containers bieden het grootste bruikbare volume per grondoppervlak. Een alternatieve methode is het vloeibaar maken van gassen en deze op te slaan in tanks [4](#page=4). Bij de opslag in tanks zijn de volgende aspecten cruciaal: * **Materiaalkeuze:** De tank moet inert zijn ten opzichte van de opgeslagen vloeistof en mag zelf niet worden aangetast door de vloeistof [4](#page=4). * **Lekvrijheid:** De tank moet volledig lekvrij zijn [4](#page=4). * **Verdamping tegengaan:** Een gesloten of drijvend dak voorkomt verdamping van de vloeistof [4](#page=4). * **Explosiegevaar:** Het opvullen van de ruimte boven het vloeistofoppervlak met een inert buffergas minimaliseert het explosiegevaar [4](#page=4). #### 2.1.2 Transport van vloeistoffen Het transport van vloeistoffen, met name tegen de zwaartekracht in of naar hogere drukken, vereist het leveren van arbeid om druk- en hoogteverschillen, evenals wrijvingsverliezen, te overwinnen. Deze arbeid wordt geleverd door pompen. Vloeistofpompen worden onderverdeeld in twee hoofdcategorieën op basis van hun werkingsprincipe: centrifugaalpompen en verdringerpompen [4](#page=4). ##### Centrifugaalpompen Bij centrifugaalpompen wordt de energie van de motor voornamelijk omgezet in kinetische energie. Ze bestaan uit een pomphuis met een waaier. Het fluïdum wordt axiaal aangezogen en radiaal weggeslingerd via de persleiding. Hoewel er ook een lichte omzetting naar druk plaatsvindt, is de kinetische energie dominant. Een belangrijk voordeel is de constante, pulse-vrije aanvoer van stoffen. Belangrijke karakteristieken die de werking beïnvloeden, zijn de geometrie van de pomp en de dichtheid en viscositeit van de vloeistof. Voor grotere hoeveelheden vloeistoffen kunnen schroefpompen worden gebruikt, die de vloeistof axiaal wegpompen [4](#page=4). ##### Verdringerpompen Verdringerpompen zetten de energie van de motor voornamelijk om in potentiële energie (druk). Dit resulteert in hoge druk en lage snelheid binnen de pomp [4](#page=4). * **Alternerende zuiger- en plunjerpompen:** Hierbij beweegt een zuiger, waardoor het interne volume van de pompbuis vergroot en onderdruk ontstaat. Een klep opent zich, waardoor vloeistof binnenstroomt. Vervolgens wordt de plunjer naar de andere kant geduwd, wat leidt tot overdruk. Hierdoor opent de persklep en sluit de zuigleidingklep, waarna de vloeistof wordt weggeduwd. Het verschil tussen overdruk en onderdruk wordt de opvoerdruk ($\Delta P$) genoemd, die de opvoerhoogte bepaalt. Deze pompen leveren de vloeistof in pulsen, wat niet egaal is [4](#page=4) [5](#page=5). Om pulsen te minimaliseren, kunnen membranen worden gebruikt die schokken opvangen, of dubbele plunjerpompen waarbij de pompen complementair en 180° uit fase draaien [5](#page=5). * **Roterende pompen:** Deze pompen maken gebruik van in elkaar draaiende tandwielen binnen een vastomlijnd pomphuis [5](#page=5). * **Uitwendige vertanding:** Tandwielen draaien tegengesteld aan elkaar en creëren links een onderdruk, waardoor vloeistof wordt aangezogen en naar de persleiding wordt geduwd [5](#page=5). * **Inwendige vertanding:** Een tandwiel zit in een ander, waarbij de vloeistof in de holtes tussen de tandwielen wordt verplaatst [5](#page=5). * **Sikkelpomp:** Een variant met een sikkel tussen de holtes om het inwendige volume te vergroten [5](#page=5). Roterende pompen transporteren puls-vrij en zijn geschikt voor zeer viskeuze vloeistoffen [5](#page=5). * **Peristaltische pompen:** Deze pompen gebruiken rollers en een behuizing om vloeistoffen voort te duwen door leidingen dicht te knijpen. Ze werken in drie fasen: aanzuig-, afsluit- en doorvoerfase [5](#page=5). * **Voordeel:** Het fluïdum komt enkel in contact met de leidingen, wat contaminatie minimaliseert en ze geschikt maakt voor zeer zuivere vloeistoffen [5](#page=5). * **Nadeel:** Beperkt volume en niet volledig egaal transport [5](#page=5). #### 2.1.3 Keuze van het type pomp De keuze van het type pomp is afhankelijk van het gewenste debiet, de afstand, de viscositeit, corrosiviteit en de aanwezigheid van vaste deeltjes in de vloeistof. Centrifugaalpompen zijn over het algemeen goedkoper, duurzamer en robuuster, maar minder efficiënt voor viskeuze vloeistoffen [5](#page=5). #### 2.1.4 Transport van gassen Het transport van gassen vereist drukverschillen en wordt gerealiseerd door ventilatoren en compressoren [6](#page=6). ##### Werking van ventilatoren Ventilatoren maken gebruik van centrifugale kracht, gegenereerd door propellers en schoepen, om gas axiaal aan te zuigen en radiaal af te voeren. Door de lage dichtheid van gassen is de drukverhoging minimaal, maar voldoende voor beperkte verplaatsing [6](#page=6). ##### Werking van compressoren Compressoren werken sterk gelijkend op vloeistofpompen en worden onderverdeeld in twee typen: * **Centrifugaalcompressoren:** Deze gebruiken kleine afstanden tussen schoepen en pomphuis en werken op hoge toerentallen, wat resulteert in grote debieten (bv. in turbocompressoren) [6](#page=6). * **Verdringingscompressoren:** Deze hanteren hetzelfde principe als verdringerpompen voor vloeistoftransport. Ze kunnen ook worden gebruikt voor het creëren van lokale onderdruk (vacuüm), bijvoorbeeld voor indamping en destillatie [6](#page=6). ### 2.2 Opslag en transport van vaste stoffen #### 2.2.1 Opslag van vaste stoffen Vast granulair materiaal wordt doorgaans opgeslagen in silo's. Bij de opslag moet rekening gehouden worden met de afschuifhoek van het materiaal voor oppervlakteberekeningen en om de maximaal toegelaten druk op de wanden niet te overschrijden. Het creëren van optimale omstandigheden met betrekking tot vochtigheid en temperatuur is belangrijk voor de kwaliteit van het materiaal en de veiligheid (bv. ter voorkoming van zelfontbranding) [6](#page=6). #### 2.2.2 Transport van vaste stoffen Het transport van vaste stoffen kan mechanisch of pneumatisch plaatsvinden. ##### Mechanisch transport Dit omvat methoden om vaste stoffen, met name van laag naar hoog, te verplaatsen met behulp van speciale transportmiddelen: * **Triltransport:** Door trillingen in een transportgoot te veroorzaken, worden deeltjes door schokken onder een vaste hoek verder getransporteerd [6](#page=6). * **Schroeftransport:** Een spiraalvormige schroef draait en transporteert deeltjes omhoog, waarbij de specifieke geometrie terugvloeiing voorkomt [6](#page=6). ##### Pneumatisch transport Bij pneumatisch transport wordt een compressor gebruikt om lucht samen te drukken. Granulair materiaal wordt vervolgens in deze luchtstroom geleid, waardoor het mee verplaatst wordt. Deze methode is enkel geschikt voor droge stoffen die niet te kleverig, te zwaar of te groot zijn [6](#page=6). --- # Warmteoverdracht en apparatuur Dit onderwerp behandelt de principes van thermische energieoverdracht via conductie, convectie en straling, evenals de bijbehorende apparatuur zoals warmtewisselaars en koelmachines. ### 3.1 Warmteoverdracht processen Warmteoverdracht is het fysisch transportverschijnsel van thermische energie gedreven door een temperatuurverschil $\Delta T$ [7](#page=7). #### 3.1.1 Conductie (warmtegeleiding) Conductie is de overdracht van kinetische energie van deeltjes van een warmer naar een kouder gebied door middel van trillingen en botsingen. De warmtestroom ($\Phi$) door een plaat met dikte $\Delta x$ en oppervlakte $A$, met temperaturen $T_1$ en $T_2$ aan de zijden, wordt gegeven door [7](#page=7): $\Phi = \frac{Q}{\Delta t} = \lambda \cdot A \cdot \frac{T_2 - T_1}{\Delta x}$ [7](#page=7). Hierin is $\lambda$ de warmtegeleidingscoëfficiënt van het medium. De warmteflux is de warmtestroom per oppervlakte-eenheid [7](#page=7): Flux = $\frac{\Phi}{A} = \lambda \cdot \frac{T_2 - T_1}{\Delta x}$ [7](#page=7). Lucht heeft een lage warmtegeleidingscoëfficiënt en is daardoor een slechte geleider, wat het geschikt maakt voor isolatie. Poreuze materialen of luchtlagen in dubbelglas benutten dit principe [7](#page=7). #### 3.1.2 Convectie (convectieve warmteoverdracht) Convectie vindt plaats door de verplaatsing van fluïdumpakketten die warmte overdragen [8](#page=8). * **Gedwongen convectie:** Veroorzaakt door externe krachten, zoals een ventilator [8](#page=8). * **Vrije/natuurlijke convectie:** Ontstaat door dichtheidsverschillen als gevolg van temperatuurverschillen, zoals de circulatie van lucht door een radiator [8](#page=8). De convectieve warmteoverdracht door een fluïdum langs een oppervlak $A$ wordt beschreven door de convectieve oppervlaktewarmteoverdrachtscoëfficiënt $h_C$: $\Phi = \frac{Q}{\Delta t} = h_C \cdot A \cdot (T_W - T)$ [8](#page=8). Hierbij is $T_W$ de temperatuur van het oppervlak en $T$ de gemiddelde temperatuur van het fluïdum. De coëfficiënt $h_C$ is afhankelijk van de geometrie, de stromingseigenschappen van het fluïdum en het temperatuurverschil [8](#page=8). #### 3.1.3 Elektromagnetische straling Warmteoverdracht door straling gebeurt via elektromagnetische golven, voornamelijk in het infrarode gebied. Straling kan worden doorgelaten (transmissie), teruggekaatst (reflectie) of opgenomen (absorptie). De warmtestroom door straling wordt beschreven met de stralings-oppervlaktewarmtecoëfficiënt $h_S$ [8](#page=8): $\Phi = \frac{Q}{\Delta t} = h_S \cdot A \cdot (T_W - T)$ [8](#page=8). Vaak treden warmtestraling en convectieve warmteoverdracht gelijktijdig op. De totale oppervlaktewarmteoverdrachtscoëfficiënt $h$ is dan de som van beide: $h = h_C + h_S$ [8](#page=8). In veel processen komen conductieve, convectieve en stralingswarmteoverdracht tegelijk voor. De globale warmtedoorgangscoëfficiënt $K$ geeft aan hoeveel joules per seconde per vierkante meter per graad Celsius worden overgedragen [8](#page=8). Voor een systeem met warmtestroom die door drie processen gaat (convectie/straling, conductie, convectie/straling), waarbij de warmtestromen $\Phi_1, \Phi_2, \Phi_3$ en temperaturen $T_1, T_2, T_3, T_4$ gelden: $\Phi_1 = h_i \cdot A \cdot (T_1 - T_2)$ (initieel proces) [8](#page=8). $\Phi_2 = \lambda \cdot A \cdot \frac{T_2 - T_3}{\Delta x}$ (conductie) [8](#page=8). $\Phi_3 = h_o \cdot A \cdot (T_3 - T_4)$ (extern proces) [8](#page=8). In een steady-state proces is de warmtestroom constant: $\Phi_1 = \Phi_2 = \Phi_3 = \Phi$. De globale warmtedoorgangscoëfficiënt $K$ relateert de totale warmtestroom aan het temperatuurverschil [9](#page=9): $\Phi = K \cdot (T_1 - T_4)$ [9](#page=9). De reciproke van $K$ kan worden gezien als de totale weerstand tegen warmtestroom: $\frac{1}{K} = \frac{1}{h_i} + \frac{\Delta x A}{\lambda} + \frac{1}{h_o}$ [9](#page=9). Hierin representeert de termen de convectieweerstanden aan beide zijden en de conductieweerstand door de wand. Een hoge $K$ waarde is wenselijk voor efficiënte warmteoverdracht, wat een lage totale weerstand impliceert. Turbulentie in het fluïdum kan de weerstand verhogen [9](#page=9). > **Tip:** Om de warmteoverdracht te maximaliseren ($K$ zo groot mogelijk te maken), moet de totale weerstand zo klein mogelijk zijn. Dit kan door de juiste materiaalkeuze voor de wand, en door de eigenschappen (aard, snelheid, viscositeit) van de fluïda te optimaliseren. ### 3.2 Warmteoverdracht apparatuur #### 3.2.1 Warmtewisselaars Een warmtewisselaar is een apparaat dat warmte overdraagt van een warm fluïdum naar een koud fluïdum zonder dat ze met elkaar mengen. De scheiding gebeurt via een metalen wand, waarbij warmte wordt overgedragen door convectie aan de fluïdumzijde en conductie door de wand [9](#page=9). ##### Soorten warmtewisselaars * **Tubulaire warmtewisselaar:** Het koude fluïdum stroomt door de binnenste buis en het warme fluïdum langs de buitenkant. Bochten in de buizen verhogen turbulentie en daarmee de warmteoverdrachtscoëfficiënt. Een Shell-and-tube warmtewisselaar maakt gebruik van meerdere buisjes binnen een omhulsel. Oneffen oppervlaktes en 'baffles' (tussenschotten) bevorderen turbulentie en de stromingsweg [9](#page=9). * **Platenwisselaar:** Bestaat uit parallelle stalen platen die een scheidingswand vormen tussen de twee fluïda. Geribbelde platen worden gebruikt om turbulentie te creëren [10](#page=10). > **Voordelen platenwisselaar:** Compact, makkelijk te demonteren voor onderhoud, capaciteit is eenvoudig te verhogen door meer platen toe te voegen (groter oppervlak $A$) [10](#page=10). > **Nadelen platenwisselaar:** Alleen geschikt voor kleine fluïdumhoeveelheden vanwege de smalle ruimtes tussen de platen, bijvoorbeeld in de voedingsindustrie [10](#page=10). ##### Configuratie van warmtewisselaars * **Gelijkstroomconfiguratie:** Beide fluïda stromen in dezelfde richting. Het temperatuurverschil neemt af naarmate de warmteoverdracht vordert, wat leidt tot een beperkte efficiëntie (maximaal 50% bij gelijke fluïda en stromingssnelheden) [10](#page=10). * **Tegenstroomconfiguratie:** De fluïda stromen in tegengestelde richtingen. Dit zorgt voor een constanter, gemiddeld temperatuurverschil over de gehele lengte, wat resulteert in een significant hogere efficiëntie en rendement [10](#page=10). #### 3.2.2 Koelmachine Een koelmachine onttrekt warmte van een lage temperatuur naar een hogere temperatuur, met als input arbeid. Het apparaat bestaat uit een kringproces met vier hoofdonderdelen [10](#page=10): 1. **Verdamper:** Een warmtewisselaar waar een koelvloeistof verdampt en warmte uit de te koelen ruimte onttrekt [10](#page=10). 2. **Compressor:** Samendrukking van het gasvormige koelmiddel, waardoor de temperatuur stijgt tot boven de omgevingstemperatuur [10](#page=10). 3. **Condensor:** Het opgewarmde gas wordt vloeibaar, waarbij warmte aan de omgeving wordt afgegeven [10](#page=10). 4. **Expansievat:** De vloeistof ondergaat een drukval, wat leidt tot een afname van druk en temperatuur, waarna de cyclus kan herhalen [10](#page=10). --- # Mengen en scheidingsprocessen Dit hoofdstuk behandelt de fundamentele principes van het mengen van verschillende stoffen en de diverse technieken die worden gebruikt om deze mengsels te scheiden, met een focus op mechanisch-fysische en fysisch-chemische scheidingsprocessen. ### 4.1 Mengen Mengen is het samenvoegen en zo gelijkmatig mogelijk verdelen van deeltjes van twee of meer verschillende stoffen of fasen om een zo hoog mogelijke mate van homogeniteit te bereiken. Homogene mengsels vormen spontaan door moleculaire diffusie of vrije convectie, resulterend in oplossingen. Heterogene mengsels vormen niet spontaan en kunnen ontmengen of scheiden, wat leidt tot dispersies. Het mengen van heterogene mengsels vereist arbeid, bijvoorbeeld door roeren. Mengbaarheid wordt bevorderd door gelijkaardige eigenschappen van de te mengen stoffen, zoals polariteit en viscositeit [11](#page=11). #### 4.1.1 Gassen met gassen Gassen vormen altijd homogene mengsels. Het mengproces kan worden versneld door snelle injectie van een gas in een ander, het gebruik van een ventilator om turbulentie te creëren, of door statische mixers die turbulentie induceren via hun grillige structuur [11](#page=11). #### 4.1.2 Gassen met vloeistoffen Deze mengsels worden vaak gebruikt als hulpmiddel bij bewerkingen of chemische reacties die een groot vloeistof/gas contactoppervlak vereisen, met uitzonderingen in de voedingsindustrie [11](#page=11). * **Vloeistof in gas dispersies:** Ontstaan door het verstuiven of vernevelen van kleine vloeistofdruppels in een gasvolume. Toepassingen omvatten het bevochtigen van lucht, het verspreiden van insecticiden, snelle verdamping in vacuüm, en het afkoelen van stoom [11](#page=11). * **Gas in vloeistof dispersies:** Gassen worden in vloeistoffen gemengd via gesinterde platen of roerders. Bellenkolommen creëren gasbellen in de vloeistof, waarbij fijnere bellen een groter contactoppervlak bieden. Toepassingen zijn onder andere beluchting bij afvalwaterzuivering, verwarmen van vloeistoffen met stoom, en chemische reacties zoals de hydrogenering van eetbare oliën [11](#page=11). #### 4.1.3 Gassen met vaste stoffen Dit is de kern van fluïdizatie en pneumatisch transport [12](#page=12). * **Fluïdizatie:** Een gas stroomt opwaarts door een bed van vast granulair materiaal. Bij opdrijving van de gassnelheid ontstaat wrijving. Bij de minimale fluïdizatiesnelheid bereiken deeltjes een evenwicht tussen opwaartse druk en zwaartekracht, waarbij ze omgeven zijn door gas en een stabiel, homogeen bed vormen. Verdere snelheidsverhoging leidt tot een turbulenter, instabiel bed, en bij nog hogere snelheden tot pneumatisch transport [12](#page=12). #### 4.1.4 Vloeistoffen met vloeistoffen Menging gebeurt door convectiestroming (roeren), waarbij de keuze van de roerapparatuur afhangt van de viscositeit en oplosbaarheid. Propellers en turbines worden gebruikt voor lage viscositeit, terwijl ankers, peddels, bladroerders en helicale roerders geschikt zijn voor viskeuzere vloeistoffen. Voor pasta's worden kneedmachines gebruikt [12](#page=12). #### 4.1.5 Vloeistoffen met vaste stoffen Dit hangt af van de verhouding van de componenten, de oplosbaarheid van de vaste stof en de stromingseigenschappen. Bij veel vaste stof en weinig vloeistof spreekt men van bestuiving. Met weinig vaste stof en veel vloeistof worden vergelijkbare apparaten als bij vloeistof-vloeistof mengsels gebruikt, mits de vloeistof niet te viskeus is en de deeltjes niet te groot. Tussenliggende gevallen vereisen kneedmachines [13](#page=13). #### 4.1.6 Vaste stoffen met vaste stoffen Factoren zoals deeltjesgrootte, dichtheid, vorm, oppervlakte-eigenschappen, vochtgehalte en stromingseigenschappen zijn bepalend. Mengmethoden omvatten het samenvoegen van pneumatische transportleidingen, het tegelijkertijd ledigen van silo's, toediening aan gefluïdizeerde bedden, en het gebruik van mengtrommels en schroef-/lintmengers. Apparatuur die deeltjes verkleint, zoals plet- en maalmolens, bevordert de menging [13](#page=13). ### 4.2 Scheidingsprocessen Het doel van scheidingsprocessen is het splitsen van voedingsstromen in meerdere gewenste deelstromen of eindproducten, om stromen op te zuiveren of waardevolle stoffen terug te winnen. Voor het scheiden van homogene mengsels is energie vereist. Scheidingsprocessen kunnen worden ingedeeld naar de aard van de scheiding: fasecreatie, fasetoediening, scheiding via een barrière, scheiding door toediening van vaste deeltjes, en scheiding door aanleggen van een gradiënt [13](#page=13). #### 4.2.1 Mechanisch-fysische scheidingsprocessen Deze processen worden voornamelijk toegepast op heterogene mengsels [14](#page=14). ##### 4.2.1.1 Mechanisch-fysisch scheiden van vaste stoffen Scheiding is gebaseerd op deeltjesgrootte, bevochtigbaarheid, en elektrische/magnetische eigenschappen [14](#page=14). * **Zeven:** Stoffen worden gescheiden op basis van deeltjesgrootte met behulp van roosters. Bij grote deeltjes wordt dit triëren genoemd. Zeefverstopping kan worden vermeden met luchtstromen. Beweging, hellen, trillen of draaien van de zeef versnelt het proces. Types apparatuur zijn trommelzeven, horizontaal bewegende zeven en verticaal bewegende zeven [14](#page=14). * **Flotatie:** Scheidt deeltjes op basis van hun bevochtigbaarheid, waarbij hydrofiele deeltjes van hydrofobe deeltjes worden gescheiden door middel van schuimflotatie. Toepassingen zijn de zuivering van mineralen, en het scheiden van inkt van papier [14](#page=14). * **Scheiding door magnetische eigenschappen:** Scheidt magnetische van niet-magnetische deeltjes door ze in de buurt van een magneet te brengen [15](#page=15). * **Scheiding door elektrische eigenschappen:** Scheidt geleidende en niet-geleidende deeltjes door ze een lading te geven en ze te laten interageren met geladen elektrodes of trommels [15](#page=15). ##### 4.2.1.2 Mechanisch-fysisch scheiden van vaste stoffen en fluïda * **Filtratie:** Scheidt vaste stoffen van vloeistoffen (suspensies) door ze over een filter te laten lopen, waarbij een filtraat en filterkoek ontstaan. De drijvende kracht is drukverschil of centrifugatie. Factoren zoals deeltjeskarakteristieken, filtermedium en filterkoekdikte zijn bepalend. Filtermediums variëren van grofkorrelig materiaal tot membranen. Verschillende filtratietypes, gebaseerd op deeltjesdiameter, omvatten conventionele filtratie, microfiltratie, ultrafiltratie, nanofiltratie en hyperfiltratie/omgekeerde osmose [15](#page=15) [16](#page=16). * **Zeeffiltratie:** Gebruikt een semipermeabel membraan met zeer kleine poriën, zoals bij omgekeerde osmose. Osmose is het scheiden van twee fasen door een semipermeabel membraan, gedreven door concentratieverschil. Omgekeerde osmose vereist arbeid om het proces om te keren [16](#page=16). * **Dieptefiltratie (klaringsfiltratie):** Gebruikt een filterbed van grofkorrelig materiaal waar deeltjes worden weerhouden binnen de poriën. Zandfiltratie is een voorbeeld. Reiniging gebeurt door backwashing [16](#page=16). * **Koekfiltratie:** De filterkoek zelf neemt de filtrerende werking over, waarbij deeltjes aan het oppervlak van het filtermedium worden tegengehouden. De structuur van de koek hangt af van de deeltjeskarakteristieken en filtratieparameters. Industriële filtersystemen omvatten platenfilters, filterpersen en zakkenfilters. Vacuümfilters, zoals de trommelfilter, gebruiken onderdruk voor filtratie [17](#page=17). * **Bezinking (sedimentatie):** Scheidt deeltjes op basis van verschillen in grootte en dichtheid. De netto kracht is het verschil tussen zwaartekracht en opwaartse Archimedeskracht. Deeltjes met grotere dichtheid of grotere omvang bezinken sneller. Stroomgoten met opeenvolgende, grotere bezinkingstanks kunnen de verblijftijd verlengen en zo een betere scheiding bereiken [18](#page=18). * **Centrifugatie en cyclonen:** Gebruiken centrifugale kracht om vaste deeltjes van vloeistoffen of gassen te scheiden, of om niet-mengbare vloeistoffen te scheiden. De centrifugale kracht is `Fc = m. Ω². r`. De G-waarde geeft de verhouding tot zwaartekracht aan [19](#page=19). * **Dichtewand centrifuges:** Gebruikt voor centrifugale bezinking, zoals bij het ontvetten van melk of het verrijken van uranium [19](#page=19). * **Openwand centrifuges:** Gebruikt voor filtratie, waarbij vloeistof door een geperforeerde wand gaat en vaste stof achterblijft [19](#page=19). * **Cycloon:** Scheidt vaste deeltjes uit een gas door de gasstroom zelf centrifugale kracht op te wekken. Een hydrocycloon werkt voor vloeistoffen [20](#page=20). #### 4.2.2 Fysisch-chemische scheidingsprocessen ##### 4.2.2.1 Drogen Drogen verwijdert kleine hoeveelheden water uit stoffen door verdamping of sublimatie, meestal thermisch. Het proces is endotherm en vereist warmteoverdracht via conductie, convectie of straling. Methoden omvatten drogen met verwarmde lucht, contact met een verwarmd oppervlak, stralingswarmte, en vriesdrogen [20](#page=20). * **Werking van drogen met warme lucht:** Gebaseerd op het verschil in dampdruk (drijvende kracht voor massatransfer) en temperatuurverschil (drijvende kracht voor warmtetransfer). De relatieve vochtigheid (`RV = (P / PS) x 100%`) is cruciaal; warme, onverzadigde lucht met een lage RV is effectief. Procesoptimalisatie omvat het maximaliseren van temperatuur- en concentratieverschillen en het minimaliseren van weerstand door turbulentie [21](#page=21). * **Apparatuur:** Kamerdrogers werken in batches. Tunneldrogers en trommeldrogers zijn continuprocessen. Fluïdized bed/wervelbed drogers gebruiken een gefluïdizeerd bed voor efficiënte menging. Sproeidrogers vernevelen oplossingen en suspensies tot poeder [22](#page=22) [23](#page=23). ##### 4.2.2.2 Indamping & kristallisatie Indampen (evaporatie) verwijdert grote hoeveelheden oplosmiddel, meestal water, om oplossingen op te concentreren. Het vindt plaats bij het kookpunt van het oplosmiddel, waarbij het oplosmiddel vluchtiger is dan de opgeloste stof. De indampsnelheid hangt af van de warmteoverdracht en massatransport van damp [23](#page=23). * **Apparatuur:** Open-pan indampers, buisvormige warmtewisselaars en meertrapsindampers maken gebruik van warmterecuperatie om energie te besparen (#page=23, 24) [23](#page=23) [24](#page=24). * **Doelstellingen:** Solvent terugwinnen, oplossing concentreren, en opgeloste stof terugwinnen [24](#page=24). * **Kristallisatie:** Vormt vaste kristallijne deeltjes uit een homogene, oververzadigde oplossing. Oververzadiging kan worden bereikt door indamping van het oplosmiddel of afkoeling van de oplossing (waardoor de maximale oplosbaarheid daalt). Kristallisatie kan ook plaatsvinden vanuit een smelt, een homogene dampfase, of via rekristallisatie [24](#page=24). ##### 4.2.2.3 Destillatie Scheidt verbindingen in een vloeibare, binaire oplossing op basis van verschillen in vluchtigheid (kookpunt). De meest vluchtige stof condenseert als destillaat, terwijl de minst vluchtige stof het residu vormt. Het kookpuntdiagram geeft de temperatuur-samenstellingsrelatie weer [25](#page=25). * **Enkelvoudige destillatie:** Omvat evenwichts- of flashdestillatie en enkelvoudige batchdestillatie (#page=25, 26). Deze methoden zijn effectief voor stoffen met een kookpuntverschil van minstens 50°C [25](#page=25) [26](#page=26). * **Fractionele destillatie (rectificatie):** Wordt gebruikt voor stoffen met vergelijkbare kookpunten, door herhaalde destillaties in een fractioneerkolom. Elke plaat in de kolom komt overeen met een thermische schotel, wat het aantal evenwichten bepaalt. Continue rectificatie is efficiënter en maakt gebruik van reflux en een reboiler [26](#page=26) [27](#page=27). ##### 4.2.2.4 Absorptie en stripping * **Absorptie:** Brengt een gasmengsel in contact met een vloeistof (absorbent) waarin één of meer componenten selectief oplossen (gas->vloeistof massatransfer) [27](#page=27). * **Fysische absorptie:** Gebaseerd op selectieve massatransfer zonder chemische verandering, tot thermodynamisch evenwicht is bereikt. De evenwichtspartitiecoëfficiënt `K = Cvlequilibruim / Cgas` bepaalt de selectiviteit [28](#page=28). * **Chemische absorptie (chemisorptie):** Omvat eerst fysische absorptie, gevolgd door chemische reactie van het geabsorbeerde component. Dit verhoogt de absorptiecapaciteit, flux, en kan gevaarlijke stoffen veilig wegreageren [28](#page=28). * **Keuze van solvent:** Belangrijke criteria zijn affiniteit voor het gewenste product, hoog kookpunt, lage viscositeit, stabiliteit, niet-toxiciteit en kostprijs [28](#page=28). * **Factoren die absorptiesnelheid beïnvloeden:** Groot contactoppervlak, hoge concentratieverschillen, lage temperatuur en hoge druk [29](#page=29). * **Stripping (desorptie):** Het omgekeerde proces van absorptie, waarbij componenten van vloeistof naar gas worden overgebracht [28](#page=28). * **Doel & toepassingen:** Waardevolle producten scheiden, schadelijke producten verwijderen, deodoriseren, en chemische reacties [29](#page=29). * **Apparatuur (absorptietorens):** Zeefplatenkolommen, ventielplatenkolommen, borrelplatenkolommen, gepakte kolommen (random en gestructureerd), sproeikolommen, bellenkolommen en centrifugale contractoren worden gebruikt (#page=29, 30) [29](#page=29) [30](#page=30). ##### 4.2.2.5 Extractie Scheidt selectief stoffen (solute) uit een vaste stof of vloeistof naar een ander vloeibaar solvent. Het solvent mag niet homogeen mengbaar zijn met de voeding, moet een hoge affiniteit voor de solute hebben, en een groot dichtheidsverschil met de voeding. Extractie heeft de voorkeur boven destillatie voor hoogkokende verbindingen in lage concentraties, thermolabiele verbindingen, stoffen met gelijkaardige kookpunten maar verschillen in oplosbaarheid, en het verwijderen van anorganische stoffen [31](#page=31). * **Enkelvoudige extractie:** De efficiëntie wordt bepaald door de extractie-efficiëntie `E = msolute, extract / msolute, totaal` en de evenwichtspartitiecoëfficiënt `K = Csolvent* / Cvoeding*` (#page=31, 32) [31](#page=31) [32](#page=32). * **Meervoudige extractie:** Verhoogt de efficiëntie, met name in tegenstroom, waar het solvent optimaal wordt benut (#page=32, 33) [32](#page=32) [33](#page=33). * **Vloeistof-vloeistof extractie (LLE):** Maakt gebruik van ternaire fasediagrammen om de concentraties en ontmengingsgedragingen weer te geven. Apparatuur omvat mixer-settlers, sproeikolommen, gepakte kolommen en kolommen met mechanische agitatie [33](#page=33) [34](#page=34). * **Vast-vloeistof extractie (leaching):** Scheidt stoffen uit vaste materialen met een solvent. Uitvoeringsvormen zijn percolatie (fixed bed), moving-bed extractie (Bollmann, Hildebrandt, bandextractor) en dispersie/agitatie met afscheiding (#page=35, 36). Solvent recuperatie gebeurt vaak door destillatie [35](#page=35) [36](#page=36). ##### 4.2.2.6 Adsorptie en desorptie, ionenuitwisseling en chromatografie * **Adsorptie:** Selectief weerhouden van een gas of vloeistof aan het oppervlak van een vaste stof (adsorbent) door intermoleculaire krachten. Adsorptie is optimaal bij lage temperatuur en hoge druk. Het specifieke oppervlak van het adsorbens (`m²/g`) is cruciaal en wordt vergroot door kleine adsorbentia en hoge inwendige porositeit. Toepassingen zijn het onttrekken van ongewenste bestanddelen en het drogen van gassen en vloeistoffen [37](#page=37) [38](#page=38). * **Ionenuitwisseling:** Selectief weerhouden van ionen uit een vloeistof aan het oppervlak van een vaste stof met permanent gebonden ladingen. Kationen- en anionenuitwisselaars worden gebruikt, afhankelijk van de aard van de te scheiden ionen [37](#page=37) [38](#page=38). * **Chromatografie:** Scheidt componenten van een mobiele fase (gas of vloeistof) op basis van hun affiniteit voor een stationaire fase in een kolom. Verschillende retenties en elutietijden leiden tot de vorming van verschillende fracties [38](#page=38). * **Sorbentia:** Belangrijke criteria voor sorbentia zijn hoge selectiviteit, capaciteit, snelle sorptiekinetiek, chemische/thermische/mechanische stabiliteit, weerstand tegen fouling, gemakkelijke regeneratie en lage kosten (#page=38, 39). Ze worden ingedeeld in organische (bv. actieve kool), anorganische (bv. silicagel, zeolieten) en synthetische organische polymeren [38](#page=38) [39](#page=39). * **Adsorptie-apparatuur:** Slurry contractors en cyclische batch operaties worden gebruikt [39](#page=39). --- # Mechanische vervaardigingstechnieken van discrete producten 6. Mechanische vervaardigingstechnieken van discrete producten Dit onderdeel behandelt de mechanische bewerkingen die nodig zijn voor de productie van aftelbare producten. ### 6.1 Inleiding tot mechanische vervaardigingstechnieken Mechanische vervaardigingstechnieken omvatten de eenheidsbewerkingen die nodig zijn voor de productie van discrete, dat wil zeggen aftelbare en afzonderlijk te scheiden, producten die geen gas, vloeistof of granulaire stof zijn. Deze technieken kunnen worden onderverdeeld in verschillende categorieën die het productieproces van begin tot eind bestrijken [40](#page=40). ### 6.2 Categorieën van mechanische vervaardigingstechnieken De mechanische vervaardigingstechnieken voor discrete producten omvatten een reeks processen die worden ingedeeld op basis van de transformatie die het materiaal ondergaat [41](#page=41). #### 6.2.1 Oervormen Oervormen is het proces waarbij een materiaal met een niet gedefinieerde vorm, zoals een metaalsmelt of poeder, zijn eerste vorm krijgt. Dit kan bereikt worden door technieken zoals gieten, extruderen, sinteren en poedermetallurgie [41](#page=41). #### 6.2.2 Omvormen Omvormen is een secundaire vormgevingsstap die plaatsvindt na de oervorming. Hierbij wordt de vorm, kristalstructuur en/of mechanische eigenschappen van het materiaal gewijzigd. Voorbeelden van omvormingstechnieken zijn buigen, bewegen, forceren en dieptrekken [41](#page=41). #### 6.2.3 Scheiden en afnemen Deze categorie omvat processen waarbij overtollig materiaal wordt verwijderd [41](#page=41). * **Scheiden:** Hierbij wordt materiaal verwijderd dat nog bruikbaar is. Voorbeelden zijn het uitsnijden van een deel van een plaat of het snijden van deuren in een plaat, uitgevoerd door middel van snijden, knippen en ponsen [41](#page=41). * **Afnemen (verspanen):** Bij afnemen wordt materiaal verwijderd op een wijze dat het overtollige materiaal niet meer bruikbaar is. Voorbeelden hiervan zijn boren, draaien, frezen, slijpen en zagen, waarbij de structuur van het materiaal tot poeder kan worden gereduceerd [41](#page=41). #### 6.2.4 Verbinden Verbinden is het proces waarbij losse onderdelen tot een constructie worden gemonteerd die de beoogde functie kan uitoefenen. Veelvoorkomende verbindingsmethoden zijn lassen, solderen, lijmen, nieten en klinken [41](#page=41). #### 6.2.5 Veranderen van materiaaleigenschappen en opbrengen van lagen Dit omvat behandelingen die gericht zijn op het veranderen of optimaliseren van de eigenschappen van materialen. Er wordt onderscheid gemaakt tussen twee soorten behandelingen [41](#page=41): * **Bulkbehandeling:** Deze behandelingen dringen diep door (tot enkele tientallen millimeters) onder het oppervlak van het materiaal. Voorbeelden zijn gloeien en harden, waarbij de kristalstructuur wordt gewijzigd door opwarming en afkoeling [41](#page=41). * **Oppervlaktebehandeling:** Deze behandelingen zijn beperkt tot het oppervlak (meestal minder dan 1 millimeter). Ze worden toegepast voor diverse doeleinden, zoals het verhogen van de weerstand tegen corrosie en oxidatie, het verbeteren van de slijtvastheid, het aanbrengen van isolatie, en voor reiniging of verfraaiing. Een voorbeeld hiervan is het lakken van een auto [41](#page=41). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Eenheidsprocessen | Processen die gebaseerd zijn op een beperkt aantal wetenschappelijke fundamentele principes en basismechanismen, toepasbaar in diverse industrieën. | | Mechanische eenheidsprocessen | Processen waarbij de vorm, plaats of fysieke staat van een product verandert zonder wijziging van de chemische samenstelling. | | Fysische eenheidsprocessen | Processen waarbij de fysische eigenschappen zoals temperatuur, dichtheid of viscositeit van een product veranderen, zonder de chemische structuur te wijzigen. | | Chemische eenheidsprocessen | Processen die leiden tot een verandering in de chemische structuur of samenstelling van een product. | | Process and Instrumentation Diagram (P&ID) | Een schema dat apparatuur, leidingen en instrumentatie in een productieproces weergeeft met behulp van gestandaardiseerde symbolen. | | Stroming (momentumtransfer) | Het verplaatsen van een bulk fluïdum (gas/vloeistof) of vaste deeltjes als gevolg van een drukverschil. | | Warmtetransfer | Het verplaatsen van thermische energie van een plaats met een hogere temperatuur naar een plaats met een lagere temperatuur, als gevolg van een temperatuurverschil. | | Massatransfer | De verplaatsing van moleculen in een gas of vloeistof als gevolg van een concentratieverschil. | | Reynolds-getal | Een dimensieloos getal dat wordt gebruikt om te bepalen of een stroming laminair of turbulent is. | | Laminare stroming | Een stromingsregime waarbij fluïdumdeeltjes parallel aan elkaar bewegen zonder menging. | | Turbulente stroming | Een stromingsregime dat wordt gekenmerkt door wervels, willekeurige bewegingen en intensieve menging van fluïdumdeeltjes. | | Moleculaire diffusie | Het proces waarbij individuele moleculen zich verplaatsen van een gebied met een hoge concentratie naar een gebied met een lage concentratie. | | Eddy- of turbulente diffusie | De verplaatsing van een pakket materie door turbulentie, wat leidt tot menging. | | Advectie | Het meebewegen van een stof met een zich verplaatsend fluïdum. | | Materiaalbalans | Een boekhouding van de massa die een proces binnenkomt en verlaat, gebaseerd op de wet van behoud van massa. | | Indamper | Een apparaat dat wordt gebruikt om water of een ander oplosmiddel uit een oplossing te verdampen om de concentratie van de opgeloste stof te verhogen. | | Kristallisatie | Het proces waarbij vaste kristallijne deeltjes gevormd worden uit een homogene fase, typisch uit een oververzadigde oplossing. | | Silo | Een grote opslagcontainer, meestal cilindrisch, gebruikt voor het opslaan van bulkmaterialen zoals granulaire stoffen. | | Pneumatisch transport | Een methode om vaste deeltjes te verplaatsen door een luchtdicht leidingstelsel met behulp van een luchtstroom. | | Hydraulisch transport | Een methode om vaste deeltjes te verplaatsen met behulp van een vloeistof, meestal water, als transportmedium. | | Conductie (warmtegeleiding) | De overdracht van thermische energie door directe botsingen van deeltjes in een materiaal, zonder bulkverplaatsing van het materiaal zelf. | | Convectie (convectieve warmteoverdracht) | De overdracht van warmte door de verplaatsing van fluïdum (gas of vloeistof) zelf, die warmte meevoert. | | Elektromagnetische straling | Energie die wordt uitgestraald in de vorm van elektromagnetische golven, inclusief warmtestraling. | | Warmtewisselaar | Een apparaat dat warmte overdraagt van een warm fluïdum naar een koud fluïdum zonder dat de fluïda met elkaar mengen. | | Tubulaire warmtewisselaar | Een warmtewisselaar die bestaat uit buizen, waarbij warmte wordt overgedragen tussen fluïda die door en om de buizen stromen. | | Platenwisselaar | Een warmtewisselaar die bestaat uit parallelle platen die een groot contactoppervlak bieden voor warmteoverdracht tussen twee fluïda. | | Koelmachine | Een apparaat dat warmte onttrekt uit een koude omgeving en deze afgeeft aan een warmere omgeving, met behulp van een kringproces. | | Mengen | Het proces van het samenvoegen en gelijkmatig verdelen van deeltjes van twee of meer verschillende stoffen of fasen om een homogeen of heterogeen mengsel te verkrijgen. | | Homogeen mengsel | Een mengsel waarin de bestanddelen uniform verdeeld zijn en een enkele fase vormen. | | Heterogeen mengsel | Een mengsel waarin de bestanddelen niet uniform verdeeld zijn en uit meerdere fasen kunnen bestaan. | | Fluïdizatie | Het proces waarbij een vaste deeltjeslaag zich gedraagt als een fluïdum wanneer er een gas of vloeistof met voldoende snelheid doorheen wordt geleid. | | Scheidingsprocessen | Processen die worden gebruikt om stromen te splitsen in afzonderlijke componenten of producten, vaak voor zuivering of terugwinning van waardevolle stoffen. | | Mechanisch-fysische scheidingsprocessen | Scheidingsprocessen die gebaseerd zijn op fysieke eigenschappen van de stoffen, zoals grootte, dichtheid of bevochtigbaarheid. | | Zeven | Een scheidingsproces waarbij deeltjes worden gescheiden op basis van hun grootte door ze te laten passeren door een rooster of gaas met specifieke maaswijdtes. | | Flotatie | Een scheidingsproces dat deeltjes scheidt op basis van hun bevochtigbaarheid, door ze te laten hechten aan luchtbellen en naar de oppervlakte te drijven. | | Filtratie | Een scheidingsproces dat een suspensie (vaste stof in vloeistof) scheidt door de vloeistof te laten passeren door een filtermedium, terwijl de vaste deeltjes worden tegengehouden. | | Filtraat | De vloeistof die na filtratie door het filtermedium is gegaan. | | Filterkoek | De ophoping van vaste deeltjes die op het filtermedium achterblijven na filtratie. | | Omgekeerde osmose | Een membraangebaseerd scheidingsproces waarbij druk wordt toegepast om een oplosmiddel (meestal water) door een semipermeabel membraan te persen, terwijl opgeloste stoffen worden achtergehouden. | | Dieptefiltratie | Filtratie waarbij deeltjes worden vastgehouden in de poriën van een filtermedium met een grovere structuur. | | Koekfiltratie | Filtratie waarbij de filterkoek zelf het primaire filtermedium wordt. | | Bezinking (sedimentatie) | Een scheidingstechniek gebaseerd op het verschil in dichtheid en deeltjesgrootte, waarbij zwaardere deeltjes naar de bodem zakken in een vloeistof. | | Centrifugatie | Een scheidingsproces dat gebruik maakt van centrifugale kracht om vaste deeltjes van vloeistoffen of gassen te scheiden, of om niet-mengbare vloeistoffen te scheiden. | | Cycloon | Een apparaat dat vaste deeltjes uit een gas- of vloeistofstroom scheidt met behulp van centrifugale kracht opgewekt door de stroming zelf. | | Drogen | Het proces van het verwijderen van vocht (meestal water) uit materialen of producten, voornamelijk door verdamping of sublimatie. | | Indamping (evaporatie) | Het wegkoken van grote hoeveelheden oplosmiddel (meestal water) uit een oplossing om de concentratie van de opgeloste stof te verhogen. | | Destillatie | Een scheidingsproces dat wordt gebruikt om vloeibare mengsels te scheiden op basis van verschillen in kookpunten (vluchtigheid) van de componenten. | | Fractionele destillatie | Een verfijnd destillatieproces dat wordt gebruikt om componenten met vergelijkbare kookpunten te scheiden door herhaalde verdamping en condensatiecycli. | | Absorptie | Een proces waarbij één of meerdere componenten uit een gas- of vloeistofmengsel selectief oplossen in een absorberend vloeistof (solvent). | | Stripping (desorptie) | Het omgekeerde proces van absorptie, waarbij een opgeloste stof uit een vloeistof wordt verwijderd door contact met een gas. | | Extractie | Een scheidingsproces waarbij een stof selectief wordt overgebracht van de ene vloeistoffase (voeding) naar een andere, niet-mengbare vloeistoffase (solvent). | | Adsorptie | Een oppervlaktefenomeen waarbij moleculen van een gas of vloeistof zich hechten aan het oppervlak van een vaste stof (adsorbens). | | Ionenuitwisseling | Een proces waarbij ionen uit een oplossing selectief worden vervangen door ionen die gebonden zijn aan een vaste hars. | | Chromatografie | Een scheidingsmethode die wordt gebruikt om mengsels te scheiden op basis van verschillen in affiniteit voor een stationaire en een mobiele fase. | | Sorbentia | Materialen die worden gebruikt voor adsorptie, ionenuitwisseling of andere scheidingsprocessen op basis van oppervlakte-interacties. | | Membraanscheiding | Een scheidingsproces dat gebruik maakt van een semipermeabel membraan om moleculen of ionen te scheiden op basis van grootte, lading of andere eigenschappen. | | Discrete producten | Producten die aftelbaar zijn en afzonderlijk van elkaar te scheiden, in tegenstelling tot gassen, vloeistoffen of granulaire stoffen. | | Oervormen | Het proces van het creëren van de eerste ruwe vorm van een product, vaak uit een smelt of poeder. | | Omvormen | Het wijzigen van de vorm, structuur of mechanische eigenschappen van een product door middel van mechanische bewerkingen zoals buigen of dieptrekken. | | Scheiden en afnemen | Processen waarbij overtollig materiaal wordt verwijderd, hetzij bruikbaar (scheiden) of niet bruikbaar (afnemen/verspanen). | | Verbinden | Het monteren van verschillende onderdelen tot een functionele constructie, bijvoorbeeld door lassen, lijmen of solderen. | | Bulkbehandeling | Behandelingen die diep in het materiaal doordringen om de materiaaleigenschappen te veranderen. | | Oppervlaktebehandeling | Behandelingen die beperkt blijven tot het oppervlak van het materiaal, vaak voor bescherming, verfraaiing of het verbeteren van slijtvastheid. |