Waarom zijn zuurstof en waterstof samendrukbaar, maar water nauwelijks

De kracht tussen twee (niet reagerende) atomen wordt bij benadering gegeven door de Lennard-Jones potentiaal, en deze varieert met de afstand van de atomen ongeveer als volgt:

(deze afbeelding komt uit het Wikipedia-artikel dat ik hierboven heb gelinkt). In het diagram kan de parameter $³/³ worden gezien als de grootte van het atoom, dus de waarde op de as $x$ van $r/³/³ = 1$ is het punt waar de atomen elkaar raken. Wanneer de atomen ver van elkaar verwijderd zijn, is er een zeer geringe aantrekkingskracht, maar zodra de atomen elkaar raken, is er een sterke afstoting en is het zeer moeilijk de atomen dichter bij elkaar te duwen.

Wees voorzichtig met dit te iterisch op te vatten, want atomen zijn enigszins vage objecten en hebben geen exacte grootte. Niettemin blijft het punt dat er een afstand tussen de atomen is waarop ze elkaar plotseling sterk beginnen af te stoten.

Nu terug naar uw vraag. Voor bijna ideale gassen zoals zuurstof en waterstof bij standaardtemperatuur en -druk neemt een mol (dat zijn $6,023 maal 10^{23}$ moleculen) ongeveer 22,4 liter in. Dit betekent dat de gemiddelde afstand tussen de moleculen ongeveer 3 nm bedraagt. De grootte van een zuurstofmolecuul is ruwweg (ze zijn niet bolvormig) 0,3 nm, dus de afstand tussen de moleculen is ongeveer 10 keer hun grootte. Dat is ver naar rechts in de grafiek hierboven, en het betekent dat de krachten tussen de moleculen laag zijn en dat het heel gemakkelijk is om ze samen te drukken. Daarom kunnen gassen gemakkelijk worden samengeperst.

Nou denk aan water. Een mol water (0,018 kg) bevat ongeveer 18 ml, dus de afstand tussen de moleculen in water is ongeveer 0,3 nm – met andere woorden, ze komen met elkaar in contact. Dit is het punt waar de moleculen elkaar in strikte zin beginnen af te stoten, en dat maakt het moeilijk om ze dichter bij elkaar te duwen. Daarom laat water zich niet gemakkelijk samendrukken.

U vraagt naar het samendrukken van een mengsel van (niet gereageerde) zuurstof en waterstof. Als je zuurstof genoeg samenperst wordt het vloeibaar, en de dichtheid van vloeibare zuurstof is ongeveer 1140 kg/m$^3$. Hierdoor is de afstand tussen zuurstofmoleculen ongeveer 0,35 nm. Deze afstand is ongeveer gelijk aan de grootte van de O$_2$ moleculen, dus het is moeilijk om vloeibare zuurstof samen te persen. Je kunt deze berekening herhalen voor vloeibare waterstof (dichtheid ongeveer 71 kg/m$^3$) en je krijgt een zeer vergelijkbaar resultaat. Eigenlijk zou ik verwachten dat vloeibare waterstof beter samendrukbaar is dan vloeibare zuurstof en water omdat de H$_2$ molecule aanzienlijk kleiner is. Maar een snelle Google vond geen waarden voor de bulkmodulus van vloeibare waterstof.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.