Vaste stof: toestand van materie — definitie, eigenschappen en voorbeelden

Leer wat vaste stoffen zijn: definitie, molecuulstructuur, eigenschappen, voorbeelden en overgangen (smelten, bevriezing, sublimatie) — duidelijke uitleg voor studie en praktijk.

Vaste stof is een van de drie algemene toestanden van de materie. De moleculen in vaste stoffen zitten dicht op elkaar en zijn door bindingen of sterke krachten op vaste plaatsen gehouden; ze kunnen voornamelijk alleen vibreren rond die evenwichtsposities. Dit betekent dat vaste stoffen een duidelijke, meestal vaste vorm hebben die alleen verandert als er een kracht op wordt uitgeoefend. Dat gedrag contrasteert sterk met vloeistoffen en gassen, waarvan de deeltjes vrijer bewegen en die eigenschappen zoals stroming vertonen.

Structuur van vaste stoffen

Vaste stoffen kunnen globaal in twee groepen worden verdeeld: kristallijne en amorfe stoffen. Kristallijne vaste stoffen hebben een regelmatig, herhalend rooster (unit cell) met langeafstandordening — voorbeelden zijn zout (NaCl) en diamant. Amorfe vaste stoffen, zoals glas en sommige kunststoffen, missen die langeafstandordening; hun deeltjes bevinden zich meer willekeurig maar blijven toch gebonden.

In kristallen kan de fysieke eigenschappen richtingafhankelijk zijn (anisotropie): langs verschillende kristalrichtingen kunnen mechanische en optische eigenschappen verschillen.

Belangrijke eigenschappen

• Vaste vorm en volume: de meeste vaste stoffen behouden hun vorm en volume zonder een vat.
• Onsamendrukbaarheid: vaste stoffen zijn meestal bijna onsamendrukbaar doordat de deeltjes al dicht opeengepakt zitten.
• Sterkte en stijfheid: vaste stoffen kunnen stijf (rigide) zijn; sommige zijn elastisch (terugveren), andere geven plastisch mee of breken (brittle).
• Dichtheid: veel vaste stoffen hebben een hogere dichtheid dan hun vloeibare of gasvormige tegenhangers.
• Thermische eigenschappen: vaste stoffen hebben karakteristieke smeltpunten, winnen/geven latente warmte bij faseveranderingen en vertonen thermische uitzetting bij verhitting.
• Diffusie: transport van atomen of moleculen door een vaste stof is zeer traag vergeleken met vloeistoffen of gassen.
• Elektrische en thermische geleidbaarheid: dit verschilt sterk per type: metalen geleiden goed, terwijl ionische en covalente netwerken vaak isolatoren of halfgeleiders zijn.

Fasen en overgangen

Wanneer een vaste stof opgewarmd wordt, kan hij overgaan naar een vloeistof; dat proces heet smelten. Omgekeerd wordt een vloeistof weer vast door bevriezing. Sommige stoffen kunnen direct van vast in gas veranderen zonder eerst vloeibaar te worden; dit heet sublimatie (een bekend voorbeeld is droogijs, vast CO₂). De omgekeerde stap (gas → vast) heet retroriet of depositie.

Amorfe vaste stoffen zoals glas hebben vaak geen scherp smeltpunt maar een bereik waarin ze geleidelijk zachter worden — dit noemt men de glasovergang. Faseovergangen kunnen afhankelijk zijn van druk en samenstelling en gaan meestal gepaard met het opnemen of afgeven van energie (latente warmte).

Microscopische uitleg

Op microscopisch niveau bewegen de deeltjes in een vaste stof niet vrij rond maar bevinden zich in potentiaalputten rond hun evenwichtspositie. Hun energie bestaat vooral uit trillingsenergie (thermische trillingen of fononen). Bij verhoging van de temperatuur nemen deze trillingen toe totdat de bindingen overwonnen worden en de structuur instabiel wordt — dan treedt smelten op.

Voorbeelden en toepassingen

• IJs (bevroren water): een veelvoorkomend voorbeeld van een kristallijne vaste stof.
• Metalen (ijzer, koper, aluminium): goede mechanische eigenschappen en vaak goede elektrische geleiders.
• Kristalzout en andere ionische verbindingen: harde kristallen met hoge smeltpunten.
• Diamant en grafiet (koolstofvormen): zelfde element maar verschillende kristalstructuren met heel verschillende eigenschappen.
• Glas en sommige kunststoffen: amorfe vaste stoffen die veel in gebruiksvoorwerpen voorkomen.
• Droogijs (vast CO₂): sublimerend voorbeeld.

Samengevat: een vaste stof wordt gekenmerkt door vaste plaatsing van de deeltjes en beperkt bewegingsvrijheid, wat resulteert in een vaste vorm en specifieke mechanische, thermische en elektrische eigenschappen. De precieze eigenschappen hangen sterk af van de interne bindingen en de mate van ordening in het materiaal.

Soorten vaste stoffen

De krachten tussen de atomen in een vaste stof kunnen vele vormen aannemen. Zo bestaat een kristal van natriumchloride (keukenzout) uit ionisch natrium en chloor, die door ionische bindingen bij elkaar worden gehouden. In diamant of silicium delen de atomen elektronen en maken ze covalente bindingen. In metalen worden elektronen gedeeld in metallische bindingen. Sommige vaste stoffen, zoals de meeste organische verbindingen, worden bijeengehouden door "van der Waals krachten" die ontstaan door de polarisatie van de elektronische ladingswolk op elk molecuul. De verschillen tussen de soorten vaste stoffen komen voort uit de verschillen tussen hun bindingen.

Metalen

De meeste metalen zijn sterk, dicht, en goede geleiders van elektriciteit en warmte. De massa van de elementen in het periodiek systeem, die links van een diagonale lijn van boor tot polonium, zijn metalen. Mengsels van twee of meer elementen waarin de grote component een metaal is, worden legeringen genoemd.

Sinds de prehistorie hebben de mensen metalen voor vele doeleinden gebruikt. De sterkte en betrouwbaarheid van metalen heeft ertoe geleid dat zij op grote schaal worden gebruikt bij het maken van gebouwen en andere dingen, alsook in de meeste voertuigen, vele gereedschappen, pijpen, verkeersborden en spoorrails. IJzer en aluminium zijn de twee meest gebruikte metalen. Het zijn ook de meest voorkomende metalen in de aardkorst. IJzer wordt het meest gebruikt in de vorm van een legering, staal, dat tot 2,1% koolstof bevat, waardoor het veel harder is dan zuiver ijzer.

Aangezien metalen goede geleiders van elektriciteit zijn, zijn zij waardevol in elektrische gereedschappen en om een elektrische stroom over lange afstanden te transporteren met weinig energieverlies. Daarom zijn elektriciteitsnetten voor hun stroomvoorziening afhankelijk van metalen kabels. Elektrische systemen voor thuisgebruik worden bijvoorbeeld bekabeld met koper vanwege de goede geleiding. De hoge thermische geleidbaarheid van de meeste metalen maakt ze ook nuttig voor kookgerei.

Mineralen

Mineralen zijn natuurlijke vaste stoffen die door vele geologische processen onder hoge druk zijn gevormd. Om als een echt mineraal te worden beschouwd, moet een stof een kristalstructuur hebben met overal uniforme fysische dingen. Mineralen verschillen in samenstelling van zuivere elementen en eenvoudige zouten tot zeer complexe silicaten met duizenden bekende vormen. Een gesteentemonster daarentegen is een willekeurig samenraapsel van mineralen en/of mineraloïden, en heeft geen specifieke chemische samenstelling. De meeste gesteenten van de aardkorst bevatten kwarts (kristallijn SiO2), veldspaat, mica, chloriet, kaolien, calciet, epidoot, olivijn, augiet, hoornblende, magnetiet, hematiet, limoniet en nog enkele andere mineralen. Sommige mineralen, zoals kwarts, mica of veldspaat, komen algemeen voor, terwijl andere slechts op enkele plaatsen ter wereld zijn gevonden. Verreweg de grootste groep mineralen zijn de silicaten (de meeste gesteenten bestaan voor ≥95% uit silicaten), die grotendeels uit silicium en zuurstof bestaan, met daarnaast ionen van aluminium, magnesium, ijzer, calcium en andere metalen.

De top van het New Yorkse Chrysler Building, 's werelds hoogste met staal ondersteunde bakstenen gebouw.


Een verzameling van verschillende mineralen.

Zoek op letter