Wat gebeurt er bij materieovergangen tussen een vaste stof, vloeistof en gas?

Alle stoffen ondergaan faseovergangen bij stijgende temperaturen. Terwijl ze opwarmen, beginnen de meeste materialen als vaste stoffen en smelten ze in vloeistoffen. Met meer warmte koken ze in gassen. Dit gebeurt omdat de energie van warmtetrillingen in moleculen de krachten overmeestert die ze bij elkaar houden. In een vaste stof houden krachten tussen moleculen ze in starre structuren. Deze krachten verzwakken sterk in vloeistoffen en gassen, waardoor een stof kan stromen en verdampen.

Wetenschappers noemen vaste stoffen, vloeistoffen en gassen de fasen van een stof. Wanneer het smelt, bevriest, kookt of condenseert, ondergaat het een faseovergang. Hoewel veel stoffen een vergelijkbaar faseovergangsgedrag hebben, heeft elk een unieke reeks temperaturen en drukken die bepalen op welk punt het smelt of kookt. Kooldioxidegas bevriest bijvoorbeeld direct in droogijs bij min 109 graden Fahrenheit bij normale druk. Het heeft alleen een vloeibare fase bij hoge drukken.

Als je een vaste stof opwarmt, stijgt de temperatuur gestaag. Elke graad temperatuurstijging kost ongeveer dezelfde hoeveelheid warmte-energie. Zodra het zijn smeltpunt bereikt, blijft de temperatuur echter stabiel totdat alle substantie smelt. De moleculen hebben extra energie nodig, de zogenaamde fusiewarmte, om vloeibaar te worden. Alle energie gaat op dit punt naar het vloeibaar maken van de stof. Hetzelfde gebeurt voor kokende vloeistoffen. Ze hebben energie nodig, de verdampingswarmte, om de overgang naar gas te maken. Zodra alle stof de overgang maakt, verhoogt meer energie de temperatuur weer.

Krachten tussen moleculen, waaronder de Londense dispersiekracht en waterstofbinding, vormen kristallen en andere vaste vormen wanneer de temperaturen laag genoeg zijn. De sterkte van de krachten bepaalt de smelttemperatuur. Stoffen met zeer zwakke krachten smelten bij lage temperaturen; sterke krachten vereisen hoge temperaturen. Als je voldoende warmte-energie toedient, smelten of koken uiteindelijk alle stoffen.

Dezelfde mechanismen die het smelten regelen, zijn van toepassing op koken. De moleculen in een vloeistof hebben zwakke krachten die ze bij elkaar houden. Door de hitte gaan ze sterk trillen en wegvliegen van de rest. In een kokende vloeistof hebben sommige moleculen relatief lage energieën, de meeste hebben een gemiddeld bereik van energieën en een paar hebben energieën die hoog genoeg zijn om volledig uit de vloeistof te ontsnappen. Met meer warmte ontsnappen er meer moleculen. In de gasfase zijn er geen moleculen meer aan elkaar gebonden.