Alle stoffen hier op aarde vertoonen zich in een bepaalden toestand, die dan eerst gewijzigd wordt, wanneer de uitwendige omstandigheden eene verandering ondergaan. De natuurkundigen beschouwen die toestanden der stof als het gevolg der wijze, waarop de kleinste deeltjes der ligchamen gerangschikt zijn en op elkander werken. Daarom heeft men ze bestempeld met den naam van aggregaat-toestanden afkomstig van het Latijnsche woord aggregare, dat is : tot eene kudde of tot een hoop vereenigen.
Die toestanden loopen in de geheele natuur zoo duidelijk in het oog, dat reeds de Ouden daaraan drie van hunne vier elementen of hoofdstoffen ontleenden. Zij spraken van aarde, water en lucht, en wij van vaste, vloeibare en gasvormige ligchamen.
Wij noemen een ligchaam vast, wanneer zijn volumen (de ruimte, die het inneemt) en zijne gedaante dezelfde blijft. In dezen staat zijn de deeltjes niet zeer beweegbaar en zij bieden een aanmerkelijken tegenstand aan de krachten, die den vorm van zoodanig ligchaam zoeken te veranderen. Daarom kost het altoos eenige moeite, vaste ligchamen te verdeelen en men kan ze doorgaans slechts weinig zamenpersen. Zelfs met aanwending van groote kracht kan men digte vaste ligchamen niet op een derde van hunne oorspronkelijke grootte zamendrukken. De kracht, die de kleinste deeltjes der ligchamen op die wijze bij elkaâr houdt, noemt men kracht van zamenhang.
Een ligchaam verkeert in een vloeibaren toestand, wanneer de zamenhang der deeltjes zoo zwak is, dat zij zich buiten staat bevinden om aan dat ligchaam eene bepaalde gedaante te geven. Vloeibare ligchamen nemen steeds den vorm aan der vaten, waarin zij zich bevinden. Men kan de deeltjes door eene geringe drukking verschuiven, en toch zijn zij zoo digt op elkaâr gepakt, dat hun volumen door de kracht der persing slechts weinig vermindert.
De gasvormige ligchamen, eindelijk, onderscheiden zich van de vaste en vloeibare door de veranderlijkheid van hun volumen en van hunne gedaante. Men kan hunne deeltjes even gemakkelijk verschuiven als die der vloeibare ligchamen, terwijl zij zich tevens tot elk volumen uitzetten en inkrimpen. Sluit men eene bepaalde hoeveelheid eener gassoort in eene grootere ruimte, dan zal zij ook deze vervullen. De gasdeeltjes zoeken zich steeds van elkander te verwijderen, en men beschouwt deze eigenschap als een gevolg der expansie (uitzettend vermogen).
Behalve deze drie toestanden zijn er nog tusschenliggende of overgangstoestanden tus- schen den vasten en vloeibaren aggregatie- toestand. Men neemt die doorgaans waar bij ligchamen , welke uit een mengsel van zelfstandigheden bestaan, die scheikundig verschillen. De dikke siroop is hoofdzakelijk eene geconcentreerde suiker-oplossing en dus een mengsel van een vast en van een vloeibaar ligchaam, — de taaije terpentijn bestaat uit eene vloeibare aetherische olie en uit eene vaste harssoort, — en van meel en water kan men een kneedbaar beslag maken van willekeurige lijvigheid. Intusschen kunnen ook enkelvoudige ligchamen zich in een halfvasten vorm vertoonen. De metalen kalium en natrium zijn kneedbaar bij een gemiddelden warmtegraad; ijzer en platina worden door de warmte week voordat zij smelten, en kunnen in dien toestand worden gesmeed; phosphorus is in een kouden toestand broos, maar kneedbaar bij 20° C., en wanneer men zwavel tot kookhitte brengt en door het begieten met koud water snel afkoelt, dan blijft het langen tijd week.
Deze opmerkelijke toestand is vermoedelijk het gevolg eener onvolkomene smelting, waarbij vaste en vloeibare deeltjes met elkander vermengd zijn. Men kan hem dus geenszins als een zelfstandigen toestand beschouwen, en men zoekt ook dien overgangstoestand tusschen den vloeibaren en gasvormigen staat der ligchamen te vergeefs.
Zeer vele ligchamen — vermoedelijk alle scheikundig enkelvoudige ligchamen — kunnen zich in alle drie aggregaat-toestanden vertoonen. Wij ontwaren dit bij het water, dat wij zoowel in de gedaante van ijs als in die van waterdamp kennen, en wij weten ook, dat die toestand bovenal afhankelijk is van de warmte. Bij het klimmen van den warmtegraad veranderen vaste ligchamen in vloeibare en gasvormige. De warmtegraad, waarbij dit geschiedt, is voor verschillende ligchamen zeer verschillend. Water, kwik en wijngeest zijn vloeibaar bij een gemiddelden warmtegraad, maar het eerste gaat bij 0° C., het tweede bij - 40° in een vasten toestand over, terwijl de derde bij - 110° nog niet verstijft. Zwavelig zuur en koolzuur zijn bij een gewonen warmtegraad gasvormig; het eerste wordt vloeibaar bij - 10°, en het tweede bij - 78°. De warmtegraad, waarbij een vast ligchaam vloeibaar wordt, bepaalt zijn smeltpunt. Wij laten hier eene tabel volgen, die de smeltpunten der meest bekende ligchamen bevat:
Wanneer een vloeibaar ligchaam de geschiktheid bezit om in een gasvormigen toestand over te gaan, dan geschiedt dit evenzeer bij een bepaalden warmtegraad, dien men het kookpunt noemt. Alle warmte, die men van buiten aan het kokend ligchaam verschaft, wordt gebruikt, om de deeltjes der vloeistof allengs eene gasvormige gedaante te doen aannemen. Daarom kan men de geheele massa niet sterker verhitten dan noodig is om die verandering in den aggregaat-toestand te veroorzaken Wij vinden het kookpunt van verschillende stoffen op de volgende tabel:
Intusschen kan de aggregaat-toestand van een ligchaam ook bij veel lageren warmtegraad koken en veranderd worden, wanneer men namelijk de drukking op zoodanig ligchaam vermindert. Vermeerdering of vermindering van drukking is een tweede middel, waardoor wij de gesteldheid der ligchamen kunnen wijzigen. Zoodanige drukking is vooral die des dampkrings. Deze houdt eene kwikkolom van 760 Ned. streep in evenwigt. Daarbij kookt het water bij 100° C. Op den top van den Montblanc echter is de drukking zoodanig gedaald, dat die kwikkolom er eene hoogte heeft van slechts 420 streep. Hier kookt het water bij eene warmte van 84° C. Ook kan men onder de luchtpomp de dampkringsdrukking verminderen en alzoo het kookpunt verlagen.
Men kan het kookpunt ook verhoogen. Wanneer men water verhit in een gesloten pot (Papiniaanschen pot), dan begint het bij 100° C. te koken en damp te ontwikkelen, maar de besloten damp veroorzaakt zulk eene drukking op de vloeistof, dat het koken weldra ophoudt en hare warmte ver boven de 100° klimt, — ja, zoover als het weerstandbiedend vermogen van den pot veroorlooft.
Daar men gasvormige ligchamen in elke willekeurige ruimte kan zamenpersen, kan men door middel eener perspomp hunne spanning sterk verhoogen. Dit heeft denzelfden invloed als eene verlaging van den warmtegraad, zoodat men op die wijze sommige gasvormige ligchamen in een vloeibaren toestand kan brengen. Deze proef gelukt het best met zwavelig zuur, dat bij het verbranden van zwavel in de opene lucht ontstaat en zich door een prikkelenden reuk onder-scheidt. Wanneer men dit gas in eene perspomp tot zoodanige digtheid brengt, dat het op de wanden van het vat, waarin het besloten is, eene drukking heeft viermaal zoo sterk als die des dampkrings, dan verandert het in eene geelachtig gekleurde vloeistof. Dezelfde uitkomsten verkrijgt men door eene verlaging van den warmtegraad; ’t geen men zien zal, wanneer men het vat, waarin zich het zwavelig zuur bevindt, in een mengsel plaatst van zout en ammoniak. Minder gemakkelijk gelukt de proef met koolzuur. Langen tijd meende men, dat het onmogelijk was, dit gas in een dropvormig-vloeibaren toestand te brengen. Dit werd echter volbragt door den beroemden Faraday. Later heeft Thilorier dat voorbeeld gevolgd, en eindelijk is door Natterer een toestel vervaardigd, waarin men zonder eenig gevaar groote hoeveelheden koolzuur vloeibaar kan maken.
Die proef is bij onderscheidene gassen, bij voorbeeld bij zuurstof, waterstof en stikstof, nog niet gelukt, al is het ook, dat wij hun overgang tot een vloeibaren staat allezins mogelijk achten. Het onderscheid der gasvormige ligchamen in dampen en in permanente veerkrachtige gassen, gegrond op hunne geschiktheid of ongeschiktheid om vloeibaar te worden, is dus niet aannemelijk. Intusschen is het nog altoos twijfelachtig of alle ligchamen de bekende drie aggregaat-toestanden kunnen aannemen. Zuurstof, waterstof en stikstof kennen wij enkel in een gasvormigen — koolstof, borium en silicium enkel in een vasten toestand. Wel is het aan Despretz, een Fransch scheikundige, gelukt, door een verbazend hoogen warmtegraad staafjes koolstof week te maken, te krommen en zelfs in damp te doen overgaan, zoo als uit een aanslag van mikroskopische diamant-kristallen bleek, — ook heeft hij volgens zijne verklaring borium en silicium in een gasvormigen toestand gebragt, maar die omzetting geschiedde in zoo geringe hoeveelheden, dat men zich omtrent de eigenschappen dier nieuwe ligchamen niet kon vergewissen. De overige scheikundig enkelvoudige ligchamen kan men zonder veel moeite in een vasten en vloeibaren toestand waarnemen. Dit geldt van alle metalen en geschiedt zeer gemakkelijk met zwavel en phosphorus. De metalen der platina-groep, platina, iridium, rhodium, osmium, ruthenium en palladium, vereischen een hoogen warmtegraad, om vloeibaar te worden. Het smeltpunt van platina is hooger dan 1500° C., en tot voor korten tijd was men onbekend met de hulpmiddelen, om groote hoeveelheden van die metalen in een gesmolten toestand te brengen. Ze zijn gevonden door den Franschen scheikundige St. Claire Deville, die wel eens 12 Ned. pond platina smolt in potten van kalk op eene vlam van pikkolen, die met zuurstof werd onderhouden. Hij kon hierdoor eene hitte voortbrengen, waarbij de vloeibare massa begon te koken en te verdampen.
Mogen wij vermoeden, dat de scheikundig enkelvoudige ligchamen zich in de drie bekende aggregaat-toestanden kunnen vertoonen, — geheel anders is het met de zamen- gestelde stoffen. Wel vindt men er ook onder deze, die men met meerdere of mindere moeite van één dier toestanden in een anderen kan doen overgaan, zoo als water, aetherische olie, zwavelzuur enz., het is tevens een feit, dat er vele voorhanden zijn, die zich tot nu toe alleen in een vasten of in een vasten en vloeibaren staat vertoonen. Wij noemen als voorbeeld het zetmeel, dat zich reeds bij eenige honderden graden warmte begint te ontleden en niet in een onveranderden toe-stand wil smelten. De plantenvezels — zoo als katoen, linnen, droog hout — verkeeren in hetzelfde geval. Zij verbranden of verkolen zonder vloeibaar te worden. Van de ligchamen der tweede soort vinden wij een voorbeeld in de suiker. Men kan ze met eenige voorzigtigheid smelten, en na hare afkoeling herkrijgt zij hare voormalige scheikundige eigenschappen. Stelt men echter de gesmoltene massa bloot aan een hoogeren warmtegraad, dan wordt zij bruin en ont-bindt zich in hare bestanddeelen, zoodat zij ophoudt suiker te wezen. Zoo is het ook met vele vette oliën, die bij den gewonen warmtegraad vloeibaar zijn en bij meerdere koude verstijven. Wanneer men ze tot een zekeren graad verhit, schijnen zij te koken, maar dit is niets anders als eene ontbinding; de dampen, die zich daarbij ontwikkelen, zijn nieuwe scheikundige verbindingen, en men kan ze niet verdigten tot hun vroegeren toestand.
Wanneer men vaste ligchamen met vloeistoffen in aanraking brengt, dan worden eerstgenoemden al of niet bevochtigd, dat wil zeggen, de deeltjes der vloeistof hechten er zich al of niet aan vast. Het water bevochtigt bij den gewonen warmtegraad de meeste ligchamen, en wij zien het tegenovergestelde geval bij het kwik, dat alleen eenige metalen bevochtigt. Laat men een droppel kwik — al is het van eene geringe hoogte — op de horizontale oppervlakte van een vast ligchaam vallen, dan verdeelt zich het vloeibaar metaal in tallooze droppeltjes, die naar alle kanten uiteen spatten en te meer op bolletjes gelijken, naarmate zij kleiner zijn. Wanneer men zegt, dat het eene eigenschap is van het kwikzilver, dat het vaste ligchamen niet bevochtigt, dan beschrijven wij een verschijnsel zonder het te verklaren. De natuurkundigen zeggen: Tusschen de deeltjes van het kwik en die van het vaste ligchaam bestaat zoo weinig adhaesie (kracht van aankleving), dat deze niet in staat is, de cohaesie (kracht van zamenhang) der kwikdeeltjes te overwinnen. De cohaesie der vloeistoffen is gering, maar wij zien toch in de zoo even vermelde proef — in de vorming dier bolletjes —, dat zij invloed kan hebben op de gedaante, waarin een ligchaam zich vertoont. Die gedaante, welke wij hierboven beschreven, noemt men den sphaeroïdalen toestand. Sommigen hebben hierin een vierden aggregaat-toestand gezien, maar ten onregte, want al de eigenschappen van den sphaeroïdalen toestand kan men verklaren uit de bekende eigenschappen der vloeistoffen.
Niet uitsluitend het kwikzilver vertoont zich in dien vorm, maar elke vloeistof, die onder bepaalde omstandigheden met sommige ligchamen in aanraking komt. Water erlangt die gedaante, wanneer men het in kleine droppels op eene plaat giet, die met een onoplosbaar poeder — bij voorbeeld het zoogenaamde strooipoeder (lycopodium)—bedekt of met vet bestreken is. Ook bij olie ontwaart men hetzelfde verschijnsel, wanneer het op een ondoordringbaren, met water bevochtigden bodem valt. De sphaeroïdale toestand ontstaat echter vooral, wanneer vloeistoffen in aanraking komen met sterk verhitte ligchamen, en men ontwaart daarbij zoo merkwaardige omstandigheden, dat wij hierover een en ander moeten mededeelen.
Wanneer men een schaaltje van platina of zilver boven eene spiritus-vlam sterk verwarmt en er vervolgens met voorzigtigheid eenig water in laat droppelen, dan stijgt het niet sissend omhoog, maar blijft in de gedaante van een droppel in het midden van het schaaltje liggen (Fig. 1), terwijl de verdamping zeer langzaam plaats grijpt. Deze proef werd in het midden der vorige eeuw ongeveer gelijktijdig door ElIer en door Leidenfrost genomen, en die droppel is onder den naam van Leidenfrostschen droppel bekend. Het verschijnsel zelf is zoowel van practisch als van wetenschappelijk belang, zoodat onderscheidene natuurkundigen —- vooral Boutigny — zich met het onderzoek daarvan hebben bezig gehouden. De uitkomsten van dat onderzoek zijn zeer verrassend. Laatstgenoemde geleerde heeft aangetoond, dat men de proef niet alleen met droppels, maar ook met ponden nemen kan, indien de vaten of schalen dik genoeg zijn, zoodat zij door het vocht, dat men er in giet, niet al te snel worden afgekoeld. De hoofdzaak is, dat zoodanig vat een warmtegraad heeft, die althans 50 of 60° C. hooger is dan het kookpunt van water. In dit geval kookt de vloeistof niet, maar wanneer het metaal door gebrek aan warmte tot digt bij de 100° af-koelt, dan wordt het door de vloeistof bevochtigd, en daar deze tot koken toe verwarmd is, begint zij zich plotselijk en geweldig uit te zetten en lost zich weldra op in damp. Boutigny maakte eene schaal, die omstreeks 2 Ned. ons woog en eene middellijn van 15 Ned. duim bezat, roodgloeijend, schepte ze snel vol water en plaatste ze op den standaard. De geheele watermassa bleef eerst kalm, maar na verloop van eenigen tijd was de schaal niet langer warm genoeg, om de aankleving van het water te verhinderen; zij werd bevochtigd en de vloeistof begon hevig te koken (Fig. 2). Doch als men proeven neemt met zulk eene groote massa vocht, blijft de bolvormige gedaante niet bewaard. Deze aanschouwt men, zoo als wij reeds van het kwikzilver vermeld hebben, alleen bij kleine droppels. Laat men eene aanmerkelijke hoeveelheid water op eene gloeijende plaat vallen, waarop wegens haren horizontalen stand het vocht vereenigd blijft, dan verkrijgt men een droppel, die wegens zijne zwaarte is afgeplat, en wel te meer naarmate hij meer omvang heeft. Hetzelfde verschijnsel merkt men op bij het gebruik van holle vaten.
Wij hebben reeds vermeld, dat de warmte van kokend water bij de gewone dampkrings- drukking niet hooger klimt dan tot 100° C. Wij behoeven er ons dus met over te verwonderen, dat de temperatuur van het water bij de beschrevene proef, waarbij men geen koken opmerkt, beneden 100° C. blijft (volgens Boutigny ongeveer 96°,5), hoe sterk men de plaat of het vat ook verhit. Het is bekend, dat men in een tinnen ketel boven een behoorlijk vuur water kan koken zonder gevaar van smelten, omdat de warmte, die men aan het metaal bezorgt, aanstonds aan de kokende vloeistof wordt afgestaan, zoodat zijne warmte steeds beneden 100° blijft. Het wordt anders, wanneer het vocht zich in een sphaeroïdalen toestand bevindt, daar in dit geval, omdat er geene bevochtiging ontstaat, enkel eene geringe verdamping plaats grijpt, die weinig warmte vereischt, zoodat de aangevoerde warmte grootendeels dient tot verwarming van het metaal. Hierop dient men vooral te letten bij het gebruik van stoomketels. Wanneer deze weinig water bevatten, dan gaat dit bij een fel vuur ligt in een sphaeroïdalen toestand over. De verdamping of stoomvorming is nu gering en het metaal wordt gloeijend, maar wanneer, door toevoer van koud water of door verflaauwing van het vuur, de temperatuur tot digt bij de 100° C. daalt, dan vertoont zich ook hier het verschijnsel, dat wij in fig. 2 aanschouwen: in weinige seconden verandert de geheele watermassa in stoom, die wegens de aanwezige hitte eene geweldige spanning verkrijgt, en geene veiligheidsklep is in staat, om eene geweldige uitbarsting te verhoeden. In die omstandigheden is doorgaans het raadselachtig springen van stoomketels gelegen, hetwelk van verwoestingen vergezeld gaat, die men anders — zelfs hij een overmatig bezwaren der veiligheidskleppen — nooit opmerkt. Men kan een en ander aanschouwelijk voorstellen door de volgende proeven. Men maakt een koperen ballon met dikke wanden gloeijend boven de spirituslamp. Vervolgens giet men er water in, hetwelk terstond in een sphaeroïdalen toestand overgaat. Daarna sluit men de ballon met een stop en men blaast de lamp uit. De geringe hoeveelheid waterdamp, die zich hierbij ontwikkelt, kan den stop niet verwrikken. Weldra verneemt men een zacht geraas, dat door het bevochtigen der wanden bij den verlaagden warm-tegraad wordt veroorzaakt, en terstond daarna wordt de stop met geweld omhoog gestuwd (Fig. 3). Plaatst men in den stop eene dunne glazen buis, dan rijst er bij die proef eerst een dun straaltje damp door die opening omhoog (Fig. 4), terwijl ook dan de uitbarsting plaats heeft, zoodra het water begint te koken.
Wij hebben tot nu toe alleen van water gesproken, maar ook bij de overige vloeistoffen ontwaart men hetzelfde verschijnsel, wanneer zij met sterk verwarmde oppervlakten in aanraking worden gebragt. Intusschen is haar warmtegraad bij den sphaeroïdalen toestand niet 96°,5, maar steeds iets lager dan haar kookpunt. Alcohol wordt niet warmer dan 78° C., en aether niet warmer dan 35° C. Past men die proeven toe op ligchamen, die bij de gewone dampkringsdrukking gasvormig zijn en alleen op kunstmatige wijze in een dropvormig-vloeibaren staat worden gebragt, dan ontwaart men hoogst opmerkelijke verschijnselen. Wij hebben gezien, dat zwavelig zuur bij eene warmte van - 11° C. of bij eene drukking van 4 atmospheren vloeibaar wordt. In dezen toestand kan men het zuur geruimen tijd in de open lucht laten staan, en van het eene vat in het andere gieten, even als de overige vloeistoffen. Laat men echter op een roodgloeijend platina-schaaltje een weinig van dit zuur vallen, dan verkrijgt het eene sphaeroïdale gedaante, en zijne warmte klimt niet boven de - 11° (zijn kookpunt), hoe sterk men de schaal ook verhit. Heeft het zuur uit den dampkring vochtigheid in zich opgenomen, dan blijft deze na zijn verdampen in de gedaante van een ijsbolletje achter, omdat het water bij - 11° verstijft. Men ziet hetzelfde verschijnsel, wanneer men het schaaltje met het zuur in een gloeijenden oven plaatst, en er zoo lang laat staan, totdat de vloeistof nagenoeg verdampt is. Deze proef van Boutigny verwekte aanvankelijk niet weinig opzien, maar de uitkomst is nog verwonderlijker, wanneer men koolzuur gebruikt in de plaats van zwavelig zuur. Men kan dat onder eene sterke drukking dropvormig-vloeibaar maken. Men bewaart het in dezen toestand in sterke buizen van gesmeed ijzer, die met eene kraan gesloten zijn. Wanneer men deze opent, dan ontsnapt het zuur. Daar zijn kookpunt op - 78° gelegen is, behoeven wij niet te zeggen, dat het in de opene lucht niet in dropvormig-vloeibaren toestand kan bestaan. Het verdampt er met eene verbazende snelheid en bindt hierbij eene groote hoeveelheid warmte, die het aan zijne omgeving onttrekt. Hierdoor wordt een gedeelte van het nog niet verdampte zuur nog sterker afgekoeld, en wanneer men een klein schaaltje digt boven de kraanopening houdt, ziet men dat weldra met sneeuwvlokjes — koolzuur in een vasten toestand — bedekt.
Hiermede volbragt Faraday eene schitterende proef. Hij maakte een schaaltje van platina gloeijend en hield het in dien toestand. Daarin legde hij een mengsel van aether en vast koolzuur en dompelde in dat mengsel, hetwelk zich in een sphaeroïdalen toestand bevond, een metalen bak met 31 wigtjes kwikzilver. Na verloop van 2 of 3 seconden was dit laatste bevrozen!
Men kan de proef van Leidenfrost ook omkeeren, zoo als in fig. 5 is voorgesteld. Hier ziet men een eivormig, massief stuk zilver, dat eerst gloeijend is gemaakt, in een glas met water gedompeld. Eerst blijft er eene vrije ruimte tusschen het ei en het water. Na eenigen tijd heeft er aanraking en bevochtiging plaats, en nu begint het water te razen en geweldig te koken, zooals in fig. 6 is afgebeeld. Om dezelfde reden kan men gloeijende massas glas in water dompelen zonder dat zij nat worden of springen, wanneer men ze terstond weder uit de vloeistof verwijdert.
Uit het medegedeelde volgt, dat men zonder eenig nadeel de hand in gesmolten metaal kan steken, mits men deze bevochtigt, afdroogt, zoodat er geene droppels aan hangen blijven, en ze terstond weder uit het gloeijend metaal verwijdert. Zoo lang het vocht niet verdampt is, bevindt zich tusschen de hand en het metaal eene laag water, die niet warmer kan worden dan 100° C, — eene temperatuur, die men wel eenige oogenblikken verdragen kan. Bevochtigt men de hand met vloeibaar zwavelig zuur, dan ontwaart men bij het tasten in het metaal zelfs een gevoel van koude, omdat genoemd zuur bij - 11° kookt. Men neme die proef echter alleen bij metalen met een hoog smeltpunt, met groote hoeveelheden en terwijl zij nog ver van het punt van verstijving verwijderd zijn, want het gevaar van verbranden is hier niet in de warmte, maar in de afkoeling gelegen.
