Ik vind het heerlijk als leraren vragen stellen! Ik geniet altijd van een goede wetenschapsvraag omdat ze me echt laten nadenken over het onderwerp om zeker te zijn dat ik het juiste antwoord geef, maar als een leraar een vraag stelt, voel ik me verplicht om een antwoord te geven (als ik dat kan) dat hen in staat stelt het onderwerp aan hun leerlingen uit te leggen. Onlangs heb ik met een bevriende leraar gesproken over chemische en fysische veranderingen, en hoe meer we praatten, hoe meer ik dacht dat de rest van jullie dit misschien nuttig zou vinden.
De concepten van fysische en chemische veranderingen zijn in de meeste staten opgenomen in het leerplan van de lagere en middelbare school, en van leerlingen wordt verwacht dat ze kunnen zeggen of een verandering fysisch of chemisch is.
Voor een chemische verandering moet ten minste een van de betrokken stoffen een andere chemische formule krijgen. Bij een fysische verandering kunnen de fysische eigenschappen van een stof veranderen (grootte, vorm, kleur, enz.), maar blijft de chemische formule dezelfde.
OK dat klinkt eenvoudig genoeg. Als een chemische formule verandert, hebben we een chemische verandering. Als we bijvoorbeeld azijn en zuiveringszout mengen, borrelt en bruist het mengsel, en krijgen we water, kooldioxide en natriumacetaat.
CH3CO2H + NaHCO3 = H2O + CO2 + CH3COONa
De chemische formules aan het eind zijn anders dan de formules aan het begin, wat ons vertelt dat dit een chemische verandering is.
Als de chemische formules niet veranderen, dan zijn alle veranderingen fysische veranderingen. Een goed voorbeeld hiervan is het oplossen van suiker in water. Als alle suiker is opgelost, zijn er suikermoleculen vermengd met watermoleculen. De chemische formules aan het eind zijn dezelfde als aan het begin, dus dit is een fysische verandering.
C12H22O11 + H2O = C12H22O11 + H2O
Hoewel dat een eenvoudig onderscheid lijkt, kun je niet met zekerheid zeggen om welke verandering het gaat, tenzij je de chemische formules kent van de stoffen voor en na de verandering. Er zijn aanwijzingen dat een verandering een chemische verandering KAN zijn, zoals een verandering van kleur, een verandering in temperatuur, het afgeven van licht, de vorming van gasbellen, of de vorming van een precipitaat (vaste deeltjes), maar geen van deze zijn afdoende bewijs van een chemische verandering. Elk van deze kan ook worden veroorzaakt door een fysische verandering.
Kleurverandering:
Meng wat gele voedingskleurstof met wat blauwe voedingskleurstof en je krijgt groen, een fysische verandering die resulteert in een kleurverandering.
Verandering van temperatuur:
Smeer wat alcohol op je huid. Als het verdampt, wordt je huid kouder. Dit is een fysische verandering (verdamping) die je een verandering in temperatuur geeft. Hoe zit het met het produceren van warmte? De herbruikbare heat packs die verkocht worden voor spierpijn bevatten een superverzadigde oplossing van een chemische stof die natriumacetaat heet. Wanneer het natriumacetaat kristalliseert (een fysische verandering), geeft het behoorlijk wat warmte af, maar de chemische formule blijft dezelfde.
Licht afgeven:
Doe een neonlamp aan. Het neongas is veranderd in plasma en geeft licht af, maar het is nog steeds neon, maar het is nu een plasma in plaats van een gas. Dit is een fysische verandering.
Vorming van gasbellen:
Verwarm een pan met water. Voordat het heet genoeg wordt om te koken, zul je bellen zien. Die belletjes zijn gassen die in het water zijn opgelost. Dat is een fysische verandering die gasbellen veroorzaakt. Ga door met het verwarmen van het water en het zal koken. Weer krijg je gasbellen, en weer is het een fysische verandering.
Vormen van een neerslag:
Een neerslag is een vaste stof die zich in een oplossing vormt. Los suiker op in water tot er niets meer in oplost. Laat het water verdampen, en je krijgt een neerslag (en suikergoed!) Dit is een fysische verandering.
Omkeerbaar:
Veel bronnen zeggen dat fysische veranderingen omkeerbaar zijn, terwijl chemische veranderingen dat niet zijn. Laten we dat eens testen met een veelvoorkomend voorbeeld van een fysische verandering. Scheur een vel papier in stukken. Er zijn geen chemische formules veranderd, dus dit is een fysische verandering. Draai nu de verandering om door de stukjes weer samen te voegen tot een vel papier. Ga je gang, en doe het nu. Ik wacht wel.
Nu een nog lastiger voorbeeld. Als we koper en zink smelten en dan mengen, krijgen we een oplossing die messing wordt genoemd. Het koper en zink hebben niet chemisch gereageerd, dus dit is een fysische verandering, maar als je het proces probeert om te keren om het koper en zink te scheiden, heb je een echte uitdaging voor de boeg.
Aan de andere kant zijn veel chemische veranderingen gemakkelijk omkeerbaar. Je kunt een elektrische stroom gebruiken om water (H2O) te splitsen in waterstof (H2) en zuurstof (O2). De formules zijn veranderd, dus dit is een chemische verandering. Een kleine vonk zal het gasmengsel doen ontbranden, waarbij water (H2O) ontstaat. Je hebt zojuist de verandering omgekeerd en je eindigt met dezelfde stof als waarmee je begon.
Als je ooit lakmoespapier of andere pH-indicatoren hebt gebruikt, heb je al een voorbeeld gezien van een gemakkelijk omkeerbare chemische verandering. Deze indicatoren veranderen hun chemische formule afhankelijk van de pH van hun omgeving, en de chemische reactie kan keer op keer worden omgekeerd.
Een ander goed voorbeeld van omkeerbare chemische veranderingen is de koolstofcyclus. Ademhaling en fotosynthese zijn goede voorbeelden van chemische veranderingen die omkeerbaar zijn. Bij celademhaling wordt zuurstof omgezet in kooldioxide. Fotosynthese zet kooldioxide om in zuurstof. Dezelfde moleculen worden chemisch steeds weer veranderd, steeds weer opnieuw.
Waar het op neerkomt is dat tenzij je de chemische formules kent van de stoffen voor en na een verandering, er geen manier is om zeker te weten of de verandering chemisch of fysisch was. Je kunt een gokje wagen, maar zolang je niet naar de chemische vergelijking kijkt, weet je het niet zeker.
Het wordt nog lastiger als je naar een aantal voorbeelden van chemische en fysische veranderingen uit het leerboek kijkt. Bijvoorbeeld:
1. Is het bakken van een cake een voorbeeld van een chemische verandering of een fysische verandering?
Stop hier, en denk goed na over beide voorbeelden voordat je verder gaat. Nee, ik meen het echt. Stop. Denk na. Denk nog wat meer na. Klik dan hier voor het antwoord.
Het antwoord is natuurlijk nee. Nee? Wat is dat voor een antwoord? Nou, de vraag was: “Is het bakken van een cake een voorbeeld van een chemische verandering of een fysische verandering?” Eigenlijk is het bakken van een cake een voorbeeld van verschillende chemische veranderingen en verschillende fysische veranderingen, dus het is niet het één OF het ander. In plaats daarvan zijn het verschillende voorbeelden van beide soorten verandering. Het denatureren van de proteïnen in de melk, eieren en bloem zijn chemische veranderingen. Chemische bindingen worden verbroken, en nieuwe bindingen worden gemaakt. Het natriumbicarbonaat en wijnsteenzuur in het bakpoeder reageren chemisch om koolzuurgas te produceren, zodat je cake zal rijzen. Dat is ook een chemische verandering.
Aan de andere kant, als je de cake proeft, is de suiker chemisch niet veranderd. Het is nog steeds (C12H22O11), en het smaakt nog steeds naar suiker. Het is opgelost in het vloeibare beslag, maar dat is een fysische verandering. Als je een stuk cake in een kom met water doet, het fijnstampt, het zeeft en het water verdampt, krijg je de suiker terug.
Het water in het beslag is chemisch niet veranderd. Een groot deel ervan is verdampt, maar dat is een fysieke verandering. Als je specerijen of smaakstoffen aan de cake hebt toegevoegd, zijn die waarschijnlijk niet chemisch veranderd, maar sommige van hun vluchtige chemicaliën zijn opgelost en door de cake verspreid. Als je de cake hebt aangebrand, dan is de smaak ook veranderd, en dat zou een chemische verandering zijn. De alcohol en het water in je vanille-extract zijn verdampt (fysische verandering), waardoor de vanilline onveranderd is gebleven om je cake smaak te geven. Als je het goed bekijkt, bevat het bakken van een cake verschillende voorbeelden van zowel chemische als fysische veranderingen.
2. Is het oplossen van zout in water een chemische verandering of een fysische verandering?
OK, nu de tweede. Nogmaals, denk er goed over na voordat je verder gaat. Klik dan hier voor het antwoord.
Voorbeeld #2 is onderdeel van een gesprek dat ik op dit moment voer. Zout oplossen in water is een veelgebruikt voorbeeld van een fysische verandering, maar als je zout (NaCl) oplost in water (H2O), krijg je natriumionen (Na+) en chloorionen (Cl-) vermengd met het water (H2O). Sommige mensen beweren dat dit een chemische verandering is, omdat de ionische verbinding van natriumchloride zich heeft gescheiden in natriumionen en chloorionen. Deze discussie is nog gaande, dus voel je vrij om je commentaar toe te voegen.
Hoewel dit misschien erg ingewikkeld lijkt, wordt het veel eenvoudiger als je eenmaal scheikunde begint te leren. Als je scheikunde studeert, richt je je op chemische formules en vergelijkingen. Als je naar een chemische vergelijking kijkt, weet je meteen of de formules zijn veranderd of niet. Wie had gedacht dat scheikunde op de middelbare school zo veel eenvoudiger kon zijn dan wetenschap op de basisschool?