Ich liebe es, wenn Lehrer Fragen stellen! Ich genieße immer eine gute wissenschaftliche Frage, weil sie mich dazu bringen, wirklich über das Thema nachzudenken, um sicher zu sein, dass ich die richtige Antwort gebe, aber wenn ein Lehrer eine Frage stellt, fühle ich mich verpflichtet, eine Antwort zu geben (wenn ich kann), die es ihnen ermöglicht, das Thema ihren Schülern zu erklären. Kürzlich habe ich mich mit einem befreundeten Lehrer über chemische und physikalische Veränderungen unterhalten, und je mehr wir uns unterhielten, desto mehr dachte ich, dass dies für den Rest von Ihnen nützlich sein könnte.
Die Konzepte der physikalischen und chemischen Veränderungen sind in den meisten Staaten im Lehrplan der Grund- und Mittelschule enthalten, und von den Schülern wird erwartet, dass sie in der Lage sind zu erkennen, ob eine Veränderung physikalisch oder chemisch ist.
Bei einer chemischen Veränderung muss mindestens eine der beteiligten Substanzen eine andere chemische Formel haben. Bei einer physikalischen Veränderung kann ein Stoff seine physikalischen Eigenschaften (Größe, Form, Farbe usw.) ändern, aber seine chemische Formel bleibt gleich.
OK das klingt einfach genug. Wenn sich eine chemische Formel ändert, haben wir eine chemische Veränderung. Wenn wir zum Beispiel Essig und Backpulver mischen, blubbert und zischt das Gemisch, und wir haben am Ende Wasser, Kohlendioxid und Natriumacetat.
CH3CO2H + NaHCO3 = H2O + CO2 + CH3COONa
Die chemischen Formeln am Ende unterscheiden sich von den Formeln am Anfang, was uns sagt, dass es sich um eine chemische Änderung handelt.
Wenn sich die chemischen Formeln nicht ändern, dann sind alle Änderungen physikalische Änderungen. Ein gutes Beispiel dafür ist das Auflösen von Zucker in Wasser. Wenn sich der Zucker vollständig aufgelöst hat, haben Sie Zuckermoleküle, die sich mit den Wassermolekülen vermischen. Die chemischen Formeln sind am Ende die gleichen wie am Anfang, also ist dies eine physikalische Veränderung.
C12H22O11 + H2O = C12H22O11 + H2O
Während das nach einer einfachen Unterscheidung klingt, kann man nicht sicher sein, um welche Art von Veränderung es sich handelt, wenn man nicht die chemischen Formeln der Substanzen vor und nach der Veränderung kennt. Es gibt Anzeichen dafür, dass es sich bei einer Veränderung um eine chemische Veränderung handeln KÖNNTE, wie z. B. eine Farbänderung, eine Temperaturänderung, die Abgabe von Licht, die Bildung von Gasblasen oder die Bildung eines Niederschlags (feste Teilchen), aber KEINES davon ist ein schlüssiger Beweis für eine chemische Veränderung. Jede von ihnen kann auch durch eine physikalische Veränderung verursacht werden.
Farbänderung:
Mischen Sie etwas gelbe Lebensmittelfarbe mit etwas blauer Lebensmittelfarbe und Sie erhalten Grün, eine physikalische Veränderung, die zu einer Farbänderung führt.
Temperaturveränderung:
Tragen Sie etwas Alkohol auf Ihre Haut auf. Wenn er verdunstet, wird Ihre Haut kälter. Das ist eine physikalische Veränderung (Verdunstung), die eine Temperaturänderung bewirkt. Was ist mit der Erzeugung von Wärme? Die wiederverwendbaren Wärmepackungen, die gegen Muskelschmerzen verkauft werden, enthalten eine supergesättigte Lösung einer Chemikalie namens Natriumacetat. Wenn das Natriumacetat kristallisiert (eine physikalische Veränderung), gibt es ziemlich viel Wärme ab, aber die chemische Formel bleibt die gleiche.
Licht abgeben:
Schalten Sie eine Neonlampe ein. Das Neongas wird in ein Plasma umgewandelt und gibt Licht ab, aber es ist immer noch Neon, aber es ist jetzt ein Plasma statt eines Gases. Dies ist eine physikalische Veränderung.
Bildung von Gasblasen:
Erhitzen Sie einen Topf mit Wasser. Bevor es heiß genug wird, um zu kochen, werden Sie Blasen sehen. Diese Blasen sind Gase, die sich im Wasser gelöst haben. Das ist eine physikalische Veränderung, die Gasblasen erzeugt. Erhitzen Sie das Wasser weiter und es wird kochen. Wiederum erhält man Gasblasen, und wieder ist es eine physikalische Veränderung.
Bildung eines Niederschlages:
Ein Niederschlag ist ein Feststoff, der sich in einer Lösung bildet. Lösen Sie Zucker in Wasser auf, bis er sich nicht mehr auflöst. Lassen Sie das Wasser verdampfen, und Sie erhalten einen Niederschlag (und Kandiszucker!) Dies ist eine physikalische Veränderung.
Umkehrbar:
Viele Quellen sagen, dass physikalische Veränderungen umkehrbar sind, während chemische Veränderungen es nicht sind. Lassen Sie uns das mit einem gängigen Beispiel für eine physikalische Veränderung testen. Reißen Sie ein Blatt Papier in Stücke. Es haben sich keine chemischen Formeln geändert, also ist dies eine physikalische Veränderung. Machen Sie nun die Veränderung rückgängig und fügen Sie die Stücke wieder zu einem Blatt Papier zusammen. Nur zu, tun Sie es jetzt. Ich warte.
Nun wollen wir uns ein noch schwierigeres Beispiel ansehen. Wenn wir etwas Kupfer und etwas Zink schmelzen und sie dann zusammenmischen, erhalten wir eine Lösung, die als Messing bekannt ist. Das Kupfer und das Zink haben nicht chemisch reagiert, also ist dies eine physikalische Veränderung, aber wenn Sie versuchen, den Prozess umzukehren, um das Kupfer und das Zink zu trennen, haben Sie eine echte Herausforderung vor sich.
Auf der anderen Seite sind viele chemische Veränderungen leicht umkehrbar. Sie können einen elektrischen Strom verwenden, um Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zu spalten. Die Formeln haben sich geändert, also ist dies eine chemische Veränderung. Ein kleiner Funke entzündet das Gasgemisch und erzeugt Wasser (H2O). Sie haben gerade die Veränderung rückgängig gemacht und sind bei der gleichen Substanz gelandet, mit der Sie angefangen haben.
Wenn Sie jemals Lackmuspapier oder andere pH-Indikatoren verwendet haben, haben Sie bereits ein Beispiel für eine leicht umkehrbare chemische Veränderung gesehen. Diese Indikatoren ändern ihre chemische Formel in Abhängigkeit vom pH-Wert ihrer Umgebung, und die chemische Reaktion kann immer wieder rückgängig gemacht werden.
Ein weiteres gutes Beispiel für reversible chemische Veränderungen ist der Kohlenstoffzyklus. Atmung und Photosynthese sind großartige Beispiele für chemische Veränderungen, die umkehrbar sind. Die Zellatmung wandelt Sauerstoff in Kohlendioxid um. Die Photosynthese wandelt Kohlendioxid in Sauerstoff um. Die gleichen Moleküle werden chemisch hin und her verändert, immer und immer wieder.
Worauf es hinausläuft, ist, dass es keine Möglichkeit gibt, sicher zu sein, ob die Veränderung chemisch oder physikalisch war, solange man nicht die chemischen Formeln für die Substanzen vor und nach einer Veränderung kennt. Sie können eine Vermutung anstellen, aber solange Sie sich die chemische Gleichung nicht ansehen, können Sie nicht sicher sein.
Es wird noch schwieriger, wenn Sie sich einige der Lehrbuchbeispiele für chemische und physikalische Veränderungen ansehen. Zum Beispiel:
1. Ist das Backen eines Kuchens ein Beispiel für eine chemische oder eine physikalische Veränderung?
Halten Sie hier inne und denken Sie über beide Beispiele sorgfältig nach, bevor Sie weitermachen. Nein, ich meine es ernst. Stopp. Denke nach. Denken Sie noch mehr. Dann klicken Sie hier für die Antwort.
Offenbar ist die Antwort nein. Nein? Was für eine Antwort ist das? Nun, die Frage war: „Ist das Backen eines Kuchens ein Beispiel für eine chemische Veränderung oder eine physikalische Veränderung?“ Tatsächlich ist das Backen eines Kuchens ein Beispiel für mehrere chemische Veränderungen und mehrere physikalische Veränderungen, es ist also nicht das eine ODER das andere. Stattdessen handelt es sich um mehrere Beispiele für beide Arten von Veränderungen. Die Denaturierung der Proteine in der Milch, den Eiern und dem Mehl sind chemische Veränderungen. Chemische Bindungen werden aufgebrochen, und neue Bindungen werden hergestellt. Das Natriumbicarbonat und die Weinsäure im Backpulver reagieren chemisch, um Kohlendioxidgas zu erzeugen, damit Ihr Kuchen aufgeht. Das ist auch eine chemische Veränderung.
Wenn Sie hingegen den Kuchen schmecken, hat sich der Zucker chemisch nicht verändert. Er ist immer noch (C12H22O11), und er schmeckt immer noch nach Zucker. Er hat sich im flüssigen Teig aufgelöst, aber das ist eine physikalische Veränderung. Wenn Sie ein Stück Kuchen in eine Schüssel mit Wasser geben, es zerdrücken, es abseihen und das Wasser verdampfen, erhalten Sie den Zucker zurück.
Das Wasser im Teig hat sich chemisch nicht verändert. Eine ganze Menge davon ist verdampft, aber das ist eine physikalische Veränderung. Wenn Sie dem Kuchen Gewürze oder Aromastoffe hinzugefügt haben, haben sich diese wahrscheinlich nicht chemisch verändert, aber einige ihrer flüchtigen Chemikalien wurden gelöst und diffundieren durch den Kuchen. Wenn Sie den Kuchen verbrannt haben, hat sich auch der Geschmack verändert, und das wäre eine chemische Veränderung. Der Alkohol und das Wasser in Ihrem Vanilleextrakt sind verdampft (physikalische Veränderung), wobei das Vanillin unverändert zurückbleibt, um Ihren Kuchen zu aromatisieren. Wenn Sie es einmal betrachten, beinhaltet das Backen eines Kuchens mehrere Beispiele für sowohl chemische als auch physikalische Veränderungen.
2. Ist das Auflösen von Salz in Wasser eine chemische oder eine physikalische Veränderung?
OK, nun zur zweiten. Auch hier gilt: Denken Sie genau nach, bevor Sie weitermachen. Dann klicken Sie hier für die Antwort.
Beispiel #2 ist Teil einer Unterhaltung, die ich gerade führe. Das Auflösen von Salz in Wasser ist ein häufig verwendetes Beispiel für eine physikalische Veränderung, aber wenn Sie Salz (NaCl) in Wasser (H2O) auflösen, erhalten Sie Natriumionen (Na+) und Chlorionen (Cl-), die mit dem Wasser (H2O) vermischt sind. Einige Leute behaupten, dass dies eine chemische Veränderung ist, da sich die ionische Verbindung von Natriumchlorid in Natriumionen und Chlorionen getrennt hat. Diese Diskussion ist noch im Gange, also zögern Sie nicht, Ihre Kommentare hinzuzufügen.
Während dies sehr komplex erscheinen mag, wird es viel einfacher, sobald Sie anfangen, Chemie zu lernen. Wenn Sie Chemie studieren, konzentrieren Sie sich auf chemische Formeln und Gleichungen. Wenn Sie sich eine chemische Gleichung ansehen, werden Sie sofort erkennen, ob sich die Formeln geändert haben oder nicht. Wer hätte gedacht, dass Chemie in der Oberstufe so viel einfacher sein kann als in der Grundschule?