passief, onoplosbaar energiegebrek

Transcriptie

1 Fenomenologie en chemie De scheikunde kan een nieuwe dimensie krijgen wanneer naast het bekende moleculaire begrippenkader, begrippen uit onze directe waarnemingswereld.worden geïntroduceerd. De scheikunde krijgt daardoor meer verband met onze leefomgeving. Om dat te bereiken is het nodig de relatie te vinden tussen moleculen en hun uiterlijke eigenschappen. Hierna wordt een manier beschreven waarop dit te realiseren is. Gekozen is voor een heel praktische ingang: de reactievergelijking. Een gebruikelijke reactievergelijking is nogal abstract. Er worden aan de deelnemende stoffen slechts symbolen toegekend, maar geen eigenschappen. Een nieuw soort reactievergelijkingen is mogelijk door de deelnemende stoffen te plaatsen tegen een achtergrond van uiterlijke eigenschappen. De leerlingen krijgen daardoor een betere indruk van het karakter van de stoffen. Op grond van de karaktertegenstelling tussen de stoffen wordt het gemakkelijker om te voorspellen of een reactie gaat plaatsvinden. Welke tegenstelling is hiervoor geschikt? Het meest geschikt blijkt de tegenstelling "reductor" en "oxidator". In fenomenologische termen: de tegenstelling tussen "dom" en "". Die reactie leidt tot "energieloze stoffen" zoals water, kool of zouten. Deze energieloze stoffen vormen het "eindpunt" van reacties. Een voorbeeld van een fenomenologische reactievergelijking: brandstof passief, onoplosbaar water koolgas, eindpunt stof Reactieschema 1: verbranding actief, corrosief Aan de rechterzijde is aangegeven welke uiterlijke kenmerken verbonden zijn met deze groepen: dom: onoplosbaarheid en chemische passiviteit. Passiviteit en langzaam reageren is vooral typerend voor de meeste organische reacties : agressiviteit, kenmerkend voor de halogenen en stof. Een fenomenologische reactievergelijking maakt duidelijk dat bij het "vergaan" van een reductor, tegelijkertijd ook een oxidator "vergaat". Er kan normaliter geen sprake zijn van een reactie met slechts één pijl. Als planten groeien ontstaan er tegelijkertijd een reductor én een oxidator (de twee uit elkaar wijzende pijlen in onderstaand schema). De brandstof (reductor) is in feite de drager van de energie van de zon die door de planten is verbonden met de aarde. De reductor vormt het weefsel van de plant. De oxidator (stof) wordt door de plant in de lucht verspreid en dient in feite om later de gevormde reductoren weer uit hun "isolement" te bevrijden. fenomenologiev3(p. van den Breemer)

2 ZON brandstof LEVENDE PLANT water koolgas passief, onoplosbaar (reductor) stof Reactieschema 2: fotosynthese actief (oxidator) Een fenomenologische reactievergelijking laat beter dan een gebruikelijke reactievergelijking het enorme verschil zien tussen de "afbraakchemie" van een verbranding (of organische en anorganische reacties) en de "opbouwchemie" die planten uitvoeren. Bij verbranding wijzen de pijlen naar elkaar toe (afbraakchemie) Bij fotosynthese wijzen de pijlen van elkaar af (opbouwchemie). Interessant is de onoplosbaarheid die e organische stoffen vertonen. Deze eigenschap hangt samen met de noodzaak voor organismen om onoplosbaar te zijn: zij zouden anders oplossen in het water dat zowel binnen als buiten hen voortdurend aanwezig is. Deze stoffen ontstaan onder invloed van een van de meest basale levensprocessen: de huid- of weefselvorming. Colloïdale stoffen Vanzelfsprekend zouden er grote problemen optreden als e stoffen geen enkele relatie met water zouden kunnen aangaan: voedsel zou onverteerbaar zijn, want "onoplosbaar" vanwege de dom. Inderdaad zijn veel e stoffen zeer moeilijk verteerbaar. Aan voedsel worden dus twee tegengestelde eisen gesteld: voedsel moet én watertoegankelijk zijn. Men ziet dat de natuur deze eisen verenigt in een compromis: de dikvloeibare colloïdale stoffen. Deze hydrofiele colloïden zijn geen echte oplossingen, maar zijn wel watertoegankelijk. Ook dit verschijnsel "colloïde" kan zijn plaats krijgen in het reactieschema: tussen het bovenste gebied en het middengebied treedt het colloïdale uiterlijk op. Metalen Voor metalen () geldt eveneens de eigenschap van volledige onoplosbaarheid in water. Metalen lossen slechts op in andere metalen of in andere e stoffen. Voorbeeld: natriummetaal lost op in vloeibare ammonia. Natrium lost niet op in water: wat oplost, is het veel minder e natriumoxide. Bij de hydrofobe "goudoplossing" gaat het niet om een oplossing, maar juist om een zeer fijne verdeling van volkomen onopgeloste deeltjes. Enkele toepassingen van fenomenologische reactievergelijkingen

3 In reactieschema: natrium sterke reductoren 2 Na zwakke reductoren keukenzout neutraal NaCl zwakke oxidator chloor sterke oxidator ½ Cl 2 Reactieschema 3: vorming van keukenzout uit de elementen Basen en zuren Basen en zuren vallen niet binnen de gebieden van de reductoren en de oxidatoren, maar kunnen ook niet gerekend worden tot de neutrale energieloze stoffen. Uit het werken met dit systeem blijkt dat de basen juist boven en de zuren juist onder het neutrale gebied thuishoren. natrium sterke reductoren Na waterstofgas zwakke reductoren ½ H 2 natriumhydroxide basisch NaOH water neutraal H 2 O Reactieschema 4: natrium en water zwakke oxidator sterke oxidator Als dezelfde reactie wordt weergegeven in halfreacties, is goed te zien hoe het water uiteenvalt in een sterk gereduceerd deel (H 2 ) en een zwak gereduceerd deel (OH - ): 2 Na sterke reductoren H 2 zwakke reductoren 2 OH - basisch 2 Na + 2 H 2 O neutraal

4 Redoxreacties Klassieke redoxreacties laten een duidelijke weegschaalvorm zien (zie ook het vorige reactieschema 4); de energie-inhoud van de reductor gaat chemisch gebonden over naar een andere stof: koolstofmono-oxide sterke reductoren CO ijzer zwakke reductoren Fe ijzeroxide basisch Fe 2 O 3 neutraal koolgas CO 2 Reactieschema 5: hoogovenproces Zuurvorming uit de elementen sterke reductoren waterstofgas zwakke reductoren H 2 basisch neutraal zout 2 HCl chloorgas Cl 2 Reactieschema 6: waterstof en chloor Zuurvorming uit niet-metalen sterke reductoren fosfor zwakke reductoren P basisch neutraal fosforig P 2 O 3 stof O 2 Reactieschema 7: fosfor en stof Ook uit de zintuiglijke waarneming blijkt dat zuren qua prikkelende werking sterk lijken op halogenen. Zoutvorming Uit het beeld van de fenomenologische reactievergelijking is duidelijk te zien dat de -base reacties veel minder extreem zijn: zoutvorming speelt zich geheel af in het middengebied

5 sterke reductoren zwakke reductoren natriumhydroxide basisch NaOH natriumchloride water neutraal NaCl H 2 O zout HCl Reactieschema 8: base en Elektrolyse Een fenomenologische reactievergelijking maakt de elektrolyse van water zeer inzichtelijk: aan de kathode ontstaan altijd de e stoffen (metalen of waterstof) en aan de anode altijd de agressieve stoffen met "", dus stof of halogenen. Tevens ontstaan bij de elektrolyse van water base en. KATHODE (negatief) H 2 sterke reductoren zwakke reductoren 2 OH - basisch 2 H 2 O H 2 O neutraal 2 H + ½ O 2 ANODE (positief) Reactieschema 9: elektrolyse Koolstofchemie Vorming van diethylether diethylether C 2 H 5 OC 2 H 5 2 C 2 H 5 OH geconc. zwavel H 2 SO 4 verdund zwavel H 2 SO 4.H 2 O Reactieschema 10: diethylether Wat is de rol van het zwavel?

6 Het gaat bij deze reactie om vrij sterk geconcentreerd zwavel. Door hitte is daaruit het water verdreven. Daardoor heeft het zwavel meer energie-inhoud gekregen: het wil zich weer verdunnen, zichzelf "blussen". De verdunde toestand is weergegeven met H 2 SO 4.H 2 O. Het lijkt alsof de pijlen uit elkaar wijzen, wat niet normaal is voor een levenloze reactie. Hier is echter sprake van een stijgend en een dalend proces van het geconcentreerde zwavel dat verdund wordt. Daardoor kan ether ontstaan. etheen C 2 H 4 C 2 H 5 OH geconc. zwavel H 2 SO 4 verdund zwavel H 2 SO 4.H 2 O Reactieschema 11: etheen Oxidatie van ethaan C 2 H 5 OH CH 3 COOH water H 2 O stof O 2 Reactieschema 12: ethaan Azijn lost goed in water op. Zo wordt azijn een interessante stof: er is nog steeds een zekere energie-inhoud aanwezig (in het CH 3 -gedeelte) en toch is azijn heel reactief vanwege het gedeelte waarin de stof aanwezig is. Azijn heeft dus twee zijden: een zure, actieve kant (-COOH) en een passieve, e kant (CH 3 -). Het is alsof de toegevoerde stof de aan één zijde naar beneden trekt naar het zure gebied, terwijl het andere deel nog in het e gebied blijft: CH3COOH C 2 H 5 OH H 2 O O 2 Dit "tot meerdere gebieden behoren" is kenmerkend voor vele organische stoffen

7 "Halve" oxidatie van ethanal C 2 H 5 OH CH 3 CHO water H 2 O stof ½ O 2 Reactieschema 13: ethanal Overzicht van de reactieproducten van in het reactieschema. C 2 H 4 etheen C 2 H 5 OC 2 H 5 diethylether C 2 H 5 OH CH 3 CHO ethanal CH 3 COOH ethaan Toepassing van fenomenologische reactievergelijkingen bij vergistingen Methaangisting methaan 3 CH 4 suiker C 6 H 12 O 6 kool 3 CO 2 Reactieschema 14: methaangisting Bij de methaangisting is goed te zien hoe een vrij sterke scheiding optreedt en de glucose uiteenvalt in 6 delen

8 Alcoholische gisting alcohol 2 C 2 H 5 OH suiker C 6 H 12 O 6 kool 2 CO 2 Reactieschema 15: alcoholische gisting Bij de alcoholische gisting is sprake van een minder sterke scheiding (stof blijft aanwezig in de alcohol), waarbij de glucose uiteenvalt in 4 delen. Melkgisting ox. getal: -3 suiker C 6 H 12 O 6 ox. getal: 0 2 CH3CHOHCOOH ox. getal: +3 Reactieschema 16: melkgisting Bij de melkscheiding is slechts sprake van disproportionering. Na het breken van de glucose in 2 delen, vindt slechts een interne verschuiving plaats. Daardoor worden de oxidatiegetallen van de drie koolstofatomen van melk : -3, 0 en +3. Hierdoor krijgt melk (evenals azijn) een in zich tegengesteld karakter: een, waterverwant gedeelte en een deel. koolstof heeft oxidatiegetal kool CO : zeer methaan CH : zeer suiker C 6 H 12 O 6 0 0: harmonie melk CH 3 -CHOH-COOH :, +3: deel CH 3 -CH 2 -OH ,-1: Algemene gezichtspunten: 1. Fenomenologie knoopt aan bij de directe belevingswereld. De stofbegrippen uit het dagelijks leven, gebaseerd op het uiterlijk en het gebruik van stoffen, komen daardoor mede aan de basis van de chemie te staan. Daarbij wordt aangenomen dat er een verband bestaat tussen de atomaire wetmatigheden en de uiterlijke verschijningsvorm. In de laatste decennia is daaraan weinig tot geen aandacht besteed

9 2. Fenomenologie betreft dus een verkenning van chemische wetmatigheden gebaseerd op uiterlijke, macroscopische begrippen. Hierbij treedt het macroscopische begrip "organisme" naar voren. Fenomenologie kan bijdragen tot de opvatting dat organismen de hoofdregisseurs zijn van chemische activiteit. Atomen krijgen dan de rol van geschikte voertuigen voor de activiteit van organismen. 3. De regie door organismen wordt duidelijk aan het ontstaan van brandbare stoffen door de fotosynthese. Het zijn de levende planten die zich als organismen individualiseren tot afzonderlijke exemplaren. Dit doen zij door de vorming van brandbare (dus onoplosbare) stoffen. Met andere woorden: het zijn niet de atomen koolstof, waterstof en stof die suikers en vetten vormen, maar het zijn de organismen die dat doen met behulp van koolstof, waterstof en stof. 4. door het betrekken van macroscopische wetmatigheden bij de chemie verzelfstandigt de chemie zich van de fysica. Door vergaande reductie van natuurinhouden tot de materiële bestanddelen (overigens dankzij de chemie) is de chemie geworden tot een spel van aantrekkings- en afstotingskrachten. Door het betrekken van de voorwaarden waaronder substanties ontstaan, verbreedt zich het gezichtsveld van de chemie tot het gebied van de waarneming, want daar zijn de grotere verbanden te zien. 5. Door zich mede te richten op de macroscopische verbanden waarbinnen substanties ontstaan, draait de werkrichting van de chemie zich om. In dat opzicht is fenomenologie tegengesteld aan het reductionisme, dat stelselmatig heeft gezocht naar de (materiële) overeenkomsten tussen alle natuurinhouden. 6. Fenomenologie is te karakteriseren als het zoeken naar zowel overeenkomsten als verschillen tussen natuurinhouden. Vanwege het overheersen van reductionistische voorstellingen in de natuurwetenschap, dient allereerst het zwaartepunt komen te liggen op het opnieuw leren werken met verschillen. Dit uit zich o.a. in de fenomenologische reactievergelijkingen, die gebaseerd zijn op verschillen. 7. In de huidige vorm blijkt de thermodynamica niet geschikt te zijn voor het fenomenologiseren van de scheikunde. Dit is merkbaar aan het gegeven dat de enthalpieinhoud van alle elementen gelijk wordt gesteld aan nul, zelfs van elementen die zo duidelijk verschillend zijn, zoals metalen en halogenen. Peter van den Breemer