Een relatie tussen begrippen 'stof' en 'reactie'

Transcriptie

1 170 T i j d s c h r i f t Didactiek Natuurwetenschappen 2 (1981) n r. 3 Een relatie tussen begrippen 'stof' en 'reactie' in scheikunde.onderwijs C. de Jong Vakgroep Scheikunde, S t i c h t i n g Opleiding Leraren Utrecht I n l e i d i n g Veel beschouwingen over het gebruik van de woorden stof en reactie i n scheikundeonderwijs, en net name het begin van scheikunde-onderwijs, z i j n gegeven. Bijvoorbeeld Van Antwerpen (1978a, 1978b); Ten Voorde (1978a, 1978b, 1979a, 1979b); De Vos (1979); Vegting (1982); Laneris (19R3a, 1983b); Arnold en Van Berkel ( In gangbare onderwijsmethoden wordt een stofbegrip ontwikkeld vóór een r e a c t i e begrip. In tenminste twee van de hierboven aangehaalde beschouwingen wordt deze volgorde van begrippen ter d i s c u s s i e g e s t e l d. Vegting zegt: 'Dan i s e i n d e l i j k ook het moment aangebroken voor de samenvattende term chemische reactie: Pas daarna kunnen de begrippen stof en zuivere stof v o l l e d i g worden g e d e f i n i e e r d. ' Arnold en Van Berkel noemen een r e l a t i e tussen stof en r e a c t i e : 'Hiermede i s een vicieuze c i r k e l gesloten, want chemische reacties worden beschreven i n termen van verdwijnen en ontstaan van s t o f f e n, t e r w i j l stoffen worden herkend aan de hand van r e a c t i e s. ' In d i t a r t i k e l geef ik een f o r m a l i s e r i n g yan de betekenis van stof en reactie. In deze f o r m a l i s e r i n g d e f i n i ë r e n de begrippen stof en r e a c t i e elkaar. Ik geef ook aan welke weg ik mogelijk acht om in scheikunde-onderwijs naar deze begrippen toe te werken. Stof B i j het gebruiken van d i t woord b l i j k e n al twee betekenissen mogelijk. Ten eerste een die kan worden aangeduid met een c i t a a t u i t de eerste druk van de CMLS-tekst voor 3 mavo, paragraag 1.2: 'In de scheikunde noemen we a l l e s wat j e kunt voelen, a l l e s wat massa en gewicht heeft s t o f. ' In deze betekenis komt het woord a l l e e n in het enkelvoud voor, en niet i n combinatie met het onbepaalde lidwoord. Dit zeer abstracte begrip - er i s immers

2 De Jong 171 geabstraheerd van vrijwel a l l e waarneembare of onderzoekbare eigenschappen van de objecten om ons heen - speelt geen rol meer in de l a a t s t e versies van chemie 3-mavo en chemie 3 vwo/havo. Hier komt de tweede betekenis naar voren, bijvoorbeeld ' A l l e dingen om ons heen z i j n ergens van gemaakt. Een s p i j k e r i s van i j z e r, een autoband is van rubber, een jampot i s van g l a s. IJzer, rubber en glas z i j n v e r s c h i l l e n d. In de scheikunde noemen we d i t stoffen.' (Chemie 3-mavo; 1981). Ik beperk mij ook tot deze tweede betekenis. Verschillende stoffen z i j n dan te herkennen aan het f e i t dat z i j verschillende stofeigenschappen bezitten. Ik zou tot h i e r ' 1 iever-spreken van materiaal en materiaaleigenschappen omdat het onderscheid tussen één stof en mengsel van stoffen nog niet kan worden gemaakt. Dat onderscheid kan op twee manieren worden gemaakt: 1. Via de weg van scheidingstechnieken. Chemie 3-mavo en Chemie 3-vwo/havo kiezen hiervoor. 2. Door aandacht te schenken aan samenhangende groepen eigenschappen binnen de eigenschappen van een materiaal. Als de eigenschappen van het materiaal nu één samenhangende groep z i j n kunnen we spreken van één stof; a l s we meer dan een samenhangende groepen eigenschappen vinden, kunnen we elke groep een stof in het mengsel noemen. Hiermee s l u i t ik aan b i j een door Lameris (1983a) geïntroduceerde term. Hij zegt: 'Een atof-in-een-mengsel is de denkbeeldige drager van dat deel van de stofeigenschappen van een zuivere stof, die in een mengsel van homogene materie, waaraan deze zuivere stof i s toegevoegd, worden aangetroffen,' Ik zeg l i e v e r : een stof in een mengsel i s een samenhangende deelgroep van de eigenschappen van een materiaal. In de uitspraak van Lameris wordt de samenhang van eigenschappen bepaald door een op de stof-in-een-mengsel g e l i j k e n d materiaal. Lameris geeft z e l f aan dat d i t tot problemen l e i d t ten aanzien van bijvoorbeeld k r i s t a l s o d a en mengsels van zouten i n waterige o p l o s s i n g. De samenhang w i l i k, zoals Ten Voorde (1979b) doet, zien i n de mogelijkheid dat een deelgroep eigenschappen na een a c t i e a l s geheel u i t het materiaal v e r - " dwijnt, of a l s geheel er in ontstaat. Hierdoor verdwijnt de door Lameris (1983b) geconstateerde i n c o n s i s t e n t i e u i t z i j n begrip stof. Deze opheffing van i n c o n s i s t e n t i e i s gepaard gegaan met de introductie van de 'vicieuze c i r k e l ' van Arnold van Van B e r k e l. Immers, b i j een consistent b e s c h r i j vend stofbegrip hoort nu een notie van verdwijnen of ontstaan van een groep stofeigenschappen, dat i s een notie van een reactiebegrip. Dit kan worden gevoegd b i j de door Ten Voorde (1978a) en Arnold en Van Berkel (1983) genoemde argumenten dat

3 172 Stof en r e a c t i e chemische stofeigenschappen - ' d i s p o s i t i e s ' b i j Ten Voorde - noodzakelijk z i j n. b i j het aanduiden van een stof (omdat anders bijvoorbeeld water en waterdamp a l s v e r s c h i l l e n d e stoffen worden beschouwd). Ook de methoden chemie 3-mavo en chemie 3-vwo/havo bestéden wel aandacht aan chemische stofeigenschappen. Haar ze doen dat pas a l s i n hun opzet een stof- en reactiebegrip z i j n ontwikkeld ( i n r e s p e c t i e v e l i j k 4.4 en 5.3). Dan wordt b i j voorbeeld kalkwater een reagens op koolzuurgas genoemd, maar niet dat de r e a c t i e tussen kalkwater en koolzuurgas een stofeigenschap van koolzuurgas i s (en ook een stofeigenschap van een van de stoffen in het mengsel kalkwater). We staan nu voor een keuze: ó f een onvolledig en inconsistent stofbegrip waarin chemische eigenschappen geen rol spelen, óf een stofbegrip dat een reactiebegrip nodig heeft. Ik kies voor het l a a t s t e, wat l e i d t tot de voorlopige formele d e f i n i t i e : Een stof i s een groep chemische r e a c t i e s. Ter nadere t o e l i c h t i n g en samenvatting kan nog dienen dat b i j aanwezigheid van de stof i n kwestie e l k van de chemische r e a c t i e s u i t de groep mogelijk i s, en dat al die mogelijkheden vervallen a l s de stof niet aanwezig i s. De groep i s aldus samenhangend, maar i n p r i n c i p e u i t b r e i d b a a r, omdat we door onderzoek nieuwe reactiemogelijkheden kunnen ontdekken. Hieraan w i l ik toevoegen dat a l l e r e a c t i e s waarbij een stof ontstaat evenzeer kenmerkend voor die stof z i j n. Dit punt i s n i e t zo op de voorgrond getreden, omdat deze reactiemogelijkheden geen waarde hebben b i j het v a s t s t e l l e n of een stof al dan niet aanwezig i s. Haar om stoffen daadwerkelijk te v e r k r i j g e n, en ook b i j.het l a t e r ordenen van stoffen en r e a c t i e s i n soorten, z i j n deze r e a c t i e - mogelijkheden wezenlijk. Ik breid mijn formele d e f i n i t i e daarom u i t tot: EEN STOF IS TWEE GROEPEN CHEMISCHE REACTIES namelijk de r e a c t i e waarbij die stof verdwijnt, en de r e a c t i e s waarbij die stof ontstaat. Reactie De woorden van chemie 3-vwo/havo: ' B i j chemische r e a c t i e s verdwijnen de beginstoffen en ontstaan nieuwe s t o f f e n ' worden ook steeds gebruikt i n de in de i n l e i d i n g genoemde beschouwingen. Daarmee i s niet gezegd dat de vraag: hoe i s deze uitspraak bruikbaar voor het herkennen van een chemische r e a c t i e? door a l l e beschouwers op g e l i j k e wijze wordt t f i s beantwoord.

4 ue Jong 173 Wel kan ik hier de stap naar een formele d e f i n i t i e d i r e c t zetten: EEN.CHEMISCHE REACTIE IS TWEE GROEPEN STOFFEN namelijk de groep van stoffen die verdwijnen, en de groep van stoffen die ontstaan. Beide groepen z i j n n i e t - u i t b r e i d b a a r : we kunnen steeds aangeven hoeveel stoffen er verdwijnen en hoeveel er ontstaan. De r e l a t i e Het i s d u i d e l i j k dat de hier geformuleerde begrippen stof en reactie geen rol kunnen spelen in een onderwijsaanbod dat hiërarchisch i s opgebouwd. Met h i ë r a r chisch opgebouwd bedoel ik een onderwijsaanbod dat uitgaat van begrippen die a l s bekend (kunnen) worden verondersteld, en op basis daarvan nieuwe begrippen d e f i n i e e r t. Volgens Van Parreren (1976) i s zo een hiërarchische opbouw een noodzakelijke voorwaarde om via u i t l e g een begrip te onderwijzen. B i j u i t l e g hoort dan het noemen van kenmerken van het begrip, en het laten zien hoe j e met behulp van die kenmerken kunt v a s t s t e l l e n of het begrip van toepassing is of n i e t. De consequentie i s dat stof en reactie niet u i t te leggen z i j n. Om een voorbeeld te geven: a l s ik ammoniak zou w i l l e n uitleggen kan ik denken aan de kenmerken: A gasvormig b i j kamertemperatuur B kleurloos C p r i k k e l t de neus D reageert met zoutzuurgas tot salmiak E reageert tot stikstofgas en waterstofgas F reageert met een stof i n het mengsel kopersulfaatoplossing tot een stof i n het mengsel kopertetratiminesulfaatoplossing De eerste d r i e kenmerken z i j n uitlegbaar. De volgende d r i e echter n i e t, omdat dan stikstofgas, zoutzuurgas en andere stoffen moeten z i j n u i t g e l e g d, maar ook reageren met. Het onderwijsaanbod In het gangbare scheikunde-onderwijs ontstaat b i j de meeste leerlingen een stofbegrip dat z i c h beperkt tot de d i r e c t waarneembare kenmerken van het b i j b e horende gezuiverde m a t e r i a a l, plus eventueel het smelt en/of kookpunt en de oplosbaarheid i n water van dat gezuiverd materiaal. Ik baseer deze uitspraak op ervaringen u i t gesprekken met eerste- en tweedejaars scheikunde studenten aan de S t i c h t i n g Opleiding Leraren. Hun reactiebegrip s l u i t daarbij aan: er i s sprake van een chemische r e a c t i e a l s zo'n d i r e c t waarneembaar kenmerk evident verdwijnt of ontstaat. Na een onderwijsaanbod waarin u i t l e g een belangrijke rol speelt i s

5 V IZ5. Stof en r e a c t i e het ontstaan van zo'n stof- en reactiebegrip b e g r i j p e l i j k in het l i c h t van het bovenstaande. In zo'n onderwijsaanbod wordt (hopelijk) veel gewerkt met kleurige materialen als s t o f f e n, en met r e a c t i e s waarbij kleuren veranderen en materialen in nieuwe aggregatietoestanden ontstaan. Om tot een stof- en reactiebegrip te komen dat l i j k t op mijn formele d e f i n i t i e s i s meer nodig. Wel i s, zoals Vegting (1982) opmerkt, en zoals b l i j k t u i t de door Arnold en Van Berkel (1983) gekozen proeven, een eerste fase nodig waarin u i t e r l i j k e kenmerken een stof k a r a k t e r i s e r e n, en waarin waarneembaar verdwijnen en/of ontstaan van zulke kenmerken op een chemische r e a c t i e w i j z e n. Maar d i r e c t daarna moet naar mijn mening u i t het onderwijsaanbod d u i d e l i j k kunnen worden dat de u i t e r l i j k e kenmerken s l e c h t s signalen voor de stof z i j n en n i e t de stof z e l f ; en dat het'verdwijnen of ontstaan van een kenmerk slechts signaal i s voor het verdwijnen of ontstaan van een stof. Daartoe i s het mijns inziens noodzakelijk om over te gaan op het werken met materialen en v e r s c h i j n s e l e n waarbij u i t e r l i j k e kenmerken ontoereikend z i j n om tot b e s c h r i j v i n g te komen in termen van stoffen en r e a c t i e s. Zo zal bijvoorbeeld het s i g n a a l : reageert met salpeterzuur tot een blauwgroene oplossing-en een bruin gas, minder aandacht krijgen dan: vast, glanzend, rood m a t e r i a a l, b i j velen voor de stof koper, eenvoudig omdat het tweede signaal zoveel d i r e c t e r i s. Je hoeft de proef met salpeterzuur niet meer te doen om te weten dat j e met koper te maken hebt. Signalen van het eerste type komen pas goed tot hun recht b i j afwezigheid van het d i r e c t e r e type. Ik kom nu tot een fasering van een onderwijsaanbod i n y i j f stappen om toe te werken naar de gedefinieerde begrippen stof en r e a c t i e. Daarbij staan ervaringen met materialen en materiaaleigenschappen c e n t r a a l. 1. Stof Direct waarneembare kenmerken van een m a t e r i a a l. Voorbeeld: oranje, vast (ammoniumdichromaat). 2. Reactie Waarneembaar verdwijnen en/of ontstaan van kenmerken. V o o r b e e l d : ' i e t s h e f t i g s ', e n groen ontstaat en oranje verdwijnt (ontleding 'anmoniumdichromaat). 3. Stof Indirect waarneembare kenmerken van een m a t e r i a a l, zoals oplosbaarheid in water, smeltpunt, maar óök r e a c t i e s van type 2. Voorbeeld: kleurt kopersulfaatoplossing diepblauw (ammoniak).

6 De Jong Reactie Niet d i r e c t waarneembaar, maar een onderzoek naar stofkenmerken van type 3 w i j s t u i t dat er verdwijnen en/of ontstaan van een of meer kenmerken heeft plaatsgevonden. Voorbeeld: na toevoegen van (overmaat) zoutzuur aan ammonia i s de mogelijkheid tot diepblauwkleurig met kopersulfaaboplossing verdwenen. 5. Stof Samenhangende kenmerken: b i j een reactie van type 4 verdwijnt of ontstaat een groep kenmerken tegelijk. Reactie Verdwijnen en ontstaan van groepen samenhangende kenmerken. Voorbeeld: Dat b i j de verbranding van zwavel een gas ontstaat (reactie van type 2) dat kalkwater troebelt (stof van type 3) w i l nog niet zeggen dat er koolzuurgas i s ontstaan. Het gas ontkleurt ook broomwater. Als we die kenmerken a l s samenhangend kunnen z i e n, dan kan het n i e t koolzuurgas z i j n. Ontwikkeling en onderzoek Ik meen dat een ontwikkeling van onderwijsaanbod met name heeft plaatsgevonden ten aanzien van de stappen 1 en 2 van de bovengenoemde f a s e r i n g. J u i s t hét blijven wérken met materialen met d i r e c t waarneembare kenmerken, en met r e a c t i e s waarin waarneembare kenmerken verdwijnen of ontstaan, zou een oorzaak kunnen z i j n voor het niet verkrijgen van een stof- en reactiebegrip door l e e r l i n g e n dat l i j k t op de hier gegeven formele betekenissen. Dit i s een hypothese die mijns inziens verdient i n chemiedidactisch onderzoek nader te worden bekeken. Daarbij l i j k t het mij nuttig om stappen 3 en 4 u i t de fasering te ontwikkelen. Hiervoor i s een onderwijsaanbod nodig dat gebruik maakt van materialen zonder opvallende d i r e c t waarneembare kenmerken, zoals witte poeders en kleurloze v l o e i s t o f f e n. Om een goede a a n s l u i t i n g met het voorafgaande te behouden moeten met een aantal van deze materialen reacties van het type 2 uitvoerbaar z i j n. Om te kunnen voorbereiden op stap 5 moet met een b e t r e k k e l i j k k l e i n aantal materialen een zo groot mogelijk aantal reacties van type 2 of 4 mogelijk z i j n, opdat er per stof een zo groot mogelijke groep kenmerken ontstaat. Ik meen hiermee een aantak c r i t e r i a te hebben aangegeven waaraan te ontwikkelen onderwijsaanbod b i j het i n d i t a r t i k e l genoemde stof- en reactiebegrip moet voldoen. l i t e r a t u u r Antwerpen, A.P.v. Stofeigenschappen, Faraday, 47(3), p.102, 1978a. Antwerpen, A.P.v. Het begrip chemische r e a c t i e, Faraday, 47(5), p.199, 1978b.

7 176 Stof en reactie Arnold, F.J.C.M. en B e r k e l, A.A.J.v. Spektakels en gezichtspunten b i j TUE, Faraday, 52, 3, p.69, Chemie 3-mavo, Groningen: Wolters-Noordhoff, Chemie 3-vwo/havo, Groningen: Wolters-Noordhoff, Lameris, G.H. Een mogelijke kennisstructuur voor het beginonderwijs i n de s c h e i kunde (I), Faraday, 52, 1, p.2, 1983a. Lameris, G.H. Een mogelijke kennisstructuur voor het beginonderwijs in de s c h e i kunde (II), Faraday, 52, 2, p.43, 1983b. Parreren, C.F.v. Leren op school, Groningen: Wolters-Noordhoff, p.29, Vegting, P. Een hardstikke nieuwe stof, Faraday, 51, 2, p.151, Voorde, H.H.ten. Empirische didaktiek (II), Faraday, 47, 5, p.183, 1978a. Voorde, H.H.ten. Empirische didaktiek (III), Faraday, 47, 6, p.240, 1978b. Voorde, H.H.ten. Empirische didactiek (IV), Faraday, 48, 3, p.117, 1979a. Voorde, H.H.ten. Empirische didaktiek (VI), Faraday, 48, 5, p.221, 1979b. Vos, W.de. Oosterwoldiger berichten (V), Faraday, 48, 5, p.219, 1979.