Fenomenologie en chemie

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 "energierijkdom" en "energiegebrek".
Die reactie leidt tot "energieloze stoffen" zoals water, koolzuur of zouten. Deze energieloze
stoffen vormen het "eindpunt" van reacties.
Een voorbeeld van een fenomenologische reactievergelijking:
brandstof
passief, onoplosbaar
energierijk
water
koolzuurgas
energieloos, eindpunt
zuurstof
actief, corrosief
energiegebrek
Reactieschema 1: verbranding
Aan de rechterzijde is aangegeven welke uiterlijke kenmerken verbonden zijn met deze
groepen:
energierijkdom: onoplosbaarheid en chemische passiviteit. Passiviteit en langzaam reageren
is vooral typerend voor de meeste organische reacties
energiegebrek: agressiviteit, kenmerkend voor de halogenen en zuurstof.
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 (zuurstof) 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)
ZON
brandstof
LEVENDE PLANT
water
koolzuurgas
zuurstof
passief, onoplosbaar
energierijk (reductor)
energieloos
actief
energiegebrek (oxidator)
Reactieschema 2: fotosynthese
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 energierijke 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 energierijke stoffen geen enkele
relatie met water zouden kunnen aangaan: voedsel zou onverteerbaar zijn, want "onoplosbaar"
vanwege de energierijkdom. Inderdaad zijn veel energierijke stoffen zeer moeilijk verteerbaar.
Aan voedsel worden dus twee tegengestelde eisen gesteld: voedsel moet energierijk 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 (energierijk) geldt eveneens de eigenschap van volledige onoplosbaarheid in
water. Metalen lossen slechts op in andere metalen of in andere energierijke stoffen. Voorbeeld:
natriummetaal lost op in vloeibare ammonia. Natrium lost niet op in water: wat oplost, is het veel
minder energierijke 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.
19-11-04
2
In reactieschema:
natrium
sterke reductoren
zwakke reductoren
2 Na
keukenzout
neutraal
NaCl
chloor
zwakke oxidator
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
waterstofgas
natriumhydroxide
water
sterke reductoren
zwakke reductoren
Na
basisch
neutraal
zuur
NaOH
½ H2
H 2O
zwakke oxidator
sterke oxidator
Reactieschema 4: natrium en water
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
H2
2 Na
+
2 OH 2 H2O
sterke reductoren
zwakke reductoren
basisch
neutraal
zuur
zwakke oxidatoren
sterke oxidatoren
19-11-04
3
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
ijzer
ijzeroxide
koolzuurgas
sterke reductoren
zwakke reductoren
basisch
neutraal
zuur
CO
Fe
Fe2O 3
CO2
zwakke oxidatoren
sterke oxidatoren
Reactieschema 5: hoogovenproces
Zuurvorming uit de elementen
waterstofgas
zoutzuur
chloorgas
sterke reductoren
zwakke reductoren
basisch
neutraal
zuur
H2
2 HCl
zwakke oxidatoren
sterke oxidatoren
Cl 2
Reactieschema 6: waterstof en chloor
Zuurvorming uit niet-metalen
fosfor
sterke reductoren
zwakke reductoren
P
fosforigzuur
basisch
neutraal
zuur
P2O3
zuurstof
zwakke oxidatoren
sterke oxidatoren
O2
Reactieschema 7: fosfor en zuurstof
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 zuur-base
reacties veel minder extreem zijn: zoutvorming speelt zich geheel af in het middengebied.
19-11-04
4
sterke reductoren
zwakke reductoren
natriumhydroxide
natriumchloride
water
zoutzuur
basisch
neutraal
zuur
NaOH
NaCl
H2O
HCl
zwakke oxidatoren
sterke oxidatoren
Reactieschema 8: base en zuur
Elektrolyse
Een fenomenologische reactievergelijking maakt de elektrolyse van water zeer inzichtelijk:
aan de kathode ontstaan altijd de energierijke stoffen (metalen of waterstof) en aan de anode
altijd de agressieve stoffen met "energiegebrek", dus zuurstof of halogenen.
Tevens ontstaan bij de elektrolyse van water base en zuur.
KATHODE (negatief)
sterke reductoren
zwakke reductoren
H2
2 OH 2 H2O
H2O
basisch
neutraal
zuur
2 H+
zwakke oxidatoren
sterke oxidatoren
½ O2
ANODE (positief)
Reactieschema 9: elektrolyse
Koolstofchemie
Vorming van diethylether
diethylether
C 2H 5OC2H 5
energierijk
ethanol
2 C2H 5OH
H2SO 4
geconc. zwavelzuur
verdund zwavelzuur
energieloos
zuur
H2SO 4.H 2O
energiegebrek
Reactieschema 10: diethylether
Wat is de rol van het zwavelzuur?
19-11-04
5
Het gaat bij deze reactie om vrij sterk geconcentreerd zwavelzuur. Door hitte is daaruit het
water verdreven. Daardoor heeft het zwavelzuur meer energie-inhoud gekregen: het wil zich
weer verdunnen, zichzelf "blussen". De verdunde toestand is weergegeven met H 2SO 4.H2O.
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 zwavelzuur dat
verdund wordt. Daardoor kan ether ontstaan.
C2H 4
etheen
energierijk
C 2H5OH
ethanol
H2SO 4
geconc. zwavelzuur
verdund zwavelzuur
energieloos
zuur
H2SO 4.H 2O
energiegebrek
Reactieschema 11: etheen
Oxidatie van ethanol
energierijk
ethanol
C2H 5OH
ethaanzuur
CH3COOH
water
zuurstof
H2O
energieloos
zuur
energiegebrek
O2
Reactieschema 12: ethaanzuur
Azijnzuur lost goed in water op.
Zo wordt azijn een interessante stof: er is nog steeds een zekere energie-inhoud aanwezig (in
het CH3 -gedeelte) en toch is azijn heel reactief vanwege het gedeelte waarin de zuurstof
aanwezig is. Azijnzuur heeft dus twee zijden: een zure, actieve kant (-COOH) en een passieve,
energierijke kant (CH 3-).
Het is alsof de toegevoerde zuurstof de ethanol aan één zijde naar beneden trekt naar het zure
gebied, terwijl het andere deel nog in het energierijke gebied blijft:
energierijk
CH3COOH
C 2H 5OH
H2O
O2
energieloos
zuur
energiegebrek
Dit "tot meerdere gebieden behoren" is kenmerkend voor vele organische stoffen.
19-11-04
6
"Halve" oxidatie van ethanol
energierijk
ethanol
ethanal
C2H 5OH
CH 3CHO
water
zuurstof
H2O
energieloos
zuur
energiegebrek
½ O2
Reactieschema 13: ethanal
Overzicht van de reactieproducten van ethanol in het reactieschema.
C2H4
C2H 5OC2H 5
C2H 5OH
CH3CHO
CH3COOH
etheen
diethylether
ethanol
ethanal
ethaanzuur
energierijk
energieloos
energiegebrek
Toepassing van fenomenologische reactievergelijkingen bij vergistingen
Methaangisting
methaan
energierijk
3 CH4
C6H 12O 6
suiker
koolzuur
energieloos
zuur
3 CO 2
energiegebrek
Reactieschema 14: methaangisting
Bij de methaangisting is goed te zien hoe een vrij sterke scheiding optreedt en de glucose
uiteenvalt in 6 delen.
19-11-04
7
Alcoholische gisting
energierijk
alcohol
2 C 2H5OH
C6H 12O 6
suiker
koolzuur
energieloos
zuur
2 CO 2
energiegebrek
Reactieschema 15: alcoholische gisting
Bij de alcoholische gisting is sprake van een minder sterke scheiding (zuurstof blijft aanwezig in
de alcohol), waarbij de glucose uiteenvalt in 4 delen.
Melkzuurgisting
C6H 12O 6
suiker
energieloos
zuur
2 CH3CHOHCOOH
energierijk
ox. getal: -3
ox. getal: 0
ox. getal: +3
energiegebrek
Reactieschema 16: melkzuurgisting
Bij de melkzuurscheiding 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 melkzuur : -3, 0 en +3. Hierdoor krijgt
melkzuur (evenals azijnzuur) een in zich tegengesteld karakter: een energieloos, waterverwant
zuur gedeelte en een energierijk deel.
koolzuur
methaan
suiker
melkzuur
ethanol
koolstof heeft oxidatiegetal
CO 2
+4
+4: zeer energieloos
CH 4
-4
-4: zeer energierijk
C 6 H 12 O 6
0
0: harmonie
CH 3 -CHOH-COOH
-3
0
+3
CH 3 -CH 2 -OH
-3 -1
-3: energierijk, +3: energieloos
deel
-3,-1: energierijk
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.
19-11-04
8
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 zuurstof die suikers
en vetten vormen, maar het zijn de organismen die dat doen met behulp van koolstof, waterstof
en zuurstof.
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
19-11-04
9