اینجا در بریتانیا تقریباً پایان سال تحصیلی است، به طور سنتی زمانی برای تأمل در مورد آنچه قبلاً گذشته و برنامه‌ریزی برای سپتامبر جدید و درخشان که تنها تا 9 هفته دیگر می‌آید (ببخشید، معلمان!). با در نظر گرفتن این موضوع، بیایید در مورد چیزی صحبت کنیم که در اوایل اکثر برنامه های درسی شیمی مطرح می شود و هر بار که به آن فکر می کنم کمی بیشتر مرا آزار می دهد.
واکنش های شیمیایی زمانی رخ می دهد که کبریت می سوزد.
این مفهوم تغییرات شیمیایی و فیزیکی است. برای کسانی که آشنایی ندارند، این ایده این است که تغییراتی که ما مشاهده می‌کنیم که روی ماده اتفاق می‌افتد به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند: تغییرات شیمیایی، جایی که مواد جدید ساخته می‌شوند، و تغییرات فیزیکی، جایی که در آن مواد اتفاق می‌افتد. نه مواد جدید ساخته می شود.
نمونه هایی از تغییرات شیمیایی شامل مواردی مانند سوزاندن کبریت، پختن تخم مرغ یا واکنش بین سرکه و جوش شیرین است. تغییرات فیزیکی عمدتاً تغییر حالت هستند، مانند ذوب شدن و جوشیدن، اما همچنین شامل تغییراتی مانند حل کردن نمک در آب، یا آسیاب کردن تراشه‌های سنگ آهک به پودر می‌شوند.
تا اینجای کار خیلی خوبه. به جز … سپس ما شروع به قرار دادن توصیف کننده ها در مورد این چیزها می کنیم. و این زمانی است که مشکل شروع می شود.
اولین مشکل با این ایده است که “تغییرات شیمیایی برگشت ناپذیر هستند.” این اغلب در علوم اولیه متوسطه به عنوان یک واقعیت مستقیم تدریس می شود، و آنقدر فراگیر است که حتی در سؤالات امتحانی چند گزینه ای، مانند آنچه در اینجا نشان داده شده است، ظاهر می شود. برای ثبت، انتظار می رفت که دانش آموز گزینه C را انتخاب کند، “تغییر برگشت ناپذیر است.”
بجز. ارگ می‌توانم دقیقاً به شما بگویم که چرا دانش‌آموز D را انتخاب کرده است، «تغییر برگشت‌پذیر است»، و به این دلیل نیست که آنها اصلاحات خود را انجام نداده‌اند. در واقع، کاملا برعکس. نه، به این دلیل است که این دانش آموز اسیدهای ضعیف را یاد گرفته است. و این دانش آموز در یادگیری اسیدها با این علامت ⇌ آشنا شد که به معنای واقعی کلمه نشان دهنده a است واکنش شیمیایی برگشت پذیر.
بله درست است. مدت زیادی پس از آموزش به دانش آموزان که واکنش های شیمیایی هستند نه قابل برگشت است، سپس به صراحت به آنها یاد می دهیم که آنها هستند. در واقع، این ایده برگشت پذیری شیمیایی آنقدر رایج است، یک مفهوم مهم در شیمی، که ما حتی داریم نمادی برای آن.
البته الان میتونم توضیح بدم. وقتی می گوییم واکنش های شیمیایی برگشت ناپذیر هستند، چه می کنیم منظور داشتن “اگر در یک سیستم باز انجام شود، به طور کلی غیر قابل برگشت است.” به عبارت دیگر، وقتی چوب آن کبریت در فضای باز می سوزد، دی اکسید کربن و بخار آب تشکیل شده به اتمسفر می ریزد و دیگر برنمی گردد و بازگرداندن کبریت به حالت اولیه غیرممکن است.
مشکل این است که بسیاری از واکنش‌های شیمیایی در سیستم‌های بسته اتفاق می‌افتند، حداقل واکنش‌های زیادی که در محلول اتفاق می‌افتند. از این رو، کل اسیدها، جایی که ما در مورد اسیدهای ضعیف “تجزیه جزئی” به یون صحبت می کنیم.
سپس کل آن موضوع در مورد فرآیند هابر وجود دارد…
آیا می‌توانم تنها کسی باشم که فکر می‌کنم این تفاوت بسیار زیادی است که باید از نوجوانان انتظار داشت که در ذهن خود نگه دارند؟ چیزی جز گیج کننده نیست. آیا واقعاً باید در یک بخش از یک درس یک چیز را بگوییم و در قسمت دیگر به معنای واقعی کلمه مخالف آن را بگوییم؟ برای روشن شدن، این حتی یک GCSE در مقابل یک چیز سطح نیست – این ایده ها ظاهر می شوند در همان برنامه درسی
ذوب یک تغییر حالت است، در این مورد از یخ (جامد) به آب (مایع).
خوب، خوب، بیایید به سمت این ایده برویم که تغییرات فیزیکی دارد هستند برگشت پذیر این خیلی ساده تر است، اینطور نیست؟ اگر مقداری یخ آب کنم، می توانم دوباره آن را فریز کنم؟ اگر مقداری آب بجوشانم، می توانم آن را به همان حجم مایع تبدیل کنم… خوب… اگر جمع کنم می توانم همه بخار اگر این کار را در یک سیستم بسته انجام دهم. برعکس شرایطی که بر واکنش های شیمیایی اعمال کردیم. اره به هر حال…
اگر به خاطر کمی سنگ زنی نبود، ممکن بود از این موضوع خلاص شویم. اگر تغییرات فیزیکی واقعاً به راحتی قابل برگشت هستند، پس باید بتوانیم پودری را که از توده‌های سنگ آهک ساخته‌ایم گرفته و دوباره به یک تکه زیبا تبدیل کنیم، درست است؟ درست؟
ببین مشکل همینه این چیست واقعا همه چیز در مورد آنتروپی است، اما این یک مفهوم نسبتاً پیچیده است و تا سطح یک شیمی مطرح نمی شود.
باشه. به جای اینکه در مورد برگشت پذیر و برگشت ناپذیر صحبت کنیم، بیایید از شکستن و تشکیل پیوند صحبت کنیم. این خوب است، اینطور نیست؟ در تغییرات شیمیایی، پیوندها شکسته و تشکیل می شوند (بله) و در تغییرات فیزیکی، اینطور نیست.
بجز….
بیایید یک لحظه به آب برگردیم. آب دارای فرمول H است2O. از مولکول هایی تشکیل شده است که در آن یک اتم اکسیژن به دو اتم هیدروژن پیوند شیمیایی دارد. وقتی آب را می جوشانیم، هیچ یک از آن پیوندها را نمی شکنیم. وقتی آب را می جوشانیم، گاز هیدروژن و اکسیژن تشکیل نمی دهیم. درست کردن یک فنجان چای داغ بسیار هیجان انگیزتر خواهد بود. پس با خیال راحت می توانیم بگوییم که جوشاندن آب مستلزم شکستن هیچ پیوندی نیست، درست است؟ ما خب…
مولکول‌های آب حاوی پیوندهای کووالانسی هستند، اما مولکول‌ها نیز با پیوندهای هیدروژنی (بسیار ضعیف‌تر) به هم متصل می‌شوند.
مشکل اینجاست که آب حاوی چیزی به نام پیوند هیدروژنی است. ما معمولاً در اینجا کمی تفکیک می کنیم و آنها را به عنوان “نیروهای بین مولکولی” توصیف می کنیم، یعنی نیروهای جاذبه بین مولکول ها. این نادرست نیست اما سرنخ در نام آن است: پیوندهای هیدروژنی کاملاً باند-y هستند.
هنگامی که آب به جوش می آید، پیوندهای هیدروژنی مختل می شود. اگرچه اوراق قرضه در فرد H2O مولکول ها شکسته نمی شوند، پیوندهای هیدروژنی هستند. به این معنی که … اوراق قرضه شکسته است. به نوعی
اما اگر در مورد تشکیل مواد جدید صحبت کنیم، احتمالاً در یک زمینه امن هستیم. ما نیستیم؟
بجز….
در مورد انحلال چطور؟ اگر گاز هیدروژن کلرید، HCl را در آب حل کنم، این یک تغییر فیزیکی است، درست است؟ من چیز جدیدی درست نکردم؟ یا… دارم؟ من مولکول‌هایی با پیوند کووالانسی بین هیدروژن و کلر داشتم و اکنون اسید کلریدریک دارم. مولکول های آب
که اینطور…. یک تغییر شیمیایی؟ اما صبر کن ما می‌توانیم (توصیه نمی‌کنم) تمام آن آب را تبخیر کنیم، و دوباره HCl گازی خواهیم داشت. برگشت پذیر است.
ید جامد خاکستری مایل به نقره ای است، اما بخار ید یک رنگ بنفش درخشان است.
هوم در مورد نشانه ها که یک تغییر شیمیایی در حال رخ دادن است؟ مطمئناً همه ما آنجا هستیم؟ وز کردن: این نشانه تغییر شیمیایی است. به جز … آیا مطمئن هستید که تفاوت بین جوشاندن و گاز دادن را می دانید؟ بالاخره همه اینها حباب هستند. بخار؟ اما، بخار یک بخار است، اینطور نیست؟ اگرچه از طرف دیگر آب محصول چندین واکنش شیمیایی است. تغییر رنگ؟ ببینید چه اتفاقی می‌افتد وقتی مقدار کمی ید جامد خاکستری نقره‌ای را حرارت می‌دهید تا تعالی پیدا کند (اسپویل: تغییر رنگ وجود دارد).
آیا کسی دیگر واقعاً تا به حال گیج شده است؟
تو باید باشی شاگردان شما تقریباً مطمئناً هستند.
به طور خلاصه، استثناهای بیشتری برای هر یک از این قوانین وجود دارد که برای چیزی که “i قبل از e” به زبان انگلیسی آموخته اید وجود دارد (قاعده ای که اتفاقاً برای s بسیار ناراحت کننده است.cientists که مدام باید با w سر و کار داشته باشندeights و heights).
از اینجا به کجا می رویم؟ فکر می کنم احتمالا وقت آن رسیده که از خود بپرسیم چرا ما حتی در وهله اول این مفهوم را آموزش می دهیم. در واقع، آن جا برای وادار کردن دانش آموزان به فکر تفاوت بین تغییرات است حالت و شیمیایی واکنش ها.
من گمان می‌کنم که ما کمتر از آنچه که هستیم باید نگران این موضوع باشیم: بیشتر کودکان در تشخیص تغییرات حالت بسیار خوب هستند. آنها این کار را به طور غریزی انجام می دهند. آنها فقط زمانی شروع به سردرگمی در مورد آن می کنند که ما قوانین زیادی را به آنها آموزش می دهیم که سپس سعی می کنند آنها را اعمال کنند. من تقریباً مطمئن هستم که این روشی نیست که قرار است تدریس شود.
این قطعا می تواند ساده تر باشد.
اگر راهم را داشتم، برچسب‌های تغییرات فیزیکی و شیمیایی را به‌کلی حذف می‌کردم و در عوض، فقط در مورد تغییر حالت و واکنش‌های شیمیایی صحبت می‌کردم. دقیقاً یک تمایز بین این دو وجود دارد و آن این است: آیا چیز جدیدی ساخته ایم؟ اگر پاسخ منفی است، تغییر حالت است. اگر پاسخ مثبت است، یک واکنش شیمیایی رخ داده است. کار انجام شد. (و بله، این کاملاً مشخص می کند که کلرید هیدروژن گازی در آب حل می شود و اسید کلریدریک را به عنوان یک واکنش شیمیایی تشکیل می دهد، و من اصلاً با آن مشکلی ندارم.)
من می گویم ما نحوه صحبت درباره تغییرات را تغییر می دهیم: شیمی به حیله گر بودن شهرت دارد و این نوع چیزهای گیج کننده و متناقض بخشی از دلیل آن است.