Heen en weer denken in de (nieuwe?)
scheikunde
Oud/nieuw
In haar rapport “Chemie
tussen context en concept” heeft de Commissie Vernieuwing Scheikunde Havo en
Vwo als fundament voor ontwikkeling en vernieuwing en als vertrekpunt voor
discussie met het veld gekozen voor twee centrale concepten:
* het
molecuulconcept: materie is opgebouwd uit moleculen of andere deeltjes zoals
atomen, ionen;
* het
micro/macro concept: het verband tussen de moleculaire en de
macroscopische eigenschappen. (1)
Blijkens de titel is er
sprake van nog een derde concept: heen en weer denken.
Er moet immers heen en weer
gedacht worden tussen context(en) en scheikunde én binnen de scheikunde tussen
micro en macro.
Deze drie concepten zijn
niet nieuw: aansluiten bij en uitbreiden van de leerwereld (context!) was in de
jaren zeventig van de vorige eeuw een van de uitgangspunten bij de
onderwijsveranderingen. Ook over heen en weer denken binnen de scheikunde is de
discussie al een tijdje gaande. Zo werd in 1981 in het “nieuwe” leerplan
rijksscholen scheikunde havo als doel 4 genoemd:
de leerlingen moeten stoffen en reacties zowel op
waarneembaar niveau kunnen beschrijven als zich deze op corpusculair niveau
kunnen voorstellen. (2)
Bij de komende ontwikkeling
en vernieuwing van het scheikundeprogramma voor havo en vwo is het handig om
gebruik te maken van de ervaringen die destijds met de (poging tot) realisering
van dit doel zijn opgedaan. En ook om de waarschuwing in de toelichting bij dat
leerplan ter harte te nemen: “Voor chemici is het ‘heen-en-weer-denken’ tussen
zintuiglijk waarneembare stof en de voorstelling daarvan in moleculen en atomen
(of ionen) een haast onbewuste vaardigheid geworden. Voor 15-jarige leerlingen
is dit een lastige opgave waarbij een zorgvuldige en niet te abrupte didactiek
vereist is.” (2)
In dit artikel wordt
ingegaan op enkele aspecten van heen en weer denken binnen de scheikunde.
Stof/element
Destijds zijn de twee
betekenissen van het woord element, waartussen chemici moeiteloos heen en weer
denken, uitgebreid bediscussieerd. Om verwarring voor leerlingen te voorkomen
is ervoor gekozen in beginonderwijs scheikunde element niet als aanduiding voor
(een) stof te gebruiken. In plaats daarvan zijn termen als niet-ontleedbare of
enkelvoudige stof geïntroduceerd. Zuurstof en ozon zijn dan verschillende
(enkelvoudige) stoffen, allebei met (alleen) element O.
Met het onderscheid tussen
stof en element kan ook een leerling misschien zin zien in de kop “Teveel stof
en stikstof in de lucht” boven een artikel in het Eindhovens
Dagblad van 22 maart 2003. (3)
Stof(naam)/stof(formule)
Bepaalde eigenschappen van
stoffen kunnen worden weergegeven in formules. Zo kan uit de elementsymbolen H
en O in de formule van water worden afgeleid dat bij ontleding van water
waterstof en ozon kunnen ontstaan. Dat er in werkelijkheid zuurstof ontstaat
kan niet uit de formule worden afgelezen.
Kwantitatieve eigenschappen
bij reacties kunnen m.b.v. indices in formules worden verwerkt.
Pas als de mol als
scheikundige eenheid van hoeveelheid stof geïntroduceerd is kunnen uit
reactievergelijkingen massa- en soms volumeverhoudingen van reagerende stoffen
worden afgeleid.
Het is maar de de vraag of in
beginonderwijs scheikunde dergelijke exercities nodig en nuttig zijn.
In ieder geval moeten
“eenvoudige” voorstellingen als van de gisting van suiker zoals op de
juniorpagina van het Chemisch2Weekblad van 8 juni 2002
vermeden worden:
“1 Suiker (glucose) -> 2 koolzuurgas
(CO2) + 2 ethanol” (4)
Formule/model
Chemici interpreteren hun
formules, afhankelijk van de context, als de aanduiding van stoffen waarin
bepaalde eigenschappen van de stof verwerkt zijn en als de aanduiding van
deeltjes waarmee de stof kan worden voorgesteld.
Zo kan uit de vergelijking 2
H2 + 1 O2 à 2 H2O
worden afgelezen dat uit 2 mol (= 4 gram) waterstof 2 mol (= 36 gram) water kan
ontstaan, maar ook dat de reactie kan worden voorgesteld als de herschikking
van 4 H-atomen (uit 2 waterstofmoleculen) en 2 O-atomen (uit 1
zuurstofmolecuul) tot 2 watermoleculen.
Heen en weer denken tussen
deze twee betekenissen van formules is niet vanzelfsprekend. Het ligt voor de
hand om wate betreft formules in eerste instantie uit te gaan van de voor
leerlingen waarneembare macroscopische betekenis en pas als dat nodig en nuttig
is daar een modelmatige betekenis aan te koppelen.
Concept/misconcept
Zeker in beginonderwijs
scheikunde en soms ook nog lang daarna is beschrijvende chemie al interessant
(en soms ook moeilijk) genoeg. Zolang leerlingen kristalsuiker en suikerpoeder
als “losse” stof karakteriseren (tegenover
“vast” in een suikerklontje) zijn ze, net als Casper in de strip uit de Volkskrant van 15 mei 2003, nog niet toe aan een
modelvoorstelling van een vaste stof met moleculen in een rooster. Een
(deeltjes)model waarmee “de” werkelijkheid kan worden voorgesteld heeft dan nog
geen meerwaarde en kan zelfs tot misconcept(en) leiden (waarbij bijvoorbeeld
een suikermolecuul als een klein suikerkorreltje wordt gezien).
Waarneembaar/modelmatig
Een van de destijds
gesignaleerde valkuilen is het toekennen van waarneembare eigenschappen aan
modelmatige deeltjes. Zo kan het bijschrift “molecuul met een luchtje” bij een
model van een waterstofsulfidemolecuul (6) (molecuul van de maand in Chemisch2Weekblad van april 2003) voor leerlingen
verwarrend werken: “Hebben moleculen een geur?” (En met wat voor soort deeltjes
moet je dan die geur weer voorstellen?).
Die verwarring kan er
bijvoorbeeld toe leiden dat leerlingen denken dat er tussen moleculen in een
kristal lucht zit, want “als er een staafjes-en-bolletjesmodel voor hen staat,
zit er immers wel degelijk lucht tussen de ‘moleculen’.” (7)
Als leerlingen dan al hebben
leren omgaan met (de mogelijkheden én beperkingen van) modellen dan moet er wel
wat heen en weer te denken zijn. Zo kennen we de combinaties “water /
watermoleculen”, “ijzer / ijzeratomen (of ijzerionen en elektronen)” ,
“keukenzout / chloor- en natriumionen” maar wat moet er ingevuld worden in “…….
/ waterstofionen”?
In de jaren zeventig en
tachtig van de vorige eeuw zijn voor dit soort problematiek al
chemie-didactisch verantwoorde oplossingen bedacht. (8)
Zeker in beginonderwijs
scheikunde is het nodig om modelmatig en beschrijvend, stof en element, formule
en stof, formules en deeltjes(model) zorgvuldig te introduceren én te
onderscheiden. Pas dan en pas daarna kan er op een verantwoorde manier heen en weer
worden gedacht. Zou Bert Meijer, als hij dergelijke scheikunde-onderwijs had
genoten, in de rubriek Gastcollege in het Eindhovens
Dagblad van 28 januari 2004 ook nog hebben geschreven: “Het NASA-wagentje
vol met apparatuur is dan ook op zoek naar water, moleculen en koolstofhoudende
stoffen.”? (9)
Overigens worden ook in leerboeken modeltermen en beschrijvende termen nogal
eens door elkaar gebruikt, bijvoorbeeld als in “echte” bakjes met “echt” water
ionen worden getekend.
Noten
(1) Chemie tussen context en
concept, SLO Enschede 2003
(2) Scheikunde voor havo, doelen
en inhoud, SLO Enschede 1981
(3) Eindhovens Dagblad, 22
maart 2003
(4) Chemisch2Weekblad, 8
juni 2002
(5) de Volkskrant, 15 mei
2003
(6) Chemisch2Weekblad, 26
april 2003
(7) Vos, W.d., Valk, T.v.d.,
Modellen in wetenschap, modellen in onderwijs, NVOX 7, september 2000, 335-338
(8) Berkel, T.v., Arnold,
F.J.C.M, Heen en weer denken in het examen scheikunde voor havo, NVON-Maandblad
februari/maart 1987, blz. 66-68
(9) Eindhovens Dagblad, 28
januari 2004