Jännittävät metallit: Opettajan osa

Tämän materiaalin tarkoituksena on opettaa sähkökemiaa, tutustua epäorgaanisiin yhdisteisiin ja metalleihin. Työn tiimellyksessä kerrataan metallien ominaisuudet sekä tutustutaan hapettumiseen ja pelkistymiseen.

Materiaali on suunniteltu kahdeksannen luokan oppilaille, jolloin oppilailla on jo muodostunut käsityksiä atomeista ja molekyyleistä sekä reaktioista. Näissä töissä kokeellisesti havainnoidaan ja tutkitaan ilmiöitä ja samalla löydetään yhteys mikroskooppiselle tasolle mallintamalla töissä esiintyviä molekyylejä. Materiaalin tarkoituksena on siis paitsi opettaa metallien kemiaa ja sähkökemiaa, myös tarjota oppilaille tieteelliseen tietoon perustuvia käsityksiä atomeista ja yhdisteistä mahdollisten vaihtoehtoisten käsitysten tilalle.

Tieteellisiä malleja käytetään luonnontieteissä paitsi oppimisen välineenä, myös abstraktien käsitteiden ja tieteellisten teorioiden kuvaamisen apuna (Treagust et al., 2002). Lisäksi mallit muodostavat pohjan, joka tekee erilaisten oletusten muodostamisen mahdolliseksi (Erduran, 2001). Oppilaiden omat mentaalimallit tieteellisistä käsitteistä, kehittyvät heidän kokemuksiensa pohjalta erilaisista tieteellisistä malleista (Treagust et al. 2002). Kemian opetuksessa tieteellisten mallien käyttäminen varsinkin mikrotason käsitteiden havainnollistamiseksi on välttämätöntä. Koska oppilaiden mentaalimallit kehittyvät kaiken tietystä käsitteestä heillä olevan tiedon assimiloituessa, on kiinnitettävä erityistä huomiota opetuksessa käytettävän tieteellisen mallin havainnollisuuteen, käyttötarkoitukseen sekä ymmärrettävyyteen. Niin kutsutun autenttisen mallintamisen, eli mallintamisen kohteen sitominen oppilaiden kulttuuriseen tai yhteiskunnalliseen ympäristöön, on myös todettu lisäävän oppilaiden mielenkiintoa mallintamista, mallien muodostamista sekä testaamista kohtaan (Prins et al., 2009). Lisäksi oppilaille tulisi muistaa painottaa, etteivät mallit ole todellisuuden kopioita, eivätkä muuttumattomia.

Erilaisen visualisoinnin, kuten molekyylimallinnuksen ja simulaatioiden, on monissa tutkimuksissa todettu olevan hyödyllinen opetuksen apuväline (Dori & Barak, 2001; Finnan et al. 2005). Molekyylimallinnukseen lukeutuu siis tietokoneavusteisen mallinnuksen lisäksi myös fyysinen molekyylimallinnus, eli esimerkiksi erilaisten pallo-tikkumallien rakentaminen.

Tutkimuksessa, Dori, Y.J., & Barak, M.: ”Virtual and physical molecular modeling: fostering model perception and spatial understanding”, kävi ilmi että molekyylimallinnuksen käytön seurauksena oppilaille muodostui parempi käsitys tieteellisistä malleista, sekä he kykenivät vertailuryhmää paremmin määrittelemään uusia käsitteitä, kuten esimerkiksi käsitettä funktionaalinen ryhmä. Huomionarvoista tutkimuksessa on myös se, että molekyylimallinnusta oppimisen osana käyttäneet opiskelijat kykenivät helpommin siirtymään kemian eri tietotasoilla, ja muodostamaan esimerkiksi symbolisesta tai kaksiulotteisesta esityksestä kolmiulotteisen molekyylimallin. Etenkin orgaanisessa kemiassa ja esimerkiksi kemiallisen sidoksen luonteen ja hybridimallien ymmärtämisen näkökulmasta aineen luonteen ymmärtäminen, avaruudellinen hahmotuskyky, sekä taito tulkita kemian symboleja on välttämätöntä.

Vaikka tietokoneavusteista visualisointia, kuten molekyylimallinnusta on käytetty sekä opetuksessa, että tieteenharjoittamisessa jo vuosikymmenet, on sen rooli kasvanut tietokoneiden ja erilaisten mallinnusohjelmien kehittymisen myötä (Kozma & Russell, 2005). Molekyylimallinnusta voi käyttää osana opetusta erillään muista opetustavoista, mutta erittäin hyödyllistä se on yhdistettynä muihin luonnontieteellisten aineiden opetustapoihin, kuten kokeellisuuteen. Erilaisten TVT-oppimis-ympäristöjen ja kokeellisuuden yhdistäminen onkin ollut 2000-luvulla tärkeä tutkimuskohde (Nakhleh et al., 2002; Pernaa & Aksela, 2009). Mallinnuksen avulla kokeellisuuteen saadaan tuotua lisää sisältöä ja vaihtelua. Lisäksi sekä oppilaat, että opettajat näkevät erilaisten TVT-oppimisympäristöjen lisäävän oppilaiden kiinnostusta kemiaa ja luonnontieteitä kohtaan, sekä kehittävän tutkimustaitoja (Pernaa & Aksela, 2009). Saatavilla on tällä hetkellä useita ilmaisia mallinnusohjelmia, kuten esim. ArgusLab ja Chemsketch, jotka voi internetistä ladata koulun koneille.

Mitä liittyy kokeellisuuden ja esimerkiksi molekyylimallinnuksen tai muiden TVT-oppimis-ympäristöjen yhdistämiseen, on käynyt ilmi, että yllättävän pieni prosentuaalinen osuus kemian opettajista yhdistää opetuksessaan usein kokeellisuutta ja TVT-oppimisympäristöjä (Pernaa & Aksela, 2009). Tämän opettajat katsovat johtuvan suurelta osin taitojen, ohjelmistojen tai ajan puutteesta. Kuitenkin opettajat itse toivoisivat, että niiden yhteiskäytön lisääminen mahdollistuisi, ja esimerkiksi lisää koulutusta ja oppimateriaaleja aiheesta toivotaan. Tämä näyttäisi korreloivan hyvin myös aikaisempien tutkimustulosten kanssa (Aksela & Karjalainen, 2008; Aksela & Lundell, 2008).

Mallinnuksen avulla on myös helpompi havainnollistaa oppilaille kemian mikrotasoa, joka ei yksinomaan kokeellisuuden avulla heille välttämättä selkene. Kemian monien ilmiöiden syvällisemmän oppimisen hidasteena onkin usein juuri suoraan havainnoitavien makrotason fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien sekä mikrotason molekulaaristen rakenteiden ja ulottuvuuksien yhteensitominen (Finnan et al. 2005).

Molekyylimallinnuksen on todettu olevan tehokas opetuksen ja oppimisen apuväline kemian lisäksi myös muissa oppiaineissa, kuten biologiassa (Finnan et al. 2005). Tämä antaa lisää mahdollisuuksia eri opetettavien aineiden integrointiin molekyylimallinnusta hyödyntäen. Oppilaille muodostuu eri oppiaineiden integroinnin seurauksena helpommin mentaalimalleja, joissa näiden aineiden tiedot ovat mielekkäällä tavalla assimiloituneet keskenään. Esimerkiksi tutkimuksessa Finnan et al. (2005) ”Seeing the Unseen: Molecular Visualization in Biology” oli yhdistelty onnistuneesti elementtejä biologiasta ja kemiasta. Tutkimukseen osallistuneet 15-18–vuotiaat opiskelijat olivat ensin mallintaneet eChem-mallinnusohjelman avulla erilaisia yksinkertaisia orgaanisia molekyylejä ja tämän jälkeen etsineet internetistä ChemFinderin avulla näiden molekyylien fysikaalisia ominaisuuksia. Tutkimuksen lopussa opiskelijat olivat toteuttaneet My Molecule-projektin, jossa he saivat rakentaa oman molekyylinsä, etsiä sille fysikaalisia ominaisuuksia ja tehdä projektistaan Power Point-esityksen.

Kysymyksiä saattaa opettajissa herättää myös erilaisten mallinnusohjelmien käyttöön liittyvät seikat, sekä kysymykset mallintamisen toteuttamisesta oppilaiden kanssa esimerkiksi ajankäytön kannalta. Tutkimuksessa Finnan et al. (2005) tutkijat olivat esimerkiksi etukäteen huolissaan oppilaiden taidoista ja valmiuksista omaksua useita uusia ja erilaisia ohjelmia sekä lisäksi hyötyä niistä opetuksellisessa mielessä. Kävi kuitenkin ilmi, että oppilaat oppivat ohjelmien käytön todella nopeasti ja osasivat esimerkiksi hakea tietoa ChemFinderista tehokkaasti. Tämän päivän opiskelijat ovat joka tapauksessa yleisestikin hyvin taitavia tietotekniikan käyttäjiä.

Myös opettajien asenteita, kemian sisällöllisen tuntemuksen sekä avaruudellisen hahmottamiskyvyn paranemista visualisoinnin seurauksena on viime vuosina tutkittu (Williamson & Jose, 2008). Kolmiulotteisen hahmottamiskyvyn todettiin Williamsonin ja Josen kaksivuotisen tutkimuksen seurauksena parantuneen. Tosin kesän I ja kesän II välillä hahmottamiskyvyn havaittiin heikentyneen. Tämän uskottiin johtuvan siitä, että tutkimukseen osallistuneet opettajat eivät vuoden aikana olleet tietoisesti käyttäneet visualisointia omien taitojensa ylläpitoon. Tämänkaltaisen tutkimustuloksen voidaan ajatella pätevän myös opiskelijoihin, joten visualisointia tulisi käyttää tasaisesti läpi opiskelujen, eikä vain sattunaisena opetuksen apuvälineenä.

Lähinnä viimeisen vuosikymmenen kuluessa suoritettujen visualisointia, kuten molekyyli-mallintamista käsitelleiden tutkimusten valossa nähdään visualisoinnin olevan hyvin käyttökelpoinen ja monipuolinen opetuksen ja oppimisen työkalu sekä yksinään, että yhdistettynä muihin luonnontieteellisten aineiden olennaisiin opetustapoihin, kuten kokeellisuuteen. Kuten aikaisemmin jo tuli esille, tarvitaan kuitenkin vielä paljon uutta tutkimustietoa, oppimateriaalia, sekä mallintamiseen perehdyttäviä koulutusmahdollisuuksia kemian ja muiden luonnontieteellisten aineiden opettajille.

Oppimisympäristö

Oppimisympäristö voidaan varmasti määritellä usealla tavalla, mutta voimme olettaa sen koostuvan viidestä osasesta, joista keskeisimmissä roolissa on oppija. Oppijan ympärillä puolestaan vaikuttavat didaktinen, fyysinen, sosiaalinen ja tekninen osanen. Jokaisella osasella on merkittävä rooli mielekkään oppimisympäristön luomisessa ja tämän oppimisympäristön vaikutuspiirissä oppiminen tapahtuu. Annetun ”määritelmän” jälkeen voimme pohtia mikä sitten onkaan mielekäs oppimisympäristö tai millainen oppimisympäristö edistää parhaiten oppimista? Tähän kysymykseen voimme löytää yhtä monta oikeaa vastausta kuin on erilaisia oppilaita ja oppimistyylejä.

Yleisesti voimme edellyttää hyvän oppimisympäristön koostuvan seuraavasti seikoista:

• ohjattava opiskelijaa itsenäiseen omien tavoitteiden etsimiseen ja muodostamiseen tarjottava opiskelijoille riittävästi haasteita ja ongelmia, jotka opiskelija tunteen mielekkäiksi ratkaista ja toisaalta myös antaa ongelmanratkaisutaitoja
• edistää oppilaiden dialogisuutta eli keskustelutaitoja itsensä kuin muidenkin kanssa annetta palautetta ja mahdollistettava oppimisen prosessin seuranta.

Toisaalta voimme myös ajatella, että hyvän opettajuuden edellytyksenä on taito luoda mielekkäitä oppimisympäristöjä, jossa oppiminen tehdään mahdollisimman helpoksi kaikille oppilaille. Opettajan tehtävänä opetustaan suunnitellessaan, on miettiä, miten huomioida kaikki oppimisympäristön osatekijät. Opetusta suunnitellessa on myös monia seikkoja oppimisympäristön ”ulkopuolelta”, joita opettajan tulisia huomioida. Ensinnäkin opetusohjelman sisällöllä on suuri merkitys. Sen tulisi olla kiinnostava ja tarpeeksi haastava ja toisaalta tarjota monipuolisia näkökulmia, jotka edesauttavat oppilaita muodostamaan laajempia ja yhtenäisiä tietokokonaisuuksia. Näin yritettäisiin välttyä oppilaiden, usein esiintyvästä, ulkoa opiskelusta, jolloin heille ei jää opiskellusta asiasta mitään selkeää muistijälkeä. Loppupelissä oppimisprosessin tulisi olla omaehtoinen, harkittua toimintaa, tapahtua omasta päätöksestä ja olla palautteellista. Näistä ehkä tärkeimmässä asemassa on oppilaan omaehtoisuus. Omaehtoisuus on oppilaan valtaa päättää siitä, koska, miten ja paljonko hän opiskelee. Palautteellisuus puolestaan tarjoaa opiskelijalle tietoa hänen omasta oppimisestaan ja edistymisestään. Oppiminen on erilaista ja yksilöllistä eri oppijoilla. Oppilaiden aikaisemman tiedot, käsitykset oppimisesta ja tiedon reflektointi sekä kiinnostuksen kohteet, motivaatio ja monet muut tekijät, johtavat tähän väistämättä. Mikään oppimisympäristö ei ole samanlainen kaikille siihen osallistuville opiskelijoille.

Yhtenä osana oppimisympäristöä on mielekkään oppimisen teoria. Mielekkään oppimisen teoria korostaa aikaisempien tietojen merkitystä, joka yleensä on itsestään selvää opettajalle, vaikkei teoria olisikaan tuttu entuudestaan. Yleisesti voimme olettaa, että luonnontieteiden, kuten kemian ja fysiikan, miksei myös matematiikan, opetus perustuu aikaisemmin opitun tiedon pohjalle, varsinkin lukiossa. Peruskoulussa tilanne on tietenkin hieman erilainen, koska kemia tulee oppilaille aivan uutena aineena. Teoriassa korostetaan oppilaan omaa oppimispäätöstä, johon vaikuttavat monet seikat, kuten motivaatio, tausta ja varsinkin asenne oppiainetta kohtaan. Teorian mukaan, jos oppilas ei itse tee oppimispäätöstä, niin positiivisen tuloksen saaminen on epätodennäköistä.

Tässä työssä olemme pyrkineet luomaan oppimisella mahdollisimman hyvät puitteet, monipuolisilla ja erilaisilla oppilastöillä, käyttämällä molekyylimallinnusta oppilaiden käsitteiden selventämiseksi ja luomalla oppimisille mielekkään ympäristön. Oppiminen tapahtuu parhaiten, kun oppilaat saavat itse tehdä ja kokeilla, havainnoida ja työstää näkemäänsä. Kokonaisuudessa on myös pyritty huomioimaan korkeamman ajattelutaitojen kehittymistä ja koetettu vastaamaan kaikkien ajattelutaitotasojen vaatimuksiin. Tuomalla opetukseen kokeellisen ja teoreettisen osuuden lisäksi molekyylimallinnus, on haluttu luoda kaikenlaisille oppijoille mahdollisuus mielekkääseen oppimisympäristöön.

Kemian tietotasot ja ajattelutaidot

Pedagogisesta näkökulmasta tarkasteltuna hyvä kokeellinen työ, jonka tukena käytetään molekyylimallinnusta ottaa huomioon korkeamman tason ajattelutaidot ja niiden tukemisen sekä kemian eri tietotasot, joita tarvitaan kemian mielekkäässä oppimisessa. Tässä työssä molekyylimallinnus on tärkeä osa tekemään oppimisesta mielekästä, kuitenkin itse ilmiöiden mallintaminen ei tässä ole pääasiallinen mallintamisen tavoite. Tärkeää onkin ennen kaikkea keskittyä oppilaiden ajatusmaailman kehittämiseen, kun aiheena ovat epäorgaaniset yhdisteet ja molekyylit.

Korkeamman tason ajattelutaidot ovat keskeisessä roolissa kemian käsitteiden ja ilmiöiden ymmärtämisessä. Työohje ”Jännittävät Metallit” jo itsessään on rakennettu korkeamman tason ajattelutaitoja tukevaksi. Työn aikana tuetaan ajattelutaitoja erityisesti kannustamalla oppilasta pohdiskelemaan mallinnettuja molekyylejä ja sitä miksi ne on esitetty siten kuin ovat. Oppilasta tulee myös työn aikana rohkaista miten ja miksi kysymysten tekoon.

Materiaalimme käytännön toteutuksessa oppilas pääsee pitkälti osallistumaan itse oppimistapahtumaan sekä kokeellisuuden tekemisessä että pyörittelemällä molekyylimalleja tietokoneella töiden teon lomassa. Kuitenkaan aikaa ei mene hukkaan mallinnuksen opetteluun, kun tiedostot on valmiiksi tehty ja helposti tutkittavissa sivustolta. Työn aikana tulee kannustaa oppilaita pohtimaan yhdessä molekyylimalleihin liittyviä kysymyksiä.

Toisaalta opettajan aktiivinen osallistuminen ja kannustava kysymysten asettelu on tarpeen työn teon aikana. Oppilaille tulee korostaa kemiallista näkökulmaa töiden teon tiimellyksessä ja erityisesti tässä kohtaa opettajan rooli korostuu. Työ perustuu siihen, että oppilaat itse töiden teon ja mallinnuksen lomassa rakentavat kemian teoriaa. Työohjeen kemiallinen näkökulma onkin ripoteltu itse töiden toteutuksen sekaan. Tällä on pyritty varmistamaan se, että heti yhtä työtä ennen ja jälkeen tulee pohdittua mitä kemiaa työstä ja mallinnuksesta opittiinkaan. Työohje voi itsessään tuntua hiukan raskaalta luettavalta, mutta idea ei olekaan se, että kaikki työt tehtäisiin esimerkiksi kerrallaan. Oppilaille voidaan esimerkiksi jakaa koko työohjevihko, jonka töitä tehdään pala palalta.

Korkeamman tason ajattelutaidot kehittyvät, kun oppilas pääsee soveltamaan. Paitsi että suoritettavat kokeelliset työt ovat soveltavia, niin myös molekyylimallinnus vaatii sekä vanhan tiedon että uuden tiedon käyttämistä. Oppilaan tulee esimerkiksi tunnistaa tuttuja molekyylejä ja pohtia näiden mallien yhteyttä symboleihin sekä makrotasoon. Epäorgaanisten molekyylien mallintaminen on hyvin tärkeää, koska monesti esimerkiksi moniatomisten ionien rakenne jää oppilaalta ymmärtämättä. Vaikka itse kokeelliset työt eivät suoraan havainnollistakaan ionien rakennetta, on se koko ajan kokeellisen kemian taustalla. Esimerkiksi elektrolyyttiliuoksen toiminta perustuu nimenomaan siihen, millaisia ioneja ja molekyylejä liuoksessa on.

Työn aikana haastetaan oppilasta myös eräänlaiseen uuden tiedon rakentamiseen. Erityisesti työn neljännessä vaiheessa oppilaan tulee luoda uutta tietoa. Tällöin oppilaan tulee arvioida oppimiensa tietojen perusteella mitä kukin liuos on ja molekyylimallinnusvaiheessa oppilaan tulee lisäksi vielä yhdistää oppimansa tiedot molekyylien rakenteista ja tunnistaa molekyylejä molekyylimallinnusohjelmalta. Tällöin oppilaat pääsevät itse suunnittelemaan, kehittelemään ja tuottamaan omia tutkimuksiaan, mikä tukee korkeamman tason ajattelutaitoja.

Tietoja, joita tarvitaan kemian merkityksellisessä oppimisessa, ovat ns. faktatieto, käsitteellinen tieto, prosessitieto sekä metakognitiivinen tieto. Olemme pyrkineet rakentamaan työn suorituksen siten, että jokainen tiedon laji on keskeisesti esillä työn aikana.

Ensinnäkin työn aikana korostuu faktatieto. Faktatiedolla tarkoitetaan tietoa terminologiasta ja yksityiskohdista. Työn aikana opitaan keskeiset faktat metallien rakenteesta sekä sähkökemiasta kokeellisin keinoin. Lisäksi työn aikana keskitytään tarkastelemaan tarkemmin atomien ja molekyylien määritelmiä molekyylimallinnuksen avulla. Lisäksi keskeisessä asemassa on molekyylin symbolisen kaavan ja rakenteen yhdistäminen toisiinsa.

Toisaalta työn aikana opetetaan ymmärtämään myös käsitteellistä tietoa. Tästä hyvä esimerkki on elektrolyysin kohdalla oleva molekyylimallinnusharjoitus, jossa oppilas saa tarkastella ensin kuparisulfaatin kiderakennetta, ja tämän jälkeen vielä pohtia mitä kupari-ionille tapahtuu vedessä. Tässä ioniyhdisteen elektrostaattiset vuorovaikutukset ovat asian ydin.

Ehkä keskeisimmin kaikista tietoluokista tieto- ja viestintätekniikka jo itsessään ja siis meidän tuotoksessamme molekyylimallinnus lisää prosessitiedon käyttöä. Tällöin oppilas oppii, miten ja millä tekniikoin kemiassa asioita mallinnetaan. Tämän lisäksi työn aikana korostuu myös metakognitiivisen tiedon käyttö, kun oppilaat pääsevät suunnittelemaan viimeisessä vaiheessa kokeellista suoritusta.

OPS-kytkentä

Kemian opetukselle on myös opetussuunnitelmassa mainittu luonteenomaiseksi kemiallisten ilmiöiden ja aineiden ominaisuuksien havainnointi ja tutkiminen kokeellisesti. Tämän työn aikana nimenomaan havainnollistetaan ilmiöitä ja lisäksi tutkitaan aineiden koostumusta mikrotasolla ja selitetään makroskooppisia ilmiöitä näiden tietojen avulla.

Työmme on suunnattu erityisesti perusopetuksen kahdeksannelle luokalle, mutta sopii myös lukio-opetukseen metalleja käsiteltäessä. Muokkaamalla ja osin vaikeuttamalla työohjetta, saadaan siitä varsin mainio kokonaisuus myös vanhemmille oppilaille. Perusopetuksen opetussuunnitelmien perusteiden (POPS, 2004) mukaan kahdeksannella luokalla käsitellään sähkökemiallisia ilmiöitä, sähköpari, elektrolyysi sekä niiden sovellukset. Työssämme nivoutuu hyvin yhteen koko tämä yksi OPS-mollukka. Lisäksi kemian asiasisältöjen tavoitteista työssä tavoitetaan myös alkuaineiden ja yhdisteiden rakenteiden tuntemus ja kyky päätellä rakenteiden avulla aineiden ominaisuuksia.

Laboratoriokertamme viimeiseksi osaksi sijoitettu avoimen kysymyksen sisältävä tutkimus kehittää oppilaan kykyä soveltaa aiemmin oppimaansa tietoa. Tämä erinomaisen tärkeä asia löytyy myös POPS:n tavoitteista. Tavoitteiksi peruskoulun opetussuunnitelmassa on listattu kyky oppia kuvailemaan ja mallintamaan kemiallisia reaktioita reaktioyhtälöiden avulla (POPS, 2004). Tuotoksemme kokeellisessa työssä ”Metallien reaktiivisuus suolahapon kanssa” molekyylimallinnus keskittyy nimenomaan reaktioyhtälön mallintamiseen paitsi kemiallisin symbolein niin myös mallinnusohjelman kolmiulotteisilla molekyylien pallomalleilla.

POPS:ssa ei erikseen puhuta juurikaan molekyylimallinnuksesta. Yleisesti kuitenkin suunnitelmien tavoitteena on, että oppilas oppii aineen rakennetta kuvaavia malleja. Molekyylimallinnus itsessään tukee erinomaisesti tähän tavoitteeseen pääsemistä.

Lisäksi lukion opetussuunnitelmassa yleisesti molekyylimallinnusta pidetään oleellisena osana kemian opetusta, koska sen avulla voidaan tulkita, mallintaa ja selittää ilmiöitä sekä käsitellä niitä matemaattisesti. Lisäksi lukion opetussuunnitelman tavoitteissa korostetaan sitä, että oppilaan tulisi perehtyä tieto- ja viestintätekniikkaan mallintamisen välineenä.

Ohjeet toteutukseen

Tässä vaiheessa kannattaa valita tutkittavaksi metalliksi jokin pehmeä metalli, kuten esimerkiksi kupari.

Kemiallinen näkökulma

Metallien yhteisiä ominaisuuksia ovat mm. kiiltävyys, kovuus (muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta, esim. Na, Hg), muokattavuus, taottavuus, sitkeys, sähkön- sekä lämmönjohtavuus. Lisäksi niiden uloimmalla elektronikuorella on yleensä 1 tai 2 elektronia.

Merkittävin tekijä metallien yhteisille ominaisuuksille on niiden rakenne eli metallisidos. Metallit ovat nimittäin hyviä sähkönjohteita siksi, että niissä on paljon vapaita elektroneja. Sähkö on elektronien liikettä. Metallisidoksessa atomin ulkoelektronit pääsevät helposti irralleen. Tällöin syntyy positiivisten ionien muodostama hila ja sitä ympäröivä elektronimeri. Elektronimeren vapaat elektronit kuljettavat sähköä.

Ohjeet mallinnukseen

Työn esitutkimuksen molekyylimallinnusosassa pyritään havainnollistamaan metallisidosta. Metallihilan kuvaaminen on sen epästaattisuuden vuoksi varsin hankalaa molekyylimallien avulla. Oppilaalle tuleekin korostaa – samalla kun he tutkivat metallirakenteita – että todellisuudessa elektronit liikkuvat hilassa. Kuitenkin rakenteen rikkoutumista havainnollistaa hyvin ”jälkeen” tilanne, joka havainnollistaa paitsi metallin rakenteen muokattavuutta, myös selittää monia muitakin metallien ominaisuuksia.

Oppilasta tulee mallinnuksen aikana ohjata pyörittelemään sekä zoomaamaan mallia sekä muuttamaan sen ominaisuuksia oikean puoleisesta hiiren näppäimestä. Tässä kohtaa kannattaa esimerkiksi valita oikean puoleisesta hiiren näppäimestä avautuvasta valikosta ”style” -> ”bonds” -> ”on”.

Mallinnus: Vasemmalla puolella on metallisidos ennen hakkausta ja oikealla puolella metallisidos hakkauksen jälkeen. Ruskeat pallot ilmentävät kationeja ja mustat pisteet elektroneja.

Ohjeet toteutukseen

Tässä työssä tarvitset erilaisia metalleja, koeputkia sekä koeputkitelineen. Tulitikutkin ovat tarpeellisia. Nyt työturvallisuus on hyvin tärkeätä! Käytä siis hanskoja ja suojalaseja!

Työohje:

Laita kuhunkin koeputkeen pieni luraus 10 % suolahappoa. Lisää jokaiseen koeputkeen vielä ripaus jotakin metallijauhetta tai pieni pala metallia. Jotta tuloksesi olisivat mahdollisimman tieteellisiä, pyri käyttämään joko metallijauheita tai -paloja. Yritä pitää metallien määrät samoina!

• Tee havaintoja reaktioiden voimakkuuksista.
• Yritä tunnistaa koeputkista kupliva kaasu päättelemällä tai viemällä palava tulitikku varovasti koeputken yläpuolelle.
• Voit kaataa koeputkien sisällöt viemäriin runsaan veden kanssa. Ota liukenemattomat metallit talteen!

Kemiallinen näkökulma

Metallit liukenevat suolahappoon eri nopeuksilla kuparia, kultaa ja hopeaa lukuun ottamatta. Esimerkiksi magnesium reagoi kiivaasti ja kupari ei lainkaan. Jalometalli on metalli, joka kestää korroosiota sekä happokylpyjä. Jalometallit eivät hapetu suolahapossa pelkistäen vetyä. Tutkimuksessa käytetyt jalometallit olivat kupari ja hopea. Jalometallit eivät reagoi suolahapon kanssa lainkaan. Rauta ei ole jalometalli, koska se ruostuu ja liukenee suolahappoon.

Ne metallit, jotka reagoivat, reagoivat alla olevan reaktioyhtälön mukaisesti. Muodostuu siis metallikloridia ja vetykaasua. Alla oleva reaktioyhtälö on kirjoitettu magnesiumille.

Redox-kemian kannalta magnesiumkloridi on suola, joten siinä magnesium on ionimuodossa. Magnesium hapettuu siis reaktiossa. Toisaalta hapon liuetessa veteen vapautuu vetyioneja H+. Koska vetymolekyylit ovat varauksettomia ja ne sisältävät vetyatomeja, ovat vetyionit pelkistyneet eli ottaneet vastaan elektroneja.

Seuraavaksi tutustumme hapettumiseen ja pelkistymiseen. Hapettuminen ja pelkistyminen tapahtuvat aina yhtä aikaa. Aine hapettuu, kun se luovuttaa elektroneja. Kun aine vastaanottaa elektroneja, sen sanotaan pelkistyvän. Hapettunut metalli on aina ionimuodossa ja pelkistynyt atomimuodossa!

Hapettumis- ja pelkistymisreaktioissa metalliatomien ja -ionien välillä voi liikkua elektroneja. Elektronit siirtyvät aina hapettuvalta metalliatomilta pelkistyvälle metalli-ionille. Jos voisimme ohjata elektronit kulkemaan tiettyä reittiä pitkin, saisimme aikaan sähkövirran.

Ohjeet mallinnukseen

Tutkimuksen 1 mallinnusosassa molekyylimallinnusta käytetään erityisesti kemiallisen reaktion etenemisen ymmärtämiseen ja aineen häviämättömyyden havainnollistamiseen. Lisäksi oppilaat ymmärtävät paremmin molekyylin, yhdisteen ja atomin eron sekä niiden kolmiulotteisuuden.

Mallintamalla korostuu myös se, miten mallinnusohjelmalla havainnollistetaan erilaisia aineita. Oppilaalta voidaan kysyä, mikä merkitys eri väreillä mallinnusohjelmassa on. Tässä havainnollistuu etenkin idea siitä, että molekyylimallinnus on pelkkää mallintamista eikä todellisuutta. Lisäksi mallien avulla korostuu linkki makro-, mikro- ja symbolitasojen välillä.

Ohjeet toteutukseen

Tarkoituksenasi on koota sähkökemiallinen pari kupari- ja sinkkilevystä. Tarvitset ainakin johtimia, sitruunan ja hauenleukoja.

KOKOA PARI OHEISEN KUVAN MUKAISESTI, ja kun olet tehnyt sen, tee tarvittavia kokeita ja selvitä seuraavat seikat:

• Mikä on metallilevyjen välinen jännite?
• Miten jännite muuttuu, kun vaihdat hauenleukojen paikkaa metallista toiseen?
• Vertaa jännitettä tavallisen pariston jännitteeseen.

• Mitä jännitteelle tapahtuu, kun levyt koskettavat toisiaan? Miksi?
• Yritä saada lamppu syttymään tavallisen pariston avulla. Mitä huomaat? Huolehdi jätteiden asiallisesta loppukäsittelystä!

Kemiallinen näkökulma

Kun hapettumis-pelkistymisreaktio tapahtuu siten, että hapettuva ja pelkistyvä aine eivät ole suorassa kosketuksessa, on mahdollista tuottaa sähkövirtaa. Tällainen systeemi on nimeltään galvaaninen kenno eli sähkökemiallinen pari. Kennossa muutetaan siis kemiallista energiaa sähköenergiaksi. Metalleista todellakin saadaan sähköä!

Yksinkertaisin galvaaninen kenno rakentuu kahdesta elektrodista, jotka on molemmat upotettu elektrolyyttiliuoksiin. Elektrodit on lisäksi liitetty toisiinsa sähköjohdoilla ja elektrolyyttiliuosten välillä on suolasilta. Meidän työssämme elektrolyyttiliuoksena toimii sitruuna ja elektrodeina kaksi metallilevyä.

Elektrodit toimivat kennossa reaktiopaikkana. Niiden pinnalla tapahtuvat siis hapettumis- ja pelkistymisreaktiot. Anodi on elektrodi, jolla tapahtuu hapettumisreaktio ja katodi on elektrodi, jolla tapahtuu pelkistymisreaktio. Näitä hapettumis- ja pelkistymisreaktioita voidaan kutsua myös anodi- ja katodireaktioiksi. Kennossa tapahtuva kokonaisreaktio on anodi- ja katodireaktioiden summa. Elektrolyyttiliuoksella tarkoitetaan yleisesti ottaen liuosta, joka johtaa sähköä.

Työssä määritetään galvaanisen kennon lähdejännitettä. Mittaamalla kennojen lähdejännitettä voidaankin itse asiassa määrittää aineiden pyrkimyksiä hapettua ja pelkistyä. Lähdejännite on nyt sitä suurempi, mitä enemmän reagoivien aineiden taipumus sitoa elektroneja eroaa toisistaan. Toisin sanoen metallilevyjen välinen jännite riippuu käytettävistä metalleista. Metallit on järjestetty jännitesarjaksi sen mukaan, kuinka suuri jännite metallien välille saadaan. Sähkökemiallisessa parissa syntyvä jännite on sitä suurempi, mitä kauempana metallit ovat toisistaan jännitesarjassa.

Vastausehdotuksia

Ohjeellisia vastauksia:

• Kupari- ja sinkkilevyn välinen jännite on 1.1 V.
• Kupari- ja magnesiumlevyn välinen jännite on 1.6 V.
• Jännite on riittävä pienen hehkulampun sytyttämiseen, mutta se ei pala kovin kirkkaasti. Valojen himmentäminen voi helpottaa hehkulampun syttymisen havaitsemista. Jos hehkulamppuja ei ole käytettävissä, voidaan tämä päätellä tai arvioida.
• Kun hauenleukojen paikkaa vaihdetaan metallista toiseen, jännitteen etumerkki muuttuu.
• Kun metallilevyt koskettavat toisiaan, jännite putoaa nollaan. Tällöin virtapiirissä on oikosulku. Elektronien ei tarvitse kulkea johtimia pitkin ja jännitemittarin / lampun kautta, vaan ne voivat siirtyä suoraan metallista toiseen.
• Sähköparin jännite on lähellä tavallisen pariston jännitettä. Lamppu syttyy myös tavallisella paristolla.

Ohjeet toteutukseen

Työssä tarvitaan:

• Keitinlasi (250 ml)
• Kuparisulfaatti-liuos 5 %, CuSO4 (50 ml)
• Puhdistettu kuparilevy
• Virtalähde/Paristo (jännitteen suuruus 2-3 V)
• Puhdistettu avain/naula

Työn toteutus:

• Valmista 50 ml 5 % CuSO4-liuosta liuottamalla 2,5 g kiinteää kuparisulfaattia 50 ml:aan vettä
• Laitetaan keitinlasiin 50 ml CuSO4-liuosta
• Laitetaan liuokseen puhdistettu kuparilevy ja kytketään se virtalähteen plusnapaan
• Kytketään miinusnapaan hyvin puhdistettu avain
• Kytketään virtalähteeseen 2-3 V:n jännite
• Seurataan, mitä tapahtuu
• Kun avain on saanut ruskean pinnan, sammutetaan virtalähde, irrotetaan avain ja annetaan sen kuivua
• Hangataan avainta kevyesti kankaalla tai teräsvillalla

Kemiallinen näkökulma

Systeemi, jossa tietyt kemialliset reaktiot saadaan tapahtumaan sähkövirran avulla, on elektrolyysi. Reaktion tapahtumispaikka on elektrolyyttiliuos, jossa liikkuu sähköä kuljettavia ioneja. Samalla tavalla kuin galvaanisessa kennossa, anodilla tapahtuu hapettuminen ja katodilla pelkistyminen. Tässä työssä anodina toimii kuparilevy, jossa siis kupariatomit hapettuvat kupari-ioneiksi, samalla katodilla nämä kupari-ionit pelkistyvät kupariatomeiksi, jolloin naula tai avain pinnoittuu kuparilla. Oheisessa kuvassa näkyy vielä paremmin mitä reaktiossa tapahtuu.

Ohjeet mallinnukseen

Elektrolyysin molekyylimallinnusosassa käytetään molekyylimallinnusta havainnollistamaan käytetyn elektrolyyttiliuoksen koostumusta. Mitä siis itse asiassa on siinä liuoksessa, joka makroskooppisella tasolla näyttää ihan normaalilta liuokselta. Oppilas saa tutkia elektrolyysiliuoksessa olevia molekyylejä ja ioniyhdisteitä.

Oppilaalle tulisi selvittää molekyyliyhdisteen ja ioniyhdisteen välinen ero. Vesimolekyylin liikkeen tutkimisen tarkoituksena olisi ymmärtää, että molekyylit ja atomit eivät ole paikallaan pysyviä, vaan että ne liikkuvat paitsi etenemissuunnassa niin myös itsessään värähtelemällä. Tämä jää kirjan staattisten kuvien vuoksi usein todellisuuden varjoon.

Lisäksi työssä tutkitaan käytettävän kuparisulfaatin mikroskooppista rakennetta ensin kidehilana ja lisäksi kupari- ja sulfaatti-ionien käyttäytymistä vesiliuoksessa. Nyt vesimolekyylit ympäröivät ioneja ja lisäksi vesimolekyylit asettuvat ionien ympärille tavalla, joka riippuu ionien varauksen merkistä. Tämä puolestaan johtuu veden poolisuudesta.

Mallinnus keskellä visualisoi kaikki elektrolyyttiliuoksessa olevat hiukkaset. Liuoksessa on vesimolekyylejä, kupari-ioneja ja sulfaatti-ioneja.

HUOM! Tutki täältä veden värähtelyjä. Tämän tarkoitus on havainnollistaa sitä, että molekyylit liikkuvat myös itsensä suhteen koko ajan eri tavoin.

Vasemman reunan Jmol-tiedosto löytyy myös Internetistä täältä. Nyt tärkeää on huomata kidettä koossa pitävät sähköiset vuorovaikutukset.

Mallinnus oikealla: Kupari-ioni vedessä on vesimolekyylien ympäröimänä. Tärkeää on huomata mitä vuorovaikutuksia vesimolekyylien ja kupari-ionin välillä on. Toisaalta tärkeää on korostaa mitä kuparisulfaatille tapahtuu vedessä ja että millaisia vuorovaikutuksia on sulfaatin ja vesimolekyylin välillä.

Ohjeet toteutukseen

Oppilaille kerrotaan, että koeputkissa on jotakin seuraavista liuoksista: kuparisulfaattia, hopeanitraattia, tinakloridia, sinkkikloridia.

Oppilaat yrittävät tunnistaa liuokset rauta- ja kuparipalan avulla ja tekevät tutkimussuunnitelman.

Vastausehdotuksia

Metallien sähkökemiallisessa sarjassahan jokainen metalli pystyy pelkistämään jäljessään olevan metalli ionin atomiksi eli luovuttamaan ionille puuttuvat elektronit. Tässä tutkittavina metallien suolaliuoksina ovat tinakloridi, sinkkikloridi, kuparisulfaatti ja hopeanitraatti. Näistä kuparisulfaatti tulisi tunnistaa näön perusteella (sininen liuos). Näistä hopea-metalli on kaikista jaloin. Kun kupari palanen laitetaan hopeaioneja sisältävään liuokseen, pelkistyy kuparin päälle hopeaa. Toisaalta kuparimetalli ei reagoi muissa suolaliuoksissa, koska se on tinan ja sinkin jälkeen jännitesarjassa. Rautapalanen puolestaan reagoi tinaliuoksessa sekä ja hopealiuoksessa, mutta ei sinkkiliuoksessa.

Mallinnuksen ioniyhdisteet voi tunnistaa yhdisteissä olevien atomien lukumäärien perusteella. Kuitenkin sinkki- ja tinakloridi tunnistetaan ionien kokojen perusteella.

Ohjeet mallinnukseen

Työn viimeisessä molekyylimallinnus osiossa testataan oppilaan jo oppimia taitoja. Oppilaan tulee tunnistaa erilaisten yhdisteiden mallit. Tässä vaiheessa erityisesti tina- ja sinkkikloridin erottaminen ei onnistu. Nyt pitääkin korostaa että yhdisteiden rakenne voi näin pelkistettynä mallina näyttää hyvin samanlaiselta, jolloin mallinnuksesta ei välttämättä ole apua. Tässä kohdassa on jälleen tärkeä miettiä erilaisten mallien mahdollisuuksia ja rajoituksia. Samoin kuin elektrolyysin mallinnusharjoituksessa, tässäkin tulee korostaa yhdisteiden elektrostaattisia vuorovaikutuksia.