Tieto-‐ ja viestintätekniikka C-‐vitamiinin liukenemisen opetuksessa
Pro gradu –tutkielma
Jyväskylän yliopisto
Kemian laitos
Kemian opettajakoulutus
27.6.2017
Pauli Sillanpää
Tiivistelmä
Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli kehittää valmista oppimateriaalia kemian opetuksen tueksi. Tutkimus oli luonteeltaan kehittämistutkimus ja sen kehittämistuotoksena syntyi oppimateriaalia, joka käyttää hyväksi tieto-‐ ja viestintätekniikkaa. Oppimateriaali on suunnattu ensisijaisesti lukiokäyttöön.
Oppimateriaali kehitettiin tutkimuksessa käytetystä tehtävälomakkeesta. Kehittäminen tapahtui tutkimusdatan sekä aikaisempien tutkimusten ja artikkelien pohjalta.
Oppimateriaali sisältää kolme osaa, joissa käydään tehtävä tehtävältä läpi C-‐vitamiinin liukenemiseen liittyviä kemiallisia ilmiöitä. Tehtävät suunniteltiin siten, että käydään ensin läpi pienempiä kokonaisuuksia ja lopuksi kootaan soveltavilla tehtävillä liukenemisen ilmiö yhdeksi kokonaisuudeksi. Opetusmateriaalin tavoitteena on, että tehtävien teon jälkeen oppilas ymmärtää liukenemisen käsitteen ja osaa soveltaa sitä muissakin kuin C-‐vitamiinin tapauksessa.
Tutkimus tehtiin kehittämistutkimuksen menetelmin. Tutkimusdatan keräämiseen tutkimuksen aikana sovellettiin kvalitatiivisen tutkimuksen menetelmiä ja sitä käsiteltiin sisällönanalyysin menetelmin. Tutkimuksen avulla pyrittiin etsimään vastauksia kolmeen tutkimuskysymykseen: 1. tarvitaanko mallinnusohjelmien käyttöön opastusta opetuksen tarpeisiin?, 2. minkälaisilla tehtäväkohtaisilla ratkaisuilla voidaan vähentää oppilaan ohjausta tehtävien teon aikana? ja 3. miten animaatioita voidaan käyttää C-‐vitamiinin liukenemisen oppimisen tukena? Tutkimuksen tuloksena havaittiin, että opastus koettiin tarpeelliseksi niin ohjelmien toimintojen löytämiseen kuin niiden avulla tehtävien ratkaisemiseen. Tehtävä-‐ ja ohjelmakohtaiset opastukset liitettynä oppimateriaaliin vähentävät oppilaan ohjausta tehtävien teon aikana.
Animaatiot havaittiin hyödyllisiksi selventämään opeteltavia asioita, jolloin niitä käytetään vaihtoehtoisena esitystapana jo opitulle asialle.
Esipuhe
Tämä pro gradu –tutkielma aloitettiin syksyllä 2016 ja saatiin päätökseen kesällä 2017.
Tutkimus tehtiin Jyväskylän yliopiston kemian laitokselle. Tutkimuksen aiheeseen päädyttiin halusta tehdä jotain konkreettisesti kemian opetukseen liittyvää ja C-‐
vitamiini valikoitui tutkimuksen kontekstiksi, koska myös kandidaatin tutkintoni sivusi samaa molekyyliä.
Tutkimuksessa käytetyt lähteet löytyivät pääasiassa Google scholarin hakutoimintoja käyttäen. Hyviä lähdevinkkejä sain myös ohjaajalta. C-‐vitamiinin kemian osuudessa käytin pääasiassa yliopiston oppikirjoja.
Tutkimuksen ohjaajana toimi Jyväskylän yliopiston kemian laitoksen professori Jan Lundell, jonka kanssa käydyt keskustelut ja häneltä saadut palautteet avasivat tutkimuksen edetessä tulleita haasteita ja edesauttoivat tutkimuksen valmistumista.
Suuret kiitokset Jan Lundellille kaikesta avusta ja motivoivasta ohjauksesta!
Kiitokset kuuluu myös vaimolleni ja kaikille niille läheisilleni, jotka kannustivat ja tukivat tutkielman tekemisen aikana.
Sisällysluettelo
Tiivistelmä... i
Esipuhe... ii
Sisällysluettelo... iii
1 Johdanto... 1
2 C-‐Vitamiinin kemiaa... 3
2.1 C-‐vitamiini kemiallisesti... 5
2.1.1 Kemialliset sidokset: kovalenttinen sidos... 5
2.1.2 Kovalenttisen sidoksen poolisuus... 7
2.1.3 Molekyylin poolisuus... 8
2.2 Funktionaaliset ryhmät... 9
2.3 Molekyylin rakenteen esittäminen... 11
2.4 Molekyylien väliset heikot vuorovaikutukset... 12
2.4.1 Dipoli-‐dipolisidos ja vetysidos... 14
2.4.2 Ioni-‐dipolisidos... 15
2.4.3 Dispersiovoimat... 16
2.5 IR-‐spektroskopia... 17
3 Liukeneminen... 18
3.1 Energianmuutokset liukenemisessa... 20
3.2 Oppimisen haasteet liukenemisessa... 23
4 Kemian opetus ja oppiminen... 24
4.1 Oppimiskäsitys... 25
4.2 Johnstonen ja Mahaffyn kemiallisen tiedon tasot ... 26
4.3 Oppilaiden virhekäsitykset liukenemisen kemiassa... 27
5 Mallit ja mallintaminen kemiassa... 29
5.1 Mallit... 29
5.2 Molekyylimallit... 31
6 TVT:n käyttö kemian opetuksessa... 33
6.1 TVT molekyylimallinnuksessa... 34
6.1.1 Spartan... 35
6.1.2 ChemSketch... 36
6.2 Animaatiot kemian opetuksessa... 36
7 Kehittämistutkimus... 37
7.1 Kehittämistutkimuksen teoriaa... 38
7.2 Kehittämistutkimuksen mahdollisuudet ja haasteet... 41
7.3 Tutkimuksen tarveanalyysi... 42
8 Tutkimuksen suoritus... 43
8.1 Tutkimuskysymykset... 44
8.2 Tehtävälomake... 45
8.3 Aineiston kerääminen ja analyysimenetelmä... 47
9 Tulokset... 49
9.1 Tulosten analysointi... 53
9.2 Oppimateriaalin kehittäminen... 54
10 Johtopäätökset... 57
Lähteet... 61
Liitteet LIITE 1: Tutkimuslomake... 68
LIITE 2: Opetusmateriaali... 74
LIITE 3: Opettajan opas... 83
1 Johdanto
Tämän pro gradu –tutkimuksen tarkoituksena on kehittää valmista opetusmateriaalia lukion kemian opetuksen tarpeisiin. Tutkimus vastaa kemian opettajien tarpeeseen saada valmista opetusmateriaalia sähköisessä oppimisympäristössä tapahtuvaan opetukseen. Nykyinen lukion opetussuunnitelman perusteet1 ja tulevat sähköiset ylioppilaskirjoitukset (kemia, syksy 2018) luovat opettajille tarpeen käyttää tieto-‐ ja viestintätekniikkaa opetuksessa joko sen osana tai tukena.
Kemistit ovat käyttäneet tietokoneita apunaan niiden keksimisestä lähtien. Nykypäivän nopeat ja tehokkaat tietokoneet tarjoavat mahdollisuuden merkittävään lisäpanostukseen tutkimuksiin ja iso osa nykyisestä kemian tutkimuksesta käyttää tietokoneavusteisia menetelmiä apunaan. Siinä missä kemistit yrittävät ennustaa ohjelmien avulla reaktioiden ja synteesien kulkua sekä selittämään reaktiomekanismeja, opettajat käyttävät ohjelmia teorioiden selventämiseen sekä molekyylien rakenteiden tarkasteluun.2 Teknologian kehitys on mahdollistanut tehokkaiden tietokoneiden hankkimisen koulukäyttöön, jolloin niitä voidaan käyttää monipuolisesti oppimisen tukena. Opettajalle jää valinta, tuoko tieto-‐ ja viestintätekniikka lisäarvoa opetukseen.
Tieto-‐ ja viestintätekniikka tuo kemian opetukseen uuden ulottuvuuden, jota kynän ja paperin avulla ei voida saavuttaa. Nykypäivän tietokoneet kykenevät laskemaan raskaitakin laskuja mahdollistaen etsittävien tuloksien saavuttamisen inhimillisessä ajassa. Tämä avaa mahdollisuuden molekyylimallinnusohjelmien käyttämiseen opetuksen yhteydessä esimerkiksi molekyylien 2D-‐ ja 3D-‐rakenteiden, energiatilojen, potentiaalipintojen ja orbitaalien aktiiviseen tarkasteluun ja visualisointiin.
Tutkimusten mukaan molekyylimallinnusta on käytetty pääasiassa molekyylien avaruudellisten rakenteiden ja isomerioiden tarkasteluun, mutta myös orbitaalien ja kemiallisten sidosten on ollut suosittua.3 Ohjelmien hyvä saatavuus mahdollistaa
tutkimuksellisuuden lisäämistä opetukseen ja vahvistaa oppilaan asemaa aktiivisena oppijana. Tämä rikastuttaa oppimista, kun sitä saadaan tapahtumaan mitä moninaisimmissa ympäristöissä.1
Tutkittavaksi molekyyliksi valittiin C-‐vitamiini sen arkipäiväisyyden vuoksi. C-‐vitamiinin voidaan olettaa olevan tuttu käsite kaikille oppilaille. Kaikkia nuoria on opastettu syömään monipuolisesti, jotta myös päivittäiset vitamiinitarpeet täyttyisivät.
Oppimateriaalin kehittäminen C-‐vitamiinin ympärille sitoo kemian ilmiöt johonkin oppilaalle tuttuun aineeseen. Tämä on todettu olevan hyödyllistä opetuksessa, koska oppilaiden on huomattu motivoituvan asioista, jotka liittyvät heidän arkipäivään. Tämä helpottaa myös asioiden linkittämistä johonkin ennalta tunnettuun.4
Tutkielma etenee siten, että kirjallisessa osuudessa esitetään C-‐vitamiiniin ja liukenemiseen liittyviä kemiaa, jonka jälkeen käsitellään kemian oppimiseen liittyvää teoriaa. Tämän jälkeen tarkastellaan, miten tieto-‐ ja viestintätekniikka näkyy koulumaailmassa ja kemian opetuksessa. Lopuksi esitetään kehittämistutkimuksen menetelmä. Tutkimusosuudessa esitetään tutkimuksen aikana havaittu data, jonka jälkeen pohditaan kehitystoimenpiteitä ja toteutetaan ne oppimateriaalin kehittämiseen. Lopuksi vastataan tutkimusta ohjaaviin tutkimuskysymyksiin.
2 C-‐vitamiinin kemiaa
Vitamiinit ovat orgaanisia aineita, jotka ovat välttämättömiä elimistön kasvun, kehityksen ja terveyden ylläpitämisessä. Vitamiineja tunnetaan useita erilaisia ja eri vitamiineilla on omat tehtävät elimistössä. Elimistö ei itse pysty tuottamaan niitä riittävästi eikä tarpeeksi monipuolisesti, joten niitä on saatava ravinnon mukana puutostautien ehkäisemiseksi. Vitamiineja sanotaankin suojaravinto-‐aineiksi. Vitamiinit kuluvat elimistössä ja osa niistä ei varastoidu pitkäaikaisesti, joten niille on asetettu saantisuosituksia jokapäiväisen tarpeen täyttämiseksi (kuva 1). C-‐vitamiinia saa runsaasti hedelmistä sekä kasviksista ja esimerkiksi appelsiinin c-‐vitamiinipitoisuus on 50 mg/100 g ja lehtikaalin 120-‐180 mg/100 g.5
C-‐vitamiini eli askorbiinihappo (2-‐oxo-‐L-‐threo-‐hexono-‐1,4-‐lactone-‐2,3-‐enediol) on elimistölle välttämätön vesiliukoinen vitamiini, jota elimistö ei pysty tuottamaan itse.
C-‐vitamiini on kaksiarvoinen happo (pKa = 4,1 ja pKa = 11,8), jolloin se luovuttaa protonit syklisen rakenteen hydroksyyliryhmistä. C-‐vitamiinilla on useita tehtäviä elimistössä. Sen päätehtävänä on toimia antioksidanttina elimistön erilaisissa kemiallisissa prosesseissa. Antioksidantti on yhdiste, joka pelkistää muita yhdisteitä hapettuen itse. C-‐vitamiini pelkistää esimerkiksi metaboliassa syntyviä erittäin reaktiivisia happiradikaaleja O●-‐ happimolekyyleiksi O2, superradikaaleja O2●-‐
vetyperoksideiksi H2O2 ja rauta ioneja Fe3+ Fe2+:ksi. Pelkistysreaktioissa C-‐vitamiini hapettuu itse dehydroaskorbiinihapoksi (kuva 2). Muita biologisia vaikutuksia on mm.
verenpaineen, atherosgeneesin ja diabeteksen komplikaatioiden vähentäminen.5
Kuva poistettu tekijänoikeudellisista syistä
Kuva 1: Vitamiinien saantisuositukset.6
Kuva 2: C-‐vitamiinin hapettuminen dehydroaskorbiinihapoksi.
O O
OH O
H O H O H
O
O
O O
O H O H
H2
+
2.1 C-‐vitamiini kemiallisesti
Vitamiinit ovat orgaanisia yhdisteitä. Orgaaninen molekyyli koostuu yhdestä tai useammasta toisiinsa liittyneistä hiiliatomeista. Hiiliatomit ovat liittyneet toisiinsa kovalenttisten sidosten avulla joko yksöis-‐, kaksois-‐ tai kolmoissidoksella, jolloin niitä kutsutaan alkaaneiksi, alkeeneiksi tai alkyyneiksi (kuva 3). Toisiinsa liittyneet hiiliatomit muodostavat molekyylin rakenteen, joka voi olla joko ketjumainen eli asyklinen tai rengasmainen eli syklinen (kuva 4). Hiiliatomeihin voi liittyä erilaisia substituentteja, joita kutsutaan funktionaalisiksi ryhmiksi.
Kuva 3: Hiiliatomien väliset sidokset.
Kuva 4: Hiilivetyjen rakenteita.
2.1.1 Kemialliset sidokset: kovalenttinen sidos
Kovalenttinen sidos on yksi vahvoista kemiallisista sidoksista. Kovalenttinen sidos muodostuu kahden epämetalliatomin välille sitoen atomit kahden tai useamman
atomin kokonaisuudeksi, molekyyliksi. Ionisidos muodostuu metalli-‐ ja epämetalliatomin välille ja metallisidos kahden metalliatomin välille.
Kovalenttisen sidoksen muodostumista voidaan yksinkertaisesti perustella atomien vapaiden valenssielektronien jakautumiseen atomien välillä. Valenssielektronit ovat Lewisin mallin mukaan atomin uloimmalla elektronikuorella olevia elektroneita.
Esimerkiksi vedyllä H on yksi valenssielektroni, hiilellä C neljä ja hapella O kuusi.
Sitoutuessaan atomit pyrkivät tilanteeseen, jossa niiden uloin elektronikuori on täynnä elektroneista. Tarkastellaan esimerkkinä vesimolekyylin H2O muodostumista.
Vetyatomin ulkokuorelle mahtuu kaksi elektronia ja happiatomin kahdeksan, jolloin vety tarvitsee yhden ja happi kaksi elektronia, jotta ulkokuori täyttyisi elektroneista.
Vetyatomien sitoutuessa happeen ne saavat tarvittavan elektronin hapelta ja happi puolestaan tarvittavat elektronit vedyiltä, jolloin ne jakavat ulkoelektroninsa muodostaen sidoselektroniparin. Hapen vapaat elektroniparit eivät osallistu sidoksen muodostamiseen (kuva 5). Usein molekyylit piirretään siten, että yksi sidoselektronipari merkitään viivalla ja vapaat elektroniparit jätetään piirtämättä, kuten kuvassa 5.7
Kuva 5: Vesimolekyylin kovalenttiset sidokset.
Kaksoissidoksen muodostumisessa atomien välille muodostuu kaksi sidoselektroniparia, jolloin atomit jakavat neljä elektronia, kuten happimolekyylin O2 muodostumisessa (kuva 6). Kolmoissidoksessa sidoselektroni pareja on kolme, jolloin atomit jakavat kuusi elektronia keskenään.
Kuva 6: Happimolekyylin kovalenttinen kaksoissidos.
2.1.2 Kovalenttisen sidoksen poolisuus
Edellisessä kappaleessa todettiin, että kovalenttisessä sidoksessa atomit jakavat sidoselektronit keskenään. Eri atomeilla on kuitenkin erilaisia kykyjä vetää sidoselektroneja puoleensa, jolloin sidoselektronit jakautuvat atomien välille epätasaisesti, aiheuttaen varauseron. Tämän huomasi kemisti Linus Pauling, joka antoi määritelmän elektronegatiivisuudelle eli atomin kyvylle vetää elektroneja puoleensa.
Mitä suurempi elektronegatiivisuuden arvo, sitä suurempi kyky vetää elektroneja puoleensa. Sen atomin ympärille, jolla on suurempi elektronegatiivisuus, tulee negatiivinen osittaisvaraus δ-‐ ja sidoksen toiselle atomille positiivinen osittaisvaraus δ+, jolloin muodostuu poolinen kovalenttinen sidos.7 Pauling tutki eri atomien elektronegatiivisuuden arvoja ja taulukoi ne elektronegatiivisuustaulukkoon (kuva 7).
Kuva poistettu tekijänoikeudellisista syistä
Kuva 7: Elektronegatiivisuustaulukko.8
Esimerkiksi vetyfluoridilla HF, fluorin ja vedyn elektronegatiivisuusero on suuri (4,0 -‐
2,1 = 1,9), jolloin fluori vetää elektroneja puoleensa aiheuttaen poolisen kovalenttisen sidoksen atomien välille (kuva 8). Vetyfluoridimolekyylille laskettu ja havainnollistettu
elektronitiheyskartta osoittaa, että poolinen kovalenttinen sidos aiheuttaa molekyylille varauseron, jolloin fluori sijaitsee elektronirikkaassa ympäristössä (punainen alue) ja vety elektroniköyhässä (sininen alue).
Kuva 8: Vetyfluoridin elektronitiheyskartta.
Atomien, joiden elektronegatiivisuuden arvot ovat samat tai liki samat, välille muodostuu pooliton kovalenttinen sidos. Näin tapahtuu esimerkiksi happimolekyylille O2, jonka elektronitiheyskartasta huomataan, että varaukset jakautuvat tasaisesti molekyylin ympärille (kuva 9).
Kuva 9: Happimolekyylin elektronitiheyskartta.
2.1.3. Molekyylin poolisuus
Molekyylien poolisuus määräytyy sen atomien välisten kovalenttisten sidosten polaarisuuksista. Polaarinen kovalenttinen sidos aiheuttaa dipolimomentin sidoksessa olevien atomien välille. Dipolimomentti on vektorisuure ja se suuntautuu sidoksen suuntaisesti positiivisesta osittaisvarauksesta negatiiviseen osittaisvaraukseen.
Molekyylin kokonaisdipolimomentti saadaan, kun summataan kaikkien sen sidosten dipolimomentit yhteen (kuva 10). Molekyylin avaruudellisen rakenteen vuoksi polaaristen sidosten aiheuttamat dipolimomentit saattavat myös kumota toisensa, jolloin kokonaisdipolimomentti on nolla ja molekyyli on luonteeltaan pooliton. Näin käy esimerkiksi hiilidioksidilla CO2 (kuva 11), metaanilla CH4 tai sitä pidemmillä alkaaneilla. Vaikka joillakin suoraketjuisilla alkaaneilla, esim. rasvahapoilla, on poolinen funktionaalinen ryhmä ketjun toisessa päässä, niin pitkän poolittoman ”hiilihännän”
vuoksi molekyyli on luonteeltaan pooliton.
Kuva 10: Vesimolekyylin kokonaisdipolimomentti (paksu nuoli).
Kuva 11: Hiilidioksidin kokonaisdipolimomentti on nolla.
2.2 Funktionaaliset ryhmät
Yksinkertaisin orgaaninen yhdiste on metaani, joka koostuu yhdestä hiiliatomista, johon on kovalenttisilla sidoksilla liittynyt neljä vetyatomia. Jos yksi tai useampi vetyatomeista korvataan jollain muulla atomilla, kuten hiilellä C, hapella O, typellä N tai kloorilla Cl, niin molekyylin rakenne ja ominaisuudet muuttuvat. Liittyneitä atomeja
kutsutaan substituenteiksi. Substituenttien avulla voidaan orgaanisista ryhmistä erottaa erilaisia funktionaalisia ryhmiä, kuten esimerkiksi hydroksyyliryhmä, karboksyyliryhmä, karbonyyliryhmä, aminoryhmä, jolloin molekyylejä voidaan luokitella vastaavasti alkoholeihin, karboksyylihappoihin, aldehydeihin ja amiineihin.
Myös hiilien väliset kaksois-‐ ja kolmoissidokset ovat funktionaalisia ryhmiä.
Funktionaaliset ryhmät määräävät molekyylin kemialliset ominaisuudet. Kuvassa 12 on esitetty erilaisia funktionaalisia ryhmiä.
Kuva 12: Erilaisia funktionaalisia ryhmiä.
C-‐vitamiini sisältää useita erilaisia funktionaalisia ryhmiä. Molekyylin hiiliketju sisältää kaksoissidoksen ja siihen on liittynyt myös neljä hydroksyyliryhmää sekä alkoksi-‐ ja karbonyyliryhmä (kuva 13).
Kuva 13: C-‐vitamiinin funktionaaliset ryhmät.
2.3 Molekyylin rakenteen esittäminen
Molekyyli voidaan esittää eri tavoin. Yksinkertainen molekyylikaava esittää, mitä eri atomeja molekyyli sisältää. Esimerkiksi etaanin molekyylikaava on C2H6, josta nähdään, että etaani koostuu kahdesta hiiliatomista C ja kuudesta vetyatomista H.
Molekyylikaava voidaan myös esittää siten, että sen funktionaaliset ryhmät huomioidaan, esim. propaanihappo C3H6O2 voidaan esittää C2H5COOH tai CH3CH2COOH.
Molekyylin rakennekaava on malli, joka esittää, minkälaisilla sidoksilla molekyylin eri atomit ovat sitoutuneet ja asettuneet toisiinsa nähden. Rakennekaavoille on useita eri esitystapoja, jotka kuvataan 2D–tasossa. Otetaan esimerkiksi C-‐vitamiini, jonka molekyylikaava on C6H8O6. C-‐vitamiinin rakennekaava voidaan esittää siten, että piirretään kaikki atomit näkyviin ja niitä yhdistävät sidokset (kuva 14). Rakennekaava voidaan yksinkertaistaa viivakaavaksi siten, että piirretään pelkästään hiilien ja muiden atomien väliset sidokset näkyviin, jolloin hiilet jäävät ”piiloon” viivakaavaan muodostuviin kulmiin ja viivojen päihin (kuva 14). Huomioitava on, että hiileen sitoutuneet vedyt jätetään piirtämättä ja kaikki muut atomit jätetään näkyville.
Rakennekaavan voidaan lisätä molekyylin avaruudellista muotoa. Esimerkiksi metaanissa hiiliatomista lähtee neljä sidosta siten, että kaksi sidosta on samassa tasossa ja kaksi muuta suuntautuvat symmetrisesti tasosta poispäin siten, että kaikilla sidoksilla on sama sidoskulma toisiinsa nähden. Kun molekyylin 3D -‐rakennetta korostetaan, niin hiiliatomista lähtevät sidokset piirretään siten, että kaksi sidoksista on samassa tasossa ja yksi sidoksista suuntautuu tasosta katsojaan päin ja yksi katsojasta poispäin. Tasosta katsojaan päin oleva sidos merkitään paksunevalla viivalla ja poispäin katsojasta olevaa sidosta vaakaraidallisella viivalla (kuva 14). Jos molekyylin rakenne sisältää kaksois-‐ tai kolmoissidoksia, niin sidokseen osallistuvista atomeista lähtee vain samassa tasossa olevia sidoksia.
Kuva 14: C-‐vitamiinin erilaisia rakennekaavoja.
2.4 Molekyylien väliset heikot vuorovaikutukset
Molekyylit vuorovaikuttavat keskenään tavoilla, joita kutsutaan heikoiksi kemiallisiksi vuorovaikutuksiksi. Heikot vuorovaikutukset vaikuttavat aineiden kemiallisiin ominaisuuksiin, kuten kiehumis-‐ ja sulamislämpötiloihin, liukoisuuteen ja viskositeettiin. Heikot vuorovaikutukset aiheutuvat molekyylien funktionaalisten ryhmien ominaisuuksista sekä molekyylin rakenteista ja ne ovat aina heikompia sidoksia kuin kovalenttiset sidokset. Heikkoja vuorovaikutuksia ovat mm.
dispersiovoimat, dipoli-‐dipolisidos, vetysidos ja ioni-‐dipolisidos (kuva 15). Molekyylien välillä saattaa olla useita erilaisia heikkoja vuorovaikutuksia muiden molekyylien kanssa sekä myös itsensä kanssa, jolloin puhutaan intramolekulaarisista vuorovaikutuksista.
Kuva 15: Molekyylien väliset heikot vuorovaikutukset.7 s.536
Molekyylien väliset vuorovaikutukset johtuvat molekyylien varausjakaumista.
Sähköiset dipolit, ionit ja polarisaatio aiheuttavat molekyyleihin pysyviä ja hetkellisiä varauksia ja ne vuorovaikuttavat viereisten molekyylien varauksien kanssa. Sähköisesti erimerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa, jolloin puhutaan attraktiivisesta vuorovaikutuksesta. Samanmerkkiset varaukset puolestaan hylkivät toisiaan, jolloin puhutaan repulsiivisesta vuorovaikutuksesta. Molekyylien varauksien käyttäytymisiä voidaan yksinkertaisimmillaan mallintaa Coulombin lain avulla (yhtälö 1), joka tarkastelee kahden pistemäisen varauksen q1 ja q2 välistä potentiaalienergiaa niiden ollessa etäisyyden r päässä toisistaan
, (1)
jossa ɛ0 on luonnonvakio tyhjiön permitiivisyydelle. Yhtälöstä (1) huomataan että, kun kaksi erimerkkistä varausta lähestyvät toisiaan, saavuttavat ne energiaminimin, kun niiden etäisyys r on mahdollisimman pieni. Molekyylejä ei kuitenkaan voida ajatella pistemäisinä varauksina niiden fyysisen koon vuoksi, jolloin molekyylin atomien positiivisten ytimien lähestyessä toisiaan alkaa repulsiiviset voimat vaikuttamaan.
Tämä havaitaan seuraavasta potentiaalienergiakäyrästä (kuva 16), joka mallintaa kahden atomin tai molekyylin välistä potentiaalienergiaa F etäisyyden R funktiona.
Kuvaajasta voidaan määrittää dissosiaatioenergia Fm, joka tarkoittaa sitä energiamäärää, joka vaaditaan vuorovaikutuksen katkaisemiseksi. Molekyylien ollessa r0 etäisyyden päässä toisistaan, tilannetta kutsutaan minimienergiarakenteeksi
Kuva poistettu tekijänoikeudellisista syistä
Kuva 16: Atomien ja molekyylien välisten vuorovaikutusten suuruus etäisyyden R funktiona.9
2.4.1 Dipoli-‐dipolisidos ja vetysidos
Dipoli-‐dipoli –sidokset muodostuvat vain poolisten molekyylien välille. Molekyylien pooliset funktionaaliset ryhmät ja rakenne aiheuttavat sen, että molekyylin atomeilla on pysyviä negatiivisia ja positiivisia osittaisvarauksia, dipoleja. Näiden dipolien positiiviset osat δ+ vetävät toisen dipolin negatiivista osaa δ-‐ puoleensa, jolloin niiden välille muodostuu dipoli-‐dipolisidos (kuva 17).
Kuva 17: Asetonimolekyylien väliset dipoli-‐dipolisidokset.
Vetysidos on dipoli-‐dipolisidoksen erityistapaus. Vetysidokseen osallistuvista atomeista, toinen on aina vety, joka on kovalenttisesti sitoutunut huomattavasti elektronegatiivisempaan atomiin, kuten happeen O, typpeen N tai fluoriin F.
Elektronegatiivisuuseron takia vety saa positiivisen osittaisvarauksen δ+ ja toinen atomi negatiivisen osittaisvarauksen δ-‐. Vedyn positiivinen varaus vetää puoleensa viereisen molekyylin negatiivista osittaisvarausta, jolloin muodostuu vetysidos (kuva 18)
Kuva 18: Vesimolekyylien välinen vetysidos.
2.4.2 Ioni-‐dipolisidos
Ioni-‐dipolisidos muodostuu ionisen atomin tai molekyylin ja poolisen molekyylin välille.
Poolisen molekyylin negatiivinen osa muodostaa ioni-‐dipolisidoksen kationien kanssa ja positiivinen osa anionien. Esimerkiksi ruokasuolan eli NaCl liuetessa veteen, veden negatiivisesti varautunut happiatomi muodostaa sidoksen positiivisen kationin Na+ kanssa (kuva 19) ja veden positiivisesti varautuneet vetyatomit negatiivisen anionin Cl-‐
kanssa.
Kuva 19: Vesimolekyylin ja natriumionin välinen ioni-‐dipolisidos.
2.4.3 Dispersiovoimat
Dispersiovoimat, joita kutsutaan myös Van der Waalsin voimiksi, johtuvat elektronijakaumien vaihteluista atomien ja molekyylien ympärillä. Kun elektronit liikkuvat vapaasti atomin ympärillä, ne joutuvat tilanteeseen, jossa molemmat elektronit ovat atomin samalla puolella aiheuttaen negatiivisen osittaisvarauksen, hetkellisen dipolin, kuten heliumatomin tapauksessa (temporary dipole, kuva 20).
Dipolin positiivinen osittaisvaraus muodostuu atomin ytimen protoneista.
Kuva 20: Heliumatomin hetkellisen dipolin muodostuminen. Mustat pisteet kuvaavat elektroneja.
Hetkellinen dipoli indusoi viereiseen atomiin tai molekyyliin samansuuntaisen dipolin, jolloin negatiivinen osittaisvaraus vetää viereisen molekyylin positiivista varausta puoleensa (kuva 21).
Kuva 21: Heliumatomien välinen dispersiovoima.
Dispersiovoimien suuruus riippuu elektronien liikkuvuudesta, eli kuinka voimakkaasti atomin ydin vetää elektroneja puoleensa, mitä kauempana elektronit ovat ytimestä sitä herkemmin elektronit liikkuvat. Molekyylin muoto vaikuttaa myös dispersiovoimien suuruuteen, mitä enemmän molekyylillä on vuorovaikuttavaa pintaa viereisen molekyylin kanssa, sitä laajemmin dispersiovoimat vaikuttavat niiden välillä.
(kuva 22)
Kuva 22: Heksaanilla dispersiovoimat vaikuttavat koko molekyylin matkalla.
2.5 IR-‐spektroskopia
IR-‐spektroskopiaa käytetään orgaanisessa kemiassa yhdisteiden funktionaalisten ryhmien tunnistamiseen. Infrapunasäteily (IR, eng. infrared) on sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on korkeampi kuin näkyvän valon aallonpituus.
Infrapunasäteilyä esiintyy aallonpituusalueella 2,5 – 25 µm. IR-‐aallonpituusalue esitetään spektroskopiassa usein aaltolukuina, jolloin aaltolukualue on 4000 cm-‐1 – 400 cm-‐1. Molekyylit mallinnetaan usein staattisina kuvina, mutta todellisuudessa niissä tapahtuu jatkuvaa liikettä, värähtelyä ja taipumisia. Molekyylin atomien väliset sidokset venyvät ja supistuvat sekä atomista lähtevät sidokset taipuvat toisiinsa nähden jatkuvasti aiheuttaen värähtelyjä. Nämä värähtelyt ovat jokaiselle sidokselle
ominaisia ja niiden taajuudet vastaavat infrapunasäteilyn taajuuksia. IR-‐
spektroskopiassa yhdisteen läpi saatetaan infrapunasäteilyä, jolloin sidosten värähtelyjä vastaavat aallonpituudet absorboituvat sidoksiin ja vastaanottimille saadaan vain yhdisteen läpi transmittoituneet säteilyt. IR-‐spektri esitetään kuvaajalla, jossa y-‐akselilla on transmittoituneen säteilyn suhteellinen osuus ja x-‐akselilla säteilyä vastaava aaltoluku (kuva 23). IR-‐spektriltä luetaan spektripiikin aaltoluku, jota verrataan kirjallisuusarvoihin ja voidaan päätellä, mitä sidosta spektrin piikki vastaa.10
Kuva poistettu tekijänoikeudellisista syistä
Kuva 23: 2-‐propanolin (ylempi) ja propanolin (alempi) IR-‐spektrit.11
3. Liukeneminen
Liukeneminen on kemiallinen reaktio, jossa kaksi tai useampi homogeenistä faasia muodostaa yhden homogeenisen faasin, liuoksen. Liuos sisältää sen pääkomponentin eli liuottimen (eng. solvent), johon muut aineet liukenevat (eng. solute). Liuos, liuotin ja liukeneva aine voivat olla joko kaasumaisia, kiinteitä tai nesteitä (taulukko 1).
Taulukko 1: Erilaisia liuostyyppejä7 s.611
Liuottimen faasi Liukenevan aineen faasi
Liuosfaasi Liuostyypin esiintyminen
Kaasu Kaasu Kaasu Ilma
Neste Neste Neste
Kaasu Neste Kiinteä
Neste Hiilihapotettu vesi Alkoholijuoma Merivesi
Kiinteä Kiinteä Kiinteä Pronssi
Liukenemisen aikana liuotin molekyylit korvaavat keskinäiset vuorovaikutukset liukenevien molekyylin kanssa. Tarkastellaan kuvaa 24, jossa liukeneva-‐aine ja liuotin ovat omissa faaseissaan ja muodostavat vuorovaikutuksia vain samassa faasissa olevien molekyylien kanssa. Kun faasit yhdistyvät, liuotin molekyylit korvaavat liuotettavan aineen molekyylien väliset vuorovaikutukset omilla vuorovaikutuksilla, jolloin liukeneva aine joutuu liuottimen ympäröitäväksi. Lopulta saavutetaan tilanne, jossa liukeneva aine on vuorovaikutuksessa vain liuotin molekyylien kanssa.
Liukenemisreaktion toteutumiseksi liuotin molekyylien vuorovaikutusten täytyy olla suurempia kuin liukenevien aineiden vuorovaikutukset. Pooliset molekyylit muodostavat keskenään voimakkaampia vuorovaikutuksia kuin poolittomat (kuva 15), joten pooliton liuotin ei pysty liuottamaan poolisia yhdisteitä, mutta liuottaa poolittomia yhdisteitä. Tästä tulee sanonta ”samanlainen liuottaa samanlaista”.
3.1. Energianmuutokset liukenemisessa
Systeemin entropia S ohjaa liukenemisreaktion kulkua. Entropialla tarkoitetaan energian hajaantumista (eng. energy dispersal) systeemissä.7 s.882 Yleisesti ajatellaan, että luonto pyrkii tilaan, jossa energia ei olisi paikallistunut tietylle alueelle vaan hajaantuisi koko systeemiin tai, että energia muuttuisi vähemmän järjestelmällisempään muotoon. Toisin sanoen, mitä monimuotoisempana energia esiintyy, sitä suurempi on entropia. Termodynamiikan toinen pääsääntö sanoo, että mikä tahansa spontaani muutos eristetyssä systeemissä on seuraamus entropian kasvusta. Esimerkiksi liukenemisreaktiossa kaksi järjestäytynyttä faasia (solute ja solvent) sekoittuvat, jolloin entropia kasvaa epäjärjestyksen kasvaessa (kuva 24). Eli kun S > 0, puhutaan kasvavasta entropiasta ja kun S < 0, niin vähenevästä entropiasta.
Kuva 24: Liukenemisreaktiossa entropia kasvaa, jolloin S > 0.
Liukeneminen on energian muutos tapahtuma, jossa ympäristön kanssa vaihtuvan energian määrää kuvaa termodynaaminen suure, entalpian muutos ΔH. Reaktion entalpian muutos voidaan laskea yhtälön (2) avulla, kun tunnetaan systeemin sisäenergian muutos ΔE sekä paine p ja tilavuuden muutos ΔV
ΔH = ΔE + pΔV. (2)
Reaktion sisäenergian muutos ΔE tarkoittaa systeemin muutostapahtuman alku-‐ ja lopputilanteen sisäenergioiden erotusta. Sisäenergia E on summa kaikista systeemin potentiaali-‐ ja kineettisistä energioista, joka on sitoutunut esimerkiksi molekyylin värähdyksiin sekä sidoksiin. Sisäenergian muutos ΔE tarkoittaa kaikkea sitä energian määrää, mitä systeemi vaihtaa ympäristön kanssa kemiallisissa reaktioissa. Tämä sisältää lämpöenergian muutoksen sekä mahdolliseen laajenemiseen tehdyn työn.
Reaktion entalpian muutosta kutsutaan myös reaktion lämmöksi, jos reaktio tapahtuu vakiopaineessa. Kun ΔH < 0, niin reaktio vapauttaa energiaa ympäristöönsä, jolloin puhutaan eksotermisestä reaktiosta. Kun taas ΔH > 0, niin reaktio sitoo energiaa ympäristöstä, jolloin puhutaan endotermisestä reaktiosta.
Molekyylit ovat kiinni toisissaan heikkojen vuorovaikutusten avulla. Vuorovaikutusten katkaiseminen vaatii energiaa, mutta vuorovaikutusten uudelleen muodostaminen toisen molekyylin kanssa vapauttaa energiaa. Ajatellaan tilannetta eristetyssä systeemissä, jolloin energiaa ei tule ulkopuolelta. Liukenevien (solvent–solvent) ja liuotin (solute-‐solute) molekyylien keskinäisten vuorovaikutusten katkaiseminen ovat endotermisia tapahtumia ja ne vaativat energiaa ΔHsolute ja ΔHsolvent verran. Niiden sekoittuminen keskenään muodostaa uusia vuorovaikutuksia (solvent-‐solute), jotka ovat puolestaan eksotermisiä tapahtumia, jolloin vapautuu energiaa ΔHmix verran.
Hessin lain mukaan liuoksen muodostumisen kokonaisenergia ΔHsoln on summa näistä energioista, jolloin7 s.616
ΔHsoln = ΔHsolute + ΔHsolvent + ΔHmix. (2)
Kaikkien kemiallisten reaktioiden, kuten myös liukenemisreaktion tapahtumista kuvaa Gibbsin energian yhtälö. Gibbsin energian muutos ΔG on termodynaaminen suure, jonka avulla voidaan ennustaa, tapahtuuko reaktio spontaanisti. Kun tunnetaan reaktion entalpian muutos ΔH ja entropian muutos ΔS vakiolämpötilassa T (yksikkö Kelvineinä K), voidaan Gibbsin energian muutos laskea yhtälöstä
ΔG = ΔH – TΔS. (3)
Kun ΔG < 0, niin reaktio tapahtuu spontaanisti ja kun ΔG > 0, niin reaktio on ei-‐
spontaani. Koska liukenemisessa entropia aina kasvaa, yhtälöstä 3 huomataan, että liukenemisessa entropian S sisältämä termi ohjaa aina spontaaniin reaktioon. Tämä johtaa siihen, että liukenemisreaktion toteutuminen spontaanisti riippuu liukenemisentalpian ΔHsoln suuruudesta. Tarkastellaan seuraavaksi eri tilanteita.
1. Kun │ΔHsolute + ΔHsolvent│<│ΔHmix│, niin yhtälön (2) mukaan ΔHsoln < 0, jolloin liukenemisreaktio on eksoterminen. Tällöin ΔG < 0 yhtälön (3) mukaisesti ja reaktio tapahtuu spontaanisti.
2. Kun │ΔHsolute + ΔHsolvent│ = │ΔHmix│, niin ΔHsoln = 0, niin reaktion ΔG < 0 ja reaktio tapahtuu spontaanisti, koska entropian kasvu (liukenemisreaktiossa S > 0) ohjaa liukenemisreaktion kulkua.
3. Kun │ΔHsolute + ΔHsolvent│>│ΔHmix│, niin ΔHsoln > 0, niin reaktion ΔG > 0, jolloin reaktio ei tapahdu spontaanisti. Riittävän suuri entropian kasvu tai lämpötilan kasvaminen saattavat riittää liukenemisreaktion toteutumiseen, jolloin ΔG < 0.
3.2 Oppimisen haasteet liukenemisessa
Monet kemian opiskelijat ponnistelevat kovasti oppiakseen oppiainetta, mutta eivät siltikään menesty siinä hyvin. Yksi syy tälle voi olla, että opiskelijat eivät opi kemian perusteita, joiden pohjalta pyritään selittämään myöhemmin laajempia kokonaisuuksia.12,13 Liukenemisen kemia sisältää monia eri kemiallisia ilmiöitä ja käsitteitä ja jos johonkin aikaisemmin opetettuun asiaan on jäänyt väärinymmärryksiä tai puutteellisia tietoja, niin kokonaiskuva liukenemisesta ei välttämättä synny tai saattaa syntyä uusia virhekäsityksiä. Özmanin ja Nahum et al. 13,14 mukaan kemialliset sidokset ovat avain molekyylin rakenteeseen, joka puolestaan liittyy läheisesti molekyylin fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin, kuten liukenemiseen. Kemiallinen sidos opetetaan usein käyttämällä monenlaisia malleja, jotka perustuvat eri periaatteisiin ja joiden symbolista esitystapaa oppilaan oletetaan osaavan tulkita.14 Kemiallista sidosta pidetäänkin niin oppilaiden, opettajien kuin tutkijoiden mielestä hankalana aiheena.14 Opettajat käyttävät monipuolisesti eri representaatioita ilmiöiden selittämisessä, jolloin oppilaat saattavat ottaa nämä uudet esitystavat vain uutena opittavana asiana eikä ilmiön selittämisen helpottavana tekijänä.15 Opettajien käyttämät opetusmateriaalit, kuten tekstit, mallit ja multimediamateriaalit voivat olla oppilaiden näkökulmasta monitulkintaisia.16
Ebenezer ja Erickson havaitsivat tutkimuksessaan,16 että oppilaiden visuaaliset havainnot makrotasolla ohjasivat heidän järkeilyä mikrotasolla (Johnstonen kemiallisen tiedon kolme tasoa kpl 4.2). Tutkijat liuottivat kiinteää sokeria veteen, jolloin osa tutkittavista päätteli, että sokeri muuttui nestemäiseksi. Tutkijat huomasivat myös, että arkikielen sekoittuminen kemiallisten ilmiöiden selittämiseen aiheutti haasteita ymmärryksen saavuttamiseksi. Tämä johtuu Ebenezerin ja Ericksonin mukaan siitä, että oppilaiden oletetaan oppivat kemian kieli nopeasti, jolloin heidän käyttämän arkikielen ja kemian kielen erot eivät aiheuttaisi väärinymmärryksiä. Heidän artikkelissa todettiin, että esimerkiksi arkikielessä sokerijyvää saatetaan kutsua partikkeliksi, kun
taas oppikirjat ja opettajat käyttävät partikkelia kuvaamaan atomia, molekyyliä tai ionia. He huomasivat myös, että liukeneminen saatettiin sekoittaa sulamiseen ikään kuin ne olisivat synonyymejä toisilleen.16
4 Kemian opetus ja oppiminen
Kemia on kokeellinen tiede, joka tutkii aineiden ominaisuuksia ja niiden rakenteita sekä muuttumista toisiksi aineiksi.17 Kemiaa aletaan opettamaan jo ala-‐asteella ympäristöopin oppisisällöissä 3.-‐6. luokilla yhdessä muiden luonnontieteen alojen kanssa.18s.239 Yläkoulussa kemia erotetaan omaksi oppiaineeksi muista luonnontieteen aineista ja se kuuluu perusopetuksen opetussuunnitelmien perusteisiin 7.-‐9.
luokilla.18s.393 Lukion opetussuunnitelman perusteet määrää, että ylioppilaaksi valmistuvan on opiskeltava kemiaa vähintään yhden pakollisen kurssin verran, jonka teemana on ”kemiaa kaikkialla”. Pakollisen kurssin lisäksi kemiaa voidaan valita 4:n syventävän kurssin verran, jolloin saavutetaan lukion pitkän kemian oppimäärä.1s.158 Usein lukioissa järjestetään syventävien kurssien lisäksi soveltavia kemian kursseja.
Kemiaa pidetään yleisesti vaikeana oppiaineena oppilaiden keskuudessa.19 Monet kemian käsitteet ovat abstrakteja ja niiden selittämiseksi tarvitaan analogioita ja malleja. Lukuisat käsitteet ja kemian kieli saattavat aiheuttaa väärinymmärryksiä ja vaikeuksia oppilaiden keskuudessa. Kemian oppikirjat sisältävät pääasiassa kemian abstrakteinta tasoa, symboliikkaa.20 Siinä missä muut tieteenalat sisältävät vain kirjallisia esitystapoja, niin kemia sisältää lisäksi kaavamuotoisen esitystavan ja kuvallisen esitystavan.17
Lukion opetussuunnitelmien perusteissa (LOPS) sanotaan, että kemian opetuksen tehtävänä on ”tukea opiskelijan luonnontieteellisen ajattelun ja nykyaikaisen
maailmankuvan kehittymistä osana monipuolista yleissivistystä”.1s.157 LOPS jatkaa, että
”opetus ohjaa ymmärtämään kemian ja sen sovellusten merkitystä jokapäiväisessä elämässä”. LOPS pitää kemian opetuksen lähtökohtana elinympäristöön liittyvien aineiden ja ilmiöiden havainnointia ja tutkimista. Kemian teorioihin edetään opiskelijoiden aikaisemmista kokemuksista siten, että käsitteet ja ilmiöt rakentuvat kokonaisuudeksi, jossa kemian makroskooppinen, mikroskooppinen ja symbolinen taso (kappale 4.2) muodostavat loogisen kokonaisuuden.19, 1
4.1 Oppimiskäsitys
LOPS pohjautuu oppimiskäsitykseen, jonka mukaan oppiminen on seurausta opiskelijan aktiivisesta, tavoitteellisesta ja itseohjautuvasta toiminnasta ja että oppimisprosessin aikana opiskelija pyrkii käyttämään aikaisempia kokemuksia ja tietojaan erilaisten informaatioiden tulkitsemiseen, analysointiin ja arviointiin sekä uuden tiedon rakentamiseen.1s.14 Nämä pohjautuvat oppijakeskeiseen konstruktivistiseen oppimiskäsitykseen, joka on nykypäivänä yleisesti käytetty oppimiskäsitys. Siinä oppilaan aktiivisuutta korostetaan ja opettajan rooli tiedonjakajana on muuttunut opetustilanteiden järjestäjäksi ja ohjaavaksi.21
Johnstone kuvaa tiedon prosessointia seuraavalla tavalla. Ihmisellä on käytettävissä työmuisti (eng. working place) ja pitkäaikaismuisti (eng. long-‐term memory). Työmuisti vastaanottaa suodatettua tietoa, joka on valittu sen mukaan, kokeeko ihmisen havaintokyky sen tarpeelliseksi. Tätä tietoa prosessoidaan vertailemalla sitä ennalta opittuun tai muokkaamalla sitä. Työmuisti voi käsitellä ja säilyttää tietoa vain rajatun määrän ja ajan, jonka jälkeen tieto päätetään joko poistaa tai säilyttää. Tieto säilötään pitkäaikaismuistiin, jolloin se pyritään linkittämään johonkin ennalta tiedettyyn.
Johnstone sanoo, että jos uutta tietoa ei pysty linkittämään mihinkään ennalta tiedettyyn, niin se saatetaan liittää johonkin väärään yhteyteen, joka johtaa
väärinymmärryksiin. Uusi tieto saatetaan myös yrittää säilöä linkittämättömänä, jolloin se saattaa hävitä helposti. 19
Phelpsin tutkimusten mukaan4 kemian opetus, jossa käytetään apuna tuttuja kemiallisia aineita, on hyödyllistä opiskelijoille. Tämä jo senkin takia, että oppilaat motivoituvat asioista, jotka liittyvät heidän arkipäivään. Myös Johnstonen mukaan, kun käsitellään niitä asioita, jotka oppilaat havaitsevat kiinnostaviksi ja tutuiksi, niin heidän on helpompi kiinnittää uusi tieto heidän pitkäaikaismuistiin.
4.2 Johnstonen ja Mahaffyn kemiallisen tiedon tasot
Kemia koetaan haasteelliseksi, koska monia kemiallisia reaktioita voidaan havainnoida, mutta niitä voidaan selittää vain partikkeleiden avulla. Johnstone jakaa kemiallisen tiedon kolmeen eri tasoon: makro, (sub)mikro ja symboliseen tasoon. Johnstone kuvaa tasoja kolmiolla: jokainen taso on kolmion kärjessä, yksikään taso ei ole toista tärkeämpi, mutta kaikki tasot täydentävät toisiaan (kuva 25).19
Kuva 25: Johnstonen kolmio.19
Johnstone määrittää tasot seuraavalla tavalla: makrotaso kuvastaa kaikkea mitä voidaan aistein havaita esim. laboratoriossa tai luonnossa; mikrotaso kuvastaa kaikkea sitä, mitä ei voida havaita, kuten aineiden käyttäytymisiä ja rakenteita; symbolinen taso sisältää kemian merkkikielen, reaktioyhtälöt, kaavat ja matematiikan, joiden avulla yritetään selittää mikro-‐ ja makrotason välisiä yhteyksiä.19,20 Mahaffyn mukaan kolmiomalli ei riitä täysin kuvaamaan kaikkea kemiallisen tiedon tasoja, vaan tarvitaan vielä yksi taso: kemian inhimillisen yhteyden taso.22 Mahaffy esittää, että inhimillinen yhteys huomioi tiedon siitä, miten oppilaat oppivat sekä miten kemia liittyy heidän ja yhteiskunnan elämään. Mahaffy korostaakin tarvetta yhdistää kemian tiedon ja oppilaiden kokemukset, jolloin aktiivisen opiskelun ja tapauskohtaisten tutkimusten tekeminen linkittää koulukemian oppilaiden arkielämään.22
Johnstonen mukaan kokeneempi kemisti osaa käsitellä kaikkia kolmea tasoa, mutta kemiaa opiskelevalle tämä ei ole mahdollista.19 Opiskelijoiden ei tarvitse olla jatkuvasti tekemisissä kaikkien kolmen tason kanssa, mutta opettajat saattavat huomaamatta liikkua tasojen välillä, jolloin opiskelijoille saattaa jäädä epäselväksi tasojen välinen yhteys. Tämä johtaa siihen, että tiedon palaset eivät kytkeydy mihinkään, jolloin opiskelijoille jää pirstaleinen kuva kemiallisista ilmiöistä. Auttamalla opiskelijoita tiedostamaan ja ymmärtämään kemiallisen tiedon tasojen väliset yhteydet, annetaan opiskelijoille paremmat mahdollisuudet käsitteiden ymmärtämiseen.20
4.3 Oppilaiden virhekäsitykset liukenemisen kemiassa
Kemian opiskelijoiden virhekäsityksiä oppiaineessa on tutkittu paljon ja niitä on havaittu kaikissa kemian ilmiöissä. Aikaisemmin todettiin, että oppilailla on haasteita oppia kemian perusteita, jolloin laajempien kokonaisuuksien, kuten liukenemisen, oppiminen muuttuu myös haasteelliseksi. Özmen kokoaa artikkelissaan13 eri tutkimusten tuloksina havaittuja oppilaiden virhekäsityksiä kemiallisista sidoksista,
sidosten ja molekyylien poolisuuksista sekä molekyylin rakenteista. Özmanin koosteessa kovalenttisten sidosten poolisuudessa oli virhekäsityksiä muun muassa siinä, että kaikissa kovalenttisissa sidoksissa elektronit jakautuisivat tasaisesti tai poolisuus riippuisi sidokseen osallistuvien atomien valenssielektronien lukumäärästä.
Molekyylin poolisuudessa oli virhekäsityksiä siinä, että oppilaat ajattelivat poolittoman molekyylin koostuvan pelkästään atomeista, joilla on sama elektronegatiivisuuden arvo tai että pooliset sidokset aiheuttavat aina molekyylin poolisuuden. Elektronegatiivisuus tulee opetuksessa mukaan vain kovalenttisten sidosten yhteydessä ja sitä käytetään määrittelemään, onko jokin sidos ioninen vai kovalenttinen.14 Molekyylin poolisuuden sanottiin myös aiheutuvan ei-‐sitovien elektroniparien aiheuttamasta osittaisvarauksesta esimerkiksi molekyylin OF2 tapauksessa. Molekyylien välisten vuorovaikutusten (eng. intermolecular forces) sanottiin olevan molekyylin sisällä olevia voimia.13 Ebenezer havaitsi tutkimuksissaan,16 että liuotettaessa sokeria veteen, oppilaat arvelivat sokerin muuttuvan kiinteästä nestemäiseksi, jolloin tapahtuisi aineen olomuodon muutoksia. Tämä tuki havaintoa siitä, että oppilaat käyttivät sanoja sulaminen ja liukeneminen synonyymeinä. Samassa tutkimuksessa havaittiin, että sokerin liuetessa veteen muodostuisi sokerin ja veden väline yhdiste: ”sokeri-‐vesi”, joka poikkeaa lähtöaineista, niin ulkomuodoltaan kuin maultaan.
Yleisesti atomien väliset sidokset mielletään oikeiksi kemiallisiksi sidoksiksi, mutta molekyylien välisiä sidoksia vain voimiksi. Esimerkiksi van der Waalsin voimien ja vetysidosten ajateltiin olevan molekyylien toisia puoleensa vetäviä voimia, eikä sitoutumista tapahtuisi.23 Henderleiten et al.24 tutkivat oppilaiden käsityksiä vetysitoutumisesta. He havaitsivat tutkimuksissaan, että jotkut oppilaat ajattelivat, että vetysidokseen kykenevä molekyyli pystyisi saattamaan ei-‐vetysidokseen kykenevän molekyylin sitoutuvan vetysidoksella. Osalla tutkittavilla oli myös virhekäsityksiä vetysidoksen aiheuttamista molekyylin fysikaalisista ominaisuuksista, kuten molekyylin funktionaalisten ryhmien vaikutuksesta kiehumispisteeseen. Jotkut myös ajattelivat, että kiehumisen aikana molekyylin kovalenttiset sidokset katkeaisivat.
Karacop ja Doymus havaitsivat myös virhekäsityksiä vetysidoksien muodostumisessa.25
Osa tutkittavista virheellisesti päättelivät vetysidoksen muodostuvan kahden vesimolekyylin vetysidosten välille.
Liukeneminen on termodynaaminen reaktio. Kind havaitsi kirjallisuustutkielmassaan,26 että jotkut oppilaat arvelivat energiaa vapautuvan, kun sidokset katkeavat. Tähän päätelmään päästiin, kun oppilaat ajattelivat polttoaineen olevan energiavarasto, jonka molekyylien sidoksiin oli varastoitunut energiaa, joka vapautuisi niiden katketessa.
5. Mallit ja mallintaminen kemiassa
Mallit ja mallintaminen ovat tärkeässä roolissa kemian opetuksessa, oppimisessa ja tutkimuksissa, jolloin aineiden ominaisuuksia ja muuttumisia toisikseen tehdään näkyviksi erilaisilla symboleilla ja visualisoinneilla.27s.11,3 Kemian abstraktin luonteen vuoksi monia kemian käsitteitä ja ilmiöitä ei voi selittää ilman malleja.20 Mallit ovat alun perin luotu tuomaan kemian mikrotason ilmiöt visuaaliseksi, jolloin niillä pyritään yksinkertaistamaan kemiallisia ilmiöitä.28 LOPS huomioi mallien käytön kemian opetuksen tavoitteissa mainiten, että: ”opiskelija osaa käyttää erilaisia malleja ilmiöiden kuvaamisessa ja selittämisessä sekä ennusteiden tekemisessä”.1
5.1 Mallit
Mallien ja mallintamisen kohteina ovat kemian mikrotason ilmiöt, joita ei voida muuten havaita, jolloin ne tuodaan visuaaliseksi. Visualisointiin voidaan käyttää apuna esimerkiksi kynää ja paperia, tietokoneita, eleitä tai omaa ajattelua.29 Mallien
katsotaan yhdistävän luonnon ja teorian, sekä ne määritellään joukkona representaatioita, sääntöjä ja perusteltuja rakenteita, joten niiden avulla voidaan muodostaa ennustuksia ja selityksiä sekä määrittää aineiden käyttäytymisiä.28
Malleja on erityyppisiä ja Gilbert et al.28 jaottelevat niitä seuraavasti: konkreettinen malli (esim. muovinen molekyylimalli), verbaalinen malli (kielikuvien käyttö puheessa tai kirjoitettu kuvaus), matemaattinen malli (matemaattisista yhtälöt, jotka kuvaavat tiettyä ilmiötä, esim. yleinen kaasulaki), visuaalinen malli (kuva tai kuvaaja) tai elehditty malli (käsien liike). Harrison lisää malleihin vielä teoreettisen mallin (elektronien sijoittuminen atomin ympärille) sekä reaktioyhtälöt (mallintavat kemiallisen reaktion kulkua).30
Mallit ovat kehittyneet ajan saatossa tieteen kehittyessä ja ne lähtevät kehittymään uusien mentaalimallien pohjalta. Mentaalimalli on jonkun henkilökohtainen malli ilmiöstä, joka muuttuu julkiseksi malliksi, kun se esitetään. Julkista mallia testataan, arvioidaan ja kehitetään eri sosiaalisten ryhmien toimista, jonka jälkeen se voidaan hyväksyä konsensusmalliksi. Kun konsensusmalli saavuttaa hyväksynnän tiedeyhteisöltä sitä voidaan pitää tieteellisenä mallina tai jos se muuttaa uusien tutkimusten valossa jotain aikaisempaa mallia, niin saavutetaan historiallinen malli.
Niitä tieteellisiä tai historiallisia malleja, joita sisällytetään opetussuunnitelmiin, käytetään, usein yksinkertaistettuna, opetussuunnitelmamalleina. Näitä malleja opettajat ja oppilaat saattavat muokata opetus käyttöön soveltuviksi opetusmalleiksi.
Hybridimallit ovat sekoitus tieteellisistä, historiallisista ja opetussuunnitelmallisista malleista.17, 28
Mallien käyttämisessä on tiedostettava aina, että se on arvaus, miten systeemiä voidaan kuvata. Jokaisella mallilla on omat rajoituksensa ja mahdollisuutensa, eikä täydellistä mallia ole olemassa.17 Kemian alan asiantuntijat käyttävät malleja säännöllisesti ja ovat näin harjaantuneita niiden tulkitsemisessa. Mallit voivat sisältää
