Alkuaineiden opetus historiallisesta näkökulmasta

Transkriptio

1 Alkuaineiden opetus historiallisesta näkökulmasta Opetettava luokka: yläkoulu 7lk, suositelteltava 75min tai 2*45min tavoitteet Oppilaat tiedostavat tutkimuksen ja kokeiden teon merkityksen tieteellisen tiedon hankinnassa Oppilaat osaavat tutkia aineita ja tehdä päätelmiä tuloksista. Oppilaat ymmärtävät millaisia aineita alkuaineet ovat ja osaavat myös kemiallisia merkkejä. Tunnin yleiskuvaus: Alla erillisien kappaleiden kohdalla tarkempi tieto, jota voi hyödyntää tunnin läpiviemiseen, mm. historiaa ja tutkimuslomakkeet. Tässä yleiskuvaus tunnin sisällöstä 1. virittäytyminen (10-30min) Matkataan opettajan johdolla ajassa taaksepäin 1600-luvulle. Opettaja voi käyttää kertomuksessaan apuna powerpointilla näytettäviä kuvia 1600-luvun laboratorioista, työvälineistä, alkemisteistä sekä ajanhengen mukaisesta alkuaine näkemyksestä: tuli, vesi, ilma ja maa. Tärkeintä ymmärtää, ettei kemia nykyisellään ollut vielä 1600-luvulla syntynyt ja näkemykset aineesta perustuivat juurikin puhtaasti antiikin tieteen tapaan pohdintaan eikä kokeelliseen testaukseen ja siitä havainnointiin. Myös näkemys siitä mitä on alkuaine poikkeaa nykyisestä. Esitellään Boyle ja hänen näkemys alkuaineesta sekä vaatimus kokeellisuudesta kemiallisen tiedon perustana. Kokeellisuuden myötä todistettiin vääräksi vallalla olleet näkemykset muutamasta alkuaineesta ja mahdollistui nykyisin tuntemiamme alkuaineiden löytäminen. Tähän yhteyteen, mikäli aika sallii voi opettaja esittää demon, jossa kumoaa väitteen vedestä alkuaineena polttamalla muodostamaansa vetykaasua. Tämä on koe, jonka Boyle on myös tehnyt, tosin hän ei itse tunnistanut vetyä alkuaineeksi eikä ymmärtänyt kumonneensa vettä alkuaineena. Tämän teki Henry Cavendish 100 vuotta myöhemmin. 2. koe: alkuaineiden tutkiminen (n. 30min) Boyle oli rikas aatelinen, joka palkkasi apulaisia. Oppilaat ovat Boylen apututkijoita, jotka tutkivat pareittain erilaisia aineita ja määrittelevät niiden ominaisuuksia (sähkönjohtavuus, liekkikoe, ulkoset ominaisuudet) ja pyrkivät tunnistamaan aineet. 3. Yhteenveto ja opetus alkuaineista (20-30min) Pohditaan mitä hyötyä on kokeiden tekemisestä pohjautuen oppilaiden itse tekemään tutkimukseen, miten heidän hypoteesinsa aineesta muuttui tutkimuksen myötä. Yhdessä käydään läpi alkuaine käsitteen muuttuminen ja kirjataan vihkoon mikä nykykäsite on. Tähän yhteyteen voi linkittää myös kemiallisten merkkien opetuksen tai niiden harjoituksen esimerkiksi kysymällä tutkittujen aineiden kemiallisia merkkejä.

2 Kemiallinen tieto ja historiallinen kemian opetus alkuaineiden opetuksessa. Historiallinen näkökulma tuo hyvin esiin tieteen muuttuvana ja kehittyvänä. Katseltaessa vanhentuneita tieteellisia ajatuksia ne näyttäytyvät helpommin oman aikansa tuotteilta kuin nykyiset ajatukset ja tutkimustieto. Tieteen kehitys on siis kytköksissä ympäröivään yhteiskuntaan, teknologian kehittymiseen ja vallitsevaan ajatusmaailmaan. Tämä näyttäytyy selkeästi katsottaessa alkuaineen käsitettä luvulla ei edes ollut yhtenäistä käsitystä alkuaineesta. Nykyään on itsestäänselvyys, että kemia on luonteeltaan kokeellinen tiede. Tieteellisen tiedon on pohjauduttava toistettaviin kokeisiin ollakseen luotettavaa ja saadakseen statuksen tieteellisenä tietona. Näin ei ole aina ollut. Kemian juuret ovat 1600-luvun maailmassa, jolloin kemiaa tieteenä ei ollut ja tieteellinen tieto syntyi vielä puhtaasti ajattelemalla. Kokeiden tekeminen kuului vain alkemisteille. Tällä tunnilla on tarkoitus keskittyä korostamaan kemiaa kokeellisena tieteenä nostamalla esille englantilainen kemisti Robert Boyle, jota voidaan pitää yhtenä kemian oppi-isistä juurikin siksi, että hän korosti kokeellisuuden merkistystä. Aineen tutkimisessa olettiin valtava harppaus eteenpäin, kun puhtaan pohdinnan sijaan aineita alettiin tutkimaan laboratoriossa. Osaltaan Boyle oli edesauttamassa sitä, että vanhat käsitykset neljästä alkuaineesta todistettiin vääriksi kokeiden perusteella ja seuraavan vuosisadan aikana monia nykyisiä alkuaineita tunnistettiin, mm vety ja happi. Tämä löytöretki jatkuu edelleen ja tällä hetkellä tunnustettuja alkuaineita on 118 kappaletta. Uraania raskaimmat alkuaineet on kyetty havaitsemaan ja tuottamaan vain laboratoriossa kokeiden avulla luvun tiede ja näkemykset alkuaineista Varsinainen kemia ja moderni tiede, sellaisena kuin me sen tunnemme oli vasta syntymässä tuona vuosisatana. Näkemykset aineen olemuksesta pohjautuivat antiikista ja mystinen alkemia, joka tavoitteli kultaa ja ikuista elämää oli vallalla. Tarkasteltaessa 1600-luvun antiikista pohjautuvia pohdintoja alkuaineesta on unohdettava mitä nykyään tiedetään aineesta, jotta vanhat ajatukset eivät tuntuisi täysin typeriltä. Antiikin filosofisista pohdinnoista erityisesti Aristoteleen ajatukset elivät vielä 1600-luvulla. Aristoteles kuvasi aineen rakennetta 4 perustan eli alkuaineen kautta: tuli, maa, vesi ja ilma, joista kaikki muu aine koostui erilaisina yhdistelminä. Hänelle alkuaineet poikkesivat monien muiden antiikin filosofien näkemyksistä siinä, että ne pystyivät muuttumaan toisikseen. Aristoteleelle alkuaine ei siten ollut niinkään kemiallisesti puhdas aine, vaan pikemminkin olomuoto kiinteä, neste ja kaasu. Alkuaineet koostuivat yhteisestä pysyvästä perusaineesta sekä muuttuvasta muodosta. Perusaine tai muoto ei yksinään voinut olla olemassa ja mainitut neljä alkuainetta olivat aineen ja muodon yksinkertaisimmat yhdistelmät. Teoriassa siis muuttamalla alkuaineen muotoa voitiin alkuaine muuttaa toiseksi alkuaineeksi. Ajatus aineen muuttumisesta toiseksi kiehtoi 1100-luvulta alkaen Euroopassa suosioon nousseen alkemian harrastajia heidän pyrkiessään muuttamaan materiaa kullaksi. Osa erityisesti myöhäisemmistä alkemisteista, joista tunnetuin lienee Paracelcius ( ), keskittyi transmutaation sijaan kehittämään lääkeaineita. Paracelsius 4 alkuaineen teoriasta poiketen tulkitsi aineiden koostuvan kolmesta pysyvästä periaatteesta, jotka ovat rikkimäisyys, elohopeamaisuus sekä suolamaisuus. Alkemiaa pidetään erityisesti nykyään tieteen vastakohtana, taikauskona ja huijauksena, mutta juuri alkemian myötä kehittyi laboratoriotekniikka. Alkemistit muun muassa suodattivat, liuottivat, kiteyttivät ja tislasivat, siis käyttivät menetelmiä, jotka sisällytettiin moderniin kemiantutkimukseen ja siten alkemistit ovat ansainneet paikkansa kemian historiassa.

3 Alkemistien tutkimusmenetelmät olivat karkeita ja vaarallisia. Usein koe aloitettiin sekoittamalla hienonnettuja metallimalmeja happoon, mistä syntyi myrkyllisiä höyryjä, jotka aiheuttivat mm elohopea- ja lyijymyrkytyksiä ja lopulta näitä kaasuja ahtaassa ja tunkkaisessa laboratoriossa vuosia hengitelleet alkemistit menettivätkin usein terveytensä ja jopa järkensä. Alkemistien aristoteelliseen alkuaineen kykyyn muuttua toiseksi ei horjunut vaikka tulosta ei vuosisatojen aikana tullut. Vian ajateltiin olevan joko tekijän henkisessä täydellisyydessä tai laitteistossa, mikä saattaa olla taustalla siinä, että alkemistit kehittivät monipuolisesti laboratoriolaitteistoja. Esimerkiksi tislausmenetelmä on alkemistien perintöä ja 1600-luvuilla tapahtui tieteen parissa monia murroksia antiikin ajatuksiin nähden. Vuonna 1543 ilmestyi Nikolaus Kopernikuksen teos, jossa hän kritisoi maakeskeistä maailmankuvaa ja puhuu aurinkokeskeisen maailman puolesta. Tämän puolesta puhuivat myös Tycho Brahe, Johannes Kepler sekä Galilei, jota vallalla ollut katolinen kirkko hyvin voimakkaasti vastusti. Sir Isaac Newton oli 1600-luvun merkittävimpiä tiedemiehiä, joka osaltaan oli murtamassa vanhoja maagisia ja aristoteleellisiä näkemyksiä. Näistä uusista ajatuksista on käytetty termiä mekaaninen filosofia, jossa maailmaa voisi kuvata suurena mitattavana koneistona, jota muuttumattomat luonnonlait ohjaavat. Tämä johti modernin tieteen syntyyn. Boylen elämästä ja tutkimuksista Brittiläinen Robert Boyle ( ) oli keskeinen mekaanisen luonnonfilosofian edustaja, jota voidaan pitää yhtenä ensimmäisistä kemisteistä. Robert Boyle syntyi Corkin jaarlin 14. lapsena. Robertin syntyessä hänen isä oli 60-vuotias ja äiti 40-vuotias. Perhe oli yksi varakkaimmista koko maassa ja tämän omaisuuden turvin Boyle kykeni keskittämään elämänsä opiskelulle ja tutkimiselle työnteon sijaan. Tavan mukaisesti Robertin vanhemmat lähettivät lapsensa kasvatettavaksi paikalliseen perheeseen ja myöhemmin v mannermaalle Etonin Collegeen, joka oli ajan merkittävin opinahjo. Koulun rehtori on perheen ystävä, joten Robert veljineen asui rehtorin luona opiskelujensa ajan. Rehtorin vaihtuessa v.1638 isä siirsi poikansa niin kotona kuin ympäri Eurooppaa tapahtuvaan yksityisopetukseen. Lähtiessään opiskelemaan ranskaa, latinaa, uskontoa ja matematiikkaa Geneveen oli Robert vasta 12-vuotias. Italiassa opiskellessaan hän tutustui Galileo Galilein filosofiaan, jossa korostettiin luonnontieteen kokeellisuuteen ja havaintoihin perustuvaa tutkimista. Vuonna 1644 Robert muutti takaisin Englantiin innokkaana kokeellisuuden harrastajana ja pian hänet kutsuttiin jäseneksi mekaanisen filosofiaa kannattavaan the Invinsible College ryhmään, joka tutki luonnon ilmiöitä kokeellisesti ja vastusti aristoteleellistä näkemystä tieteestä. Vuonna 1654 Boyle siirtyi Oxfordiin, mistä monet ryhmän jäsenet olivat saaneet viran. Invinsible College oli Royal Societyn edeltäjä eli Englannin kuninkaallisen tiedeseuran edeltäjä. Boyle oli siten osaltaan vaikuttamassa siihen, että kemiasta tuli yksi merkittävistä moderdeista luonnontieteistä ja että vuonna 1660 perustetun Royal Societyn toimintaperiaatteisiin kuului kokeellinen tutkimus. Tähän vaikutti myös vuonna 1661 Robert Boylen julkaisema teos The Sceptical Chymist, jossa hän kritisoi näkemyksiä muutamasta pysyvästä alkuaineesta ja tieteen tekemisestä puhtaasti pohtien. Boyle halusi tuoda tieteellisen ja kokeellisen kemian esille erilllisenä muusta ajan pohdintaan pohjautuvasta luonnonfilosofiasta kuten myös erillisenä epätieteellisestä kokeellisesta alkemiasta. Tässä teoksessa Boyle peräänkuuluttaa tieteellistä tietoa, joka on testattu toistettavissa olevilla kokeilla ja jonka on vahvistanut luotettavat todistajat. Näkemys joka on hyvin linjassa nykykäsityksen kanssa tieteellisestä tiedosta. The Sceptical Chymist kritisoi myös muutaman alkuaineen teorioita, sillä kokeiden avulla ei voitu todistaa että olisi olemassa yleistä kaikesta materiaalista löytyvää alkuainetta. Esimerkkinä hän käytti mm. kullalla tehtyjä kokeita. Kuumentamalla kultaa metalli ei muutu. Lisäksi sekoittamalla kultaa ja hopeaa saadaan kahden metallin seos, josta nämä metallin on eroteltavissa aqua

4 fortiksen (konsentroitu typpihappo) avulla. Missään vaiheessa kullasta ei saada ulos maata, vettä, tulta tai ilmaa, joten kokeiden perusteella kullan ei voida esittää muodostuvan muusta kuin kullasta. esitteli myös Boylen mekaanisen aineen olemusta koskevan teorian corpuscular philosophy. Tämän teorian avulla Boyle selitti kemiallisia reaktioita pienten hiukkasten, korpuskuulien, käyttäymisen avulla. Nämä hiukkaset muodostivat eritavoin yhdistyneinä alkuaineet. Alkuaineiden ominaisuuksia Boyle selitti mm. muodostuvien hiukkasryhmien koon, muodon ja liikkeen avulla. Vuonna 1668 Boyle muutti Lontooseen sisarensa Lady Ranalaghin luokse, jonne hän perusti myös laboratorion. Täällä laboratoriossa häntä avusti tutkimustyössä joukko palkattuja avustajia. Boyle mm. tuotti vetyä liuottamalla rautaa laimeaan suolahappoon. Hän keräsi syntyvän vetykaasun talteen alassuin olevaan astiaan ja huomasi sen syttyvän herkästi. Vedyn palaessa syntyy vettä, mikä todistaa veden olevan yhdiste eikä alkuaine. Tätä Boyle ei kokeessaan huomannut. Hän ei myöskään tunnistanut vetyä alkuaineeksi. Tämän tekin Henry Cavendish ( ) vastaavanlaisella kokeella noin 100 vuotta myöhemmin. Alkuainetutkimus Kokeellisen työn suorittaminen: 1. Oppilaat pääsevät eläytymään Boylen tutkimus assistenteiksi 1600-luvun tieteelliseen maailmaan ja ratkaisemaan alkuaineiden arvoituksen. 2. Oppilaille annetaan 2-6 alkuainetta (riippuen käytettävästä aika määrästä) tutkittavaksi ulkonäön, rakenteen, sähkönjohtavuuden ja liekkikokeen perusteella. He kirjaavat saamansa tulokset lomakkeelle Heidän pitää päätellä keräämiensä tietojen pohjalta mitä alkuainetta aine on. 4. Heille annetaan alkuaineiden ominaisuuksista kertova taulukko (lomake 2) ja heidän pitäisi nyt vertailla aiemmin saamiaan tuloksia taulukon tuloksiin. Tarvittaessa tehdään toinen päätelmä alkuaineesta. 5. Lopuksi käydään luokassa yhteisesti mitkä ovat oikeat alkuaineet. Kysymyksiä oppilaille kokeeseen liittyen miten tehty tutkimus vaikutti alkuperäiseen pohdintaasi aineista? muutuivatko oletuksesi tutkittavista aineista tutkimusta tehdessäsi? miksi kokeellisuus on keskeinen osa kemiaa? miksi kokeiden tulokset on kirjattava ylös? Tutkimukseen tarvittavat tutkimuslomake sekä alkuaineiden ominaisuuksista lomake, jotka löytyvät seuraavilta sivuilta. Molemmat omina sivuina tulostamisen helpottamiseksi.

5 Lomake 1. Alkuaineet: Aine 1 Ulkomuoto Rakenne Sähkönjohtavuus Liekkikoe Mikä alkuaine on kyseessä? Aine 2 Ulkomuoto Rakenne Sähkönjohtavuus Liekkikoe Mikä alkuaine on kyseessä? Aine 3 Ulkomuoto Rakenne Sähkönjohtavuus Liekkikoe Mikä alkuaine on kyseessä?

6 Lomake 2. Alkuaineiden ominaisuuksia: Alkuaine Kupari Sinkki Tina Hiili Kalium Rauta Omiaisuuksia Kupari on metalli ja väriltään metallisen ruskea. Kuparia saa taivutettua helposti, mutta se on silti sitkeää eikä mene rikki. Liekkikokeessa kupari saa turkoosin/vaaleanvihreän värin. Sinkki on väriltään sinertävä/hopeanharmaa. Metallina sinkki on huoneen lämmössä hauras, mutta lämmetessään se muuttuu taipuisaksi. Tina on hopeanhohtoinen, kiiltävä ja sitkeä ja se on myös metalli. Hiilellä on monta erilaisia olomuotoja esim. timantti ja grafiitti. Timanttia kovempaa ainetta ei maapallolta ole löytynyt ja timanttia voi leikata ainoastaan timantilla. Grafiitti on puolestaan mustaa ja haurasta ja sitä syntyy mm. puun palaessa. Kalium on hopeanvalkoinen ja saa liekkikokeessa värikseen liilan (voi näkyä heikosti). Rakenteeltaan se on pehmeää, erittäin kevyttä ja sitä voi mm. leikata veitsellä. Rauta on toiseksi yleisin metalli maankuoressa ja se on väriltään metallisenharmaa. Rauta on useiden muiden metallien tapaan kiiltävää ja kovaa.

7 Opetussisältö alkuaineista Kokeellisten tutkimusten ansiosta on löydetty todellisia alkuaineita 118 alkuainetta tällä hetkellä raskain luonnossa esiintyvä alkuaine on uraani (U), jonka atomissa on 92 protonia uusia uraania raskaampia alkuaineita syntyy vain laboratoriossa Alkuaine on aine, joka koostuu vain yhden aineen atomeista (tai tarkemmin yhden alkuaineen kaikilla atomeilla on sama määrä protoneja) jokaisella alkuaineella on sille tyypilliset ominaisuudet jokaisella alkuaineella on oma nimi ja kemiallinen merkki jaetaan 3 ryhmään: metallit, epämetallit ja puolimetallit Kysymyksiä oppilaille: miten Aristoteleen näkemys poikkeaa nykyisestä alkuaine-käsitteestä? mitä samaa on Aristoteleen näkemyksessä ja nykyisessä alkuaine käsityksessä? mitä samaa/erilaista on Boylen ja aristoteleen näkemyksissä? mitä samaa/erilaista on Boylen ja nykyisen alkuainekäsityksen välillä? Aristoteleen alkuaine näkemys: neljä perusalkuainetta kokeellisesti osoitettu virheelliseksi alkuaine on aineen osa jota ei voida pilkkoa pienemmäksi kaikki aine koostuu alkuaineiden yhdistelmistä alkuaineet voidaan muuttaa toisikseen niiden muotoa muuttamalla hylätty Boylen näkemys: kaikki aineet koostuvat alkuaineista, joita on useampia kuin vain 4 aineen varmentaminen alkuaineeksi vaatii toistettavissa olevia ja erilaisia kokeita ei uskonut veden, ilman, maan ja tulen olevan alkuaineita alkuaineet muodostuvat erilaisista hiukkasten yhdistymistä, jonka ominaisuudet selittävät aineen käyttäytymistä ei yhdistänyt alkuaineen käsitettä atomiin kuten nykyään tehdään Alkuaineen kemiallinen merkki kemiallisella merkillä kuvataan alkuaineen yksittäistä atomia tulee latinan- tai kreikankielisestä alkuaineen nimestä On joko nimen ensimmäinen kirjain tai kahden kirjaimen yhdistelmä ensimmäinen kirjain on aina isolla ja mahdollinen toinen kirjain pienellä muutamia esimerkkejä: o vety (hydrogène veden muodostaja ) H o happi (oxygenium) O o hiili (carbonium) C o rauta (ferrum) Fe o kupari (cuprum, nimi löytäpaikan Kyproksen mukaan) Cu o gadolinium (lat. sama, nimetty suomalaisen löytäjän Johan Gadolinin mukaan) Gd o gallium (lat sama) Ga Luonnossa aineet esiintyvät yleensä yhdisteinä yhdiste on vähintään kahden eri alkuaineen atomien yhteenliittymä esimerkiksi puhdas vesi tämän takia monet alkuaineet kyettiin löytämään vasta kokeellisten luonnon aineiden tutkimuksien myötä.

8 Vinkkejä tunnin toteuttamiseen Kokeellinen työ on suunniteltu seitsemäs luokkalaisille, heidän käydessä läpi ensimmäistä kertaa alkuaineiden ominaisuuksia. Luokkatilassa olisi hyvä olla vetokaappi/kaappeja, sillä useat liekkikokeissa käytettävät metallisuolat ovat myrkyllisiä. Tämän takia myös käyttöturvallisuus luokituksista on hyvä ottaa selvää. Oikeiden suojavarusteiden käyttö (suojalasit, laboratoriotakki ja kumihanskat tarvittaessa) on turvallisuuden kannalta tärkeää ja jotta voidaan ehkäistä mahdollisimman paljon tapaturmia, niin liekkikoe kannattaa tehdä vielä opettajan valvonnan alla. Tuntisuunnitelma toimii parhaiten 2x45min ja 75min tunneilla. Näin kokeellisen työn lisäksi, on aikaa paneutua myös kemian oppisisältöön alkuaineista ja samalla pystytään tuomaan paremmin esille kemian historiallista puolta. Tunnin pystyy myös pitämään tarvittaessa 45 minuutissa. Sähkönjohtavuutta tutkittaessa, olisi oppilaille hyvä kertoa, ettei sähköä ollut keksitty vielä 1600-luvulla, mutta sen tutkimisen helppouden takia se on oiva lisä tutkimukseen. Jos aikaa on riittävästi, oppilaat voisivat pohtia ennen sähkönjohtavuus- ja liekkikoetta, mitä he luulevat kokeessa tapahtuvan. Näin tunnin kokeellisuus ei mene pelkäksi mekaaniseksi ohjeiden seuraamiseksi, jonka jälkeen oppilaille ei jää mitään mielikuvaa miksi alkuaineet käyttäytyvät kokeiden osoittamalla tavalla. Oppilaiden kanssa keskustellessa olisi hyvä myös ottaa puheeksi miksi ensimmäinen olettamus ei välttämättä ole oikea ja tämän takia täytyykin aineita tutkia useampaan otteeseen, jotta saadaan varmuus tuloksesta. Näinhän tapahtuu tosi elämässäkin, sillä ennen kuin tiedeyhteisö hyväksyy teorian, täytyy sen käydä läpi toistuvasti muiden tutkijoiden tekemiä kokeita Lähteitä ja kiinnostavia linkkejä: Boyle, Robert. The Sceptical Chymist. Luettavissa e-kirjana Gutenberg projektin ansiosta: Helsingin sanomien alkuaine teemasivut Hudson, John. (2002) Suurin tiede.jyväskylä: ArtHouse Oy Levere, T.H. (2001) Transforming Matter. A History of Chemistry from Alchemy to the Buckyball. Baltimore: The Johns Hopkins University Press.