Kemian eriyttävä tunti. Tekijät Riina Karppinen, Klaus Mäki-Petäys ja Kirsi Söderberg Aihe: sähkökemiallinen pari. Johdanto

Transkriptio

1 Kemian eriyttävä tunti Tekijät Riina Karppinen, Klaus Mäki-Petäys ja Kirsi Söderberg Aihe: sähkökemiallinen pari Johdanto Eriytettäväksi aiheeksi on valittu sähkökemiallinen pari, ja tunti on suunniteltu yläkoulussa käytettäväksi. Sähkökemiallinen pari sisältää sekä kemiassa että fysiikassa käsiteltäviä aihealueita, joten tunti on mahdollista toteuttaa eheyttävänä kokonaisuutena (OPS 2014). Eriyttämisen lähtökohdaksi on otettu ajatus tarjota aiheesta kiinnostuneille tehtäväpaketti, jonka ratkaisu perustuu luetun tekstin pohjalta tehtyihin johtopäätöksiin. Tunnilla on mahdollista valita myös toinen tehtäväpaketti, joka painottuu enemmän valmiisiin kysymyksiin vastaamiseen. Kumpikin tehtävä kuitenkin ohjaa oppilaat kokeellisen työn suorittamiseen, jossa tarkoituksena on muodostaa Danielin pari. Kokeen suorittamisessa oppilaat käyttävät itse tekemiään tai täydentämiään kytkentäkaavioita. Eriyttäminen koetaan usein vain heikommin menestyvien oppilaiden tukemiseksi, mutta myös taitavat oppilaat tarvitsevat eriyttämistä. On osoitettu, että suoritustasoaan vastaamatonta opetusta saava lahjakas oppilas tylsistyy tunneilla helposti. Mikäli hän ei pääse toteuttamaan itselleen riittävän haasteellisissa tehtävissä, hänen suoritustasonsa alenee ja hän voi purkaa turhautumistaan myös häiriökäyttäytymiseen (Nikkola). Lahjakkaat oppilaat taas tuntevat, että he eivät ole saaneet riittävästi tukea opiskeluunsa opiskeluaikanaan (Laine). Tuen määrää voitiin Laineen pro gradu tutkielman mukaan pitää vähäisenä tai mitättömänä. Kuitenkin perustuslaissa määritellään, että jokaiselle oppilaalle tulee turvata yhtäläiset mahdollisuudet saada kykyjensä ja erityisten tarpeidensa mukaista opetusta (PL 731/1999). Täten myös lahjakkailla tulee olla mahdollisuus saada kykyjään vastaavaa opetusta. Perusopetuksen opetussuunnitelmassa mainitaan, että "eriyttämällä tuetaan oppilaan itsetuntoa ja motivaatiota sekä turvataan oppimisen rauhaa" (POPS). Oppilaan lahjakkuuden toteamiseen ja sen ylläpitoon vaaditaan opettajalta sekä taitoa, että herkkyyttä (Mäkelä). Lahjakkuuden tunnistamisella pyritään koko luokkahuonetoiminnan kehittämiseen, sillä erityisvahvuuksien tukeminen hyödyttää kaikkia oppilaita (Laine). Lahjakkaiden erityinen korostaminen tai tason liian vaativaksi mitoittaminen taas voivat johtaa minäkäsityksen heikkenemiseen ja tylsistymisen lisääntymiseen (Nikkola). Opettajan oppilastuntemus siis korostuu myös ylöspäin eriyttämisessä, jotta tulokset tukisivat tavoitetta. Tuntisuunnitelma: Tunnin pituus 75 min Ennakkotiedot: Käyty metallin ominaisuudet ja sähkökemiallinen jännitesarja Tavoitteet: Oppilas ymmärtää seuraavat asiakokonaisuudet ja käsitteet: -Sähkökemiallisen parin toiminta -Hapettuminen, pelkistyminen -Anodi, katodi -Varauksen liike virtapiirissä

2 Aikataulutus: Aika/min Tehtävä 0-10 Paikallaolijat, läksyjen tarkastus Kemiallisen parin läpikäyntiä (teoria) lyhyesti, sinkki & kupari samassa astiassa Tehtävien tekoa: eriyttävä osuus, katso tarkemmin alta Kokeellinen työ; Danielin parin muodostaminen + siivous Kotitehtävä: monisteiden täydennys, mikäli jäi kesken. Tehtävät: Tehtävien tekoon varattu aikaa noin 25 min. Oppilaat voivat tehdä tehtäviä ryhmissä, kirjaa ja opettajaa apuna käyttäen. Tehtäväpaketteja on kaksi; toinen sisältää perustehtäviä, joissa tutustutaan teoriaan kysymysten ja tehtävien avulla. Ylöspäin eriyttävä paketti sisältää vähemmän vihjeitä, ja haastaa oppilaan muodostamaan itse halutun kaltaisen Danielin parin. Koska ylöspäin eriyttävä tehtävä vaatii enemmän aikaa ja toivomme mahdollisimman monen valitsevan haastavamman paketin, on pakettiin sisällytetty hieman peruspakettia vähemmän teoriatehtäviä. Kumpikin tehtäväpaketti tähtää niiden avulla tehtävään kokeelliseen työhön, jossa tarkoituksena on saada lamppu syttymään oikein muodostetun Danielin parin avulla.

3 Sähkökemiallinen pari Anodi on negatiivinen elektrodi, jossa tapahtuu hapettuminen eli elektronin luovuttaminen tässä tapauksessa ulkoiseen piiriin. Katodi on positiivinen elektrodi, jossa tapahtuu pelkistyminen eli tässä tapauksessa ulkoisesta piiristä saatavan elektronin vastaanotto. Elektrolyytti on aine, joka liuetessaan tuottaa ioneja; elektrolyyttiliuos siis sisältää ioneja ja johtaa näin sähköä. Anioni on negatiivinen ioni ja kationi positiivinen ioni, nimien alkuperään palataan elektrolyysin yhteydessä. Suolasilta tarvitaan sulkemaan virtapiiri, jotta virta voi kulkea ja lamppu syttyä. Kun kemiallisesta parista eli galvaanisesta kennosta otetaan virtaa lampun sytyttämiseen, seuraa varausten liikettä. Suolasillassa anionit ja kationit pitävät liikkeellään huolta varaustasapainosta: anionit kulkevat kohti anodia, koska sinne kertyy hapettuneita ioneja eli positiivista varausta. Kationit vastaavasti kulkevat kohti katodia, koska siellä positiiviset ionit pelkistyessään menettävät varaustaan ja syntyy siis negatiivista varausta. Daniellin pari ja lähdejännite Daniellin pari on eräs yksinkertainen kemiallinen pari: sinkkianodin elektrolyytissä on Zn2+ -i oneja ja kuparikatodin elektrolyytissä Cu2+- io neja. Suolasiltana voi toimia esimerkiksi suolaliuoksella kasteltu suodatinpaperi. Daniellin pari tuottaa noin yhden voltin jännitteen, tätä kutsutaan lähdejännitteeksi. Lähdejännite riippuu reagoivista aineista, lämpötilasta ja liuosten konsentraatioista. Lähdejännite voidaan laskea talukoiduista normaalipotentiaalien (E ) arvoista. Taulukoiden arvot on kaikki mitattu samassa perustilassa (lämpötila: T = 298,15 K, konsentraatio: c = 1,0 mol/dm3), lisäksi mahdollisten reagoivien kaasujen paine on taulukkoarvoissa Pa. Daniellin parille anodilla: Zn(s) Zn2+(aq) + 2e taulukosta Zn2+ + 2e Zn(s) antaa E = 0,76 V ja katodilla: Cu2+(aq) + 2e Cu(s) taulukosta suoraan E = +0,34. Käänteisellä reaktiolla jännite on vastakkainen, eli anodireaktiolle E =,76 V. Daniellin parin teoreettinen lähdejännite perustilassa on siis 0,76 V + 0,34 V = 1,1 V.

4 Kennokaavio (joustovara, jos joku on hyvin nopea) Kennokaaviolla voidaan kuvata kemiallinen pari lyhyesti ja ytimekkäästi. Kennokaavio voidaan muodostaa helposti esim. puolireaktioista. Kennokaavio kirjoitetaan alkamaan negatiiviselta puolelta eli hapetusreaktiosta, mutta usein alleviivataan napoja vielä kirjoittamalla alkuun miinusmerkki ja loppuun plusmerkki. Kennokaaviossa pystyviiva erottaa eri faaseja, esimerkiksi (s) = kiinteä, (g) = kaasu ja (aq) = veteen liuennut. Reunoilla tarvitaan kiinteät faasit elektronien kulun mahdollistamiseksi. Tarvittaessa voidaan käyttää reagoimatonta elektrodia sähkönjohteena. Kaksi pystyviivaa tarkoittaa suolasiltaa, jossa anionit ja kationit pääsevät liikkumaan yhtäläisesti; suolasilta erottaa puolikennoja. Saman faasin sisällä ionien tai atomien järjestyksen kennokaaviossa määrää elektronien siirtymisen suunta. Jos hapetusreaktio siis on Fe 2+ (aq) Fe 3+ (aq) + e - niin kennokaavio voisi grafiittianodilla olla C(s) Fe 2+ (aq), Fe 3+ (aq) Ag + (aq) Ag(s). Edellä siis vielä elektronia luovuttamaton Fe 2+ (aq) tulee ensin ja jäljessä pilkulla erotettuna jo elektroninsa luovuttanut Fe 3+ (aq).

5 1. Piirrä Danielin pari ja nimeä siihen kaikki tärkeät käsitteet. Havainnollista kuvaan myös miten Danielin pari toimii. Mihin suuntaan sähkövirta kulkee? 2. Kokeillaan käytännössä, käytä metalleina kuparia ja sinkkiä. Kulkeeko sähkövirta piirtämässäsi havainnekuvassa? Jos ei mitä puuttuu? Havainnollista sähkövirran kulkua hehkulampulla. 3. TÄMÄ TEHTÄVÄ JOS JÄÄ AIKAA: piirrä kennokaavio edellisestä kokeesta. 4.

6 5. Ympyröi ensiksi sähkökemiallisen parin epäjalompi metalli. Merkitse +/- sen mukaan, kumpi metalleista on sähköparin positiivinen ja kumpi negatiivinen kohtio. Nimeä vielä anodi ja katodi. Laske lisäksi lähdejännite.

7 6. 7.

8 8. Joustovaran eli kennokaavioteorian tehtävät: Kirjoita kennokaavio, kun kemiallisessa parissa ovat koboltti ja kupari (hapetusasteet +II). Piirrä kemiallinen pari, kun kennokaavio on: C(s) I - (aq),i 2 (aq) Fe 3+ (aq),fe 2+ (aq) C(s).

9 TUNNIN TEHTÄVÄT: Aukkotehtävä Daniellin parista: täytä sopiva sana, kulkusuuntanuoli, ioni tai varaus laatikoihin: Täytä seuraavat (21 kpl) ionilaatikkoon tulee ionin lisäksi kulkusuuntanuoli: Zn, Cu,, +, anodi, katodi, sikkielektrodi, kuparielektrodi, hapettuminen, pelkistyminen, elektrolyyttiliuos, elektrolyyttiliuos, Zn 2+ (aq), Cu 2+ (aq),,,,,, suolasilta.

10 Nyt kun olet tutustunut Danielin pariin on aika tehdä kokeellinen työ:

11 Ympyröi ensiksi sähkökemiallisen parin epäjalompi metalli. Merkitse +/- sen mukaan, kumpi metalleista on sähköparin positiivinen ja kumpi negatiivinen kohtio. Nimeä vielä anodi ja katodi.

12

13 Lähteet: Laine, M. (2012). Älyllisesti lahjakkaiden oppilaiden kokemukset peruskoulussa saadusta tuesta. Pro Gradu-tutkielma. Opettajankoulutuslaitos, Rauman yksikkö, Turun yliopisto. Mäkelä, S. (2009). Lahjakkuuden ja erityisvahvuuksien tunnistaminen. Helsinki: Opetushallitus. Nikkola, V. (2013). Valmistumassa olevien luokanopettajaopiskelijoiden valmiudet tunnistaa ja tukea lahjakkuutta perusopetuksessa. Pro Gradu-tutkielma. Kasvatustieteen laitos, Jyväskylän yliopisto. Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteet. (2014). Helsinki; Opetushallitus.