Hiilivetyjen visualisointi Spartan-molekyylimallinnusohjelmalla



Samankaltaiset tiedostot
Tuulesta temmattu. Tietokonepohjaista molekyylimallinnusta ilman molekyyleistä 9. luokkalaisille

Elektronitiheyden ja kemiallisten mallien visualisointi

Asetyylisalisyylihapon energiaprofiili. - Konformaatioisomeria

Vesimolekyylien kiehtova maailma

Veden ja glukoosin mallinnus

5.10 KEMIA OPETUKSEN TAVOITTEET

KEMIAN YMMÄRTÄMINEN MALLIEN AVULLA

KAROTENOIDIEN MALLINTAMINEN

5.10 Kemia. Opetuksen tavoitteet

Orgaanisia molekyylejä lukion ensimmäiselle kurssille suunnattu ChemSketch -harjoitus

Vesi lukio. Hanna Hankaniemi

Kemia. Opetuksen tavoitteet

SIDOKSET. Palautetaan mieleen millaisia sidoksia kemia tuntee ja miten ne luokitellaan: Heikot sidokset ovat rakenneosasten välisiä sidoksia.

KAROTENOIDIEN ERISTYS JA MALLINTAMINEN

ACD/ChemSketch (Windows versio 8.0)

Orgaanisten yhdisteiden rakenne ja ominaisuudet

ISIS Draw (Windows versio 2.5)

1. Polyakrylaatti koostuu usein akryylihaposta, tai sen johdannaisista. Aluksi voidaan tarkastella akryylihapon rakennetta mallintamalla se.

3.10 Kemia. Opetuksen tavoitteet

Aspiriinin ja veden mallintamista

Funktionaaliset ryhmät

Ammoniakin energioiden mallinnusta kolmesta näkökulmasta

Lukion kemian OPS 2016

Lukion kemian OPS 2016

Kovalenttinen sidos ja molekyyliyhdisteiden ominaisuuksia

Avaruus- eli stereoisomeria

Kertausta 1.kurssista. KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Atomin rakenne ja jaksollinen järjestelmä. Hiilen isotoopit

Lämpö- eli termokemiaa

Isopentyyliasetaatti, C7H14O2

MITÄ SIDOKSILLE TAPAHTUU KEMIALLISESSA REAKTIOSSA

Avaruus- eli stereoisomeria

Ionisidos ja ionihila:

2. Alkaanit. Suoraketjuiset alkaanit: etuliite+aani Metaani, etaani... Dekaani (10), undekaani, dodekaani, tridekaani, tetradekaani, pentadekaani..

Ionisidos syntyy, kun elektronegatiivisuusero on tarpeeksi suuri (yli 1,7). Yleensä epämetallin (suuri el.neg.) ja metallin (pieni el.neg.) välille.

Helsingin yliopiston kemian valintakoe. Keskiviikkona klo Vastausselvitykset: Tehtävät:

Lukion kemian OPS 2016

EPIONEN Kemia EPIONEN Kemia 2015

Sähköiset kokeet lukion fysiikassa ja kemiassa. Tiina Tähkä

Määritelmä, metallisidos, metallihila:

Vetysidoksen opetus ja oppiminen

ELOKUVATYÖKALUN KÄYTTÖ ANIMAATION LEIKKAAMISESSA. Kun aloitetaan uusi projekti, on se ensimmäisenä syytä tallentaa.

Infrapunaspektroskopia

Hyvä sivistystoimenjohtaja/rehtori

5.10 Kemia. Opetuksen tavoitteet

HEIKOT SIDOKSET. Heikot sidokset ovat rakenneosasten välisiä sidoksia.

Kemia. Kemia Tutkii luontoa, sen rakenteita. Tutkii ainetta, sen koostumusta. sekä reaktioita. Eli kuinka aine muuttuu toiseksi aineeksi.

KE Orgaaninen kemia 1

Gimp alkeet XIII 9 luokan ATK-työt/HaJa Sivu 1 / 8. Tasot ja kanavat. Jynkänlahden koulu. Yleistä

sulfonihappoihin fenoleihin aldehydeihin amiineihin

Näiden aihekokonaisuuksien opetussuunnitelmat ovat luvussa 8.

FyKe 7 9 Kemia ja OPS 2016

KE2 Kemian mikromaailma

YHTEYDEN OTTAMINEN CSC:N KONEELLE HIPPU

Flowcode 6 Omien komponenttien luonti 3D- tilassa Ledi

Digitaaliset kokeet kemiassa. Opetusneuvos Tiina Tähkä

Kemian syventävät kurssit

Ilmiö 7-9 Kemia OPS 2016

Liittymis- eli additioreaktio Määritelmä, liittymisreaktio:

Kaikenlaisia sidoksia yhdisteissä: ioni-, kovalenttiset ja metallisidokset Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka

ATOMIHILAT. Määritelmä, hila: Hilaksi sanotaan järjestelmää, jossa kiinteän aineen rakenneosat ovat pakkautuneet säännöllisesti.

Infrapunaspektroskopia

AINEKOHTAINEN OPETUSSUUNNITELMA / KEMIA

KUVAN LIITTÄMINEN TOISEEN KUVAAN PHOTOSCAPE- OHJELMALLA

VÄESTÖKARTTOJA PAIKKATIETOIKKUNASSA. Matias Järvinen 2019

CAB Plan. Päivitys 4.5. Asiakas odottaa

FyKe-Mopin opettajanohje

Tutkiva Oppiminen Lasse Lipponen

Raportti Perjantaipajasta 26.3.: Molekyylien mallinnusta

Königsbergin sillat. Königsberg 1700-luvulla. Leonhard Euler ( )

ORGAANINEN KEMIA. = kemian osa-alue, joka tutkii hiilen yhdisteitä KPL 1. HIILI JA RAAKAÖLJY

kertaa samat järjestykseen lukkarissa.

KPL1 Hiili ja sen yhdisteet. KPL2 Hiilivedyt

Kemia 1. Mooli 1, Ihmisen ja elinympäristön kemia, Otava (2009) MAOL taulukot, Otava

Pianonsoiton alkeet - opeta koko luokka soittamaan 2 kappaletta kahdeksassa viikossa.

Edumendo Oy,

TALLENNETAAN MUISTITIKULLE JA MUISTIKORTILLE

2.1 Yksinkertaisen geometrian luonti

Yksilöllisen oppimisen menetelmä. Ville

Liite 5. Helsingfors Universitet Kemilärarutbildningsenheten Opiskelija 1 Opiskelija 2 Opiskelija 3 Opiskelija 4

Workshopin sisältö. Erilaisia tehtäväasetelmia spektroskopian opiskeluun

TOIMINTATILASTOJEN (2013) TÄYTTÖOHJE

Yksityiskohtaiset ohjeet. TwinSpacen käyttäminen

Opettajan arviointinäkymä

SIVIILEIHIN KOHDISTUNEET KONFLIKTIT AFRIKASSA. Matias Järvinen 2019

SMS -viestien lähettämisen ohjeet CAB Planohjelmassa

Todellista todenmukaista oppimista TERHYn opinnoissa

Digiaineistojen, ohjelmistojen ja yhteisöllisen median pedagoginen hyödyntäminen kemiassa

NÄIN TEET VIDEO-MAILIN (v-mail)

Yksilöllisen oppimisen menetelmä. Ville

NUUO ETÄOHJELMA PIKAOPAS. Maahantuoja Dasys Oy Kaivolahdenkatu HELSINKI helpdesk@dasys.fi

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

Kertaus. Tehtävä: Kumpi reagoi kiivaammin kaliumin kanssa, fluori vai kloori? Perustele.

Hakemus opistoon lukuvuodeksi 20-20

ALKOHOLIT SEKAISIN KOHDERYHMÄ:

Helsingin yliopisto/tampereen yliopisto Henkilötunnus - Molekyylibiotieteet/Bioteknologia Etunimet valintakoe Tehtävä 3 Pisteet / 30

LIIAN TAIPUISA MUOVI TAUSTAA

Jos kahdella aineella on eri sidosrakenne, mutta sama molekyylikaava, kutsutaan niitä isomeereiksi.

perustelu Noudatetaan sääntöjä. Opetuskortit (tehtävät 16 28), palikoita, supermarketin pohjapiirustus, nuppineuloja, tangram-palat

Henkilötunnus: - KOULUTUSOHJELMA Sukunimi: Etunimet: Nimikirjoitus: KEMIA. Kemian kuulustelu klo 9.00

Tieto- ja viestintätekniikka C- vitamiinin liukenemisen opetuksessa

Transkriptio:

Hiilivetyjen visualisointi Spartan-molekyylimallinnusohjelmalla Tämä on oppilastyö, jossa myös opettaja demonstroi Spartan-ohjelman toimintoja (Spartan on MFKA:n myymä tuote). Työn on kehittänyt Lempäälän lukion matemaattisten aineiden opettaja Eero Jalonen lukion kemian 2. kurssille (Kemian mikromaailma). Harjoituksen tekemisestä on hyötyä milloin tahansa kemian opintojen aikana. Ennen harjoitusta opiskelijoilla tulisi olla esitietona käsitys hiilen hybridisaatiotyypeistä, mikäli halutaan harjoitella hybridisaatiomallin käyttöä. Työssä visualisoidaan valittujen molekyylien avaruusrakenteita kolmiulotteisesti erilaisten esitysmallien avulla, optimoidaan molekyylit laskennallisesti paikalliseen energiaminimiin, mitataan kovalenttisten sidosten sidospituuksia ja kulmia, tarkastellaan molekyylien tasomaisuutta ja lineaarisuutta, mallinnetaan elektronitiheyttä sekä molekyylien IR-spektrejä ja värähtelyjä. Lisäksi harjoitellaan molekyylien nimeämistä ja hiilen hybridisaatiotyyppien (sp, sp 2, sp 3 ) määrittämistä. Harjoitus on suoritettu oppitunneilla maaliskuussa 2010 Lempäälän lukion Kemian mikromaailma kurssille osallistuneiden opiskelijoiden kanssa (2 ryhmää, yhteensä 25 opiskelijaa) ja sen tekemiseen riitti hyvin 75 min oppitunti. Opiskelijoilla oli käytössään 10 Spartan-ohjelmalisenssiä ja he käyttivät ohjelmaa joko yksin tai pareittain. Harjoituksen tavoitteena on 1) esitellä opiskelijoille nykyaikainen kemistin työ- ja tutkimusväline 2) kehittää opiskelijan kolmiulotteista hahmottamiskykyä 3) kehittää opiskelijan malliajattelua (molekyylien erilainen käyttötarkoitus sekä erilaisten molekyylimallien edut ja puutteet) 4) auttaa opiskelijaa ymmärtämään kovalenttisen yksinkertaisen sidoksen, kaksoissidoksen ja kolmoissidoksen merkitys molekyylin avaruudelliseen suuntautumiseen, sidospituuksiin ja sidoskulmiin 5) yhdistää saatu tieto hiiliatomin hybridisoitumisen merkkikielelle (sp, sp 2, sp 3 ) 6) visualisoida elektronitiheyden vaihtelua molekyylissä 7) mallintaa molekyylissä olevaa liikettä 8) tuottaa mielekästä oppimista ja visuaalista mielihyvää

PEDAGOGISET PERUSTELUT Lukion opetussuunnitelman perusteiden mukaan kemian opetukselle on luonteenomaista mm. ilmiöiden tulkitseminen ja selittäminen mallien ja rakenteiden avulla, ilmiöiden kuvaaminen kemian merkkikielellä sekä ilmiöiden mallintaminen. Monipuolisin työtavoin opiskelijoita ohjataan kemian tietojen ja taitojen sekä persoonallisuuden kaikkien osa-alueiden kehittämiseen. Molekyylimallinnus tukee em. tavoitteita. Lukion kemian 2. kurssin (Kemian mikromaailma) keskeinen sisältö opetussuunnitelman mukaan on atomiorbitaalien hybridisoituminen ja orgaanisten yhdisteiden sidos- ja avaruusrakenne. Kansainvälisen ja suomalaisen tutkimustiedon mukaan molekyylimallinnuksen avulla voidaan tehokkaasti tukea kemian käsitteiden ja ilmiöiden oppimista sekä samalla auttaa opiskelijaa ymmärtämään erilaisten mallien merkitystä kemian oppimisessa. Miksi molekyylimallinnusta? Atomitason ilmiöitä on vaikea ymmärtää makro- ja symbolitasolla Näkymätön mallintuu näkyväksi Visualisoinnilla ilmiöistä oikeampia mielikuvia Avaruudellinen hahmottamiskyky paranee Kemian mallien ymmärtäminen paranee Tutkimuksellinen oppimisympäristö Tieto- ja viestintätekniikan hyödyntäminen Harjoituksen tavoitteena on a) esitellä opiskelijoille nykyaikainen kemistin työ- ja tutkimusväline b) kehittää opiskelijan kolmiulotteista hahmottamiskykyä c) kehittää opiskelijan malliajattelua (esim. molekyylien erilainen käyttötarkoitus sekä erilaisten molekyylimallien edut ja puutteet) d) auttaa opiskelijaa ymmärtämään kovalenttisen yksinkertaisen sidoksen, kaksoissidoksen ja kolmoissidoksen merkitys molekyylin avaruudelliseen suuntautumiseen, sidospituuksiin ja sidoskulmiin e) yhdistää saatu tieto hiiliatomin hybridisoitumisen merkkikielelle (sp, sp 2, sp 3 ) f) mallintaa molekyylissä olevaa liikettä g) visualisoida elektronitiheyden vaihtelua molekyylissä h) tuottaa mielekästä oppimista ja visuaalista mielihyvää

OPPILASTEHTÄVÄT 1) Rakenna Spartanilla seuraavat molekyylit samaan ikkunaan (Ball and Spoke malli oletuksena) H 3 H 2 H 2 H 2 H H 2 H H 2 H H H 2 2) Kokeile erilaisia esitysmalleja Model-valikosta (Wire, Ball and Wire, Tube, Ball and Spoke, Space Filling) 3) Optimoi molekyylien rakenteet minimienergiatilaan - valitse kyseinen molekyyli hiirellä klikkaamalla - Setup-valikosta alculations - Equilibrium Geometry with Hartree-Fock/3-21G (laskutaso) - Submit - anna nimi ja tallenna - OK ja lasku alkaa - ilmoitus completed (optimointi valmis) - toista kunkin molekyylin kohdalla 4) Kääntele valittua molekyyliä hiiren vasen näppäin pohjassa. Tarkkaile, mitkä molekyylin atomit ovat samassa tasossa. Samassa tasossa ovat (jatka lausetta kunkin molekyylin kohdalla) 5) Mittaa molekyyleistä hiili-hiili ja hiili-vety sidospituudet ja sidoskulmat. Merkitse kuhunkin taulukon kohtaan kolme erilaista lukemaa jos mahdollista. Rakenna tarvittaessa Spartanilla lisää sopivia hiilivetymolekyylejä. sidos pituus / Å = = (bentseeni) H Kysymys: Miten kovalenttinen yksinkertainen sidos, kaksoissidos ja kolmoissidos vaikuttavat sidospituuksiin ja sidoskulmiin? kulma H = = H = (bentseeni) = H (bentseeni) aste / O

6) merkitse kuvaan (yllä) hiiliatomien hybridisaatiotyypit (sp, sp 2, sp 3 ). Mitkä niistä vaikuttavat molekyylien tasomaisuuteen ja mitkä lineaarisuuteen? 7) Miksi hybridisaatiomallin ilmoittamat sidoskulmat (109 o, 120 o, 180 o ) eivät tarkalleen vastaa laskennallisia sidoskulmia? 8) Mallinnetaan seuraavaksi kunkin molekyylin elektronitiheys - valitse kyseinen molekyyli hiirellä klikkaamalla - Display-valikosta Surfaces - Add - Surface: density, Property: potential OK - Setup-valikosta Submit - OK ja lasku alkaa - ilmoitus completed (optimointi valmis) - klikkaa hiirellä keltaista laatikkoa Surfaces ikkunassa Kysymys: Missä elektroneja on eniten kussakin molekyylissä? 9) Mallinnetaan kahden molekyylin IR-spektri ja värähtelyt (valitaan kaksi molekyyleistä yksi kerrallaan) - valitse kyseinen molekyyli hiirellä klikkaamalla - Setup-valikosta alculations - rasti kohtaan IR - Submit - OK ja lasku alkaa - ilmoitus completed (optimointi valmis) - Display-valikosta Spectra - valitse Draw IR Spectrum - klikkaa hiirellä keltaisia laatikoita Kysymys: Miksi spektrit ovat erilaiset? 10) Nimeä yhdisteet

KUVARUUDUN KAAPPAUSKUVIA (esimerkkejä tehtävän kulusta) Harjoitus 1,3 ja 4. Molekyylit esitettynä pallotikkumallilla ja paikallisessa minimienergiatilassa. Molekyylejä kääntelemällä nähdään niiden kolmiulotteinen avaruusrakenne. Harjoitus 2. Molekyylit esitettynä putkimallilla.

Harjoitus 8. Molekyylien elektronitiheyskuvat. Punainen väri osoittaa, missä on eniten elektroneja ja sininen väri, missä on vähiten elektroneja. Kuvat saa myös läpinäkyviksi. Harjoitus 9. Kuvassa sykloheksaanin ja bentseenin IR-spektrit. Spectra-ikkunan keltaisia laatikoita klikkaamalla visualisoidaan molekyylin atomien liikettä.

OPPILASPALAUTETTA HARJOITUKSESTA Ainakin käsitys laajeni ja monet mielikuvat muuttuivat. Oppi ymmärtämään, ettei kaikki ole säännöllistä. Oppi tulkitsemaan malleja. Harjoituksessa pääsi paremmin selville molekyylien rakenteesta ja elektronien sijoittumisesta. Oppi uutta sidospituuksista ja kulmista sekä minimienergiatiloista. Opin harjoituksessa molekyylien sisäisestä liikkumisesta eli miten sidokset pitenevät tai lyhenevät ja molekyylien osien liikkumisesta/värähtelystä. Opin miten lepotila vaikuttaa sidosten pituuteen ja sidoskulmiin, miten elektronit ovat sijoittuneet molekyyleissä ja molekyylien tasomaisuudesta. Että todellisuudessa molekyyli on paljon muutakin ja täysin erilainen kuin miltä se näyttää paperilla. Kaikki atomit esim. eivät sijoitu samaan tasoon ja että molekyyli esim. ei ole symmetrinen. Harjoitus toi paremman kuvan aiheesta ja ymmärsi paremmin kuin vain kirjasta lukemalla ja selityksiä kuunnellen. Ohjelmaa oli hyvä päästä itse kokeilemaan ja paljon plussaa siitä. En oppinut harjoituksesta mitään maailmaa kaatavaa, mutta toki asian näkeminen auttaa asian mieltämisessä. Opin harjoituksesta sen, että sidoskulmat ja sidospituudet voivat muuttua samassakin molekyylissä. Eli vaikka rengasyhdisteessä oleva funktionaalinen ryhmä vaikuttaa sidoskulmiin ja pituuksiin. Harjoitus oli hyvä siinä mielessä, että sai itse kääntää ja vääntää molekyylejä siihen suuntaan kuin halusi ja pystyi katsomaan sen minkä halusi. Opin, että sidoskulmat eivät ole aina samat, joten siitä voi paremmin päätellä, että molekyylit ovat oikeita ja eläviä eikä pelkkiä kuvia. Elektronien mahd. paikka, sidoskulmat, atomien etäisyydet ja atomien suhteellinen koko ja tasomaisuus. Ilman ohjelmaa tulisi selväksi vain sidosten paikka, muttei atomissa tapahtuvia muutoksia ja ulkoisia ominaisuuksia.