Profiles-opiskelumateriaalia Yleiskuvaus Voiko rautasiltaan luottaa? Luonnontieteet - Kemia 7. -9. luokka Kehittäjä: Maarit Maksimainen, Sammon koulu (2013) http://www.uef.fi/profiles Opiskelukokonaisuuden sisältö Tutkimusten tarkoituksena on selvittää oppilaille erilaisia tapoja suojata metallista (rautaista) siltaa ympäristön vaikutuksilta (korroosiolta). Oppilaita ohjataan selvittämään ruostumiseen vaikuttavia tekijöitä ja myös sitä, kuinka uhrimetalleilla voidaan suojata toista metallia korroosion vaikutuksilta. Kun halutaan tehdä päätös sopivasta suojaustavasta, oppilaiden tulee ottaa huomioon myös sosiaalisia puolia, kuten työllistyminen, turvallisuustekijät, suojauksen hinta ja myös sillan esteettisyys, että se sopisi ympäristöönsä mahdollisimman hyvin. Ennakkotietoina vaaditaan jännitesarjan käsittely oppitunnilla; myös sähkökemian ja elektrolyysin läpikäyminen auttaa oppilaita monipuolisempaan havaintojen ja päätösten tekoon. Opiskelukokonaisuuden yleiskuvauksessa, opettajan oppaassa, oppilaan ohjeessa ja liitteissä olevia kuvia voi käyttää opetuskäytössä. Kuvat ovat flickr-kuvapalvelusta, http://www.flickr.com, Paul Hocksenar. Project funded within the EC FP7 Programme: 5.2.2.1 SiS-2010-2.2.1 Grant Agreement No.:266589 Supporting and coordinating actions on innovative methods in science education: teacher training on inquiry based teaching methods on a large scale in Europe 1/12
Oppiaine: Kemia Luokka-aste: 7.-9. luokka Opiskelun tavoitteet Oppilas oppii: ymmärtämään ruostumiseen vaikuttavia tekijöitä menetelmiä, joilla korroosiota voidaan ehkäistä ryhmätyöskentelytaitoja kokeellisia menetelmiä korroosion tutkimiseen esittää päätöksensä ja ajatuksensa muulle luokalle Keskeisiä sisältöjä: sähkökemia, jännitesarja ja korroosio Työskentelytavat: tiedonhankinta pienryhmissä, kokeellinen työskentely Ehdotus ajankäyttöön: Neljä 45min oppituntia. Liitteet 1. Oppilaan ohje Sisältää tarkemmat tiedot oppilaiden suorittamista tehtävistä. 2. Opettajan ohje Ohjeita tehtävänasetteluun. 2/12
Profiles-opiskelumateriaalia Opettajan opas Voiko rautasiltaan luottaa? Luonnontieteet - Kemia 7.-9. luokka Kehittäjä: Maarit Maksimainen, Sammon koulu (2013) http://www.uef.fi/profiles Opiskelukokonaisuuden sisältö Tässä opiskelukokonaisuudessa oppilaat tutustuvat ruostumiseen ja siihen vaikuttaviin tekijöihin. Tarkoituksena on, että oppilaat pohtivat erilaisia korroosiolta (ruostumiselta) suojaavia menetelmiä, ja tekevät niiden perusteella valintansa parhaasta mahdollisesta suojausmenetelmästä. Aluksi oppilaat lukevat aiheesta omasta oppikirjasta ja internetistä. Tämän jälkeen kerrataan vielä jännitesarja sekä elektrolyysi, joita tarvitaan päätöksenteossa sekä kokeellisessa työskentelyssä. Tiedonhaun jälkeen oppilaat tekevät erilaisia korroosioon ja siltä suojautumiseen liittyviä kemiallisia oppilastöitä, joiden tuloksia he voivat sitten soveltaa ja hyödyntää tehdessään päätöksiä sopivan suojaustavan valinnasta.
Skenaario Oppilaiden ohjeessa on teksti, jonka he lukevat. Teksti käsittelee rautaista jalankulkusiltaa, jonka kestävyyttä oppilaat joutuvat pohtimaan. Työskentely vaiheittain Opiskelukokonaisuus voidaan toteuttaa neljällä oppitunnilla (45min). Opettajan kannattaa kiinnittää huomiota pienryhmien kokoonpanoon (3-5 oppilasta), että työskentely ja päätöksenteko olisivat mahdollisimman monipuolisia ja kaikki pääsisivät osallistumaan. Kokonaisuuteen sisältyy työskentelyä koko luokkana sekä pienryhmissä, itsenäistä tiedonhakua pienryhmän sisällä, kokeellisten töiden suunnittelua ja toteuttamista sekä päätöksentekoa edellä mainittujen tiedonhankintamenetelmien pohjalta. Ensimmäinen oppitunti työn esittely ja ongelman asettelu oppilaat lukevat korroosiosta ja siltä suojaamisesta omista oppikirjoistaan kerrataan yhdessä opettajan johdolla jännitesarja ja sen hyödyntäminen suojaustapaa valitessa käydään yhdessä läpi mitä ruostumisella tarkoitetaan, millaista ainetta on ruoste ja miksi raudan ruostumista pitää ehkäistä muodostetaan pienryhmät pienryhmissä keskustellaan erilaisista suojaustavoista (maalaus, päällystäminen toisella metallilla tai muovilla, uhrimetallin käyttö ) ryhmien työskentely ohjataan miettimään myös esteettisiä puolia (miltä silta näyttää maalattuna/sinkittynä/muovipäällystettynä/uhrimetallilla suojattuna) sekä sitä, mikä olisi ylläpitämisen ja talouden kannalta järkevin ratkaisu (tarvitseeko siltaa esim. maalata tai päällystää joka vuosi, kuinka paljon kaupungin työntekijöiden panostusta tarvitaan..) 4/12
Toinen ja kolmas oppitunti tiedonhaku kirjoista (opettajalla usean eri kirjasarjan kirjoja materiaalin hankintaa varten) kokeellista osiota varten oppilaat suorittavat kokeita, joilla o he voivat tutkia tapoja ehkäistä rautaista siltaa ruostumasta o tutkitaan erilaisia raudan ruostumiseen vaikuttavia tekijöitä (suolavesi, hapettomuus, kuiva/kostea ympäristö..) kokeet esitellään opettajalle, jonka jälkeen ne voi toteuttaa tämän ja seuraavan tunnin aikana (mahdolliset seurantatutkimukset 2-3 päivän ajan kahden oppitunnin välillä) materiaaleina luokassa rauta- ja kuparinauloja, kupari- ja sinkkilevyjä, maalia, suolavettä, ruokaöljyä, magnesiumnauhaa oppilaat kirjoittavat havaintonsa ja päätelmänsä ylös ja laativat niiden perusteella viiden minuutin esitettävän koosteen valitsemastaan parhaasta suojaustavasta oppilaat voivat käyttää havainnointiin myös digitaalikameroita tai kännykkäkameroita/-videoita Neljäs oppitunti pienryhmät esittelevät 5min pituiset koosteensa kuvineen ja havaintoineen muille ja kertovat perusteluineen, miksi ovat kyseisen suojaustavan valinneet keskustellaan yhdessä valinnoista ja suojaustavoista ja muodostetaan luokan yhteinen kanta parhaasta suojausmenetelmästä mietitään, miten muuten voisi vaikuttaa korroosioon ja kuinka sen vaikutuksilta voitaisiin metallisia esineitä yleensäkin suojata o tässä yhteydessä pohditaan korroosion vaikutusta myös muihin metalliesineisiin (autot, veneet, patsaat, katot, työkalut, laivat, laiturit, katuvalopylväät..) o keskustellaan eri metallien hapettumisen eroista; esimerkiksi alumiinin ja sinkin oksidikerrokset toimivat suojaavana "kalvona", kun taas rauta ruostuessaan jatkaa hapettumistaan läpi metallin, jolloin tuloksena on hauraampi ja helposti hajoava rakenne o kuparin patinoituminen o hopeaesineiden tummuminen hopeasulfidin vaikutuksesta 5/12
Työohjeet opettajalle Rautanaulan syöpyminen Kokeellisen tutkimuksen tarkoituksena on selvittää raudan ruostumiseen vaikuttavia tekijöitä. Tutkimus tehdään toisella tunnilla ja tuloksia seurataan kolmannella (tarvittaessa myös neljännellä) tunnilla. Tarvikkeet: neljä koeputkea rautanauloja (tavallisia ja sinkittyjä) vettä ruokasuolaa ruokaöljyä Työohje Täytä kaksi koeputkia puolilleen hanavedellä. Pudota toiseen koeputkeen tavallinen rautanaula ja toiseen sinkitty rautanaula. Täytä kolmas koeputki puolilleen suolavedellä ja pudota sinne tavallinen rautanaula. Täytä neljäs koeputki puolilleen keitetyllä vedellä, pudota sinne tavallinen rautanaula ja lisää koeputkeen vielä muutama pisara ruokaöljyä (siten, että pinnalle muodostuu öljykerros). Jätä koeputket telineeseen noin viikoksi. Tutki seuraavalla kerralla, mitä koeputkissa on tapahtunut. Kysymykset 1. Missä koeputkessa rauta on syöpynyt kaikkein eniten? 2. Entä vähiten? 3. Laaditaan yhteenveto rautanaulan syöpymiseen vaikuttavista tekijöistä. 6/12
Selitykset Rauta syöpyy eniten koeputkessa, jossa on tavallinen rautanaula ja suolavettä. Vähiten rauta ruostuu koeputkessa, jossa on keitettyä vettä ja ruokaöljyä. Suolavesi on ionipitoista, joten se nopeuttaa raudan korroosiota. Rauta ruostuu suolavedessä nopeasti, koska se reagoi veteen liuenneen hapen kanssa. Keitetyllä vedellä täytetyssä koeputkessa ei ole veteen liuennutta happea ja hapen pääsy veteen estetään vielä ruokaöljykerroksella. Tällöin ruostumista ei tapahdu läheskään niin nopeasti kuin suolavedessä. Sinkitty naula ruostuu toiseksi vähiten ja puhtaassa hanavedessä oleva tavallinen naula toiseksi eniten. Tämän kokeen perusteella rautanaulaa voi suojata korroosiolta joko päällystämällä sen toisella metallilla (sinkillä), muovilla tai maalilla, tai estämällä hapen pääsyn metallin pinnalle (esim. öljyämällä). Uhrimetalli Tämän työ tarkoituksena on selvittää epäjalomman metallin käyttöä uhrimetallina korroosiolta suojauduttaessa. Tarvikkeet: kuparilevyjä sinkkilevyjä rautanauloja (tavallisia ja sinkittyjä) kuparinauloja magnesiumnauhaa suolavettä Työohje Ota kaksi kuparilevyä ja kaksi sinkkilevyä. Lyö toisesta kuparilevystä läpi kuparinaula ja toisesta tavallinen rautanaula. Lyö toiseen sinkkilevyyn tavallinen rautanaula ja toiseen sinkitty rautanaula. Kääri yhden tavallisen rautanaulan ympärille magnesiumnauhaa. Laita kaikki naula-levy -yhdistelmät suolaveteen viikoksi. Tarkastele levyjen, naulojen ja magnesiumnauhan kuntoa seuraavalla oppitunnilla. 7/12
Kysymykset 1. Mitä on tapahtunut kuparilevyille ja niistä läpi lyödyille nauloille? 2. Mitä on tapahtunut sinkkilevyille ja niistä läpi lyödyille nauloille? 3. Mitä on tapahtunut naulalle, jonka ympärillä oli magnesiumnauha? Entä magnesiumnauhalle? 4. Miten uhrimetalli toimii korroosionsuojauksessa? Selitykset Kuparilevy, jossa on kuparinaula, on samanlainen kuin työn alkaessa. Kuparilevyn läpi lyöty rautanaula sen sijaan on alkanut ruostua. Ilmiö on sama kuin saunakauhassa, jossa kuparinen kauhaosa on liitetty rautaiseen varteen rautanaulalla. Sinkkilevyssä havaitaan korroosiota kohdassa, josta naula on lyöty läpi, naulassa ei havaita muutoksia. Rautanaulan ympärille kääritty magnesiumnauha on alkanut syöpymään, mutta naula on hyväkuntoinen. Metalleissa tapahtuvat muutokset johtuvat siitä, että kahden metallin liitoskohdassa syntyy eräänlainen sähkökemiallinen pari. Tämän seurauksena epäjalompi liitokseen osallistuvista metalleista reagoi siten, että se luovuttaa elektroneja ympäröivään liuokseen ja jalommalle metallille. Tästä johtuen epäjalompi metalli alkaa syöpymään. Menetelmää voidaan käyttää hyväksi metallien suojauksessa siten, että jalommasta metallista tehtävä metalliesine voidaan suojata epäjalommasta metallista tehdyllä kappaleella liittämällä ne yhteen. Tätä suojaustapaa voidaan käyttää hyväksi esimerkiksi raudasta tehdyissä laivoissa, joiden pohjaan kiinnitetään magnesium- tai sinkkikappale. Tämä epäjalompi metalli hapettuu ensin suojaten jalompaa rautaa korroosiolta. Uhrimetalli vaihdetaan aina tarpeen mukaan edellisen kuluttua loppuun. Samasta ilmiöstä on osittain kyse myös rautanaulojen sinkityksessä, jolloin rautanaulan päällä olevan sinkkikerroksen päälle muodostuu ohut, suojaava sinkkioksidikerros. 8/12
Arviointi Arvioinnin perusteet Oppilas Osaa hakea tietoa annetusta materiaalista Osaa suunnitella tutkimusasetelman valmiiden kirjan ohjeiden perusteella - Osaa lukea ja tulkita työohjeen - Osaa tehdä tarkoituksenmukaisia ennusteita (hypoteeseja) Osaa suorittaa kokeellisen tutkimuksen - Osaa suorittaa työn ohjeiden mukaan - Noudattaa työturvallisuusohjeita välineiden käytössä - Työskentelee turvallisesti suhteessa itseensä ja muihin - Tekee ja osaa kirjata mielekkäitä havaintoja ylös - Pitää työskentelytilansa siistinä Osaa tulkita havaintoja ja tehdä niiden perusteella johtopäätöksiä - Tulkitsee kerättyja havaintoja perustellusti - Tekee tutkimuskysymyksiin perustuvia johtopäätöksiä Toimii ryhmässä tutkimuksen aikana - Osallistuu ryhmäkeskusteluun tutkimuksen aikana - Toimii yhdessä ryhmän kanssa ja osallistuu täysin ryhmän toimintaan Osaa esittää tulokset - Kirjallisesti selkeästi ja perustellen - Suullinen esittely - Yhteiskunnallisten näkökulmien huomiointi - Tieteellisten näkökulmien huomiointi Arvitointi: Kiitettävä / Hyvä / Tyydyttävä 9/12
Profiles-opiskelumateriaalia Oppilaan ohje Voiko rautasiltaan luottaa? Luonnontieteet - Kemia 7.-9. luokka Oma nimi:........................................... Lyhyesti Metalleja on käytetty rakennusmateriaalina vuosisatojen ajan. Jatkuvasti metallien käytön ongelmana on ollut niiden altistuminen ympäristön vaikutuksille ja jopa syöpyminen ja haurastuminen näiden ympäristötekijöiden seurauksena. Tässä tutkimuksessa teidän tehtävänänne on tutustua erilaisiin tekijöihin, jotka vaikuttavat raudan ruostumiseen ja niiden perusteella laatia erilaisia tapoja ruostesuojaukseen. Tehtävässä tulee miettiä kemiallisten seikkojen lisäksi myös yhteiskunnallisia ja esteettisiä seikkoja. 10/12
Skenaario Koulun lähelle on rakennettu uusi asuinalue. Alue sijaitsee vilkkaasti liikennöidyn nelikaistaisen tien toisella puolella. Tien yli pitäisi rakentaa silta jalankulkijoita varten, että kouluun tulevat oppilaat pääsisivät turvallisesti tien yli. Koska kyse on kevytrakenteisesta jalankulkusillasta, on päätetty rakentaa koristeellinen silta raudasta. Sillan pitäisi kestää ainakin 20 vuotta, mutta kestääkö raudasta tehty silta näin kauan käyttökelpoisena? Millä tavoilla voitaisiin varmistaa, että silta säilyy siistin näköisenä ja turvallisena mahdollisimman kauan? Mikä olisi kaikkein paras keino suojata siltaa ruostumiselta? Työohjeet Tehtävänäsi on oppilastovereidesi kanssa tutustua erilaisiin ruostumista edistäviin tekijöihin ja niiden perusteella tehdä päätelmiä ja ratkaisuja parhaan mahdollisen suojauskeinon valinnasta. Pienryhmät tekevät myös kokeellisia tutkimuksia ruostumiseen vaikuttavista tekijöistä. 1. Pohdi pienryhmässä, mitä ruoste on ja mitkä tekijät edesauttavat raudan ruostumista. Tämän jälkeen osallistukaa luokkakeskusteluun aiheesta. 2. Tutustu kirjojen materiaaliin ruostumiseen vaikuttavista tekijöistä ja ruostumisen estämiseen käytetyistä menetelmistä. 3. Jokainen pienryhmä suunnittelee ja tekee tutkimukset, joissa tutkitaan raudan ruostumiseen vaikuttavia tekijöitä laboratorio-olosuhteissa. Toisessa työssä tutkitaan metallien välisiä reaktioita ja uhrimetallin käyttöä suojausmenetelmänä. Työt valmistellaan yhdellä tunnilla ja niiden tuloksia seurataan seuraavilla tunneilla noin viikon päästä työn aloittamisesta. Tulosten havainnointiin voi käyttää apuna esimerkiksi kameraa. 4. Mieti ryhmäsi kanssa, mikä olisi kokeiden ja lukemasi perusteella paras tapa suojata rakennettavaa siltaa ruostumiselta. Muistakaa miettiä myös yhteiskunnallinen ja esteettinen näkökulma asiaan (miltä silta tulee näyttämään valitsemaanne suojausmenetelmää käytettyänne, onko sillan suojaustavan valinnalla vaikutusta työllisyyteen, mikä olisi mahdollisimman taloudellinen tapa suojata siltaa). Tehkää havainnoistanne ja päätelmistänne mahdollisimman kattava yhteenveto esitystä varten. 5. Laatikaa pienryhmässä 5 minuutin mittainen esitys valitsemastanne suojaustavasta ja valmistautukaa esittämään se perustellusti muulle ryhmälle. Miksi olette valinneet juuri tämän suojaustavan? 11/12
Päätöksenteko Kun olette kuunnelleet muiden ryhmien esitykset, pohtikaa vielä valitsemanne suojaustavan mielekkyyttä. Kirjatkaa yhdessä ylös mielipiteenne, muistakaa perustella se! Johtopäätösten esittely Muodostakaa lopuksi luokan yhteinen kanta sillan suojauksesta. Lopuksi keskustellaan koko luokan kanssa myös siitä, mitä muita metallisia esineitä tai rakenteita ympäristössänne pitäisi suojata. Mitkä olisivat lukemanne ja kokeilemanne perusteella hyviä keinoja näiden erilaisten metallien suojaukseen? 12/12