Kemian ratkaisuja ympäristöongelmiin KOP 13.4.2012 Marianne Juntunen marianne.juntunen@helsinki.fi Kemian opetuksen keskus, Helsingin Yliopisto
http://www.pirkanmaan-jatehuolto.fi/nuoret/animaatiot/elink9.html
Vihreän kemian periaatteet (Anastas & Warner, 1998) 1. Jätteen synnyn ehkäisy 2. Atomiekonomia 3. Vaarattomat kemialliset synteesit 4. Turvallisten kemikaalien suunnittelu 5. Turvallisten liuottimien käyttö ja apuyhdisteiden käytön välttäminen 6. Energian käytön minimoiminen 7. Uudistuvien lähtöaineiden käyttö 8. Tarpeettoman johdostenmuodostumisen välttäminen 9. Katalyyttien suosiminen 10. Tuotteiden hajoaminen elinkaaren lopussa 11. Reaaliaikaiset analyysit 12. Onnettomuuksien välttäminen esim. oikeilla kemikaalivalinnoilla
Oppilaat ehdottamaan kysymään selvittämään tutkimaan keskustelemaan esittämään kommentoimaan väittelemään SUUNNITTELEMAAN RATKAISUJA! TOIMIMAAN!
Someone said, we have a problem... Biodiversiteetin köyhtyminen (sukupuutto, uhanalaisuus, korallien vaaleneminen, alkuperäislajien kato) Energian tuotanto (uusiutuvat, uusiutumattomat) Geenimuuntelu (saastuminen, hallitsemattomat vaikutukset) Ilman saastuminen (sumu, troposfäärinen otsoni, haihtuvat orgaaniset yhdisteet, pienhiukkaset, PAH, SOx, NOx) Ilmastonmuutos (kasvihuonekaasut, merten happamoituminen, tuuli- ja merivirtojen muutokset, merenpinnan nousu) Jätteet (elektroniikka, muovit, valumat, kierrätys, jätteenpoltto) Maan pilaantuminen (saastuminen, aavikoituminen, happamoituminen, kaivokset) Nanoteknologia (myrkyllisyys, saastuminen, hallitsemattomat vaikutukset) Otsonikato (halogenoidut hiilivedyt, radikaalit) Tekoaltaat (muutokset virtausympäristössä) Tehomaatalous (maaperän köyhtyminen, kastelu, monokulttuurit, eläintuotannon päästöt ja energian kulutus, torjunta-aineet, metsäkato) Veden saastuminen (happamoituminen, rehevöityminen, öljyvuodot, lämpeneminen, muovijäte, biokertyvät yhdisteet) Vesistöjen happikato (vähähappisuus, hapettomuus) Ydinsäteily (voimalat, aseet, laskeuma, jätteet) Yleinen saastuminen (valo, melu, visuaalinen, materia) Ylikalastus (pohjatroolaus, salakalastus) Ylikansoitus (jätteet, vesikriisi, nälänhätä, taudit) Ylikulutus (kulutuskapitalismi) Ympäristön muuttuminen (metsäkato, rehevöityminen, elinympäristöjen tuhoutuminen, ilmastonmuutokset) Ympäristön terveys (ilmanlaatu, elektromagneettinen säteily ja biokertyvät, hormonihäiritsijä-, karsino- ja teratogeeniyhdisteet)
Tavoitteita Ymmärtää mittakaavat Muovipussi vs. Sisältö (esim. elektroniikka, liha) Kuljetus vs. Oma kauppamatka Pakkaus vs. Hävikin ehkäisy (joka 10. ruokakassi roskiin?!) Yksilön suurimmat ympäristövaikutukset tulevat arjessa asumisesta, liikkumisesta ja ruoasta (Peloton sivulla infokortit) www.peloton.me/info http://www.peloton.me/peloton_kortti_asuminen.pdf Oppilaiden Vahvistuminen ongelmien edessä? Keskustelukyky Tiedostavan kuluttajan rooli Vaikutusten laajuuden ymmärtäminen
Suomenluonnonsuojeluliiton ekoteesit: 1. Ruokakassin materiaalin sijaan huomiota kassin sisältöön. Vaikka kangaskassi onkin ympäristön kannalta parempi vaihtoehto kuin muovitai paperikassi, kannattaa ensisijaisesti kiinnittää huomiota siihen, että suosii mahdollisimman paljon kasvispohjaisia elintarvikkeita eläinperäisten sijaan. 2. Alkuperämaan sijaan huomiota omiin kauppamatkoihin. Kuljetusten osuus ruuan elinkaaren aikaisista ympäristövaikutuksista on vain muutaman prosentin luokkaa. Sillä, tuodaanko ruoka kumipyörillä Espanjasta tai rahtilaivoilla Brasiliasta ei ole juurikaan merkitystä ruuan ympäristövaikutukseen. Sen sijaan sillä, miten omat kauppamatkansa kulkee, on ratkaiseva merkitys. Kannattaa siis suosia lähikauppaa, johon pääsee jalan tai polkupypörällä. 3. Pakkausten sijaan huomiota ruuan hävikin ehkäisemiseen. Kotitalouksien ruuasta noin 10 prosenttia päätyy roskikseen. Pakkausten osuus ruuan elinkaaren aikaisista ympäristövaikutuksista on kuljetusten tapaan häviävän pieni. Jos hyvällä pakkauksella voidaan parantaa ruuan säilyvyyttä ja pienentämään sen hävikkiä, kannattaa tehdä kunnollinen pakkaus.
Ympäristövastuullisuuden ohjauskeinot 1. Informaatio: Koulutus, valistus - koulut, järjestöt, viranomaiset, mediat, yritykset... 2. Hallinnollis-oikeudellinen: Lait, määräykset, asetukset, direktiivit, protokollat, sopimukset - koko elinkaari - suunnittelusta loppusijoitukseen esim. YSL, KemL, KemTurvL, POP, KT-tiedotteet, GHS CLP, REACH 3. Taloudellinen: Kepit ja porkkanat - tuet, verot, sanktiot, päästökauppa 4. Vapaaehtoinen itsesäätely: Standardit, sopimukset, kulttuuriset tavat teot - ISO 14 000 standardisarja, EMAS, kansalaisten ruohonjuuritason
Aihe Kemia Työtavat Yhteiskunnallinen ristiriita Työtavat Vaipat (Sciller, Yezierski 2009) suolaliuos, polymeerit, kuidut eri % pissaliuosten valmistus, vaipan valmistus, polyakrylaatin ja muun kuidun rakenne jätteet vs. helppous ja hyödyllisyys, mainonnan mielikuvat Tutkimusta pienryhmissä, keskustelu kuluttamisesta ja tieteen vaikutusmahdollisuuksista Kevytsipsit (Marks, Eilks & Feirabend, 2008) Suihkugeelit (Marks & Eilks, 2008) Vetyautot (Eilks, Evlegimenos, Olympios & Valanides, 2003) Bioetanoli/Biodies el (Feirabend & Eilks, 2008) Voimalaitoksen tai kaatopaikan sijainti, ilmaston lämpeneminen (Kolsto, 2000) rasvat, verrataan rasvan ja hiilihydraattien energiasisältöjä ja suhdetta eri hiilihydraatit, ruoissa, vähärasvaisten ja sokeristen energian saanti dieettien arviointia saippua, apuaineet ja hajusteet sähkökemialliset kennot, polttokennot, vetyteknologia rasvojen esteröinti, alkoholit, fermentointi, tislaus kemialliset vaikutukset ympäristöön käytettävien aineiden ominaisuudet, eri toimijoiden mielipiteet, kuluttajatestit, lehtijutun kirjoittaminen veden elektrolyysi, mistä polttokenno rakentuu käyminen, öljyjen & alkoholien ominaisuudet, energiasisältöjen vertailu palamisessa ongelman valinta, tutkittavien kysymysten muodostaminen, tiedon keruu eri rooleissa, kysymysten teko, johtopäätökset, konsesusmallin raportointi kuinka kevyttuotteita mainostetaan lehdissä ja tv:ssä, huijataanko, onko dieeteissä järkeä keinotekoiset myski hajuyhdisteet ovat hormonitoimintaan vaikuttavia ja mahdollisesti syöpää aiheuttavia vedyn käyttö polttoaineena ja miten tuottaa ja varastoida vetyä ruokakasvien käyttö polttoaineeksi? Mikä vaikutus tällä ruoan hintaan, sademetsiin, sosiaalisiin oloihin tuottajamaissa Ongelman määrittely hyödyt, haitat, vaikutukset terveyteen, ympäristöön, kansantalouteen. Näkökulmia voidaan tuoda esille rooleilla esim. lähiympäristöntilasta huolestunut asukas, työpaikoista iloitseva teollisuuden/kaupan edustaja, tieteen näkökulma, Tuleeko mieleen muita aiheita? Mitä taitoja kehittää oppilaissa? Oppilaat tuottavat pienryhmissä lyhyet tv uutiset eri näkökulmista (yritys, kansalaisjärjestö, tiedemies ). Yhdestä näkökulmasta aina 2 uutista, jotta oppilaatkin huomaavat journalistien erot. Uutisessa tietoa esim. tuottajateollisuudelta, mainostajalta, kuluttajansuoja ja ympäristöjärjestöltä, jäte/veden puhdistus laitokselta, paikalliselta asukkaalta. Lopuksi keskustelu/väittely aiheesta virinneistä kysymyksistä ja oman mielipiteen muodostaminen esim. Minkä suihkugeelin minä valitsen? Ostaisinko kevytsipsejä? Millaisia biopolttoaineita kannatan? Ongelman valinta koko luokan kesken, tutkittavien kysymysten muodostaminen, pienryhmissä selvitetään vastauksia ongelman eri ulottuvuuksiin ja yksi ryhmä on "arvioijapaneeli". Tietoa keränneet ekspertit esittävät tietonsa ja muut kyselevät. Sovitaan johtopäätöksistä, jotka paneeli raportoi konsesusmallissa, eli toimintaehdotuksessaan. Päätetään yhdessä raportoinnin muoto.
Sosiokriittinen ja tutkimuksellinen kemian opetus Oppilaat harjoittelevat tiedon/argumenttien tarkastelua, arviointia, mielipiteistä keskustelua, päätöksentekoa, ongelman ratkaisua Saksalaiset Marks, Eilks, Feirabend ym ovat kehittäneet useita malleja, joissa työpistetyöskentelyä pienryhmissä saman teeman ympärillä 2-3 x 45 min. Autenttisia, relevantteja, ristiriitaisia uutisia, kokeellisia tehtäviä, mallinnusta, animaatio/simulaatio (esim. http://phet.colorado.edu/en/simulations/category/chemistry) Sitten tuottavat vertaistietoiskut : lyhyet tv-uutiset eri näkökulmista (yritys, kansalaisjärjestö, tiedemies ). Yhdestä näkökulmasta aina 2 uutista, jotta oppilaatkin huomaavat journalistien erot. Uutisessa tietoa esim. tuottajateollisuudelta, mainostajalta, kuluttajansuoja- ja ympäristöjärjestöltä, jäte/veden puhdistus laitokselta, paikalliselta asukkaalta. Lopuksi keskustelu/väittely aiheesta virinneistä kysymyksistä, esim. Minkä suihkugeelin minä valitsen? vertaistietoiskuja myös esim. posteri, haastattelu, lehtijuttu, näytelmä, portfolio, ongelmanratkaisu case, mielipidekirjoitus...?
Onko kemian opettaja ympäristökasvattaja? RAAKA-AINEET JA TUOTTEET ELOLLINEN LUONTO JA YHTEISKUNTA ILMA JA VESI
Raaka-aineet ja tuotteet - jätteet Biohajoavat muovit: Korkeassa lämpötilassa biomassasta saadaan synteesikaasua (pääasiassa CO + H 2 ). Kun synteesikaasua opitaan puhdistamaan tehokkaammin epäpuhtauksista (esim. partikkeleita, tervaa, N, Na, K, P, S ja Cl yhdisteitä), se soveltuu käytettäväksi esimerkiksi Fischer-Tropsch-synteesissä CO + 2H 2 Hiilivetyjä + H 2 O ts. nco + (2n+1)H 2 C n H 2n+2 + nh 2 O. Fischer-Tropsch-synteesissä kaasufaasi adsorboituu kiinteän katalyytin pintaan, missä hiilimonoksidin hydrogenaatio muodostaa CH 2 -monomeereja, jotka reagoivat edelleen muodostaen eripituisia ja funktionaalisia hiilivetyjä. Lopputuotteet voivat olla lineaarisia n-parafiineja (tyydyttyneitä hiilivetyjä), joita voidaan käyttää liikennepolttoaineina (biodiesel), tai lineaarisia olefiineja (tyydyttymättömiä hiilivetyjä). Näiden lisäksi reaktioissa muodostuu mm. alkoholeja, aldehydejä, ketoneja sekä karboksyylihappoja.
Biomuovit Genencor (Danisco) on kehittänyt teknologian, jolla valmistaa sokeriruosta, maissista, ruohosta tai muusta biomassasta isopreeniä. Tavoitteena on valmistaa Goodyear renkaat aletaan kokonaan jätebiomassan isopreenistä. Nyt yhden renkaan valmistus kuluttaa n. 25 l öljyä. Uusien teknologioiden haasteina hinta, suorituskyky, jakelu, patentointi, geeniteknologiat ja uusien jalostamoiden integrointi vanhaan infrastruktuuriin. Lisäksi konflikti kasvavan ruokatuotannon tarpeen kanssa.
Raaka-aineet ja tuotteet maan pilaantuminen Rikin poisto savukaasuista: Maaperän tilaan on vaikuttanut rikin poisto tehtaiden savukaasuista ja seurannut happosateiden väheneminen. Rikkidioksidin reagoi ilman veden kanssa SO 2 (g) + H 2 O (l) H 2 SO 3 (aq) 2H + (aq) + SO 2-3 (aq) Happamat rikki-ionit neutraloidaan kalsiumoksidilla CaO + SO 3 CaSO 4 tai kalsiumkarbonaatilla (muodostuu kipsiä) SO 2 + CaCO 3 + 1/2H 2 O CaSO 3 1/2H 2 O+ CO 2 CaSO 3 1/2H 2 O + SO 2 + H 2 O Ca(HSO 3 ) 2 + 1/2H 2 O Ca(HSO 3 ) 2 + O 2 + 2H 2 O CaSO 4 2H 2 O + H 2 SO 4
Vihreä tehdas http://www.kemianluokka.fi/files/vihrea_tehdas_oppilas.pdf Tehtaan rikkipäästöt: Miten piipun pituus vaikuttaa? Voiko päästöjä neutraloida kemiallisesti? Miten käytännössä?
Raaka-aineet ja tuotteet - Nanoteknologia Nanotuotteita ja -materiaaleja: nanosensorit (ilman, veden, ruoan ioneille), nanografeeni (katalysaattorit, aurinkopaneelit) Nanosensorit mitattaavat usein magneetin, vastuksen tai jännitteen muutosta/syntyä, kun tutkittavan aineen saasteionit asettuvat hetkellisesti nanosensorin pinnalla oleviin aukkoihin. Nanosensorit ovat esim. hiiliputkia tai metallielektrodeja piilevyn pinnalla. Etuina pieni koko ja hyvä selektiivisyys. Huolena teollisten nano-partikkelien kulkeutuminen ympäristössä? http://nanokoulu.jyu.fi/opetus/nanotoiden-ohjeita-ja-materiaaleja
Elollinen luonto ja yhteiskunta Biodiversiteetin (luonnon monimuotoisuuden) köyhtyminen Geenitutkimus: 1) Eliölajien geeniperimän tuntemisen avulla ekosysteemejä voidaan ymmärtää paremmin. Esim. Eläinsolujen mitokondrioiden cytokromi b:n ja tuman DNA-sekvenssien avulla voidaan tunnistaa eri eliölajit. esim. Pteronotus parnellii -lepakot ovat eri lajeja Hispaniolassa, Puerto Ricossa ja Isla Monassa. 2) Geenimuunnellut viljelykasvit: Tavalliseen riisiin verrattuna on kehitetty uusia "super-riisi" lajikkeita. Ensimmäinen on kolmasosan normaalia satoisampi, ja toinen sisältää neljä kertaa enemmän rautaa, sekä tuplasti sinkkiä. Huolestuttavaa, ettei kemiallisia vaikutuksia ympäristöön ei vielä tunneta!
Elollinen luonto ja yhteiskunta Energian tuotanto Aurinkoenergia, Grätzelin kennot: Väriaineherkistetyt kennot muodostuvat nanokokoisista TiO 2 -hiukkasista (TiO 2 -anodi ja Pt-katodi), jotka on pinnoitettu valoa absorboivilla väriainehiukkasilla ja upotettu orgaaniseen elektrolyyttiliuokseen. Vain 10 μm paksuinen sekoitus asetetaan kahden lasilevyn väliin tai upotetaan muovin sisään. Valon osuessa väriainehiukkasiin vapautuu elektroneita, ja syntyy aukkoja, positiivisen varauksen kantajia. Puolijohtava TiO 2 -partikkelikerros johtaa elektronit ulkoiseen virtapiiriin. Etuina aikaisempiin aurinkokennoihin nähden elektrolyytin läpinäkyvyys, korroosionkesto suurempi valojännite suurempi hyötysuhde ja vakaus. Katodin platina voidaan korvata kobolttisulfidilla, joka on oleellisesti platinaa halvempaa. Se on myös tehokkaampaa, vakaampaa ja sitä voidaan helposti tuottaa laboratoriossa.
Väriaineherkistettyjen aurinkokennojen toiminta Reaktioyhtälöt S + hv S* (1) S* S+ + e (2) I3 + 2e 3I (3) S+ + 3/2 I S + 1/2 I3 (4) Kuva: Mortimer ja Worrall, Harnessing solar energy with Grätzel cells, RSC, 2007 Auringon energia eli valon fotonit hv saavuttavat kennon. Energia aiheuttaa esim. mustikan väriainemolekyylien S molekyyliorbitaalilla elektronien virittymisen (1). Virittynyt elektroni irtoaa väriainemolekyyliltä (2). Titaanioksidin johtavuusvyöllä elektroni pääsee kulkemaan eteenpäin puolijohteessa. Titaanioksidin kautta elektronit kulkevat anodille ja sieltä sähkövirtana vastaelektrodille. Elektrolyyttiliuoksen sisältämät jodiatomit saavat elektroneja katodilta (3). Väriainemolekyylit saavat luovuttamiensa elektronien tilalle uudet elektronit elektrolyyttiliuoksen jodiatomeilta (4). (Nazeeruddin, Baranoff ja Graetzel, 2011)
Elollinen luonto ja yhteiskunta - Ydinsäteily Radon-suojautuminen: Radon on radioaktiivinen kaasu, jota syntyy jatkuvasti uraanin hajotessa kiviaineksessa, kuten kalliossa ja hiekassa sekä näistä valmistetuissa rakennusmateriaaleissa. Asunnon huoneilman radonpitoisuus ei saisi ylittää arvoa 400 Bq/m3. Uudiskohteet tulee suunnitella ja rakentaa siten, ettei radonpitoisuus ylitä arvoa 200 Bq/m3. Radonin kulku sisäilmaan estetään tiivistämällä rakenteet esim. liimattavalla bitumisuojalla. Bitumit ovat pitkäketjuisia hiilivetyjä. Ydinvoiman hallinta
Elollinen luonto ja yhteiskunta Tehomaatalous Lannoitetypen valmistus: aikaisemmin ammoniakin tuotannossa käytetyt syanidimenetelmät syrjäytti vuonna 1909 Haber Bosch-menetelmä i) Vedyn valmistus CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2 ii) Typen lisääminen johtamalla seokseen ilmaa CH 4 + (0,5) O 2 + 2N 2 CO + 2 H 2 O + 2 N 2 iii) Häkä hapetetaan CO + 2H 2 O CO 2 + H 2 iv) Typpikaasu reagoi vedyn kanssa N 2 + 3 H 2 2 NH 3 Happamat epäpuhtaudet (CO 2, H 2 S, rikkihiili) absorboituvat amiiniliuottimeen. Noin 20% NH 3 :a sisältävä kaasuseos tiivistetään nesteeksi paineistamalla ja jäähdyttämällä, jolloin NH 3 nesteytyy. Reagoimaton kaasu johdetaan takaisin synteesiuuniin. Muita aiheita: maaperän köyhtyminen, kastelu, monokulttuurit, eläintuotannon päästöt ja energian kulutus, torjunta-aineet, metsäkato
Elollinen luonto ja yhteiskunta Ympäristön terveys Osataan havaita ja tutkia ympäristölle haitallisia yhdisteitä: Esim. Laajasti kuluttajatuotteissa kuten hammastahnoissa ja deodoranteissa käytettävä kloorattu, aromaattinen triklosaani. Triklosaanilla C 12 H 7 Cl 3 O 2 ja metyylitriklosaanilla C 13 H 9 Cl 3 O 2 on haitallisia vaikutuksia vesiympäristössä. Metyylitriklosaani on biokertyvä. Auringonvalo voi muuttaa jätevesipäästöjen triklosaanin dioksiineiksi. Antimikrobisten aineiden käyttö johtaa bakteerien vastustuskyvyn lisääntymiseen.
Elollinen luonto ja yhteiskunta Ylikansoitus Raskauden ehkäisy: Yhdistelmäehkäisypilleri sisältää luontaista estrogeenihormonia jäljittelevää synteettistä etinyyliestradiolia sekä luontaista keltarauhashormonia jäljittelevää synteettistä progestiinia. Se vähentävät aivolisäkkeen FSH- ja LH-hormonien erittymistä, josta seuraa elimistön oman hormonintuotannon loppuminen ja munarakkulan kypsymisen ja ovulaation estyminen. Minipilleri sisältää vain progestiinia. Käyttäjistä 15%:lla ne estävät ovulaation ja osalla häiritsevät sitä. Muilla minipillerin teho perustuu sen aiheuttamiin kohdun limakalvon ja kohdunsuun limakalvon Pillereitä säännöllisesti käyttämällä raskaaksi tulon todennäk. on vain 0,1% vuodessa, eli jopa pienempi kuin kondomilla tai kuparikierukalla. muutoksiin, jotka vaikeuttavat siittiöiden etenemistä tai alkion kiinnittymistä. Kuva: Kuopion yo, Kemian perusteet farmasiassa, 2008
Ilma ja vesi - Ilman saastuminen Nano-koon mittaus- ja tutkimusmenetelmät: Nuuskija-auto selvittää kaupunkien ilmanlaatua ja epäpuhtauksia tutkien liikenne-päästöissä syntyvien pienimpien hiukkasten lukumääräpitoisuuksia ja kokojakaumaa. Laitteilla voi havaita halkaisijaltaan jopa 3 nm hiukkasia. Nanosensoreissa mitataan usein magneetin, vastuksen tai jännitteen muutosta/syntyä, kun tutkittavan aineen esim. veden tai ilman saasteionit asettuvat hetkellisesti nanosensorin pinnalla oleviin aukkoihin. Nanosensorit ovat esim. hiiliputkia tai metallielektrodeja piilevyn pinnalla. Etuina pieni koko ja hyvä selektiivisyys. Huolena teollisten nano-partikkelien http://www.nanocap.eu/flex/site/download2e90.pdf kulkeutuminen ympäristössä! http://nanokoulu.jyu.fi/opetus/nanotoiden-ohjeita-ja-materiaaleja
Ilma ja vesi - ilmastonmuutos Matti Nurmian keksintö, CO 2 poisto: Neutralointiprosessissa hiilivoimalan hiilidioksidi siirretään savukaasusta vesiliuokseen, joka neutraloidaan maasälvän avulla. Hiilidioksidi muuttuu bikarbonaateiksi. Maasälvästä erottuu arvokkaita sivutuotteita kuten alumiinin raakaainetta. Siitä voidaan saada myös litiumia ja lantanideja. Maasälvissä on noin 10 % alumiinia. Se vapautuu neutraloinnissa bauksiittina = Al(OH) 3, joka on helppo jalostaa monikäyttöiseksi alumiinioksidiksi. CaAl 2 Si 2 O 8 + 2CO 2 + H 2 O Ca 2+ + 2HCO - 3 + 2SiO 2 + 2Al(OH) 3 13.5.2011 Tekniikka & Talous
Ilma ja vesi otsonikato Ilmakehän tutkiminen ja kylmäaineet: CFC-yhdisteiden tilalle kehitetyissä HCFC-yhdisteissä osa kloorista on korvattu vedyllä. Ne hajoavat CFC-yhdisteitä nopeammin, joten pienempi osa pääsee stratosfääriin saakka. Nekin aiheuttavat otsonikatoa, mutta CFC:tä vähemmän. Uusimpia korvaavia aineita ovat HFC-yhdisteet, jotka eivät sisällä lainkaan Cl, vaan koostuvat pelkästään H, F ja C. Ne eivät vaikuta lainkaan otsoniin. Klooriatomi reagoi otsonin kanssa: Cl + O 3 O 2 + ClO ts. Vapautuessaan stratosfääriin klooriatomi aloittaa ClO x - syklin: Cl + O 3 -> ClO + O 2 (1) ClO + O -> Cl + O 2 (2) -------------------------------------- O + O 3 -> O 2 + O 2
Ilma ja vesi veden saastuminen Vedenpuhdistuskemia (Kemira): Hydroksyyli- ja fosfaatti-ionien poisto rautasulfaatilla, FeSO 4 http://www.helsinki.fi/kemia/opettaja/aineistot/vedenpuhdistus/rautasulfaatti.htm Ferro- ja ferri-ionit reagoivat jätevedessä nopeasti hydroksyyli ja fosfaatti-ionien kanssa muodostaen saostumia Fe 3+ + H n PO 4 (3-n)FePO 4 (s) + nh +, (n = 0, 1, 2 tai 3) Hydroksyylisakka muodostuu reaktiossa Fe 3+ + 3H 2 O Fe(OH) 3 (s) + 3H + Myös aktiivihiilisuodatukseen ja otsoniin perustuvaa puhdistusteknologiaa
Ilma ja vesi vesistöjen happikato Happimittaukset (DO = dissolved oxygen, mg/dm3): Kaupalliset kitit, happimittarit tai Winkler-titraus. Liuos 1 = NaI 3M / NaOH 8M, Liuos 2 = MnCl2 3M (Mn(OH)2) sakka, jonka veden happi hapettaa MnO(OH)2 stabiloituu vahvan hapon ja natriumjodidin kanssa ja muodostuu jodidia (I2). Se voidaan titratata tiosulfaattistandardiliuoksella (Na2S2O3 0,0040 M) MnCl 2 + 2NaOH Mn(OH) 2 + 2Na + + 2Cl - 1 2 O 2 + Mn(OH) 2 MnO(OH) 2 MnO(OH) 2 + H 2 SO 4 + 2NaI Mn(OH) 2 + NaSO 4 + H 2 O + I 2 I 2 +2Na 2 S 2 O 3 Na 2 S 4 O 6 +2NaI 1 mol happea vastaa 4 mol tiosulfaattia. Hapen määrä ilmoitetaan mg/dm 3. http://www03.edu.fi/oppimateriaalit/laboratorio/ymparistoanalyysit_veteen_liuennut_happi.html
Realiteetteja vuoteen 2050 mennessä Öljy ja maakaasu loppumassa Jalostettava ja korvatta! Kivihiili, ruskohiili, turve, puu, biomassa, jätteet, levät Polttoa ja jalostusta Useat mineraalit loppumassa (fosfori, osa metalleista) materiaalikierrätys ja uudet materiaalit esille Vedestä ja puhtaasta vedestä pulaa suuri potentiaali puhdistus-, kierrätys ja optimointiosaamiselle Ilmastonmuutos, ympäristön saastuminen ja väestönkasvu keskeisiä vaikuttajia politiikassa
Biotalous - ei riipu fossilisista polttoaineista Avainteknologioita: Biokemia, bioteknologia, kemia, insinööritieteet 190 000 työpaikan ja 125 miljardin liikevaihto tuplaantunee 2020 mennessä. EUROPE 2020 tavoitteena on kestävä kasvu, resurssitehokas ja innovatiivinen unioni. Suomalaisia mahdollisuuksia: puukemia (Metso, UPM, Stora Enso, M- Real ), vesiosaaminen (Pöyry, Kemira), prosessien energiatehokkuus (Vacon, Outotec, Motiva, UPM Profi), kierrätys-/ympäristöteknologian laitteet (BHM Technology, Zen Robotics), uusiutuvat energiat (Renewa, MW Power, ST1, Neste Oil), biologinen kemia esim. fermentointi ja kaasutustekniikat, lignoselluloosatekniikat, biokatalyysi, entsyymit, mikrobitekniikat, kasvisoluviljely, geeniteknologia, antiboditeknologia, robotiikka, rikosteknologia, uusia mittausmenetelmiä, keinotekoinen fotosynteesi, vihreä tuotesuunnittelu ja tuotanto... Tuotteina: biopolttoaineet, biopolymeerit, biopintakäsittely- ja biovoiteluaineet, lääkkeitä & antibiootteja, maatalouden sovelluksia, energiaa biomassasta, syöpälääkkeitä...
Tulevaisuuden autot http://www.kemianluokka.fi/files/tulevaisuuden_auto_kalvot.pdf polttokennojen ja vetytalouden merkitys
Lähde: www.minihydrogen.com
Arvioinneista http://www.oph.fi/download/49174_luonnontieteellisen_tutkimuks en_teko_kooulussa.pdf Edellisessä täykkärissä kehitetty oppilasarviointi ehdotus: Projektista arvioidaan henkilökohtaisesti kolme osa-aluetta, joista kustakin saa 0-3 plussaa. Lopussa opettaja voi vielä käydä oppilaan kanssa lyhyen arviointikeskustelun, jossa opettajan arviointia voi peilata oppilaan itsearviointiin. 1. Motivaatio: innostuneisuus ja ryhmän työskentely, toisten töiden kommentointi 2. Itse työ: sisällöt, asiantuntevuus (omin sanoin!), selkeys, ytimekkyys 3. Luovuus: omien kysymysten ja tutkimusongelmien asettaminen, esityksen monipuolisuus
http://www.helsinki.fi/kemma/data/kop2010kirja.pdf Laatuluokat Osaamisalueet Riittämätön taso Riittävä taso Hyvä taso Erinomainen taso Ennakko- Tehtävään perehtyminen ja Työn suunnittelu, Painotus 20 % Ei etukäteissuunnittelua, työn suunnittelu työn Edetessä.Ennakko tehtävään ei tutustuttu. Alustava suunnitelma työn etenemisestä. Ei käsitystä käytännön aikataulusta. Ennakko tehtävään tutustuttu. Suunniteltu ja alustava aikataulu, jossa arvioitu Itsenäisten työvaiheiden kesto. Ennakkotehtävään tutustuttu. Suunniteltu ja alustava aikataulu, jossa arvioitu itsenäisten työvaiheiden kesto. Varauduttu myös vaihtoehtoisiin ratkaisuihin. Työn käytännön Toteutus, Painotus 40 % Täysin opettajajohtoinen ei itsenäistä työskentelyä. Työohjeita seuraten pääosin itsenäistä työskentelyä. Ei lainkaan itsenäistä Ongelmanratkaisukykyä. Itsenäinen toteutus. Jonkin verran omia ongelmanratkaisutaitoja. Aiemmin opitun tiedon hyödyntäminen. Itsenäinen toteutus, jossa omia ongelmanratkaisutaitoja myös vaativien ongelmien kohdalla. Aiemmin opitun tiedon syvällinen hyödyntäminen. Saadut tulokset ja niiden Luotettavuus, Painotus 10 % Ei onnistuneita mittauksia. Ei Omaa arviota mahdollisista virhelähteistä. Tulosten tarkkuus ja Toistotarkkuus tyydyttäviä. Pinnallisia arvioita mahdollisista virhelähteistä. Luotettavat tulokset. Oma arvio tulosten luotettavuudesta ja mahdollisista virheistä Luotettavat tulokset. Oma kriittinen arvio tulosten luotettavuudesta ja mahdollisista virheistä. Raportointi, Painotus 30 % Raportista ei löydy kaikkia tarvittavia osioita. Runsaasti lasku- ja kirjoitus virheitä, ei viitteitä, plagiointi. Raportista löytyvät kaikki tarvittavat osiot. Viimeistelyssä puutteita. Muutamia viitteitä ja teorian pintapuolinen esittely. Muutamia lasku- ja kirjoitusvirheitä. Raportti on sujuvasti kirjoitettu ja siitä löytyvät kaikki tarvittavat osiot. Ei Laskuvirheitä. Teoriaosuudessa Useita viitteitä ja Tulosten pohdintaa Ja analysointia. Huolellinen viimeistely. Muotoseikat ja rakenne kunnossa. Ei laskuvirheitä. Teoria osuudessa viitteitä ja tulosten syvällinen pohdinta / analysointi.
Opetuksen tueksi Ope-tv: Minun ekotekoni 5 videota http://opettajatv.yle.fi/ great pacific garbage patch, esim. youtube. http://www.wwf.fi/ymparisto/meret_sisavedet/oljyntorjuntajoukot/ Luonto lähellä videot http://www.youtube.com/watch?v=4fyqvju78ai Kotitalouksien vedenkulutus: http://www.motiva.fi/koti_ja_asuminen/mihin_energiaa_kuluu/vedenkulu tus jätevesien puhdistus, Suomen ympäristökeskuksen sivut: http://www.ymparisto.fi/default.asp?contentid=166903 Helsingin vesi: http://www.hsy.fi/vesi/palvelut/jatevesi/sivut/default.aspx Vesilähettiläitä ja oppimateriaaleja www.wwf.fi/ymparisto/ymparistokasvatus Vesitalous lehti http://www.vesitalous.fi/fi/etusivu.html http://www.madehow.com/ Miten eri tuotteet valmistetaan, englanniksi Hupparin matka www.respect-inside.org ja syötä paidassa ollut koodi SWT2222JJSC
Opetuksen tueksi Riskipeli http://www.finenvi.org/riskipeli/riskipeli.html Testaa ekotehokkuutesi http://www.jly.fi/ekoteho/esko/osio1.htm Oppimispeli http://honoloko.eea.europa.eu/honoloko.html WWF:n pelejä http://wwf.panda.org/how_you_can_help/games/ Oppimateriaaleja, testejä ja pelejä http://www.vihreapolku.info/ Ekopeli http://www.galaktori.fi/main.asp Kierrättämisestä biologeilta tietoa http://www.helsinki.fi/jarj/symbioosi/kierratys/ Kuluttajaliitto ry:n http://www.eettinenvalinta.fi/ Karttoja aiheesta: http://maps.grida.no/go/graphic/trafficking_waste_stories
Jalanjälkiin liittyviä linkkivinkkejä www2.turkuamk.fi/keke/ekofeet2/index.php?page=laskuri Laske oma ekologinen jalanjälkesi www.footprintnetwork.org/en/index.php/gfn/page/footprint_for_nations/ Maakohtaiset jalanjäljet. Henk.koht. Testi www.myfootprint.org/ Henk.koht. Testi http://www.ilmastodieetti.fi/ilmastolaskuri.html Piilovesi... www.vesijalanjalki.org http://www.waterfootprint.org/?page=files/home http://www.h2oconserve.org/home.php?pd=index Tiesitkö, että yli 40 % suomalaisen vesijalanjäljestä syntyy vesipulasta kärsivissä maissa? Ekologinen velkamme kasvaa. VESIKRIISI-esite, Maan ystävät ry III-2010.pdf http://www.maanystavat.fi/index.php?cat=79&lang=fi&mstr=12 Piilohiili www.hs.fi/viesti/hiilijalanjalkitesti#i www.tat.fi/ilmanmuutosta/start.html http://cmi.princeton.edu/wedges/game.php
Päästöjä ilmaan mm. CO x, NO x, SO x ja veteen, maahan mm. lietettä, raskasmetalleja, kivimurskaa Elinkaari (Life cycle) Käyttö voi kuluttaa energiaa, materiaa ja vettä päästöjä ilmaan, veteen ja maahan Jäte roskaa tai uusiokäyttö? Kaivos ja tehtaat kuluttavat paljon energiaa ja vettä http://www03.edu.fi/ oppimateriaalit/teknol ogia/html/06 2.html
Opetuksen yleinen arvopohja ja tehtävät Kemian opetuksen tehtävät Oppimistavoitteet Arvioinnin kriteerit POPS (2004) LOPS (2003) "...arvopohjana ovat...luonnon monimuotoisuuden ja ympäristön elinkelpoisuuden säilyttäminen. Perusopetus edistää vastuullisuutta... tehtävänä on myös kehittää kykyä arvioida asioita kriittisesti, luoda uutta kulttuuria sekä uudistaa ajattelu- ja toimintatapoja. Työtapojen tehtävänä on kehittää oppimisen, ajattelun ja ongelmanratkaisun taitoja, työskentelytaitoja ja sosiaalisia taitoja sekä aktiivista osallistumista. "...ohjata luonnontieteille ominaiseen ajatteluun, tiedonhankintaan ja tietojen käyttämiseen elämän eri tilanteissa. Opetus antaa oppilaalle...nykyaikaisen maailmankuvan muodostamisen kannalta välttämättömiä aineksia ja se auttaa ymmärtämään kemian ja teknologian merkityksen jokapäiväisessä elämässä, elinympäristössä ja yhteiskunnassa. Kemian opetuksen tulee antaa oppilaalle valmiuksia tehdä jokapäiväisiä valintoja ja keskustella erityisesti energian tuotantoon, ympäristöön ja teollisuuteen liittyvistä asioista ja ohjata oppilasta ottamaan vastuuta ympäristöstään. "...käyttämään luonnontieteellisen tiedonhankinnan kannalta tyypillisiä tutkimusmenetelmiä, myös tieto- ja viestintätekniikkaa, sekä arvioimaan tiedon luotettavuutta ja merkitystä....aineiden kiertokulkuun ja tuotteiden elinkaareen liittyviä prosesseja sekä niiden merkityksen luonnolle ja ympäristölle....tuntemaan kemian ilmiöiden ja sovellusten merkityksen sekä ihmiselle että yhteiskunnalle." ARVOSANALLE 8 "...tuntee ympäristöön vaikuttavia aineita. Osaa tulkita tavaraselosteita, selittää tuotteen elinkaaren ja osaa tehdä valintoja kuluttujana. Osaa tutkia aineiden ominaisuuksia ja käyttää tuloksia alkuaineiden ja yhdisteiden luokittelussa, tunnistamisessa ja erottamisessa. "...valmiuksia vastata yhteiskunnan ja ympäristön haasteisiin sekä taitoa tarkastella asioita eri näkökulmista. Opiskelijaa tulee ohjata toimimaan vastuuntuntoisena ja velvollisuuksistaan huolehtivana kansalaisena yhteiskunnassa ja tulevaisuuden työelämässä. Lukion tulee korostaa kestävän kehityksen periaatteita ja antaa valmiuksia kohdata muuttuvan maailman haasteet. " "Opetus välittää kuvaa kemiasta yhtenä keskeisenä perusluonnontieteenä, joka tutkii ja kehittää materiaaleja, tuotteita, menetelmiä ja prosesseja kestävän kehityksen edistämiseksi. Opetus auttaa ymmärtämään jokapäiväistä elämää, luontoa ja teknologiaa sekä kemian merkitystä ihmisen ja luonnon hyvinvoinnille tutkimalla aineita, niiden rakenteita ja ominaisuuksia..." "...tietää kemian yhteyksiä jokapäiväisen elämän ilmiöihin sekä ihmisen ja luonnon hyvinvointiin....aktiivisen tiedonhankinnan avulla etsiä ja käsitellä tietoa elämän ja ympäristön kannalta tärkeistä kemiallisista ilmiöistä ja aineiden ominaisuuksista sekä arvioida tiedon luotettavuutta ja merkitystä. Osaa tulkita ja arvioida...hankkimaansa tietoa ja keskustella siitä sekä esittää sitä muille. Osaa käyttää kemiallista tietoa kuluttajana terveyden ja kestävän kehityksen edistämisessä sekä osallistuttaessa luontoa, ympäristöä ja teknologiaa koskevaan keskusteluun ja päätöksentekoon." KURSSI 1 "saa kuvan kemiasta, sen mahdollisuuksista ja merkityksestä, kehittää tietojen esittämisessä ja keskustelussa tarvittavia valmiuksia." KURSSI 4 "tuntee erilaisia materiaaleja, niiden koostumusta, ominaisuuksia ja valmistusmenetelmiä sekä kulutustavaroiden ympäristövaikutusten arviointiin käytettäviä menetelmiä."