Laudaturtutkielma Fysiikka, opettajan suuntautumisvaihtoehto SIDOKSET JA NIIDEN MALLINTAMINEN LUKION PAKOLLISILLA KURSSEILLA Tuula Sorjonen 15.05.2008 Ohjaaja(t): professori, emeritus Kaarle Kurki Suonio professori Heimo Saarikko Tarkastajat: professori, emeritus Kaarle Kurki Suonio professori Heimo Saarikko HELSINGIN YLIOPISTO FYSIIKAN LAITOS PL 64 (Gustaf Hällströmin katu 2) 00014 Helsingin yliopisto
HELSINGIN YLIOPISTO HELSINGFORS UNIVERSITET Tiedekunta/Osasto Fakultet/Sektion Laitos Institution matemaattis luonnontieteellinen fysiikan laitos Tekijä Författare Sorjonen Tuula Työn nimi Arbetets titel Sidokset ja niiden mallintaminen lukion kaikille pakollisilla kursseilla Oppiaine Läroämne Fysiikka, opettajan suuntautumisvaihtoehto Työn laji Arbetets art Laudaturtutkielma Tiivistelmä Referat Aika Datum 09.05.2008 Sivumäärä Sidoantal Tutkielmassa tehtiin yhteenveto sidoksista ja niiden mallintamisesta sekä tutkittiin lukioopiskelijoiden sidoksiin liittyviä virhekäsityksiä heidän suoritettuaan osan fysiikan, kemian ja biologian pakollisista kursseista. Virhekäsityksiä tutkittiin kyselylomakkeen avulla, jonka kysymykset liittyivät molekyylien sisäisiin ja niiden välisiin sidoksiin sekä ionisidokseen. Metallisidoksen malli käsitellään vasta syventävillä kursseilla, joten se jätettiin opiskelijakyselyn ulkopuolelle. Opiskelijoilla ilmeni erilaisia vuorovaikutuksiin liittyviä virhekäsityksiä. Erityisesti voitiin ajatella, että : poolittomien molekyylien välillä ei ole vuorovaikutuksia, kukin natriumioni vuorovaikuttaa vain viereisen kloridi ja natriumionin kanssa vesimolekyylit eivät vuorovaikuta keskenään. Liukenemiseen monet opiskelijat liittivät kuuluvaksi aina kylläisen liuoksen. Parhaiten mallinnettiin olomuodon muutos. Avainsanat Nyckelord Sidokset, virhekäsitykset Säilytyspaikka Förvaringställe Muita tietoja
SISÄLLYS Johdanto...2 1.Sidosten luokittelu...4 1.1 Ionisidos...6 1.2 Kovalenttinen sidos...8 1.3 Metallisidos...11 1.4 Molekyylien väliset sidokset...12 2. Sidosten vaikutus aineen ominaisuuksiin...13 3. Sidokset ja mallintaminen opetussuunnitelmien valossa...14 4. Ennakkokäsitysten teoriaa...16 5. Kysely ensimmäisen vuosikurssin opiskelijoille sidoksista...18 5.1 Tulokset...18 6. Yhteenveto...22 Lähdeluettelo...25 Liitteet...26 1
Johdanto Laudaturtyön aiheen valinta oli tulosta kymmenen vuoden kemian, matematiikan ja fysiikan lukion opettajan työkokemuksesta. Mallien rajallisuuden ymmärtäminen ja mallien soveltaminen ongelmanratkaisuun on tärkeää, mutta niin vaikeaa opiskelijoille. Tutkielmassa tehdään yhteenveto sidosten mallintamisesta lukion matemaattisluonnontieteellisten pakollisilla kursseilla. Hyvän tietopaketti aineen rakenneosista, sidoksista ja niiden merkityksestä aineiden havaittaville ominaisuuksille voi auttaa opiskelijaa ymmärtämään arkielämäänkin liittyvien ilmiöiden selitysmalleja rajoituksineen. Pohja sidosten mallintamiselle luodaan tietenkin jo perusasteella. Perusasteen opetussuunnitelman mukaan päättöarvioinnin arvosanan 8 kriteerit edellyttävät luonnon tutkimisen taidoissa että oppilas osaa tehdä kontrolloidun kokeen ja arvioida koejärjestelyn toimivuutta sekä tulosten luotettavuutta, tarkkuutta ja mielekkyyttä, tietää, että fysiikka on perusluonnontiede ja että fysiikan tietoja ja kokeellista tiedonhankintamenetelmää käytetään muissa luonnontieteissä ja tekniikassa, osaa työskennellä turvallisesti, ohjeita noudattaen ja yhdessä toisten kanssa, osaa käyttää lämpenemisen, olomuodon muutosten ja lämpölaajenemisen lakeja tarkastellessaan ja selittäessään ympäristössään tapahtuvia lämpöilmiöitä ja hahmottaa rakenneosien ketjun ja mittasuhteita alkeishiukkasista galakseihin ja osaa havainnollistaa näitä rakenteita ja järjestelmiä sopivilla malleilla. Kemian perusasteen opetussuunnitelman päättöarvioinnin arvosanan 8 kriteerit edellyttävät että oppilas osaa käyttää oikeita käsitteitä kuvaillessaan aineiden ominaisuuksia ja kemiallisia ilmiöitä, esimerkiksi happamuutta, sähkönjohtokykyä ja olomuodon muutoksia. osaa myös kuvata atomia, kemiallisia sidoksia ja yhdisteitä asianmukaisia malleja käyttäen sekä tehdä päätelmiä aineen reaktioherkkyydestä atomin uloimman elektronikuoren rakenteen tai alkuaineen paikan perusteella jaksollisessa järjestelmässä. 2
Biologian päättöarvosanan 8 kriteerit edellyttävät, että oppilaat osaavat kuvata pääpiirteet kasvi ja eläinsolun rakenteesta, selostaa fotosynteesin ja kuvata sen merkityksen eliökunnan kannalta sekä toteuttaa itsenäisesti pienimuotoisia tutkimuksia sekä selostaa evoluution peruspiirteet ja ihmisen evoluution vaiheet. Tutkielman opiskelijakyselyssä tutkitaan millaisia malleja opiskelijat käyttävät selittäessään olomuodon muutoksia, liukenemista ja eri aineiden ominaisuuksia. Tutkielmassa etsitään vastauksia kysymyksiin: 1) Millaisen kokonaisuuden tämän päivän lukiolainen saa sidosten mallintamisesta fysiikan, kemian ja biologian pakollisten kurssien perusteella? 2) Millaisia virhekäsityksiä opiskelijoilla on sidoksista jo opiskeltuaan fysiikan, kemian ja biologian kaikille pakollisia kursseja? Tämän laudaturtyön valmistumisesta kuuluu suurkiitos professori, emeritus Kaarle Kurki Suoniolle ja professori Heimo Saarikolle, jotka jaksoivat uskoa työn valmistumiseen vaikka itse tekijällä usko oli välillä koetuksella. 3
1.Sidosten luokittelu J. J. Thomson yritti ensimmäisenä selittää kemiallisen sidoksen vuonna 1904 ilmestyneessä artikkelissaan, jossa hän esitti atomin rakennetta kuvaavan teoriansa. 1916 G.N. Lewis julkaisi artikkelin otsikolla The Atom and the Molecule. Tällöin Lewis esitti että polaaristen yhdisteiden sidos syntyi, kun elektroneja siirtyi atomista toiseen ja tämä johti vastakkaisesti varautuneisiin ioneihin, joilla oli täydelliset, kahdeksan elektronia sisältävät elektronikuutiot. 1919 Irving Langmuir (1881 1957) laajensi teoriaa ja otti käyttöön termit elektrovalenssi, kovalenssi ja oktetti. 1920 luvun loppupuolen kvanttiteorian kehittyminen mullisti käsitykset elektroneista ja muista perushiukkasista. Louis de Broglie (1892 1987) esitti, että ainetta tulisi pitää luonteeltaan sekä hiukkas että aaltomaisena. Pian de Broglien teorian jälkeen atomeissa olevien elektronien kuvaamiseksi julkaistiin useita matemaattisia järjestelmiä: Erwin Schrödinger (1887 1961) kehitti aaltomekaniikan ja Werner Heisenberg (1901 1976) matriisimekaniikan. Heisenbergin teoria johti epätarkkuusperiaatteeseen, jonka mukaan elektronin samanaikaisen paikan ja nopeuden täsmällinen määrittäminen on mahdotonta (Hudson 1995). Kvanttifysiikassa on monia muitakin suurepareja, joita ei voi samanaikaisesti mitata tarkasti, esimerkiksi elektronin kiertokulma ja pyörimismäärä vetyatomissa. Sidos muodostuu, koska elektronit vetävät puoleensa samanaikaisesti kahta tai useampaa ydintä. Atomien ja molekyylien rakennetta ja sidosten muodostumista hallitsee kuitenkin ratkaisevasti elektronien kvanttimekaaninen luonne duaalisina aaltohiukkasolioina ja identtisinä fermioneina. Duaalisesta luonteesta johtuu se, että pysyvät tilat ovat ylimalkaan mahdollisia ydinten ja elektronien muodostamille systeemeille, joita atomit ja molekyylit ovat. Ajasta riippumaton Schrödingerin yhtälö (Kurki Suonio ja Kurki Suonio, 1997) on kvanttimekaaninen energialaki, joka ilmaisee, miten elektronien ja ydinten vuorovaikutukset otetaan huomioon käsiteltäessä laskennallisesti kvanttimekaanisia olioita. Yhtälön avulla voidaan määrittää tällaisten systeemien mahdolliset energiat ja stationaariset tilat, eli tilat, joissa systeemillä on tietty energia. Näistä tiloista se, jolla on pienin energia, on systeemin perustila. Stationaarisia tiloja voidaan esittää kohtalaisen tarkasti mallilla, jossa elektronit miehittävät nk. yhden hiukkasen tiloja. Atomien rakennetta tarkasteltaessa nämä yhden hiukkasen tilat voidaan identifioida neljän kvanttiluvun n, l, m ja m s avulla. Pääkvanttiluku n, 4
sivukvanttiluku l ja magneettinen kvanttiluku m määrittävät tilan orbitaalin eli sen aaltofunktion riippuvuuden paikasta. Spinkvanttiluku m s määrittää spintilan. Näiden atomiorbitaalien havainnollistaminen on hankalaa. Useimmiten tyydytään esittämään suuntariippuvuudet, jotka kvanttiluvut l ja m määräävät, ja kutsutaan näitä orbitaaleiksi. Yleensä orbitaaleja ei pyritä esittämään kolmiulotteisina, vaan tyydytään tasokuvioihin (Kalliorinne et al, 1988). Molekyylien rakenteesta ja sidoksista puhuttaessa tarkoitetaan tavallisesti molekyylin perustilaa. Elektronien luonne identtisinä fermioneina merkitsee kvanttimekaanisessa esityksessä, että atomien ja molekyylien stationaaristen tilojen aaltofunktioiden on oltava kaikkien elektronien vaihtojen suhteen antisymmetrisiä. Tästä seuraa erityisesti nk. Paulin kieltosääntö, jonka mukaan kaksi elektronia ei voi koskaan olla samassa tilassa eli saman atomin kahden elektronin kaikki neljä kvanttilukua eivät voi olla samat. Usein tämä ilmaistaan sanomalla, että samalla orbitaalilla voi olla vain kaksi elektronia, joiden spinit ovat eri suuntaiset. Orbitaalin energia riippuu ensisijaisesti pääkvanttiluvusta n = 1,2,3, joka tämän vuoksi lähinnä numeroi elektronien nk. pääkuoret eli pääenergiatasot. Energia riippuu vähemmän sivukvanttiluvusta l = 0,1,, n 1 ja vielä vähemmän kahdesta muusta kvanttiluvusta. Näin atomien rakentumiseen muodostuu elektronien lukumäärän (järjestysluvun) kasvaessa kvanttilukujen säätelemä rytmi, josta puhutaan nk. kuorirakenteena ja joka muodostaa alkuaineiden jaksollisen järjestelmän fysikaalisen perustan. Siirryttäessä järjestyksessä seuraavaan alkuaineeseen, elektroniverhon uusi elektroni sijoittuu pääsääntöisesti alimmalle mahdolliselle pääkuorelle n ja sen alimmalle mahdolliselle alakuorelle l. Täydet kuoret ovat energeettisesti edullisia, eli elektronin irrottaminen täydeltä kuorelta vaatii paljon energiaa. Elektronin irrottaminen hyvin vajailta kuorilta onnistuu pienemmällä energialla. Tästä rytmityksestä, jota eri kuorille mahtuvien elektronien määrä säätelee, seuraa kemiallinen empiirinen nyrkkisääntö oktettisääntö. Tilojen antisymmetria merkitsee myös, että lähietäisyydellä elektronit näyttävät hylkivän toisiaan ( Maalampi ja Perko, 1997, Kurki Suonio ja Kurki Suonio, 1997). Atomien välille muodostuu sen tähden nk. Paulin repulsio. Molekyylien rakenteita voidaan pitkälti tarkastella mallilla, jonka perustana on tämä kuva atomien elektroniverhon rakenteesta ja ulkoelektronien orbitaaleista. Sidosten muodostumista voidaan tällöin selittää lähinnä esitettyjen kahden, elektronien kvanttimekaanisesta luonteesta johtuvan tekijän avulla. Atomien energiarytmitys ilmenee 5
kvanttimekaanisena pyrkimyksenä täysiin kuoriin, jota voidaan kuvata karkeasti myös nk. oktettisäännöllä. Se aiheuttaa atomien välille vetovoiman. Paulin repulsio taas on atomien välinen poistovoima, joka tietyllä sidospituudeksi sanotulla etäisyydellä tasapainottaa attraktion. Pyrkimys täysiin kuoriin vaikuttaa myös sitoutuvien atomien varausjakaumiin, jolloin sitoutumiseen liittyy tästä aiheutuvia sähköisiä veto ja poistovoimia, jotka vaikuttavat molekyylien rakenteisiin. Atomien välisten, molekyylejä muodostavien sidosten päätyypit ovat kovalenttinen sidos, ionisidos ja metallisidos. Tämä luokitus perustuu ensisijassa siihen, millainen rooli sidoksen muodostumisessa on kvanttimekaanisella ja sähköisellä attraktiolla. Tämä taas riippuu sitoutuvien atomien elektronirakenteesta, erityisesti siitä, millainen on niiden uloimman kuoren täyttymisaste. Puhutaan myös molekyylien välisistä sidoksista, jotka sitovat molekyylejä yhteen suuremmiksi ryppäiksi ja aineeksi. Niitä ovat vetysidos, ionidipoli sidos, dipolidipolisidos sekä van der Waalsin vuorovaikutus. Jako atomien ja molekyylien välisiin sidoksiin jakaa sidostyypit samalla vahvoihin ja heikkoihin sen mukaan, miten suuri on niiden sidosenergia eli energia, joka vapautuu vapaiden atomien tai molekyylien sitoutuessa tai tarvitaan sitoutuneiden atomien tai molekyylein erottamiseen.. Ionisidosten sidosenergiat ovat noin 500 4000 kj/mol, kovalenttisten sidosten 150 1000 kj/mol ja metallisidosten 100 900 kj/mol. Heikkojen sidosten sidosenergiat ovat noin välillä 0,5 40 kj/mol. Mikään sidostyyppi ei esiinny sellaisenaan yksin, vaan kemiallinen sidos muodostuu eri tyyppien yhteisvaikutuksesta. 1.1 Ionisidos Kun kahdesta atomista toisella on vain vähän (1 3) elektronia uloimmalla kuorella ja toisella uloin kuori on vain vähän vajaa, pyrkimys täysiin kuoriin voi aiheuttaa elektronien siirtymisen atomilta toiselle. Atomin luovuttaessa elektronin tai elektroneja toiselle atomille, siitä muodostuu positiivisesti varautunut hiukkanen, positiivinen ioni. Vastaavasti elektronin tai elektronit vastaanottaneesta atomista muodostuu negatiivinen ioni. Positiivisten ja 6
negatiivisten ionien välille syntyy sähköinen vuorovaikutus. Näin muodostuva sidos on ionisidos. Puhtaimmillaan tämä tyyppi esiintyy alkalihalogenideissa. Niissä alkaliatomi (Li, Na, K, Rb, Cs) luovuttaa uloimman kuoren ainoan elektroninsa halogeeniatomille (F, Cl, Br, I), joiden uloin kuori on yhtä elektronia vajaa. Näin kumpikin muodostuva ioni saa jalokaasurakenteen, joka on erityisen pysyvä. Yleisin oppikirjoista löytyvä esimerkki on natriumin ja kloorin välinen reaktio, jolloin syntyy natriumkloridia. 2Na(s) + Cl 2 (g) 2NaCl (s) Natriumkloridihila koostuu Na + ja Cl ioneista, joiden etäisyys on r. Kahden naapuri ionin välinen sähköstaattinen energia on 2 e E = 1 4π εr, o missä e = alkeisvaraus, r = ionien välinen etäisyys ja ε 0 = sähkövakio (Laitinen ja Toivonen, 1997). Ionit muodostavat kiteen, jossa anionit ja kationit ovat pakkautuneet geometrisesti. Kidemuodot riippuvat ionien varauksista ja suhteellisesta koosta. Kuva 1. Natriumkloridin muodostuminen. Jokainen natriumioni on kuuden kloridi ionin ympäröimä. Ionihilassa samanmerkkisten ionien repulsio on mahdollisimman pieni ja erimerkkisten ionien välinen vetovoima mahdollisimman suuri. 7
1.2 Kovalenttinen sidos Puhtaasti kovalenttinen sidos syntyy, kun kaksi samanlaista atomia sitoutuu toisiinsa. Kovalenttisessa sidoksessa kvanttimekaaninen pyrkimys täysiin kuoriin, erityisesti jalokaasurakenteisiin (oktettisääntö), vaikuttaa siten, että jotkin atomien uloimpien kuorten elektronit tulevat atomeille yhteisiksi. Yksinkertainen kovalenttisen sidoksen malli perustuu ns. Lewis rakenteisiin. Esimerkiksi kaksi vetyatomia muodostavat vetymolekyylin H 2 yksinkertaisella kovalenttisella sidoksella, kaksi happiatomia happimolekyylin O 2 kovalenttisella kaksoissidoksella ja kaksi typpiatomia typpimolekyylin N 2 kovalenttisella kolmoissidoksella. Kuva 2. Lewisin rakenteissa valenssielektronit piirretään pisteinä alkuaineen kemiallisen merkin ympärille. Parittomien elektronien lukumäärä näyttää syntyvien sidosten määrän. Samanlaisten atomien muodostamat molekyylit ovat symmetrisiä ja siten poolittomia. Niissä ydinten ja elektronien välinen sähköinen vuorovaikutus on ulospäin täysin neutraali, eikä niissä ole ulkoisia sähköisiä vuorovaikutuksia. Kun kaksi erilaista atomia sitoutuu toisiinsa, ei sidoksen elektronitiheys ole symmetrinen eikä molekyylin sisäinen sähköinen vuorovaikutus neutraloidu. Syntyy poolinen kovalenttinen sidos. Tällöin toisella sidoksen atomilla on positiivinen osittaisvaraus ja toisella negatiivinen. Sähköstaattisessa kentässä, esimerkiksi kondensaattorin levyjen välissä poolisen molekyylin negatiivinen pää kääntyy kohti positiivista levyä ja molekyylin positiivinen pää kohti negatiivista levyä. Molekyylit vaikuttavat sähkömäärään, jonka varautunut levypari pystyy pitämään. Näin tehdään mittauksia, joiden avulla määritetään molekyylien dipolimomentin arvoja. Poolittomien molekyylien dipolimomentti on nolla. Monta poolista kovalenttista 8
sidosta sisältävän molekyylin dipolimomentti voidaan laskea yksittäisten sidosten dipolimomenttivektorien yhteenlaskulla. 1932 Pauling esitti termin elektronegatiivisuus kuvatakseen molekyylin atomin kykyä vetää sidoselektroneja puoleensa. Elektronegatiivisuus on käyttökelpoinen halutessa ennustaa yhdisteen sidostyyppi. Kun elektronegatiivisuusero on riittävän suuri, sidos voidaan mallintaa ionisidoksena. Kuva 3. Elektronegatiivisuuseroa voidaan käyttää hyväksi arvioitaessa yksittäisen sidoksen poolisuutta. Kaikkia systeemejä voidaan kuvata aaltofunktioilla, jotka saadaan Schrödingerin yhtälöiden ratkaisuina. Ainoastaan yksielektronisille tapauksille voidaan johtaa tarkka ratkaisu. Muille tapauksille on tehtävä yksinkertaistavia oletuksia ja yhtälö voidaan ratkaista likimääräisesti. Heliumatomin aaltofunktio riippuu kuudesta ja litiumin aaltofunktio yhdeksästä muuttujasta, ja uraaniin liittyy peräti 276 muuttujaa (Maalampi ja Perko, 1997). Kovalenttisten sidosten mallintamisessa käytetään molekyyliorbitaaliteoriaa ja valenssisidosteoriaa. Molekyyliorbitaaliteorian keskeinen kehittäjä oli Robert Mulliken (1896 1986). Teorian perustana on oletus, että sidoksen muodostuessa syntyvät molekyyliorbitaalit voidaan esittää atomien atomiorbitaalien lineaarisina kombinaatioina (LCAO, Linear Combination of Atomic Orbitals). Alemman energian elektronit asettuvat sidosorbitaaleille, mutta korkeammilla sidoksen muodostumista vastustavilla orbitaaleilla on vapaita paikkoja. Sitovalla orbitaalilla elektronitiheys keskittyy sidokseen osallistuvien 9
atomien väliseen avaruuteen, hajottavalla orbitaalilla elektronit pyrkivät työntymään pois atomien välisestä tilasta (www.chemistry.hut). Ainoastaan sellaiset atomiorbitaalit, joiden energia on samaa suuruusluokkaa ja joiden symmetria sidosakselin suhteen on sama, voivat muodostaa molekyyliorbitaaleja. Symmetrisessä sigmasidoksessa orbitaalit sulautuvat yhteen sitoutuvia atomiytimiä yhdistävän suoran suuntaisesti, piisidoksessa orbitaalit ovat kohtisuorassa atomiytimiä yhdistävää suoraa vastaan. Kuva4. Piisidoksen muodostuu kahdesta p orbitaalista. Valenssisidosteoriassa yksittäistä sidosta mallinnetaan olettamalla, että vierekkäisten atomien orbitaalit peittävät toisiaan ja orbitaaleilla olevat elektronit keskittyvät muodostuvalle sidosorbitaalille. Elektronien sanotaan olevan lokalisoituneen kyseiseen sidokseen. Linus Carl Pauling (1901 1994) on kehittänyt ja soveltanut valenssissidosteoriaa. 1930 luvun alussa hän johti hiilen tetraedrin kärkiin suuntautuneet valenssit kvanttimekaniikasta ja otti käyttöön atomiorbitaalien hybridisoitumisen käsitteen (Hudson, 1995). Käsitteellä tarkoitetaan saman atomin atomiorbitaalien sekoittumista keskenään, jolloin muodostuu kaksi tai useampia samanlaisia hybridiorbitaaleja, joilla on tarkoin määrätyt orientaatiot. 10
Kuva 5 Hybridiorbitaali voi muodostua yhden s orbitaalin ja yhden p orbitaalin sekoittumisesta (sp), yhden s orbitaalin ja kahden p orbitaalin sekoittumisesta (sp 2 ) tai yhden s orbitaalin ja kolmen p orbitaalin sekoittumisesta (sp 3 ). 1.3 Metallisidos Metalleja aineena pitää koossa metallisidos. Metalliatomien uloimmat elektronikuoret ovat selvästi vain osittain täynnä. Tällöin elektronien kvanttimekaaninen luonne johtaa siihen, että uloimman kuoren elektronit vapautuvat koko yhtenäisen metallikappaleen kaikkien atomien yhteisiksi. Metallisidoksen yksinkertaisin malli koostuu positiivisista metallikationeista, joiden ympärillä luovutetut sidoselektronit liikkuvat vapaasti nk. elektronikaasuna. Molekyyliorbitaalimalliin perustuu vyöteoria. Sidosta kuvataan molekyyliorbitaalien avulla, jotka ulottuvat koko metallikiteen alueelle. Kvanttimekaanisesti voidaan ajatella metallin muodostuvan suuresta määrästä peräkkäisiä potentiaalikuoppia ja vapaina vaeltavat elektronit liikkuvat kuoppien välisten potentiaalivallien yläpuolella. Kaikki energia arvot eivät olet sallittuja, ja käytetään termejä kielletty ja sallittu energiavyö. 11
1.4 Molekyylien väliset sidokset Epäsymmetriset molekyylit ovat useimmiten pysyviä sähködipoleja, ja niiden välillä ovat dipolidipolisidokset. Eräs dipolidipolisidoksen erityistapaus on niin sanottu vetysidos. Vetysidoksen A H B muodostumisen edellytys on se, että alkuaineet A ja B ovat vahvasti elektronegatiivisia. Tärkeimpiä vetysidosten muodostajia ovat typpi, happi ja fluoriatomit. Vetysidoksessa on ilmeisesti kyseessä erikoinen atomiorbitaalien delokalisaatio. Sidos A H muodostuu kahdesta molekyyliorbitaalista ja elektronit ovat sitovalla orbitaalilla. B:llä on oltava vapaa elektronipari. Hybridissä A H B syntyy kolmas molekyyliorbitaali. Alin orbitaali on sitova, keskimmäinen neutraali ja ylin ei sitova. B:n vapaa elektronipari asettuu keskimmäiselle orbitaalille, joten sidos on stabiilimpi kuin A H ja B yksinään. Vetysidoksen energia on huomattavasti pienempi kuin kovalentin tai ionisidoksen, suuruusluokkaa 10 40 kj mol 1, minkä vuoksi se voi katketa jo huoneenlämmössä. Vetysidos atomien A ja B välillä voidaan esittää kaaviona A H B Vetysidoksen muodostumiseksi A:n ja B:n täytyy olla vahvasti elektronegatiivisia. Tärkeimpiä vetysidosten muodostajia ovat N, O ja F, jossain määrin myös S ja Cl. Vetysidoksen muodostumista ei täysin ymmärretä kvanttimekaanisesti, mutta kyseessä on erikoinen atomiorbitaalien delokalisaatio. Sidos A H muodostuu kahdesta molekyyliorbitaalista ja elektronit majoittuvat sitovalle orbitaalille. B:llä on vapaa elektronipari. Hybridissä A H B syntyy kolmas molekyyliorbitaali (kts. kuva). Alin orbitaali on sitova (bonding), keskimmäinen neutraali (non bonding) ja ylin ei sitova (anti bonding). B:n vapaa elektronipari asettuu keskimmälle orbitaalille, joten sidos on stabiilimpi kuin A H ja B yksinään. Vetysidoksia on esimerkiksi vesimolekyylien välillä sekä DNA:n molekyylien emäsparien välillä ja valkuaisaineissa sekundaari ja tertiaarirakenteissa. Van der Waalsin vuorovaikutus on elektroniverhon tilastollisten fluktuaatioiden aiheuttamien dipolien välinen vuorovaikutus. Van der Waalsin vuorovaikutuksella on merkitystä jalokaasuatomeilla ja poolittomilla molekyyleillä. 12
2. Sidosten vaikutus aineen ominaisuuksiin Kaikkien atomien välillä vaikuttaa lähietäisyyksillä Paulin kieltosäännöstä johtuva työntövuorovaikutus, koska kaksi elektronia ei voi olla samassa tilassa. Siksi tiivistä ainetta (nesteitä ja kiinteitä aineita) on vaikea puristaa kokoon. Ionisidoksin mallinnetuille yhdisteille yhteisiä ominaisuuksia ovat sähköjohtavuus liuoksina ja sulatteina. Koska ionisidos on vahva sidos, on ionisidoksisilla yhdisteillä yleensä korkeat sulamis ja kiehumispisteet. Ionikiteet ovat kovia, mutta hauraita (Lavonen et al, 1996). Ioniyhdisteen liuetessa veteen tapahtuu hydratoituminen Kuva 6 Ioniyhdisteiden liuetessa tapahtuu hydratoituminen ja muodostuu ionidipolisidoksia.. Kovalenttiset sidokset ovat vahvoja, joten kovalenteilla kiteillä on hyvin korkeat sulamispisteet. Kovalentit kiteet ovat eristeitä. Metalleille tyypillisiä ominaisuuksia ovat hyvä lämmön ja sähköjohtokyky ja metallinkiilto sekä läpinäkymättömyys. Vapaasti liikkuvat uloimman energiatason elektronit aiheuttavat sähkön ja lämmönjohtavuuden. Metallinkiilto selitetään energiavöiden energiatason lähekkäisyydellä, jolloin valenssielektronit voivat siirtyä korkeammille energiatasoille adsorboimalla valoa hyvin laajalta aallonpituusalueelta. Kun virittyneet elektronit putoavat alemmille energiatasoille, lähettyy valoa. 13
3. Sidokset ja mallintaminen opetussuunnitelmien valossa Fysiikassa ja kemiassa on yksi valtakunnallinen pakollinen kurssi, kun taas biologiassa on kaksi: eliömaailma ja solu ja perinnöllisyys. Suurimmassa osassa lukioita biologian ensimmäinen kurssi suositellaan opiskeltavan ensimmäisenä opiskeluvuonna ja toinen toisena opiskeluvuonna. Fysiikan ja kemian pakolliset kurssit suositellaan opiskeltaviksi ensimmäisenä opiskeluvuotena. Kaikissa kolmessa aineessa opetussuunnitelman yleisessä osassa painotetaan luonnontieteille ominaista havaintoihin ja kokeellisuuteen perustuvaa tiedonhankintaan. Fysiikassa ja kemiassa kokeellisuuteen liitetään ilmiöt, käsitteet, periaatteet ja mallit, mutta biologiassa mallintamista ei mainita. Kaikissa kolmessa aineessa asetetaan tavoitteeksi että opiskelija osaa suunnitella ja toteuttaa kokeita tai mittauksia ja tulkita niiden tuloksia. Fysiikassa kokeellisuuteen liitetään myös tulosten arvioiminen ja niiden soveltaminen, kemiassa arvioiminen ja kyky keskustella ja esittää muille kokeellisesti hankkimaansa tietoa. Fysiikan ja kemian opetussuunnitelmissa opetuksen tavoitteena on erilaisten tietolähteiden hyödyntäminen ja niiden mahdollisuudet tiedonhankinnan ja mallintamisen välineinä. Biologiassa asia on sisällytetty arviointiosuuteen: Taitojen arvioinnissa painotetaan opiskelijan luonnontieteellisiä työskentelytaitoja, ryhmässä toimimista, kykyä käyttää erilaisia lähteitä biologisen tiedon hankinnassa sekä kykyä arvioida tietoa kriittisesti.. Tähän sisältyy ilmeisesti kokeellisen työskentelyn taidot, jotka on erikseen mainittu niin fysiikan kuin kemian arviointikappaleissa. Kemian opetussuunnitelmassa kokeellisen tiedonhankinnan osaalueet on jaettu alakohtiin: 1) havaintojen tekeminen, mittausten ja kokeiden suunnittelu ja toteutus, 2) työvälineiden ja reagenssien turvallinen käyttö, 3) tulosten esittäminen sekä suullisesti että kirjallisesti, 4) tulosten tulkitseminen, mallintaminen ja arviointi sekä 5) johtopäätösten tekeminen ja soveltaminen. Kemiassa arviointiosuus on yksityiskohtaisin. Fysiikan ensimmäisen kurssin Fysiikka luonnontieteenä keskeisiä sisältöjä ovat kokeellisuus ja mallintaminen. Opetussuunnitelmassa keskeisenä sisältönä on kokeellisuus ja mallintaminen perustana fysikaalisen tiedon rakentumisessa, mittaaminen, tulosten 14
esittäminen ja niiden luotettavuuden arviointi. Esimerkiksi lineaarista mallia harjoitellaan muun muassa tasaisen liikkeen graafisessa esityksessä sekä tiheyden käsitteen yhteydessä. Tulkitseminen mainitaan sekä fysiikan että biologian opetussuunnitelmissa, mutta hyvin erilaisessa yhteydessä: opiskelija osaa jäsentää nykyisen eliökunnan rakenteen ja tulkita sen kehitystä, opiskelija suunnittelee ja tekee yksinkertaisia luonnontieteellisiä kokeita sekä kykenee tulkitsemaan ja arvioimaan kokeellisesti saatua tietoa ja esittämään sitä muille. Kemian opetussuunnitelmassa mallien rajoittuneisuuden ymmärtäminen lienee sisällytetty lauseeseen opiskelija oppii kokeellisen työskentelyn, kriittisen tiedonhankinnan ja käsittelyn taitoja. Biologian toisen kurssin tavoitteista löytyy kokeellisen työskentelyjen taitojen hallinta. Vuorovaikutuksen käsite esiintyy niin fysiikan kuin biologian opetussuunnitelmissa. Fysiikassa keskeisissä sisällöissä on aineen ja maailmankaikkeuden rakenteet ja perusvuorovaikutukset, biologiassa elollisen ja elottoman luonnon vuorovaikutus. Sidokset mainitaan ainoastaan kemian opetussuunnitelmassa. Kemian ensimmäinen kurssi on orgaaniseen kemiaan painottuva. Molekyylimallit ovat oleellisesti mukana kurssilla tutustuttaessa orgaanisiin yhdisteryhmiin, niissä esiintyviin sidoksiin sekä poolisuuden käsitteeseen. Biologian toinen kurssi käsittelee soluja ja perinnöllisyyttä, ja opiskelija tarvitsee tietoa aineen rakenneosista ja sidoksista ymmärtääkseen solun toiminnan, energiatalouden, toiminnan ohjaamisen sekä lisääntymisen. Sidosten kannalta oleellinen energian käsite löytyy fysiikasta ja biologiasta. Biologian toisessa kurssissa solun energiataloudessa käsitellään energian sitominen ja vapauttaminen. Kurssin tavoitteena on että opiskelija hallitsee solun energiatalouden prosessin ja niiden merkityksen. Fysiikassa keskeistä sisältöä on energia, erityisesti säteilyn, sitoutuminen ja vapautuminen luonnon ja ihmisen aikaansaamissa prosesseissa. Mikrotason mallintaminen mainitaan biologian yleisissä tavoitteissa : tunnistaa elämän tuntomerkit ja osaa jäsentää elämän ilmiöt sekä biologian eri organisaatiotasot molekyylitasolta biosfääriin. Fysiikassa keskeisenä sisältönä on aineen ja maailmankaikkeuden rakenteet ja perusvuorovaikutukset. Kemiassa mikrotason mallintaminen on sisällytetty yleisen osan osuuteen: ilmiöiden tulkitseminen ja selittäminen mallien ja rakenteiden avulla. Biologian toinen kurssi keskittyy solun merkitykseen, kemialliseen rakenteeseen, toiminnan ohjaamiseen ja solun energiatalouden prosesseihin. 15
Vain fysiikan opetussuunnitelmassa keskitytään ennakkokäsityksiin. Opetussuunnitelman yleisessä osuudessa tavoitteena on että opiskelija oppii tiedostamaan ja kyseenalaistamaan ennakkokäsityksiään ja tarkentamaan maailmankuvaansa hankkimansa uuden tiedon perusteella. 4. Ennakkokäsitysten teoriaa Opiskelijoilla esiintyviä mielikuvia ja uskomuksia luonnonilmiöiden selityksistä kutsutaan opiskelijoiden ennakkokäsityksiksi. Tutkimuksissa on havaittu, että ennakkokäsitykset ovat sangen pysyviä ja usein ristiriidassa luonnontieteellisen tiedon kanssa. Ennakkokäsityksellä voidaan tarkoittaa uskomuksia, jotka ovat kehittyneet opiskelijan omista havainnoista (esimerkiksi suola sulaa veteen) tai selitystä, joka syntyy nopeasti intuitiivisen käsityksen pohjalta (esimerkiksi suola haihtuu veteen) tai omista havainnoista ja kokemuksista kehittynyttä kausaaliselitystä (esimerkiksi suola haihtuu pikkuhiljaa ja muodostuu pieniä kuplia pohjalle ja reunoihin). Ennakkokäsityksiä kutsutaan virhekäsityksiksi, kun ne ovat ristiriidassa yleisesti hyväksytyn tieteellisen käsityksen kanssa. Virheelliset käsitykset estävät usein asian oikean oppimisen (Lampiselkä, 2003, Lavonen et al.) Biologiassa on tutkittu paljon ennakkokäsityksiä evoluutiosta (Bishop ja Anderson, 1990). Tutkimusten mukaan opiskelijat eivät osaa selittää tai ratkaista ongelmia varsinaisen evoluutioteorian käsittein. Evoluutioteoria on hyvä tutkimuskohde koska evoluutioteoria vaatii eri kompleksisuuden tasolla olevien biologisten ilmiöiden ymmärtämistä, molekyylitasolta alkaen. Evoluution ymmärtäminen vaatii monentyyppisten tietojen keräämistä ja yhdistämistä. Aineen rakenteeseen liittyviä ennakkokäsityksiä ovat esimerkiksi: Aine on jatkuvaa ja se voidaan jakaa osiin Näillä pienillä osilla on samat ominaisuudet kuin suurella määrällä samaa ainetta Tyhjän tilan käsitettä ei mielletä aineeseen Aineella on inhimillisiä ominaisuuksia. Se pyrkii esimerkiksi siirtymään kuumasta paikasta kylmään. Heikki Saaren (Saari, 1997) tutkimuksessa oppilailla havaittiin seuraavia virhekäsityksiä: 16
Aineen rakenneosat ovat liikkumattomia Puhtaan aineenkin rakenneosien välissä on ainetta, yleensä ilmaa, eli oppilaat eivät hyväksy tyhjiön käsitettä Rakenneosilla, esimerkiksi atomeilla on samanlaisia ominaisuuksia kuin makroskooppisella kappaleella. Atomeilla on tämän mukaan esimerkiksi tietty väri Atomit laajenevat lämmetessään Lämpötilan muutokset eivät vaikuta atomien liiketilaan. Opiskelijoiden ennakkokäsityksiä sidoksista on tutkittu vähän. Richard Coll ja David Treagust tutkivat lukioikäisten ja yliopisto opiskelijoiden käyttämiä malleja metallisidoksesta. Tietoa he keräsivät kirjallisen materiaalin (luennoitsijoiden muistiinpanot, tehtävä ja tekstikirjat, luentomuistiinpanot) sekä interaktiivisen dialogin avulla. He toteavat että monet käyttivät elektronimerimallia, mutta yliopisto opiskelijat käyttivät muita malleja, kuten molekyyliorbitaaliteoriaa täydentämään mentaalimallejaan. Muutama opiskelija pystyi selittämään sidokset lejeeringeissä ja muokattavuuden selittäminen oli vaikeaa. Coll ja Treagust esittävätkin että monimutkaiset ja abstraktit mallit pitäisi opettaa vasta yliopistoopintojen loppuvaiheessa. Keith Taber on tutkinut ionisidokseen liittyviä virhekäsityksiä. Hän käytti haastattelututkimusta kymmenelle opiskelijalle. Tutkimuksessa löytyi kolmenlaisia virhekäsityksiä. 1) atomien elektronikonfiguraatio määrää kuinka monta ionisidosta muodostuu. Esimerkiksi natriumatomi voi luovuttaa yhden elektronin, joten se voi muodostaa ionisidoksen yhteen klooriatomiin. 2) sidos muodostuu vain niiden atomien välille, jotka luovuttavat/vastaanottavat elektroneja. Esimerkiksi natriumkloridissa kloridi ioni sitoutuu juuri siihen natriumatomiin, joka luovutti elektronin kyseiselle kloridi ionille. 3) Ionit vuorovaikuttavat lähistöllä olevien ionien kanssa, mutta kaikki eivät ole ionisidoksia. Esimerkiksi natriumkloridissa kloridi ioni on sitoutunut yhteen natriumioniin ja vetää puoleensa viittä muuta natriumionia, mutta vain voimina ei sidoksina. Helsingin yliopistossa Linda Gustafsson on tehnyt pro gradu tutkielman aiheenaan Kemialliset sidokset kemian opetuksessa. Hän tutki lukion kemian oppikirjoja ja kemian ylioppilaskokeen sisältöjä ja kehitti oppimateriaaliksi opetuksen tueksi itsearviointitehtäviä. 17
5. Kysely ensimmäisen vuosikurssin opiskelijoille sidoksista Kyselyn ensimmäisessä tehtävässä pyydettiin piirtämään mallit vetyatomille, happimolekyylille ja natrium ja kloridi ionille. Toisessa osiossa oli kuusi monivalintatehtävää, joiden aihepiirit kattoivat olomuodon muutokset, liukenemisen sekä molekyylien sisäiset ja väliset sidokset. Biologian aiheet jätettiin pois, koska sidoksiin enemmän liittyvä biologian toinen kurssi opiskelleen hyvin yleisesti vasta toisena opiskeluvuonna. 5.1 Tulokset Kyselyyn vastasi kaksi erillistä opiskelijaryhmää (n 1 = 20 ja n 2 = 13 ). Ryhmät koostuivat lukion ensimmäisen ja toisen vuositason opiskelijoista. Ryhmän perusasteen fysiikan arvosanojen keskiarvo on 8,54 ja biologian sekä kemian 8,03. Kemiassa oli eniten heitä, jotka eivät olleet saavuttaneet perusasteella arvosanaa kahdeksan ( n = 9). Fysiikassa heitä oli viisi ja biologiassa kaksi. Yhtä opiskelijaa lukuun ottamatta kaikki olivat suorittaneet vähintään yhden kurssin fysiikkaa, lukion biologian kurssit puuttuivat kokonaan kahdeksalta ja kemian kurssit yhdeltä opiskelijalta. Ensimmäisen ryhmän kanssa kyselylomaketta käytiin läpi keskustellen sen jälkeen kun kaikki olivat saaneet sen tehtyä. Keskustelun alussa opiskelijoita pyydettiin perustelemaan mielestään vääriä vaihtoehtoja. Keskusteluun osallistui ryhmästä noin kolmasosa, loput eivät halunneet, uskaltaneet tai osanneet kertoa perusteluja. Monivalintaosion ensimmäinen tehtävä koski sidoksen muodostumisen edellytystä. Vain kaksi opiskelijaa kolmestakymmenestäkolmesta löysi oikean vaihtoehdon: aina kemiallisen sidoksen muodostuessa systeemin energia pienenee. Suosituin vastaus oli ionisidoksen muodostumista kuvaava vaihtoehto (n = 19) ja toiseksi suosituin kovalenttisen sidokset muodostumista kuvaava vaihtoehto ( n = 11). Kun ryhmän opiskelijoita pyydettiin perustelemaan mielestään vääriä vastauksia, eräs opiskelija perusteli oikean vaihtoehdon vääräksi: energia ei häviä minnekään vaikka sidos syntyy. D kohta (toinen atomi luovuttaa 18
elektroneja ja toinen vastaanottaa ne) perusteltiin vääräksi koska esimerkiksi poolisessa sidoksessa elektronit ovat yhteisiä. A kohtaan (metalli ja epämetalli reagoivat keskenään) kukaan ei ensin sanonut mitään perustetta, mutta kysyttäessä voiko joku antaa esimerkin yhdisteestä, joka on muodostunut kahdesta epämetallista, esimerkiksi ehdotettiin hiilivedyt, ja vielä pyydettäessä kyseisestä yhdisteryhmästä esimerkkiyhdiste, ehdotettiin metaania CH 4. Toinen tehtävä liittyi kiinteään olomuotoon. Oikean vastauksen (aineen rakenneosat värähtelevät lähes paikallaan) antoi yhdeksäntoista opiskelijaa. Kuuden opiskelijan mielestä rakenneosat eivät liiku lainkaan ja viiden mielestä rakenneosat eivät vuorovaikuta keskenään. Loput kolme kannattivat vaihtoehtoa rakenneosat liikkuvat kerroksittain toistensa lomitse. A kohdan (aineen rakenneosat eivät liiku lainkaan) vääryyttä perusteltiin sanomalla pitää paikkansa vain absoluuttisessa nollapisteessä. Muihin kohtiin ei kellään ollut mitään sanomista. Kolmannessa tehtävässä pohdittiin liukenemista rakenneosatasolla. Kaikkein eniten oli vastauksia vaihtoehdossa osa sokerista sekoittuu veteen ja osa jää sekoittumatta liuoksen pohjalle ( n = 14). Kaksitoista opiskelijaa oli oikean vaihtoehdon kannalla: sokerimolekyylien väliset sidokset purkautuvat ja muodostuu uusia sidoksia sokeri ja vesimolekyylien välille. D kohdan vääräksi toteava opiskelija perusteli asiaa sanomalla vaan silloin kun on tarpeeksi sokeria osa jää pohjalle. Neljäs tehtävä liittyi poolittomien molekyylien välisiin vuorovaikutuksiin. Tehtävään jäi vahingossa kaksi oikeaksi tulkittavaa vastausta. Tarkoitus oli d kohtaan laittaa vaihtoehto vaikuttavat heikot vuorovaikutukset, jotka johtuvat molekyylien pysyvistä navoista. Perätä yksitoista opiskelijaa oli sitä mieltä että poolittomien molekyylien välillä ei ole vuorovaikutuksia. Viidennen tehtävän aihepiiri oli ionisidokset. Opiskelijoiden oli valittava malli kuvaamaan ruokasuolan eli natriumkloridin rakenneosien ja niiden vuorovaikutuksia. Tehtävän yleisin vastaus oli vaihtoehto kukin natriumioni vetää puoleensa vain vieressä olevaa kloridi ionia ja hylkii vieressä olevaa natriumionia ( n = 16). Oikea vastaus (kukin natrium ja kloridi ionit vuorovaikuttavat kaikkien riittävän lähellä olevien ionien kanssa) oli neljällä opiskelijalla. Hiljaisuus vallitsi kysyttäessä perusteluja opiskelijoiden mielestä väärille vastauksille. Kuudes tehtävä liittyi jään rakenneosiin. Yksitoista opiskelijaa kannatti vaihtoehtoa vesimolekyylit ovat hyvin tiiviisti eikä niiden väliin jää tilaa, kaksitoista vaihtoehtoa vesimolekyylit asettuvat tiiviiseen kuutiolliseen rakennelmaan ja viisi kumpaakin 19
vaihtoehtoa vesimolekyylit eivät vuorovaikuta keskenään joten rakenne on harva ja vesimolekyylien väliset vuorovaikutukset suuntaavat vesimolekyylit harvaan rakenteeseen. Ensin perusteluja ei taaskaan tullut, mutta johdateltaessa kysymyksellä Millainen tiheys jäällä olisi siis nestemäiseen veteen verrattuna? löytyi ajatteluketju joo, jään tiheys olis suuri, mutta silloinhan jää uppoaisi, ja niin ei muuten käy. Toisessa osiossa opiskelijoita pyydettiin piirtämään atomi, molekyyli ja ionimallit. Vetyatomin malleissa suosituin oli Bohrin atomimallin mukaiset hahmotelmat ( n = 19), joista osaan oli merkitty plusmerkki ytimeen ja miinusmerkki tai e merkintä elektronin merkiksi. Yksi opiskelija merkitsi tunnuksen y ilmeisestikin symboloimaan ydintä. Neljä opiskelijaa mallinsivat vetyatomin ympyränä, kaksi ehdotti vetyatomin koostuvat kahdesta vedystä ja kolme opiskelijaa piirsivät metaanin rakennekaavan. Kuva 7 Esimerkkejä opiskelijoiden vetyatomimalleista Happimolekyylin malliksi peräti kolmetoista opiskelijaa piirsi mitä erilaisimpia versioita vesimolekyylistä. Neljä opiskelijaa pitäytyi Bohrin atomimallissa ja kahdeksan hahmotteli kahta toisiinsa liittynyttä palloa. Näistä yhteen oli merkitty atomien väliin selitys poolinen kovalenttinen kaksoissidos. Lisäksi löytyi O H, OH 4 ja COH 3 molekyylit. 20
Kuva 8. Esimerkkejä opiskelijoiden happimolekyylimalleista Natriumionimalleissa kuudessa käytettiin Bohrin atomimallia, kuudessa joko pelkkiä merkintöjä Na + ja Cl tai ympyröitä, joiden sisällä kyseiset symbolit olivat. Ionien koot olivat monella samankokoiset. 21
Kuva 9. Esimerkkejä opiskelijoiden ionimalleista. 6. Yhteenveto Opetussuunnitelmien perusteella opiskelijoille tarjotaan avaimet sidosten maailmaan, mutta konkreettisten mallien teoriataustan ymmärtäminen jää liian monella hämäräksi pakollisten kurssien perusteella. Opiskelijat mieltänevät alkeishiukkaset konkreettisesti hiukkasiksi, ja aineen aaltoluonne ei tule esille. Kokeellisuuden osalta opetussuunnitelmaan kaipaisi yhtenevyyttä luonnontieteellisten aineiden osalta. Oppiaineiden kohdalla käytetään termiä rakentuu kokeellisuuteen, joka olisi syytä purkaa samanlaiseksi eri oppiaineiden kohdalla. Sidosten mallintaminen on luonnollisesti kaikkein yksityiskohtaisinta kemiassa. Sidosten ymmärtäminen vaatii opiskelijalta hyvää pohjaa aineen rakenteesta, ja sehän kuuluu fysiikan ensimmäiseen kurssiin. Mutta miten hyvin koulujen arjessa on mietitty ja ohjattu opiskelijoita valitsemaan luonnontieteelliset kurssit? Olisiko kaikkien syytä aloittaa opiskelu fysiikan tai kemian kurssilla, ja vasta tämän jälkeen siirtyä atomien ja kovalenttisen sidoksen käsittelyn jälkeen biologian kursseille käyttämään oppimiaan malleja? Parhaan luonnontiedepaketin 22
opiskelija saisi jos hän valitsisi kaikki kolme luonnontieteellistä pakollista kurssia samaan jaksoon! Ihanteellinen asia olisi, jos opetussuunnitelmaan lisättäisiin monitieteellisiä kursseja. Aineen rakentuminen ja sidokset kurssi fysiikan ja kemian yhteiseksi, Veden biologiaa ja kemiaa kurssi biologian ja kemian yhteiseksi, Liikenne ja ympäristö kurssi niin biologiaan, maantieteeseen kuin fysiikkaan ja kemiaan liittyen. Koulukohtaisia soveltavia kursseja varmaankin löytyy, mutta eikö kaikkia opiskelijoita hyödyttäisi saada kokonaisvaltainen kuva eli monitieteellinen kurssi kaikille pakolliseksi. Kurssin paikka olisi kolmannen opiskeluvuoden syksyllä, jolloin koottaisiin yhteen kaikki sirpaletieto yhdeksi kokonaisuudeksi. Opettajille kyseiset kurssit olisivat hyvin haasteellisia, koska opiskelijoiden tietotaso olisi hyvin kirjava: toisilla suoritettuna vain pakolliset kurssit, toisilla melkein kaksikymmentä matemaattisluonnontieteellisiä kurssia. Ylioppilaskirjoitusten oppiainerajat ylittävät kysymykset testaavat opiskelijoiden monitieteellisyyttä. Kyselyyn osallistuneiden opiskelijoiden perustiedot ovat hyvät perusasteen arvosanojen perusteella. Arvosanat eivät tietenkään kerro kaikkea; aika tekee tehtävänsä. Kyselyssä etsittiin opiskelijoiden virhekäsityksiä sidoksista. Ensimmäinen osio testasi millaisia ajatusmalleja opiskelijoilla on aineen rakenneosista. Vastanneiden lisähaastattelut olisivat antaneet paljon lisäinformaatiota. Jälkeenpäin ajateltuna kyselylomakkeen ensimmäiseen osioon olisi pitänyt lisätä kommentti kerro mallistasi lyhyesti sanallisesti tai nimeä käyttämääsi malliin liittyvien osien nimet, jotta opiskelijoiden käyttämä terminologia olisi selvinnyt. Opiskelijat piirsivät Bohrin atomimallin mukaisia vetyatomimalleja, keskellä yksi rakenneosa tai monta, kuvastaen ilmeisesti protoneja ja neutroneja. Opiskelijoiden lukuisat väärät vastaukset etenkin sidosten kannalta peruskysymykseen systeemin energian pienenemisestä olivat masentavia. Opiskelijat tarjosivat sidoksen muodostumisen edellytykseksi hyvin konkreettisia malleja elektronien jakamisesta tai luovuttamisesta ja vastaanottamisesta. Osa ei ehkä lukenut kysymystä huolellisesti ja unohti sanan aina tehtävän alusta. Bohrin atomimalli oli opiskelijoiden yleisimmin käyttämä malli. Mallia käytettiin niin atomin, molekyylin kuin ionien kuvaamiseen. Virheitä tehtiin niin elektronien kuin kuorien lukumäärissä. Tässäkin kyselyssä paljastui opiskelijoiden virhekäsityksiä liittyen sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen: ionisidos muodostuu vain kahden ionin välille. Onkin syytä tarkentaa 23
omaa opetustaan ja välttää aina ionisidoksen yhteydessä mallintamista yhden elektronin siirtymisellä natriumatomilta klooriatomille ja keskustella sähkömagneettisen vuorovaikutuksen vaikutusalueesta. Kaikkein parhaiten opiskelijat vastasivat kysymykseen kiinteän olomuodon rakenneosien liikkeestä. Olomuodot ja niiden muutokset ovat opiskelijoille hyvin tuttuja ja niihin liittyvät mallit selkeitä. Jään rakenne oli kylläkin monella hukassa; kolmestakymmenestäkolmesta viisi vastasi oikein. Ensimmäisellä kurssilla käytetty jään molekyylimalli sattui olemaan vahingossa opettajanpöydällä, mutta kukaan ei ainakaan kommentoinut sitä huomanneensa. Kyseisessä mallissa vetysidokset ovat malliltaan violetteja tikkuja. Opettajalle kyselylomakkeen purkaminen oli ajatuksia herättävää. On syytä keskittyä korostamaan opiskelijoille sidosten mallien käyttökelpoisuutta kokeellisten havaintojen selittämisessä, mutta muistutettava perimmäisestä ajatuksesta aaltohiukkasdualismissa. Opiskelijoiden perustelujen kuuleminen oli kiinnostavaa, mutta tekniikkaa on vielä hiottava paljon. Kaikkein antoisinta, mutta erittäin aikaa vievää olisi kahdenkeskiset haastattelut, niiden nauhoittaminen ja purkaminen. Luokattoman lukion ryhmäyttämisen haaste on iso asia kun halutaan että ryhmä toisille lähes tuntemattomia opiskelijoita perustelisi mielipiteitään ja väittelisi niistä positiivisessa hengessä. 24
Lähdeluettelo Bishop, B.A. ja Anderson C.W. 1990: Student Conceptions of Natural Selection and it s role in evolution, Journal of research in Science Teaching, vol 27, Coll R. K. Ja Treagust D. F 2003: Learner s Mental Models of Metallic Bonding: A Cross Age Study, Science Education, vol 87 Gillespie, R. J. ja Popelier, P.L.A 2001: Chemical Bonding and Molecular Geometry, Oxford University Press Gustafsson, L 2007: Kemialliset sidokset lukion opetuksessa, pro gradu tutkielma, Helsingin yliopisto Hudson, J. 1995: Suurin tiede, Art House Kalliorinne, K & all 1988: Fysikaalinen kemia, Kirjayhtymä Kurki Suonio K. ja R 1998: Fysiikan merkitykset ja rakenteet, Limes Kurki Suonio, K. ja R 1997: Aaltoliikkeestä dualismiin, Limes Laitinen, R. ja Toivonen J 1997: Yleinen ja epäorgaaninen kemia, 11. korjattu jatkopainos, Otatieto Lampiselkä J 2003: Demonstraatio lukion kemian opetuksessa, Väitöskirja, Jyväskylän yliopisto Lavonen, J, Kurki Suonio, K ja Hakulinen, H 1996: Galilei 8 Moderni fysiikka, WSOY Lavonen, Meisalo & all, Oppilaiden ennakkokäsitykset, www.edu.helsinki.fi/malu/kirjasto/ennakko Maalampi, J. ja Perko T. 1997: Lyhyt modernin fysiikan johdatus, Limes ry Helsinki Mackay, K.M: ja Mackay, K.M 1989: Introduction to Modern Inorganic Chemistry, Blackie Mortimer, C. E. 1997: Kemia, Opetushallitus Saari, H. 1997: Mallien käyttö luonnontieteen oppimisessa ja opetuksessa, Joensuun normaalikoulun julkaisuja nro 10, Taber, K. S. 1994: Misunderstanding the ionic bond, Education in Chemistry, July 1994 www.chemistry.hut.fi/eokem/courses/ke359700/mater/molekyyliorbitaaliteoria.pdf 25
Liitteet Liite 1. Kyselylomake SIDOSTEN MALLINTAMINEN Perusasteen päättöarvosanat: fysiikka biologia kemia Lukiossa suoritettujen kurssien arvosanat: fysiikka biologia kemia I Piirrä malli vetyatomista happimolekyylistä 26
natrium ionista kloridi ionista 27
II. Valitse mielestäsi oikea vaihtoehto. 1. Aina kemiallisen sidoksen muodostuessa metalli ja epämetalli reagoivat keskenään systeemin energia pienenee atomit jakavat elektroneja toinen atomia luovuttaa elektroneja ja toinen vastaanottaa ne 2. Kiinteässä olomuodossa aineen rakenneosat eivät liiku lainkaan aineen rakenneosat eivät vuorovaikuta keskenään aineen rakenneosat värähtelevät lähes paikallaan aineen rakenneosat liikkuvat kerroksittain toistensa lomitse 3. Taloussokerin liuetessa veteen sokerimolekyylien väliset sidokset purkautuvat ja muodostuu uusia sidoksia sokeri ja vesimolekyylien välille sokerimolekyylit hajoavat atomeiksi ja sekoittuvat vesimolekyyleihin sokerimolekyylit reagoivat vesimolekyylien kanssa, muodostuu hiilidioksidia ja vapautuu energiaa osa sokerista sekoittuu veteen ja osa jää sekoittumatta liuoksen pohjalle 4. Poolittomien molekyylien välillä ei ole vuorovaikutuksia vaikuttavat heikot vuorovaikutukset, jotka johtuvat elektronien satunnaisesta siirtymisestä molekyyliltä toiselle 28
vaikuttavat heikot vuorovaikutukset, jotka johtuvat sidoselektronien satunnaisesta liikkeestä vaikuttavat heikot vuorovaikutukset, jotka johtuvat molekyylien erimerkkisistä navoista 5. Ruokasuolassa eli natriumkloridissa natrium ja kloridi ionit vuorovaikuttavat kaikkien riittävän lähellä olevien ionien kanssa kukin natriumioni vetää puoleensa vain vieressä olevaa kloridi ionia ja hylkii vieressä olevaa natriumionia klooriatomit ovat luovuttaneet ja natriumatomit ottaneet vastaan elektronin natrium ja kloridi ionit ovat sekoittuneet epäsäännölliseen rakenteeseen 6. Kiinteässä vedessä eli jäässä vesimolekyylit ovat hyvin tiiviisti eikä niiden väliin jää tilaa vesimolekyylit asettuvat tiiviiseen kuutiolliseen rakennelmaan vesimolekyylit eivät vuorovaikuta keskenään joten rakenne on harva vesimolekyylien väliset vuorovaikutukset suuntaavat vesimolekyylit harvaan rakenteeseen 29