REAKTIONOPEUS IHMISKEHOSSA TUTKIMUKSELLINEN TYÖ YLÄKOULULAISILLE Essi Purhonen 1, Krista Iltanen 1 & Sini Hänninen 1 1 Kemian opettajankoulutusyksikkö, Helsingin yliopisto Opettajan ohje Aihe: Ihmiskehossa tapahtuu tuhansia erilaisia kemiallisia reaktioita jatkuvasti. Näiden reaktioiden nopeus on olennainen tekijä kaikissa ihmisen elintoiminnoissa. Työssä tutkitaan lämpötilan vaikutusta reaktionopeuteen sekä lähtöaineen konsentraation vaikutusta entsyymin katalysoiman reaktion nopeuteen. Tavoite: Oppimiskokonaisuuden tavoitteena on tutkia ja havainnollistaa reaktionopeuteen vaikuttavia tekijöitä kemian ja biologian oppiaineita eheyttäen. Työn suoritus: Oppilaat tekevät työn pareittain tai pienryhmissä. Työn aikana kannustetaan sekä ryhmien sisäiseen että ryhmien väliseen keskusteluun ja rinnastetaan tätä tiedeyhteisöissä tapahtuvaan keskusteluun, vertaistukeen- ja arviointiin. Kohderyhmä: yläkoulu Prosessidraama toteutettavaksi joko edellisellä oppitunnilla (jos oppilailla on taustaa reaktionopeuksista) tai jälkikoontina Luokkahuone on reaktioastia ja oppilaat ovat atomeja. Reaktiossa atomit reagoivat toistensa kanssa ja muodostavat kaksiatomisia molekyylejä. Oppilaat saavat liikkua koko aktiviteetin ajan vain suoraan eteenpäin (ei kaartelua), ja törmätessään esteeseen tai toiseen atomiin kääntyä ja kimmota toiseen suuntaan, taas suorassa viivassa johonkin toiseen suuntaan. Jos atomit kohtaavat kasvokkain eli oikeassa orientaatiossa, ne reagoivat ja muodostavat sidoksen, eli ottavat käsistä kiinni ja jatkavat liikkumista yhdessä. Reaktio voi tapahtua vain, jos atomeilla on tarpeeksi liike-energiaa, eli ne pääsevät aktivaatioenergianyppylän yli. Reaktion tapahtumiseen ei siis riitä oikea orientaatio, vaan atomien on törmättävä yhteen tarpeeksi suurella energialla. Hidas kävelyvauhti ei siis riitä reaktion aiheuttamiseen, vaan ainakin toisen atomin on oltava nopeammassa vauhdissa kun kävelyvauhti, jotta reaktio voi tapahtua. Oletuksena on ideaalikaasu, jossa hiukkaset eivät ole vuorovaikutuksessa keskenään. Matala lämpötila Opiskelijat alkavat liikkua luokassa kävellen. Vain kaksi opiskelijaa kerrallaan saa kävellä nopeasti, sillä lämpötila on mitta molekyylien keskimääräisestä kineettisestä energiasta. Vain näiden opiskelijoiden kanssa oikeassa orientaatiossa törmäävät atomit voivat reagoida. Nopeasti kävelevien opiskelijoiden (opettaja valitsee aluksi kaksi) on pidettävä
kättä ylhäällä nopeasti kävelemisen merkiksi. Kun nopeasti kävelevät atomit reagoivat, heitä lähinnä oleva atomi saa nostaa kätensä ja alkaa liikkua nopeasti. Opettaja ottaa aikaa, esimerkiksi minuutin. Aktiviteetin jälkeen keskustellaan seuraavista kysymyksistä: Kuinka monta reaktiota ehtii tapahtua tässä ajassa? Tapahtuiko sellaisia törmäyksiä usein, jotka eivät johtaneet reaktioon? Oliko reagoiminen vaikeaa? Miksi kaikki törmäykset eivät johda reaktioon? Mitä reaktion tapahtuminen edellyttää? Korkea lämpötila Aktiviteetti on sama kuin matalassa lämpötilassa, mutta nyt kuusi opiskelijaa kerrallaan saa nostaa kätensä ja liikkua nopeasti. Hiukkasten keskimääräinen kineettinen energia on nyt suurempi. Opettaja ottaa aikaa, saman ajan kuin matalassa lämpötilassa. Kuinka monta reaktiota ehtii tapahtua tässä ajassa? Miksi reaktioita tapahtui samassa ajassa enemmän kuin matalassa lämpötilassa? Mitä tapahtuu reaktion nopeudelle, kun nostetaan lämpötilaa? Pieni konsentraatio Vain puoli luokkaa on atomeina reaktioastiassa. Toinen puoli on yleisönä ja tarkkailee tilannetta. Kaksi opiskelijaa kerrallaan saa liikkua nopeasti. Muuten sama ohjeistus kuin edellä. Opettaja ottaa aikaa, esimerkiksi minuutin. Kuinka monta reaktiota ehtii tapahtua tässä ajassa? Oliko reagoiminen vaikeaa, kun porukkaa oli niin vähän? Mitäköhän tapahtuisi reaktionopeudelle, jos porukkaa olisi enemmän, eli lähtöaineiden konsentraatio olisi suurempi? Kokeillaan! Suuri konsentraatio Koko ryhmä mukaan, nyt neljä opiskelijaa kerrallaan saa liikkua nopeasti, sillä lämpötila pysyy samana kuin pienessä konsentraatiossa, eli hiukkasten keskimääräinen kineettinen energia ei muutu. Muuten sama ohjeistus kuin edellä. Opettaja ottaa aikaa, saman ajan kuin pienessä konsentraatiossa.
Kuinka monta reaktiota ehtii tapahtua tässä ajassa? Miksi reaktioita tapahtui samassa ajassa enemmän, kuin matalassa konsentraatiossa? Mitä tapahtuu reaktion nopeudelle, kun lähtöaineiden konsentraatio on suurempi? Ennakkokysymykset (Ennakkokysymykset toteutetaan keskustellen oppilaiden kanssa, oppilaiden tehtävänä on vastata kysymyksiin. Jos aikaa suoritukseen on enemmän, oppilaille voi johdattelun sijaan antaa aikaa etsiä pienryhmissä vastauksia kysymyksiin.) Mikä on kemiallinen reaktio? Kemiallinen reaktio on prosessi, jossa aineet muuttuvat toisiksi aineiksi. Usein tapahtuu sidosten katkeamista ja/tai muodostumista. Kemiallisessa reaktiossa voi vapautua esimerkiksi kaasua. Miten kemiallisen reaktion nopeutta voisi mitata? Mitä tähän tarvitaan? Mitataan lähtöaineiden häviämisnopeutta tai tuotteiden syntymisnopeutta. Tähän tarvitaan sekuntikello ja jokin tietty kohta reaktiota, esimerkiksi 0,1 litraan kaasun muodostumiseen kulunut aika, tai sakan syntymiseen kulunut aika. Jos haluaisimme tutkia reaktionopeuteen vaikuttavia tekijöitä, millaisia reaktioita meidän kannattaisi valita? Millaisten kemiallisten reaktioiden nopeutta on helpoin mitata? Sellaisten reaktioiden etenemistä, joissa muodostuu kaasua tai sakkaa, on helppo seurata. Minkälaisia reaktioita ihmiskehossa tapahtuu? Miksi ne ovat tärkeitä? Suuria ruokamolekyylejä täytyy esimerkiksi pilkkoa pienemmiksi molekyyleiksi (katabolinen prosessi). Pienistä molekyyleistä täytyy rakentaa suurempia tarvittavia molekyylejä, joita keho tarvitsee. Onko reaktioiden nopeudella väliä? Miksi tai miksi ei? Kyllä - esimerkiksi syöty ruoka on hajotettava riittävän nopeasti, jotta se pääsee verenkiertoomme ja saamme siitä tarvittavat aineet. Myös esimerkiksi juostessa energiaa tuottavien reaktioiden on tapahduttava nopeammin lihaksissa kuin kävellessä.
LÄMPÖTILAN VAIKUTUS REAKTIONOPEUTEEN Reagenssit: 3 erlenmeyerpulloa 3 ilmapalloa leivinjauhetta vettä tietokone, jossa auki PhET-simulaatio, https://phet.colorado.edu/en/simulation/reactions-and-rates Lisää leivinjauhetta lämpimään veteen. Mitä huomaat? Mitä kysymyksiä sinussa herää? Reaktioseos kuplii ja sihisee. Miksi se sihisee? Mitä muodostuu? Tapahtuuko tässä reaktio? Minkälainen kemiallinen reaktio leivinjauheelle tapahtuu, kun sitä sekoitetaan lämpimään veteen erlenmeyerpullossa? Voit tarvittaessa etsiä tietoa netistä. Reaktio, jossa vapautuu kaasua. Tämän huomaa sihinästä ja kuplista. Muodostuva kaasu on hiilidioksidia. Lisää nyt lämpimään veteen leivinjauhetta laittamalla se ilmapallon sisään, pingottamalla ilmapallo erlenmeyerpullon suuaukolle, ja tyhjentämällä pallo erlenmeyerpulloon. Mitä pallolle tapahtuu? Miksi? Suunnittele tutkimus, jonka avulla voit testata lämpötilan vaikutusta leivinjauheen ja veden reaktionopeuteen. Käytettävänäsi on erlenmeyerpulloja, vettä eri lämpötiloissa, leivinjauhetta sekä ilmapalloja. Kirjoita ylös havaintosi. (Opettaja kiertelee kannustamassa, auttamassa ja ohjeistamassa tarvittaessa.) Tutkimuksesi avulla vastaa seuraaviin kysymyksiin: 1. Miten lämpötila vaikuttaa reaktionopeuteen? 2. Miksi lämpötila vaikuttaa reaktionopeuteen? Tutustu PhET-simulaatioon annetulla mobiililaitteella ja käytä simulaatiota apuna selityksessä https://phet.colorado.edu/en/simulation/reactions-and-rates 3. Ihmiskehon lämpötila on noin 37 celsiusastetta. Miten nopeasti olettaisit leivinjauhetutkimuksesi perusteella reaktioiden tapahtuvan ihmiskehossa? 4. Juttele toisen ryhmän kanssa. Saivatko he tutkimuksessaan saman tuloksen? Miten tämä vaikuttaa tulosten luotettavuuteen? Miten saisit tuloksista vielä luotettavampia? 5. (Itsearviointi) Toimit tässä tutkimuksessa tutkijana. Mikä oli hankalaa? Entä mikä helppoa? Mitä opit tutkimuksen tekemisestä? Mitä opit luonnontieteistä? 6. (Vertaisarviointi) Juttele viereisen ryhmän kanssa. Miten heidän tutkimuksensa sujui? Miten voisitte hyödyntää toinen toistenne tuloksia ja osaamista?
KONSENTRAATION VAIKUTUS ENTSYMAATTISEN REAKTION NOPEUTEEN Reagenssit ja tarvikkeet: katalaasientsyymiä hiivaliuoksessa suodatinpaperia pieniksi kiekoiksi leikattuna (esimerkiksi rei ittimellä tehtyjä) pinsetit dekantterilaseja 3,3% vetyperoksidia vettä sekuntikelloja Johdanto: (Toteutetaan keskustellen oppilaiden kanssa, oppilaiden tehtävänä on vastata kysymyksiin. Jos aikaa suoritukseen on enemmän, oppilaille voi johdattelun sijaan antaa aikaa etsiä pienryhmissä vastauksia kysymyksiin.) 37 celsiusasteessa reaktiot eivät pääsääntöisesti etene kovinkaan nopeasti. Mitä vaaraa ihmiskeholle voisi olla siitä, jos reaktiot eivät tapahtuisi riittävän nopeasti? Esimerkiksi jos ruokaa ei pystytä katabolisten reaktioiden avulla hajottamaan riittävän pieniksi molekyyleiksi riittävän nopeassa ajassa, ihminen ei saa riittävän nopeasti tarvitsemiaan raaka-aineita soluihinsa. Tämä vaikuttaa kaikkiin elintoimintoihin. Myös esimerkiksi lihastyö vaatii kemiallisten reaktioiden tapahtumista. Jos reaktiot eivät tapahtuisi riittävän nopeasti, liikkuminen olisi erittäin vaikeaa ja hidasta. Mitä korkeampi lämpötila, sitä nopeammin molekyylit liikkuvat ja värisevät. Joskus molekyylit voivat liikkua ja väristä niinkin voimakkaasti, että ne menevät rikki. Miksi kehon lämpötila ei voi olla korkea, vaikka reaktiot tapahtuisivat kuumemmassa nopeammin? Koska kehon tärkeät molekyylit, kuten proteiinit, voivat mennä rikki eli denaturoitua korkeissa lämpötiloissa. Videon aikana mieti vastausta seuraavaan kysymykseen: Mitä reaktionopeuteen merkittävästi vaikuttavia apuvälineitä ihmiskehosta löytyy? Entsyymejä!
Videon katselu (ääni pois, suomennetaan): https://www.youtube.com/watch?v=xtum-75-pl4 0:05-0:52 Miten ihminen voi sulattaa jättimäisen pihvin vain muutamassa tunnissa? Ensin se pureskellaan suussa pienemmiksi palasiksi ja sieltä se kulkeutuu mahalaukkuun. Mahalaukku sisältää vahvaa happoa, suolahappoa, joka voi liuottaa jopa metallia. Tämä happo ei kuitenkaan ole se, joka pilkkoo pihvin, vaan asialla ovat pienet molekyylit nimeltään entsyymit. Nämä entsyymit nopeuttavat esimerkiksi ruoan pilkkoutumiseen liittyvää reaktiota, eli ne toimivat katalyytteina. 2:27-4:40 Entsyymejä on paljon erilaisia, mutta niillä on muutamia yhteisiä tekijöitä. 1. Jokaisella entsyymillä on aktiivinen kohta. Näihin kohtiin substraatit eli reagoivat aineet kiinnittyvät. Substraatit joko hajoavat tai yhdistyvät muodostaen reaktiotuotteita. Esimerkiksi leivässä on tärkkelystä, joka pilkkoutuu glukoosiksi ja imeytyy sitten kehoon. Elimistö käyttää glukoosia energiantuotannossa, mutta jos sitä on liikaa, tietyt entsyymit yhdistävät glukoosimolekyylit glykogeeniksi, joka varastoituu maksaan ja lihaksiin myöhempää käyttöä varten. 2. Entsyymit ovat spesifejä eli ne ovat erikoistuneet tiettyihin substraatteihin. Kukin entsyymi voi sitoutua vain tietynlaisiin substraatteihin. Esimerkiksi lipaasientsyymi pilkkoo rasvamolekyylejä. Molekyylit, kuten glukoosi ja proteiinit, eivät sovi entsyymin aktiiviseen kohtaan. Vain rasvamolekyylit voivat yhdistyä lipaasientsyymin aktiiviseen kohtaan, koska niiden muoto on oikea. (Tämä on tärkeä ominaisuus lipaasientsyymille. Lipaasientsyymi muokkaa rasvamolekyyleistä energiaa. Kuvittele, jos se voisi muokata myös proteiineista kemikaaleja, joita aivot tarvitsevat toimiakseen. Mikäli keho ei enää tarvitsisi rasvamolekyylien tuottamaa energiaa, lipaasientsyymi ei enää toimisi eikä tuottaisi proteiineista aivoille niiden tarvitsemia kemikaaleja. Tämä johtaisi aivojen vahingoittumiseen. Tämän takia entsyymit toimivat vain tiettyihin molekyyleihin.) 3. Entsyymejä voidaan kierrättää reaktiosta toiseen. Entsyymit eivät muutu reaktiossa, jota ne nopeuttavat. Heti reaktiosta vapauduttuaan ne voivat katalysoida uuden reaktion. Siksi tarvitaan vain muutamia entsyymejä tuhansien reaktioiden nopeuttamiseen.
Demonstraatio: Vetyperoksidi hajoaa itsestään hitaasti vedeksi ja hapeksi. 2 H2O2 2 H2O + O2 Kun pienen suodatinpaperikiekon upottaa dekantterilasiin, hiljalleen muodostuvat happikuplat nostavat sen ajan saatossa dekantterilasin pinnalle. (Opettaja upottaa pinsettien avulla rei ittimellä tehdyn pienen suodatinpaperikiekon 3,3% vetyperoksidia sisältävään keitinlasiin ja näyttää luokalle, että se ei nähdä nousevan, sillä reaktio on niin hidas.) Kuten videolla näytettiin, ihmiskeholla on apuvälineitä, jotka vaikuttavat kehossa tapahtuvien reaktioiden nopeuteen. (Nyt suodatinpaperikiekko kastetaan hiivaliuokseen, jossa on katalaasientsyymiä. Kiekko upotetaan pinseteillä 3,3% vetyperoksidia sisältävän keitinlasin pohjalle, ja näytetään luokalle, kuinka se nousee.) Mitä tapahtui? Miksi? Entsyymit ovat apuvälineitä, jotka nopeuttavat reaktioita. Hiivaliuos sisälsi katalaasientsyymiä, joka katalysoi hajoamisreaktiota. Entsyymit ovat orgaanisia katalyyttejä, jotka koostuvat proteiineista. Entsyymit ja muut katalyytit nopeuttavat reaktioita kulumatta kuitenkaan itse reaktioissa. Mitä jos lähtöaineen eli vetyperoksidin konsentraatiota muuttaa? Minkälainen vaikutus konsentraation muutoksella on reaktionopeuteen? Sinun tehtävänäsi on suunnitella tutkimus ja selvittää, miten asia on! Kirjoita ylös havaintosi. (Opettaja kiertelee kannustamassa, auttamassa ja ohjeistamassa.) Tutkimuksesi avulla vastaa seuraaviin kysymyksiin: Miten lähtöaineen konsentraatio vaikuttaa reaktionopeuteen? Miksi lähtöaineen konsentraatio vaikuttaa reaktionopeuteen? Tutustu PhETsimulaatioon annetulla mobiililaitteella ja käytä simulaatiota apuna selityksessä. https://phet.colorado.edu/en/simulation/reactions-and-rates Ihmiskehon lämpötila on noin 37 celsiusastetta. Miten on mahdollista, että reaktiot tapahtuvat riittävän nopeasti ihmiskehossa, jotta ihmiset pysyvät elossa? Juttele toisen ryhmän kanssa. Saivatko he tutkimuksessaan saman tuloksen? Miten tämä vaikuttaa tulosten luotettavuuteen? Miten saisit tuloksista vielä luotettavampia? (Itsearviointi) Toimit tässä tutkimuksessa tutkijana. Mikä oli hankalaa? Entä mikä helppoa? Mitä opit tutkimuksen tekemisestä? Mitä opit luonnontieteistä? (Vertaisarviointi) Juttele viereisen ryhmän kanssa. Miten heidän tutkimuksensa sujui? Miten voisitte hyödyntää toinen toistenne tuloksia ja osaamista? Koontikysymykset (sis. summatiivinen arviointi)
Toteutetaan keskustellen. Oppilaille tulisi antaa aikaa etsiä vastauksia ja keskustella niistä pienryhmissä, joissa kirjataan vastauksia yhteisesti ylös ennen yhteistä koontia. 7. Tänään oppimasi perusteella, mitkä tekijät vaikuttavat reaktionopeuteen? Miksi? Lämpötila: Mitä korkeampi lämpötila, sitä suurempi reaktionopeus. Korkeammassa lämpötilassa hiukkaset liikkuvat nopeammin. Mitä nopeammin hiukkaset liikkuvat, sitä todennäköisemmin ne törmäilevät toisiinsa ja reagoivat, joten reaktio on kiivaampi korkeissa lämpötiloissa. Lähtöaineen konsentraatio: mitä suurempi konsentraatio, sitä korkeampi reaktionopeus. Kun lähtöaineita on enemmän tietyssä tilavuudessa, törmäyksiä hiukkasten välillä on enemmän ja reaktionopeus kasvaa. 2. Miksi ruokaa pidetään jääkaapissa? Matalampi lämpötila hidastaa reaktionopeuksia. Ruoan pilaantumiseen liittyy kemiallisia reaktioita. Kylmässä ruoka ei pilaannu yhtä nopeasti, sillä pilaantumisreaktiot eivät tapahdu yhtä nopeasti. 3. Kun syöt ruokaa, entsyymit ja mieto lämpö nopeuttavat reaktioita, jotka pilkkovat ruokaa pienemmiksi molekyyleiksi. Nämä molekyylit imeytyvät verenkiertoon ja päätyvät solujen käyttöön. Millä muilla tavoilla kehosi nopeuttaa ruoansulatukseen liittyviä reaktioita? Pureskelu suurentaa kokonaispinta-alaa, jolloin reaktiot tapahtuvat nopeammin. Vatsalaukku vaivaa ruokaa, eli sekoittaa sitä. Sekoittaminen nopeuttaa reaktioita. 4. Aika on rahaa. Mitä korkeampi lämpötila, sitä suurempi reaktionopeus. Miksi teollisuudessa silti suositaan usein matalampia lämpötiloja? Korkeita lämpötiloja on hankalaa ja kallista ylläpitää. Korkeihin lämpötiloihin voi liittyä myös enemmän turvallisuusriskejä, jotka on tärkeää ottaa huomioon. 5. Tiedemiehet ovat rakentaneet robotin, jonka haluavat jäljittelevän ihmisen elintoimintoja. Robotti osaa toimia ohjeiden mukaan vain, jos ohjeet ovat perusteltuja. Laadi robotille ohje, jonka mukaan sen tulisi toimia voidakseen toteuttaa elintoimintoihin liittyvät kemialliset reaktiot mahdollisimman tehokkaasti. Muista perustelut!