Heli Kannisto, Piia Pakarinen ja Heli Rasinperä Tuntisuunnitelma: Karboksyylihapot (90 min) Johdanto Opetustunti on suunniteltu peruskoulun yläasteelle 90 minuutin oppitunnille. Tunnin aiheena on karboksyylihapot. Tuntiin on sisällytetty kemian historiaa ja luonnontieteen luonteen ominaispiirteitä. Historiaosuudessa keskitytään orgaanisen kemian syntyyn ja kemisteihin, jotka ovat olleet keskeisessä roolissa luomassa meille tuttuja orgaanisen kemian käsitteitä ja menetelmiä. Luonnontieteelle ominaisista piireistä pyrimme nostamaan näkyville erityisesti tutkimuksen ja tiedon kehittymisen ja tutkijayhteisön käyttäytymisen. Tutkimusmenetelmien kehittyessä tutkimuksen suunta ja tavoitteet saattavat muuttua ja toisaalta tieteellisen tiedon muuttuminen, aikaisempien hyväksyttyjen teorioiden kumoaminen, vaatii toistettavaa ja todistettavissa olevia tutkimusta. Tieteen sosiologia on kuitenkin aina mutkia matkaan tuovaa. Arvostetut tutkijat kykenevät estämään pätevienkin tutkimusten hyväksymisen ja toisaalta tiedeyhteisö antaa kunnioituksensa ansioituneille tutkijoilleen vaikka postuumisti. Tunnin tavoitteet Oppitunnin tavoitteena on historiallisen lähestymistavan ja luonnontieteiden luonteen teemojen avulla johdattaa oppilaat tunnistamaan ja nimeämään yksinkertaisia karboksyylihappoja. Tunnin keskeiset teoriatavoitteet ovat: karboksyyliryhmä, karboksyylihappojen nimeäminen ja rakenne sekä orgaanisten happojen ominaisuudet. Oppitunnin rakenne ja aikataulu 0-20 min Tunnin aluksi oppilaat lukevat lyhyen historiikin orgaanisen kemian synnystä (650 sanaa) (liite 1). Historiikissa esitellään lyhyesti orgaanisen kemian alkuvaiheet 1800-luvun alusta Karlsruhen kongressiin (1860). Tänä aikana alkoi muodostua käsitys nykyajan mukaisista orgaanisten yhdisteiden rakenteista ja merkintätavoista. Historiikissa nostetaan esiin kymmenkunta merkittävää orgaanisen kemian kehittäjää ja huomioidaan myös orgaanisen kemian merkitys atomipainojen ratkaisemiseksi. Historiikin tarkoituksena ei ole, että oppilaat opettelevat orgaanisen kemian historian ulkoa, vaan johdattaa oppilaat ymmärtämään luonnontieteen luonteen teemoja. Lukemisen tueksi oppilaille annetaan sanaristikko (liite 2), josta vihjeiden avulla tulee etsiä 10 ajanjaksolla vaikuttanutta kemistiä.
20-40 min Oppilaiden löydettyä kemistit sanaristikosta käydään luonnontieteiden luonteen teemoja läpi sanaristikosta löytyneiden kemistien ja heidän saavutustensa kautta. Liitteessä (liite 3) esittelemme yhden vaihtoehtoisen mallin, jonka mukaan teemoja voi eksplisiittisesti käsitellä. Keskustelun tueksi opettaja voi hahmotella aikajanan, johon sijoittaa orgaanisen kemian kannalta tärkeitä tapahtumia. Luonnontieteiden luonteen teemojen läpikäynnin yhteydessä opettaja voi pyytää oppilaita pohtimaan, miksi luonnontieteen tutkimuksen prosessit ovat niin hitaita ja mitkä asiat lopulta johtivat uusien ajatusten hyväksymiseen. 40-55 min Opettajajohtoisesti esitellään karboksyylihappojen teoriaa (liite 4). 55-85 min Oppitunnin lopuksi oppilaat kertaavat ja syventävät orgaanisen kemian tietojaan kehittämämme pelin avulla (liite 5). Pelin tarkoituksena on, että oppilaat kertaavat karboksyylihappojen teoriaa, luonnontieteen luonteen teemoja ja orgaanisen kemian historiaa. Osa kysymyksistä on pyritty muotoilemaan siten, että ne mahdollistavat oppilaiden välisen vuorovaikutuksen kannustaen heitä aktiiviseen keskusteluun parinsa kanssa. Tämän tarkoitus on, että oppilaat pyrkivät arvioimaan orgaanisen kemiaan tietojaan reflektiivisesti. 85-90 min Loppuun kootaan karboksyylihappojen olennaisin teoria. Liitteet Liite 1. Teksti orgaanisen kemian historiasta Liite 2. Sanaruudukko Liite 3. Taustaa NOS-teemoihin Liite 4. Karboksyylihappojen teoriaa Liite 5. Peli
Liite 1. Orgaanisen kemian synty Aluksi voisi ajatella, ettei jaksollisen järjestelmän kehittymisellä ja sen yleisellä hyväksymisellä ole ollut merkitystä orgaanisen kemian kehittymiseen. Dimitri Mendelejevin (1834-1907) vuonna 1871 julkaisema jaksollinen järjestelmä muodostui silloin tunnetuista alkuaineista ja niiden atomipainoista. Useilla tunnetuilla alkuaineilla oli ollut väärät atomipainot 1800-luvun alussa, koska tiedemiehet yleisesti uskoivat, etteivät kaasut voi esiintyä kaksi- tai useampiatomisina molekyyleinä. Tämän takia myös jaksollisen järjestelmän luominen meille tunnetussa muodossa oli ollut mahdotonta. Useampiatomisen molekyylin mallin esitteli ensimmäistä kertaa Amadeo Avogadro (1776-1856) vuonna 1811. Avogadron lakina tunnettu teoria kertoo yksinkertaistettuna, että yksi litra mitä tahansa kaasua sisältää yhtä monta molekyyliä tai atomia kyseistä kaasua. Avogadron lakia käytetään yhä, koska se pätee alhaisissa paineissa (esim. normaali ilmanpaine) riittävän hyvin. Yhdessä litrassa kaasua on n. 22,41 moolia (yksikköä) kaasua. Teoria ei kuitenkaan saanut silloin tiedeyhteisön yleistä hyväksyntää. Tästä huolimatta Avogadro opetti oppilailleen oman teoriansa mukaan. Yksi aikansa suurimmista kemisteistä Jöns Jagob Berzelius (1766-1852) vastusti kiivaasti Avogadron teoriaa, eikä missään vaiheessa hyväksynyt ajatusta useampiatomisesta molekyylistä. Berzelius loi kuitenkin orgaaniseen kemiaan liittyviä tärkeitä käsitteitä. Hän oivalsi, että joissakin reaktioissa jonkin muun, reaktioon suoranaisesti kuulumattoman aineen läsnäolo oli tarpeen. Hän antoi ilmiölle nimen katalyysi. Berzelius otti myös muun muassa käyttöön termit isomeria, allotropia, polymeeri ja proteiini. Arabian alkemian päivistä lähtien eläin- ja kasvilähtöiset aineet on luokiteltu eri ryhmiin kuin mineraalilähtöiset. Niitä on siis tutkittu erillisinä aineryhminä. Vuonna 1790 Torbern Bergman käytti ensimmäisenä käsitettä epäorgaaniset kappaleet ja orgaaniset kappaleet. Berzelius käytti vuonna 1806 ensimmäisen kerran termiä orgaaninen kemia, jolla tarkoitetaan hiiltä sisältävien yhdisteiden kemiaa. Etanoli on ensimmäinen orgaaninen yhdiste, jota on tuotettu suhteellisen puhtaassa muodossa. Euroopassa sitä on valmistettu 1100-luvulta lähtien tislaamalla ja Kiinassa jo satoja vuosia aikaisemmin sekä tislaamalla että vettä laimeasta liuoksesta jäädyttämällä. Ennen vuotta 1780 tunnettiin vain neljä orgaanista happoa: muurahaishappo (metaanihappo), etikkahappo (etaanihappo), bentsoehappo ja meripihkahappo (butaanidihappo). Näihin aikoihin Carl Sheele (1742-1786) eristi useita muita happoja: oksaalihappoa (etaanidihappoa), viinihappoa, sitruunahappoa ja maitohappoa. 1800-luvun alkupuolella monet kemistit omaksuivat näkemyksen, että orgaaniset yhdisteet voivat syntyä vain elävissä kasveissa ja eläimissä olevan, vis vitaliksen, niin sanotun elämän voiman vaikutuksesta. Tähän perustuvaa oppia sanotaan vitalismiksi. Ensimmäisen kerran vuonna 1828 Friedrich Wöhler (1800-1882) valmisti ureaa. Hän kirjoitti Berzeliukselle: "Osaan valmistaa ureaa ilman munuaista tai edes elävää eläintä, ihmistä tai koiraa". Hän ei kuitenkaan väittänyt kumonneensa vitalismia, koska hänen käyttämänsä syaanihappo ja ammoniakki olivat peräisin
luonnon lähteistä. Vuonna 1844 vitalismi sai kuitenkin vakavan iskun, kun Hermann Kolbe (1818-1884) syntetisoi epäorgaanisista lähtöaineista etikkahappoa. 1800-luvun alkupuolella oli paljon erilaisia yrityksiä määrittää orgaanisten yhdisteiden rakenteita ja atomien välisiä sidoksia. Orgaanisista aineista määritettiin eri alkuaineiden suhteellisia määriä. Nämä yritykset tuottivat useita erilaisia malleja rakenteista, sidoksista ja reaktioista. Mikään teoria ei osoittautunut aukottomaksi ja yksi syy tähän oli se, ettei vedyn, hapen ja typen suhteellista atomimassaa tunnettu oikein toisiinsa nähden. Friedrich August Kekulé von Stradonitz (1829-1896) otti käyttöön neliarvoisen hiilen käsitteen. Vuonna 1858 Kekulé julkaisi artikkelin, jossa hän esitteli neliarvoisen hiilen käsitteen. Päätelmä perustui osittain suokaasun eli metaanin tutkimukseen. Hän ehdotti myös, että hiiliatomit voivat muodostaa ketjuja ja loi näin perustaa alifaattiselle orgaaniselle kemialle (esim. hiiliketjun pituuden merkitys aineen sulamis- ja kiehumispisteeseen). Koska atomipainoja ei vielä kyetty määrittämään tarkasti, johti tämä kaikkien yhdisteiden kaavoja koskevaan epävarmuuteen. Tämän takia Kekulé päätti kutsua koolle kansainvälisen kongressin. Hän keskusteli vuonna 1859 asiasta Karlsruhen teknisen korkeakoulun professorin, Carl Welzeinin (1813-1870), kanssa, ja tämä otti tehtäväkseen järjestää kansainvälinen kemian kongressi Karlsruhessa jo seuraavana vuonna. Euroopan johtavat kemian tutkijat kokoontuivat 3.9.1860 Karlsruheen kolmeksi päiväksi. Kongressissa ei päästy hämminkiä aiheuttavista asioista yksimielisyyteen. Stanislao Cannizzaro (1826-1910) piti siellä kuitenkin kuuluisan puheensa, jossa esitteli atomi- ja molekyylipainoja koskevat ajatuksensa. Cannizzaron järjestelmä perustui Avogadron hypoteesiin kaksiatomisesta vetymolekyylistä. Hän osoitti laskennallisesti tämän poistavan atomi- ja molekyylipainoja koskevan sekaannuksen. Vaikka hänen ajatuksiaan ei Karlsruhessa yleisesti hyväksyttykään, Cannizzaron vastustamaton logiikka alkoi hitaasti käännyttää kemistejä. Cannizzaron puhe vaikutti myös nuoreen venäläiseen tutkijaan Dimitri Mendelejeviin. Alexander Crum Brown (1838-1922) otti nykyisiä rakennekaavoja muistuttavat merkit/kaavat käyttöön vuonna 1864. Hän keksi myös eteenin kaksoissidoksen samana vuonna. Bentseenin rakenne aiheutti kuitenkin vakavan ongelman. Kekulé ratkaisi tämänkin ongelman. Hän julkaisi useita bentseenin rakennetta koskevia artikkeleja (1865, 1866 ja 1872). Orgaanisen kemian nopea kehitys alkoi 1860-luvulla ja jatkuu yhä. Orgaanisten aineiden kehittyneet synteesimenetelmät ovat luoneet myös kasvavia teollisuuden aloja esim. väriaineteollisuus, lääkeaineteollisuus, polymeeriteollisuus...
Liite 2. Etsi kemistejä N V S K G I B C X M É H W I P U G X K A E Y L S Ö R E Z I O Y N M P U I H T E Z L L D N A L K D L A C B L E E I P X E N E N E H L E J Z R L K E R E X E Y T W Z R B S V C N J R E D N A X E L A C E L Y O B X R P G B C V M O R D A G O V A O P P H O L A V O I S I E R O C S H E E L E X P Z L 1. Otti ensimmäisenä käyttöön nykyisiä rakennekaavoja muistuttavan järjestelmän (Huom! etsi kemistin etunimi) Etsi seuraavien kemistien sukunimi: 2. Otti ensimmäisenä käyttöön neliarvoisen hiilen 3. Eristi ensimmäisenä oksaalihapon 4. Syntetisoi etikkahapon 5. Kutsui koolle Karlsruhen kongressin 6. Esitteli Karlsruhessa atomi- ja molekyylipainoa koskevan teorian 7. Valmisti ensimmäisenä ureaa 8. Otti käyttöön termin isomeria 9. Nuori merkittävä venäläistutkija, joka osallistui Kalrsruhen kongressiin 10. Suomalainen kemian Nobel-palkinnon voittaja
Liite 3. Taustaa NOS-teemojen käsittelyyn & sanaruudukon läpikäyntiin Orgaaniset aineet ja orgaaninen kemia Sana orgaaninen tulee sanasta organismi (eliö /elävä). Ennen vuotta 1828 kaikki orgaaniset yhdisteet oli saatu erilaisista elävistä organismeista tai niiden jäänteistä. Silloinen uskomus oli, että orgaanisia yhdisteitä pystyttiin tuottamaan vain jossain elävässä (kasvissa, eläimissä jne.). Tätä kutsuttiin vitalismiksi eli elävissä organismeissa oli joku elävä voima, jota tarvittiin aikaansaamaan orgaaninen yhdiste. Jako orgaanisiin ja epäorgaanisiin aineisiin on perua jo hyvin kaukaisilta ajoilta (Arabian alkemian ajalta eli 1000 vuoden takaa), mutta varsinaisesti nimitykset tulivat käyttöön 1790 ( epäorgaaniset ja orgaaniset kappaleet, Torbern Bergman) ja 1809 ( orgaaninen kemia, Jöns Jakob Berzelius). Kaikille tuttuja orgaanisia aineita, joita tällöin tunnettiin olivat muun muassa: etanoli (1100-luvulta, ehkä jo aiemmin) karboksyylihapot: muurahaishappo, etikkahappo, bentsoehappo, oksaalihappo (n. 1780) (3 = Sheele = eristi ensimmäisenä oksaalihapon) sokerit: glukoosi, fruktoosi, sakkaroosi (1810-30) kofeiini (1830) rasvat (1820) 1800-luvulla löytyi siis paljon uusia orgaanisia yhdisteitä, jotka kaikki sisälsivät hiiltä orgaaninen kemia = hiiliyhdisteiden kemia. Vuonna 1828 Friedrich Wöhler yllätti tiedeyhteisön valmistamalla ureaa (eli monien eläinten ja ihmisen virtsan virtsa-ainetta) ammoniakista ja syaanihaposta tarvitsematta siihen elävää ihmistä tai eläintä. Vaikka tämä oli todiste vitalismia vastaan, ei uskomusta vielä täysin hylätty eikä Wöhler itsekään vaatinut vitalismin kumoamista. (7 = Wöhler = valmisti ensimmäisenä ureaa) Herman Kolbe valmisti vuonna 1848 etikkahappoa epäorgaanisista lähtöaineista ja tämä johti siihen, että vitalismista luovuttiin vähitellen 1800-luvun loppua kohden. (4 = syntetisoi etikkahapon = Kolbe) Pohdittavaksi: Miksi kesti niin kauan, ennen kuin vitalismin käsitteestä luovuttiin? 1800-luvun aikana kemialliset analyysimenetelmät paranivat ja alkuaineiden suhteellisia pitoisuuksia eri yhdisteissä alettiin määrittää. Orgaanisen kemian kehittymisen ongelmana oli kuitenkin, että 1800-luvun alussa tiedemiehet uskoivat, että kaasut (kuten happi tai typpi) eivät voi esiintyä useampiatomisina molekyyleinä. Vuonna 1811 Amadeo Avogadro oli kuitenkin esitellyt teoriansa,
että yhdessä litrassa mitä tahansa kaasua on yhtä monta molekyyliä tai atomia kyseistä kaasua. Tätä teoriaa kuitenkin vastustettiin kiivaasti ja erityisesti aikansa tärkeä ja kuuluisa kemisti Jöns Jakob Berzelius oli kovasti tätä teoriaa vastaan. Atomipainoja koskeva ongelma alkoi selvitä vasta vuonna 1860 järjestetyn Karlsruhen konngressin jälkeen. Kongressiin kokoontuivat kaikkia kemian tärkeät tutkijat ja kongressissa Stansilao Cannizzarro piti puheen, jossa hän laskennallisesti osoitti ajatuksensa atomipainoista. Oikeastaan Cannizzarron ajatukset olivat täysin samat kuin Avogadrolla 50 vuotta aiemmin. Vielä kokouksessa Cannizzarron ajatuksia ei suoraan hyväksytty, mutta pikku hiljaa kemistit alkoivat suhtautua hyväksyvästi ajatukseen siitä, että esimerkiksi vety ei esiinnykään vetykaasussa yksi- vaan kaksiatomisena. (5 = kutsui koolle Karlsruhen kongressin = Welzein) (6 = esitteli Karlsruhessa atomi- ja molekyylipainoa koskevan teorian = Cannizzaro) (8 = nuori merkittävä venäläistutkija, joka osallistui Karlsruhen kongressiin = Mendelejev) Dimitri Mendelejev oli yksi Karslruhen kongressiin osallistuneista kemisteistä. Hän päätti yrittää järjestää alkuaineet niiden ominaisuuksien mukaan ja työskennellessään hän oivalsi miten nämä ominaisuudet olivat riippuvaisia alkuaineiden atomipainoista. Hän kirjoitti alkuaineiden atomipainot ja tyypilliset ominaisuudet korteille ja asettaessaan niitä eri järjestyksiin hän havaitsi, että ominaisuuksien ja atomipainojen välillä oli jaksollinen riippuvuus. Näin syntyi jaksollinen järjestelmä (1871). Tärkeä orgaaniseen kemiaan liittyvä käsite on Friedric Kekulén havainto hiilen neliarvoisuudesta vuonna 1858. Kekule oivalsi myös bentseenin rakenteen. (2 = otti ensimmäisenä käyttöön neliarvoisen hiilen = Kekule). 1800-luvulla orgaanisten aineiden kaavoille oli useita erilaisia merkintätapoja. Nykyisten rakennekaavojen kaavat otti käyttöön Alexander Crum Brown vuonna 1864. (1 = otti ensimmäisenä käyttöön nykyisiä rakennekaavoja muistuttavan järjestelmän. Kemistin etunimi = Alexander) Muuta: (9 = otti käyttöön termin isomeria = Berzelius) Tieteelle tyypillisiä piirteitä: kongressit = tutkijat kokoontuvat yhteen kertomaan uusista tuloksistaan ja teorioistaan ja keskustelemaan niistä tieteellinen tutkimus on usein pitkä prosessi. Uudet ideat hyväksytään harvoin yksittäisten tutkimustulosten pohjalta; tarvitaan siis useita todisteita ja tutkimuksia. Esimerkiksi Berzelius, aikansa tärkeimpiä kemistejä, ei uskonut Avogadron teoriaan, mikä hidasti koko tiedeyhteisön mielipiteen muutosta. Tämä johtu siitä, että Avogadro ei ollut 1800-luvun alussa niin vahvassa asemassa kemian yhteisössä, vaan muut olivat ansioituneimpia.
Avogadro sai kunnioitusta jälkikäteen, kun Avogadron laki nimettiin hänen mukaansa. Toisaalta Berzeliuksesta muistetaan, että hän ei hyväksynyt Avogadron ajatuksia. Usein unohdetaan, että hän kuitenkin edisti kemiaa muilla tavoin hyvin paljon. Tiede etenee usein yrityksen ja erehdysten kautta