Opettajalle 1. Digiopetusaineen rakenne 2. Lukion opetussuunnitelman (OPS 2016) KE4-kurssi ja Mooli 4 3. Mooli 4 -oppikirjan rakenne ja käytetyt symbolit 4. KE4-kurssin ajankäyttö 5. Kokeellisuus ja monipuolinen arviointi Mooli-sarjan avulla 6. TVT-taitojen kehittäminen KE4-kurssilla
1. Digiopetusaineen rakenne Oppikirjan kullekin jaksolle (kurssin aloitus ja jaksot 1 5) on oma osionsa. Kunkin osion sisältö on pääpiirteittäin seuraava: Jakson tavoitteet, opetusvinkkejä, ajankäyttö Tutki ja kokeile! Ohjeita ja vinkkejä kokeellisten töiden toteuttamiseen ja arviointiin Liuosten valmistusohjeet Malliratkaisut videoleikkeinä kuvattujen töiden tulosten käsittelyyn (tulosten käsittely, tulkinta ja johtopäätökset) Lomakkeita kokeellisten töiden arviointiin Kertaustestejä (paitsi jakso 3, jossa harjoitellaan reaktiosarja- ja seoslaskuja) Kaavioita ja kuvapohjia, jotka sopivat yhteisesti täytettäväksi, kertaukseksi tai keskustelun pohjaksi. (Kaavioita ja kuvapohjia ei ole jaksossa 3, jossa harjoitellaan reaktiosarja- ja seoslaskuja.) Oppikirjan laskennallisten tehtävien täydelliset ratkaisut
2. Lukion opetussuunnitelman (OPS 2016) KE4-kurssi ja Mooli 4 Opetussuunnitelmassa kemian opetukselle on asetettu seuraavat yleiset tavoitteet: Opiskelija saa ohjausta kemian osaamisensa tunnistamisessa, omien tavoitteiden asettamisessa, oppimishaasteiden kohtaamisessa ja kemian opiskelustrategioiden soveltamisessa saa mahdollisuuksia perehtyä kemian soveltamiseen monipuolisissa tilanteissa, kuten luonnossa, elinkeinoelämässä, järjestöissä tai tiedeyhteisöissä osaa muodostaa kysymyksiä tarkasteltavista ilmiöistä ja kehittää kysymyksiä edelleen tutkimusten, ongelmanratkaisun tai muun toiminnan lähtökohdiksi osaa suunnitella ja toteuttaa kokeellisia tutkimuksia turvallisesti ja yhteistyössä muiden kanssa osaa käsitellä, tulkita ja esittää tutkimusten tuloksia sekä arvioida niitä ja koko tutkimusprosessia osaa käyttää erilaisia malleja ilmiöiden kuvaamisessa ja selittämisessä sekä ennusteiden tekemisessä osaa käyttää monipuolisia tietolähteitä ja arvioida niitä kriittisesti kemian tietojensa avulla osaa ilmaista johtopäätöksiä ja näkökulmia kemialle ominaisilla tavoilla jäsentää käsitystään jokapäiväisen elämän, ympäristön, yhteiskunnan ja teknologian ilmiöistä kemian käsitteiden avulla ymmärtää luonnontieteellisen tiedon luonnetta ja kehittymistä sekä tieteellisiä tapoja tuottaa tietoa osaa arvioida kemian ja siihen liittyvän teknologian merkitystä yksilön ja yhteiskunnan kannalta. KE4-kurssin tavoitteet ja sisältö Kurssin tavoitteena on, että opiskelija osaa käyttää ja soveltaa materiaaleihin ja teknologiaan liittyviä kemian käsitteitä jokapäiväisen elämän, ympäristön ja yhteiskunnan ilmiöissä osaa tutkia kokeellisesti ja malleja käyttäen materiaaleihin ja sähkökemiaan liittyviä ilmiöitä harjaantuu ilmaisemaan itseään kemialle ominaisilla tavoilla ja analysoimaan eri tietolähteiden argumentointia osaa käyttää tieto- ja viestintäteknologiaa tuotosten muodostamisessa.
Kurssin keskeiset sisällöt ovat kemian merkitys teknologiassa ja yhteiskunnassa metallien ja polymeerien ominaisuudet, käyttö ja elinkaari atomin ulkoelektronirakenne ja jaksollinen järjestelmä alkuaineiden jaksollisten ominaisuuksien selittäjänä hapetusluvut ja hapetus-pelkistysreaktiot sähkökemian keskeiset periaatteet: jännitesarja, normaalipotentiaali, kemiallinen pari ja elektrolyysi kemiallisten reaktioiden laskennallinen soveltaminen tutkimuksen tai ongelmanratkaisun ideointi ja suunnittelu yhteistyön rooli kemiallisen tiedon tuottamisessa Mooli 4 -kirjassa OPS:n mukaiset tavoitteet ja sisällöt on jaettu seuraaviin jaksoihin: Jakso 0. Materiaalit ja teknologia Jakso 1. Jaksollinen järjestelmä kemistin työkaluna Jakso 2. Hapettumis-pelkistymisreaktiot ja sähkökemia Jakso 3. Reaktiosarja- ja seoslaskut Jakso 4. Erilaisia materiaaleja Jakso 5. Polymeerit
3. Mooli 4 -oppikirjan rakenne ja käytetyt symbolit Kirja alkaa kurssin johdantojaksolla, joka on otsikoitu Materiaalit ja teknologia. Jaksossa esitellään lyhyesti materiaaliteknologian kehitystä, annetaan käsitys elinkaariajattelusta sekä kerrotaan lyhyesti teknologiateollisuuden merkitysestä Suomen hyvinvoinnille. Jaksossa esitellään myös opetussuunnitelman mukaiset KE4-kurssin tavoitteet ja sisältö. Jakson lopussa on kertaustehtäviä aiemmin opituista asioista (Kertaa oppimaasi!). Jakson johdantokuvat Kukin jakso alkaa johdantokuvilla, joiden tarkoitus on herättää opiskelijoita pohtimaan, kuinka kuvat liittyvät kemiaan ja jaksossa opiskeltaviin asioihin. Opiskelijat voivat keskustella parin kanssa tai pienryhmissä, millaista kemiaa he kuvissa näkevät. Kuvien lisäksi jakson alussa on lyhyt johdantoteksti. Teksti lähestyy opiskeltavaa asiaa joko arkielämän, luonnontieteellisen tiedon luonteen, kemian historian jne. kautta. Keskustele! Jakson aloitusaukeama sisältää aina myös puhekuplia. Myös näiden tarkoitus on lisätä opiskelijoiden välistä vuoropuhelua ja aktivoida opiskelijoita käyttämään kemian kieltä. Kysymysten avulla voidaan kartoittaa, mitä opiskelijat muistavat aiemmin opitusta tai onko heillä virhekäsityksiä joistakin jo opiskelluista asioista. Opiskelijat voivat keskustella kysymyksistä pareittain tai pienryhmässä tai keskustelu voi olla vapaata koko ryhmässä tapahtuvaa vuoropuhelua. Niin kuvatekstien kuin puhekuplienkin synnyttämät ajatukset voidaan kirjata taululle, dokumenttikameralle tai koota esim. tätä varten luodulle Padlet-seinälle. Katso vinkki Padletin käytöstä Mooli 1 opettajan sähköisestä aineistosta (kohta "Sähköiset materiaalit KE1-kurssin opiskelussa"). Tutki ja kokeile! Kokeellinen lähestymistapa kulkee mukana kaikissa jaksoissa. Opiskeltaviin asioihin liittyviin töihin on viitattu jakson alkuaukeamalla omalla symbolillaan. Varsinaiset työohjeet löytyvät painetun kirjan lopusta Tutki ja kokeile! -osiosta. Videoina löytyvät työt on merkitty alla olevalla symbolilla. Videot löytyvät digikirjasta ja opettajan digiopetusaineistosta siitä kohdin, missä työhön liittyvää teoriaa on esitetty. Opiskelijat, joilla on painettu oppikirja pääsevät katsomaan videoita Otavan verkkosivuilta.
Kaikkia töitä ei ole tarkoitus tehdä saman kurssin aikana, vaan opettaja voi valita niistä sopivimmat ja vaihdella eri töitä oman opetustyylinsä, ryhmäkokonsa, käytettävän tilan sekä välineiden saatavuuden ja riittävyyden perusteella. Osan töistä voi toteuttaa myös koulukohtaisilla syventävillä, soveltavilla tai eri oppiaineita integroivilla kursseilla. Moolisarjan eri kurssien töistä voi koota myös oman, pelkästään kokeelliseen kemiaan pohjautuvan kurssin. Työohjeen rakenne on (soveltuvin osin) seuraava: Työn tavoitteet: Mitä tietoja ja taitoja opitaan, harjoitellaan, syvennetään tai sovelletaan? Valittuja tavoitteita voidaan myös arvioida. Opetussuunnitelman mukaisesti töiden yhteydessä hyödynnetään myös tieto- ja viestintäteknologiaa, harjoitellaan tutkimussuunnitelman tekoa sekä ongelmanratkaisua. Työn taustaa: Viittaus oppikirjan sivuihin, joista löytyy työn teoria sekä mahdollinen lisäteksti työn taustasta. Opiskelijan oma aktiivinen rooli oppijana korostuu! Työn suoritus: Tarvittavat aineet ja välineet lista tarvittavista aineista (varoitusmerkintöineen) ja välineistä "Työturvallisuus" erityisesti tämän työn kohdalla huomioitavaa "Toimi näin" yksityiskohtaiset ohjeet työn suorituksesta "Jätteiden käsittely" ohjeet jätteiden käsittelyyn ja lajitteluun Tulosten käsittely, tulkinta ja johtopäätökset: havaintojen ja mittaustulosten käsittely, tulkitseminen, vertailu, johtopäätösten teko (= teorian yhdistäminen), pohdinta, soveltaminen, TVT:n hyödyntäminen. Tässä luvussa Kukin jakso jakaantuu pienempiin kokonaisuuksiin eli lukuihin. Oppimisen tavoitteet (pohjana OPS:n tavoitteet ja sisällöt) on listattu luvun alkuun merkinnällä Tässä luvussa. Oppimisen tavoitteiden tulisi ohjata sekä opettajan että opiskelijan toimintaa. Kun oppimisen tavoitteet ovat selkeästi opiskelijan tiedossa, hän voi suunnitella omaa opiskeluaan ja opettajan ja opiskelijan on helpompi arvioida, kuinka hyvin tavoitteet saavutettiin. Tavoitteiden avulla opettaja voi myös harjaannuttaa opiskelijaa miettimään omaa, yksilöllistä oppimistaan ja laatimaan omia oppimispolkujaan ja aikataulujaan tavoitteiden saavuttamiseksi. Tiedätkö? Marginaaliin sijoitetut Tiedätkö?-kysymykset, sisältävät tiivistetyssä muodossa aiheeseen liittyvää lisätietoa.
Muistatko? Marginaaliin sijoitetut Muistatko?-kysymykset ohjaavat pohtimaan ja palauttamaan mieliin jo aiemmin opittuja asioita, joiden muistaminen ja ymmärtäminen helpottavat käsiteltävän asian ymmärtämistä. Kertaa! Luvun lopussa oleva Kertaa!-osio auttaa opiskelijaa nopeasti tarkistamaan ja kertaamaan mitkä olivat keskeiset opiskeltavat asiat ja pohtimaan omaa oppimistaan. Ota selvää! Joidenkin lukujen lopussa on ideoita itsenäiseen tiedonhankintaan, joiden avulla opiskelijat voivat syventää opittua asiaa. Opettaja voi halutessaan antaa näitä myös kotitehtäviksi tai kurssiarviointiin liittyviksi lisätehtäviksi. Opiskelijan tuotokset voi pyytää esitettäväksi luokassa suullisesti, niitä voi ladata koulun verkkosivuille tai jakaa sosiaalisessa mediassa. Ne voivat olla myös osa opiskelijan henkilökohtaista oppimispäiväkirjaa tai portfoliota. Tässä yhteydessä voi myös harjoitella monipuolisesti TVT-taitoja. Harjoittele! Opiskeltuun asiaan liittyvät harjoitustehtävät löytyvät otsikon "Harjoittele!" alta. Tehtävät on numeroitu siten, että kukin jakso alkaa tehtävällä 1. Jakson 1 tehtävät etenevät siten 1.1, 1.2 jne. Jakson 2 tehtävät puolestaan 2.1, 2.2 jne. Tehtävien vastaukset löytyvät kirjan lopusta. Laskennallisten tehtävien täydelliset ratkaisut löytyvät digikirjasta, opettajan digitaalisesta opetusaineistosta ja Otavan verkkosivuilta. Harjoittele lisää! Tämän tehtäväosion aluksi on aakkostettu lista jakson keskeisistä käsitteistä. Käsitelista on otsikoitu "Kertaa käsitteet!". Opiskelijaa tulee ohjata kertaamaan käsitteitä mahdollisimman useasti ja monella eri tavalla. Opiskelijaa voi pyytää merkitsemään esimerkiksi rastilla tai peräti kirjoittamaan kaikkien niiden käsitteiden selityksen, jotka hän muistaa. Niiden käsitteiden selitykset, jotka eivät vielä ole muistissa, opiskelija kirjoittaa muistiinpanoihinsa. Opiskelijat voivat myös pareittain kysellä toisiltaan käsitteiden selityksiä. Yksi tapa on myös pyytää opiskelijoita muistelemaan, minkä käsitteen he muistavat ja listaamalla ne. Lopuksi tarkistetaan, tulivatko kaikki käsitteet esille ja mitkä olivat unohtuneet. Kaikkien keskeisten käsitteiden lista selityksineen löytyy painetun kirjan lopusta. Digikirjassa käsitteen selitys aukeaa, kun vie hiiren kohdistimen kyseisen käsitteen päälle (kosketusnäytöllä painamalla). Käsitteiden jälkeen on osio "Testaa oppimasi", joka sisältää sekä monivalintatestin (jaksossa 4 on myös tietovisa metalleista) että käsitetestin. Nämä testit on tarkoitettu opiskelijan itsenäisesti suoritettavaksi ja niiden tarkoitus on antaa opiskelijalle palautetta, kuinka hän on omaksunut opiskeltavat asiat ja mitä asioita mahdollisesti pitää kerrata. Ne toimivat myös osana opiskelijan itsearviointia ja oppimisen reflektointia.
Harjoittele lisää! osion lopuksi on muutamia jakson aihepiireihin liittyviä kemian ylioppilastehtäviä. Tehtävät ovat täydellisiä tehtäviä, vaikka kaikki osiot eivät ehkä ratkeakaan pelkästään tämän kurssin tiedoilla. Näin opiskelijalle tulee realistinen kuva, millaisia tietoja ja taitoja kemian ainereaalikokeessa tarvitaan. Innokkaimmat opiskelijat voivat olla kiinnostuneita hakemaan lisätietoa ja kertaamaan/ratkaisemaan sellaisiakin tehtävänosia, joiden aihepiirit liittyvät aiemmin opittuun tai sisältävät kokonaan uusia asioita. Jakson 3 Harjoittele lisää! -osio sisältää vain ylioppilastehtäviä. Taulukkokirjan käyttö Taulukkokirjan käyttöön opastetaan omalla symbolillaan aina, kun tarvittavaa tietoa sieltä löytyy. TVT Tieto- ja viestintäteknologian käyttöön vinkataan myös omalla symbolilla.
4. KE4-kurssin ajankäyttö Ehdotuksessa pienempi tuntimäärä viittaa 75 minuutin, suurempi tuntimäärä 45 minuutin oppitunteihin. Jakso 0 (johdantojakso) Materiaalit ja teknologia 1 1 Jakso 1. Jaksollinen järjestelmä kemistin työkaluna 2 3 Jakso 2. Hapettumis-pelkistymisreaktiot ja sähkökemia 5 6 Jakso 3. Reaktiosarja- ja seoslaskut 3 4 Jakso 4. Erilaisia materiaaleja 3 4 Jakso 5. Polymeerit 4 5 Yhteensä 18 23
5. Kokeellisuus ja monipuolinen arviointi Mooli-sarjan avulla Katso vinkkejä ja ideoita Mooli 1 opettajan digiopetusaineistosta. 6. TVT-taitojen kehittäminen KE4-kurssilla TVT-taitoja on hyvä harjaannuttaa monipuolisesti, sillä kemian syventäviä kursseja valinneet todennäköisesti suunnittelevat osallistuvansa kemian sähköiseen ylioppilaskokeeseen. Myös OPS:n KE4-kurssin tavoitteissa on maininta osaa käyttää tieto- ja viestintäteknologiaa tuotosten muodostamisessa. Ajantasaiset tiedot sähköisen ylioppilastutkinnon TVT-vaatimuksista löytyvät YTL:n sivuilta. TVT:n käyttöön (MarvinSketch, tiedonhankinta, mobiililaitteen käyttö, sähköisten ympäristöjen hyödyntäminen, taulukoiden laadinta, graafisten kuvaajien laadinta jne.) ohjataan oheiselle symbolilla. Opiskelijat voivat lisätä tieto- ja viestintäteknologian käyttöä palauttamalla omia tuotoksiaan sähköisesti koulussa käytettäviin oppimisalustoihin. He voivat myös kuvata tai videoida kokeellisia töitä tai joitakin töiden osia mobiililaitteillaan. Taulukoiden ja graafisten kuvaajien laadintaa erilaisilla ohjelmistoilla kannattaa harjoitella niin harjoitustehtävin kuin kokeellisten töidenkin yhteydessä. Lisää vinkkejä ja ideoita löytyy Mooli 1 opettajan digiopetusaineistosta, jossa on ohjeet seuraavien sähköisten materiaalien hyödyntämisestä opetuksessa ja arvioinnissa: Kahoot Edmodo Padlet Popplet Quizlet Digikokeet KE4-kurssiin sisältyvät Mooli 4 -digikokeet sisältävät tulevan sähköisen kemian ylioppilaskokeen tehtävätyyppejä ja kehittävät monipuolisesti sähköisessä kokeessa tarvittavia taitoja. Lisätietoa digikokeista löydät Otavan verkkosivuilta osoitteesta: http://www.otava.fi/oppimateriaalit/lukio/digikokeet/
Jakso 0 Materiaalit ja teknologia Jakson tavoitteet, opetusvinkkejä, ajankäyttö Oppikirjan tehtävien ratkaisut Mooli 1
Jakson tavoitteet, opetusvinkkejä, ajankäyttö Tavoitteet ja opetusvinkkejä: Jakso toimii johdantojaksona alkavalle kurssille. Opiskelijat voivat itsenäisesti tutustua materiaalitekniikan kehitystä, moderneja materiaaleja sekä tuotteen elinkaariajattelua esitteleviin lukuihin. Käydään läpi kurssin tavoitteet ja keskeiset sisällöt opetussuunnitelman mukaan. Opettaja esittelee kurssisuunnitelman ja arviointiperusteet. Opiskelijan tehtäväksi jää tutustua Vinkkejä opiskeluun kappaleeseen. Opiskelijat voivat tehdä osana kurssisuoritusta yhden tai useamman Ota selvää! -tehtävän. Tuotokset voidaan jakaa koulun sähköisessä oppimisympäristössä ja/tai esitellä kurssin aikana muille ryhmäläisille. Opiskelijat tekevät Kertaa oppimaasi! -tehtäviä (joko oppitunnilla tai kotona). Ajankäyttö: 1 oppitunti. Mooli 2
Oppikirjan tehtävien ratkaisut 9. Rautaa voidaan puhdistaa pelkistämällä sitä rauta(iii)oksidista alkuainehiilen avulla. Raudan lisäksi reaktiossa muodostuu hiilidioksidia. a) Kirjoita tapahtumaa kuvaava tasapainotettu reaktioyhtälö olomuodon symboleineen. b) Laske, kuinka monta grammaa hiiltä tarvitaan pelkistämään 1,2 kg rauta(iii)oksidia raudaksi. c) Laske, mikä tilavuus hiilidioksidia tällöin muodostuu NTP-oloissa. Ratkaisu a) 2 Fe2O3(s) + 3 C(s) 4 Fe(s) + 3 CO2(g). b) m(fe2o3) = 1,2 kg = 1 200 g M(Fe2O3) = 159,70 g/mol M(C) = 12,01 g/mol m(c) =? Lasketaan rauta(iii)oksidin ainemäärä: n m(fe O ) 1 200 g 2 3 (Fe2O 3) = = = 7,514 mol. M(Fe2O 3) 159,70 g/mol Tasapainotetun reaktioyhtälön kertoimien perusteella: n(c) 3 3 3 = n(c) = n(fe 2O 3) = 7,514 mol = 11,27 mol. n(fe O ) 2 2 2 2 3 Tarvittava hiilen massa on: m(c) = n(c) M(C) = 11,27 mol 12,01 g/mol = 135,4 g 140 g. Mooli 3
c) n(fe2o3) = 7,514 mol (kohdasta a) Vm= 22,41 dm 3 /mol V(CO2) =? Tasapainotetun reaktioyhtälön kertoimien perusteella: n(co 2) 3 3 3 n(co 2) n(fe2o 3) 7,514 mol 11,27 mol. n(fe O ) 2 2 2 2 3 Hiilidioksidin tilavuus saadaan ratkaistua suureyhtälöstä: V n V m, josta V n V 3 3 3 (CO 2) (CO 2) m 11,27 mol 22,41 dm /mol 252,6 dm 250 dm. Vastaus: a) 2 Fe2O3(s) + 3 C(s) 4 Fe(s) + 3 CO2(g). b) m(c) = 140 g. c) V(CO2) = 250 dm 3. Mooli 4
10. Deodoranteissa, erityisesti antiperspiranteissa, on käytetty erilaisia alumiinisuoloja, joiden tehtävänä on supistaa hikirauhasten tiehyitä ja vähentää siten hien eritystä. Eräs tällainen suola on alumiinikloridi, jonka käytöstä luovuttiin, koska se ärsytti monien käyttäjien ihoa ja aiheutti vaatteisiin vaikeasti puhdistettavia tahroja. Ratkaise, kuinka monta grammaa alumiinikloridia syntyy, kun 18,0 grammaa alumiinia ja 16,0 grammaa klooria reagoivat. Ratkaisu: m(al) = 18,0 g M(Al) = 26,98 g/mol m(cl2) = 16,0 g M(Cl2) = 70,90 g/mol M(AlCl3) = 133,33 g/mol m(alcl3) =? Tasapainotettu reaktioyhtälö on: 2 Al(s) + 3 Cl2(g) 2 AlCl3(s). Lasketaan kummankin lähtöaineen ainemäärä, jotta saadaan selville reaktion rajoittava tekijä: m(al) 18,0 g n(al) 0,66716 mol M(Al) 26,98 g/mol n(cl ) 2 m(cl ) M(Cl ) 2 2 16,0 g 70,90 g/mol 0,22567 mol. n 2 Reaktioyhtälön kertoimien perusteella (Cl ) 3. n(al) 2 Jotta kaikki alumiini reagoisi, tarvittava kloorin ainemäärä on: 3 3 n (Al) = 0,66716 mol = 1,0007 mol. 2 2 Klooria on käytettävissä vain 0,22567 moolia, joten se on reaktion rajoittava tekijä. Ratkaistaan muodostuvan alumiinikloridin ainemäärä kloorin ainemäärän avulla. Reaktioyhtälön kertoimien perusteella: Mooli 5
n(alcl 3) 2,josta n(cl ) 3 2 2 2 n(alcl 3) n(cl 2) 0,22567 mol 0,15045 mol. 3 3 Muodostuvan alumiinikloridin massa on: m(alcl3) = n(alcl3) M(AlCl3) = 0,15045 mol 133,33 g/mol = 20,059 g 20,1 g. Vastaus: Reaktioyhtälö on: 2 Al(s) + 3 Cl2(g) 2 AlCl3(s). m(alcl3) = 20,1 g. Mooli 6
11. Lyhenne CNT tulee sanoista carbon nanotube. Tällaisia hiilinanoputkia voidaan valmistaa niin sanotulla HIPCO-menetelmällä. Lyhenne HIPCO puolestaan tulee sanoista high pressure carbon monoxide. HIPCO-menetelmä hyödyntää seuraavia reaktioita: Reaktio (1): Fe(CO)5(g) Fe(s) + 5 CO(g). Reaktio (2): x CO(g) ½ x CNT(s) + ½ x CO2(g). Hiilinanoputken kasvaminen atomi atomilta tapahtuu reaktiossa (1) muodostuneen raudan pinnalla. Tyypillisessä nanoputkessa on 3 000 hiiliatomia. Ratkaise, mikä tilavuus hiilimonoksidia (NTP-oloissa) tarvitaan tällaisen nanoputken valmistamiseksi. Mikä on valmistetun nanoputken massa? Ratkaisu: N(C) = 3 000 kpl M(C) = 12,01 g/mol NA = 6,022 10 23 kpl/mol Vm = 22,41 dm 3 /mol V(CO) =? m(cnt) =? Ratkaistaan hiiliatomien ainemäärä suureyhtälöstä: n N 3 000 kpl 21 =, joten n(c) = = 4,98173 10 mol. 23 NA 6,022 10 kpl/mol Reaktioyhtälön (2) perusteella: n(co) 1 = n(co) = 2 n(cnt), joten n(cnt) ½ n (CO) = 2 4,98173 10 21 mol = 9,96346 10 21 mol. Ratkaistaan hiilimonoksidin tilavuus suureyhtälöstä: V n, josta V(CO) = n(co) V V m m V 21 3 19 3 19 3 (CO) = 9,96346 10 mol 22,41 dm /mol 2,23281 10 dm 2,233 10 dm. Mooli 7
Nanoputken massa on: m(cnt) = n(cnt) M(C) = 4,98173 10 21 mol 12,01 g/mol = 5,98306 10 20 g 5,983 10 20 g. Vastaus: V(CO) = 2,233 10 19 dm 3 m(cnt) = 5,983 10 20 g. Mooli 8
Jakso 1 Jaksollinen järjestelmä kemistin työkaluna Jakson tavoitteet, opetusvinkkejä, ajankäyttö Tutki ja kokeile! Työ 1. Aineiden ominaisuudet ja jaksollinen järjestelmä Työ 2. Alkuaineiden reaktiivisuus tee tutkimussuunnitelma! Kertaustestejä Kaavioita ja kuvapohjia Mooli 1
Jakson tavoitteet, opetusvinkkejä, ajankäyttö Tavoitteet ja opetusvinkkejä Jaksossa kerrataan jaksollisen järjestelmän rakennetta, alkuaineiden jaottelua metalleihin ja epämetalleihin sekä käsite elektronegatiivisuus ja kuinka elektronegatiivisuusarvo muuttuu jaksollisessa järjestelmässä ryhmittäin ja jaksoittain (metallit, epämetallit). Pohjana voi toimia tyhjä jaksollinen järjestelmä, johon opiskelijat kirjaavat, mitä kaikkea muistavat jaksollisesta järjestelmästä. Syvennetään alkuaineiden elektronegatiivisuuseroa ja tulkitaan sen avulla käsitettä sidoksen ioniluonne. Lukujen 1.1 ja 1.2 opiskeluun varataan yksi oppitunti, sillä ne sisältävät runsaasti jo tuttua asiaa. Toisen (45 minuutin oppitunneilla toisen ja kolmannen) oppitunnin aikana paneudutaan lukuihin 1.3 ja 1.4. Luvussa 1.3 on joitakin uusia käsitteitä, joiden merkitys tulee selvittää. Keskeistä on, että opiskelijat ymmärtävät atomin ja ionin kokoon vaikuttavat tekijät (ulkoelektronirakenne, protonien ja elektronien määrä, protonien ja elektronien välisen vetovoiman merkityksen sekä elektronien välisten hylkimisvoimien merkityksen) (viite OPS: atomin ulkoelektronirakenne ja jaksollinen järjestelmä alkuaineiden jaksollisten ominaisuuksien selittäjänä). Aiemmin opitut käsiteparit (epämetallit ja metallit, ioniyhdiste ja molekyyliyhdiste sekä happo ja emäs) liitetään oksidien happo-emäsluonteeseen. Happo-emäsluonnetta selvennetään reaktioyhtälöin. Selitä -tehtävien avulla varmistetaan, että opiskelijat osaavat ilmaista itseään kemialle tyypillisellä tavalla ja käyttää opittuja termejä ja ilmaisuja oikein (viite OPS: harjaantuu ilmaisemaan itseään kemialle ominaisilla tavoilla). Jaksossa on myös useita erilaisia TVT-taitoja vaativia tehtäviä (viite OPS: osaa käyttää tieto- ja viestintäteknologiaa tuotosten muodostamisessa), joiden avulla opiskelija saa sähköisessä yo-kokeessa tarvittavia valmiuksia. Asiaa voidaan lähestyä myös antamalla opiskelijoille tehtäväksi työn 1 ja käsittelemällä työn tuotoksia yhteisesti oppitunnilla. Tällöin oppikirjan tekstiosuus ja harjoitustehtävät jäävät opiskelijan itsenäisesti opiskeltavaksi. Oppimista voi tällöin arvioida (sekä opiskelija itse että opettaja) kirjan Testaa oppimasi ja Käsitetesti - harjoitusten sekä jaksoon liittyvien kertaustestien avulla. Työn 2 avulla opiskelijoita voidaan harjaannuttaa tutkimussuunnitelman tekoon (viite OPS: tutkimuksen tai ongelmanratkaisun ideointi ja suunnittelu). Ajankäyttö: 2 3 oppituntia. Mooli 2
Tutki ja kokeile! Työ 1. Aineiden ominaisuudet ja jaksollinen järjestelmä Työn tavoitteet Työn toteutus Ajankäyttö TVT Arviointi Eri tietolähteiden ja TVT:n hyödyntäminen. Jaksollisesti muuttuvien ominaisuuksien esittäminen ja selittäminen. Toteutus: Työ annetaan itsenäisesti suoritettavaksi joko niin, että jokainen opiskelija tekee valitsemansa kohdan osiosta 1 ja 2 tai eri kohdat jaetaan eri opiskelijoiden (pienryhmien) tehtäväksi. Tuotokset palautetaan sähköisesti ja/tai ne esitellään muille ryhmäläisille suullisesti. Ajankäyttö: tuotosten esittely + yhteinen keskustelu 1 2 oppituntia. Mikäli työ otetaan osaksi kurssiarviointia, opettaja voi esitellä hyvän tuotoksen kriteerit tai niistä voidaan keskustella yhdessä opiskelijoiden kanssa. Mikäli tuotokset esitellään muille ryhmäläisille, myös opiskelijat voivat arvioida niitä tiettyjen sovittujen kriteerien pohjalta. TVT: tiedonhaku ja tuotosten muodostaminen. Mooli 3
Työ 2. Alkuaineiden reaktiivisuus tee tutkimussuunnitelma! Työn tavoitteet Työn toteutus Ajankäyttö TVT Arviointi Harjoitellaan tutkimussuunnitelman ideointia ja tekoa. Tieto- ja viestintäteknologian hyödyntäminen. Toteutus: Työ annetaan ideoitavaksi opiskelijaparille/pienryhmälle. Sovitaan yhteisesti aikataulu, jolloin suunnitelma on palautettava. Työn taustaa -osiossa on ohjeet, mitä suunnitelmassa tulisi huomioida. Opettaja voi korostaa näistä vain joitakin tai lisätä jonkin omasta mielestään tärkeän näkökohdan. Tuotokset palautetaan sähköisesti ja/tai ne esitellään muille ryhmäläisille suullisesti. Mikäli työ otetaan osaksi kurssiarviointia, arvioinnissa kiinnitetään huomiota, että oleelliset tutkimussuunnitelmaan kuuluvat asiat on esitetty selkeästi, tekstissä ei ole asiavirheitä ja käytetyt lähdeviitteet on listattu. Mikäli tuotokset esitellään muille ryhmäläisille, myös opiskelijat voivat arvioida niitä tiettyjen sovittujen kriteerien pohjalta. Ajankäyttö: tuotosten esittely + yhteinen keskustelu 1 2 oppituntia. TVT: tiedonhaku ja tuotosten muodostaminen. Mooli 4
Mooli 4, Jakso 1 testi 1 Nimi: Vastaa tehtäviin 1-5 merkitsemällä, onko väittämä oikein (O) vai väärin(v). Pisteet: / p 1. Cesiumilla on enemmän metalliluonnetta kuin rubidiumilla. 2. Sekä rikkidioksidi- että hiilidioksidimolekyylissä kovalenttisilla sidoksilla on 22 % ioniluonnetta. 3. Alkuaineet X ja Y kuuluvat samaan pääryhmään ja X:n järjestysluku on suurempi. Y on atomikooltaan pienempi kuin X. 4. Alkuaine Z reagoi luovuttamalla kaksi ulkoelektronia. Näin muodostunut ioni on suurempi kuin atomi Z. 5. Kun hiilidioksidia liukenee veteen, vesiliuoksen ph-arvo alenee. Vastaa tehtäviin 6 10 valitsemalla oikeat vaihtoehdot. 6. Mitkä väittämät pitävät paikkaansa koskien elektronegatiivisuusarvoa? a) Arvosta voidaan päätellä, kuinka monta elektronia alkuaineatomi voi luovuttaa. b) Mitä metallisempi alkuaine on, sitä suurempi arvo on. c) Samassa jaksossa oikealle mentäessä arvo kasvaa. d) Alkuaineen M järjestysluku on 20 ja alkuaineen N 56. Alkuaineen N elektronegatiivisuusarvo on suurempi. 7. Mitkä väittämät pitävät paikkaansa koskien atomikokoa? a) Atomikoko kasvaa samassa pääryhmässä alaspäin mentäessä. b) Halogeeniryhmän alkuaineiden atomeista pienin on fluori. c) Samassa jaksossa metalliatomit ovat yleensä pienempiä kuin epämetalliatomit. d) Kaliumatomi on suurempi kuin kalsiumatomi, sillä näiden atomien ulkoelektronit ovat eri kuorilla. Mooli 5
8. Alkuaineet X ja Y ovat alkalimetalleja. Y:n järjestysluku on suurempi kuin X:n. Tämän perustella voidaan ennustaa, että a) Y reagoi kiivaammin kuin X b) kemiallisissa reaktioissa X luovuttaa ja Y vastaanottaa elektroneja c) molempien ionisoitumisenergia-arvot ovat positiivisia d) Y:n ensimmäinen ionisoitumisenergia-arvo on suurempi kuin X:n vastaava arvo. 9. Mitkä seuraavista halogeenien ominaisuuksista pienenevät, kun halogeenin järjestysluku kasvaa? a) Sulamispiste. b) Elektronegatiivisuusarvo. c) Atomikoko. d) Ioninkoko. 10. Oheinen kuvaaja esittää kolmannen jakson pääryhmien alkuaineiden erään ominaisuuden (P) muutosta järjestysluvun funktiona. Mikä kyseinen ominaisuus voi olla? a) Atomikoko. b) Elektronegatiivisuus. c) Ionin koko. d) Sulamispiste. Mooli 6
Vastaa tehtäviin 11 14 täydentämällä lauseet sopivilla sanoilla. 11. Sitä energiamäärää, joka tarvitaan irrottamaan yksi elektroni kaasumaisesta atomista, kutsutaan. 12. Reaktioon O(g) + e O (g) liittyvää energiamuutosta kutsutaan nimellä. 13. Kalium reagoi veden kanssa huomattavasti kiivaammin kuin litium, sillä kaliumatomi on eli on ytimestä. 14. Kalsiumatomi on pienempi kuin kaliumatomi, sillä molempien alkuaineiden ulkoelektronit ovat, mutta kalsiumatomissa on. Mooli 7
Oikeat vastaukset: 1: O 2: O 3: O 4: V 5: O 6: c 7: a, b 8: a, c 9: b 10: d 11: ensimmäiseksi ionisoitumisenergiaksi 12: elektroniaffiniteetti 13: suurempi, uloin elektroni, kauempana 14: samalla elektronikuorella (kuorella 4 / keskimäärin yhtä etäällä ytimestä), enemmän protoneja. Mooli 8
Mooli 4, Jakso 1 testi 2 Nimi: Pisteet: / p Vastaa tehtäviin 1-5 merkitsemällä, onko väittämä oikein (O) vai väärin(v). 1. Bariumilla on enemmän metalliluonnetta kuin strontiumilla. 2. Hiilidioksidimolekyylissä sidoksilla on enemmän ioniluonnetta kuin piidioksidimolekyylin sidoksilla. 3. Alkuaineet X ja Y kuuluvat samaan pääryhmään ja X:n järjestysluku on suurempi. X on atomikooltaan suurempi kuin Y. 4. Alkuaine Z reagoi vastaanottamalla kaksi elektronia. Näin muodostunut ioni on suurempi kuin atomi Z. 5. Kun natriumoksidia liuotetaan veteen, vesiliuoksen ph-arvo pienenee. Vastaa tehtäviin 6 10 valitsemalla oikeat vaihtoehdot. 6. Mitkä väittämät pitävät paikkaansa koskien ionisoitumisenergiaa? a) Arvot ovat positiivisia lukuja, sillä ionisoituminen vaatii energiaa. b) Mitä metallisempi alkuaine on, sitä suurempi ensimmäinen ionisoitumisenergia-arvo on. c) Arvo kuvaa, kuinka monta elektronia alkuaineatomi voi luovuttaa. d) Mitä useampi elektroni atomista irrotetaan, sitä enemmän energiaa tarvitaan. Mooli 9
7. Mitkä väittämät pitävät paikkaansa koskien atomikokoa? a) Halogeenien atomikoko pienenee ryhmässä alaspäin mentäessä, sillä protonien määrä kasvaa. b) Samassa jaksossa atomikoko kasvaa, kun järjestysluku kasvaa. c) Samassa jaksossa metalliatomit ovat yleensä suurempia kuin epämetalliatomit. d) Magnesiumatomi on pienempi kuin kalsiumatomi, mutta suurempi kuin magnesiumioni. 8. Alkuaineet X ja Y ovat maa-alkalimetalleja. Y:n järjestysluku on suurempi kuin X:n. Tämän perustella voidaan ennustaa, että a) X reagoi kiivaammin kuin Y b) kemiallisissa reaktioissa X luovuttaa ja Y vastaanottaa elektroneja c) ioni Y 2+ on suurempi kuin ioni X 2+ d) Y:n ensimmäinen ionisoitumisenergia-arvo on suurempi kuin X:n vastaava arvo. 9. Mitkä seuraavista halogeenien ominaisuuksista kasvavat, kun halogeenin järjestysluku kasvaa? a) Sulamispiste. b) Elektronegatiivisuusarvo. c) Ionin varaus. d) Reaktiivisuus. Mooli 10
10. Oheinen kuvaaja esittää toisen jakson alkuaineiden erään ominaisuuden (P) muutosta järjestysluvun funktiona. Mikä kyseinen ominaisuus voi olla? a) Atomikoko. b) Elektronegatiivisuus. c) Ensimmäinen ionisoitumisenergia. d) Sulamispiste. Vastaa tehtäviin 11 14 täydentämällä lauseet sopivilla sanoilla. 11. Elektronegatiivisuus kuvaa alkuaineatomin kykyä. 12. Reaktioon Al 2+ (g) Al 3+ (g) + e liittyvää energiamuutosta kutsutaan nimellä. Mooli 11
13. Fluori- ja jodiatomi reagoivat samalla tavoin eli, mutta fluoriatomi reagoi kiivaammin, sillä fluoriatomi on, minkä vuoksi. 14. Magnesiumatomi on pienempi kuin natriumatomi, sillä molempien alkuaineiden ulkoelektronit ovat, mutta magnesiumatomissa on. Mooli 12
Oikeat vastaukset: 1: O 2: V 3: O 4: O 5: V 6: a, d 7: c, d 8: c 9: a 10: c 11: vetää puoleensa sidoselektroneja 12: alumiinin kolmas ionisoitumisenergia 13: vastaanottamalla yhden elektronin, pienempi, elektronien keskinäiset hylkimisvoimat ovat vähäisemmät 14: samalla elektronikuorella (kuorella 3 / keskimäärin yhtä etäällä ytimestä), enemmän protoneja. Mooli 13
Kaavioita ja kuvapohjia Mooli 14
Tulkitse oheista kuvaajaa ja selitä muutokset. Mooli 15
Tulkitse oheista kuvaaja ja selitä muutokset. Mooli 16
Kuvan nuolet osoittavat eri ominaisuuksien kasvusuunnan jaksollisessa järjestelmässä. Kirjoita kuhunkin nuoleen sopiva ominaisuus oheisesta listasta. Mooli 17
Elektronegatiivisuus Ionisoitumisenergia Atomisäde Metalliluonne Epämetallisuus Mooli 18
Vastaus: Mooli 19