Tuntisuunnitelma Tunti on suunniteltu lukion KE 4 -kurssille 45 minuutin oppitunnille kahdelle opettajalle. Tunnin aiheena ovat happamat ja emäksiset oksidit. 0-20 min: Toinen opettaja eläytyy Lavoisierin rooliin ja kertoo hapesta ja happamuudesta sekä tekee demonstraation 1. Sen jälkeen toinen opettaja esittää vastaväitteen MgO:n aiheuttamasta emäksisestä vesiliuoksesta ja näyttää demonstraation 2. 20-30 min: Opiskelijat pohtivat asiaa tehtävämonisteensa avulla. 30-40 min: Happamien ja emäksisten oksidien teoriaa nykytiedon mukaan. Opettaja kertoo lyhyesti tieteellisen tiedon luonteesta. 40-45 min: Kertomus siitä, kuinka Davy kumosi Lavoisierin teorian, jonka mukaan kaikissa hapoissa olisi happea. Mikäli käytössä on enemmän aikaa kuin 45 minuuttia, opiskelijat voivat itse selvittää oksidien vesiliuosten happamuutta demonstraatioiden sijaan. Tunnin tavoitteet opiskelijoille Oppia, miksi osa oksideista aiheuttaa happaman ja osa emäksisen vesiliuoksen. Oppia hieman kemian historiaa. Oppia, että tieteellinen tieto on kestävää, mutta epävarmaa. Opettajien vuorosanat Lavoisier: Hyvää päivää arvoisat kuulijat, minä olen Antoine Lavoisier ja tulin kertomaan teille tänä herran vuonna 1790 trés hienoista uusista tutkimuksistani! Olen juuri kirjoittanut kirjankin, kemian ensimmäisen ja tähän asti ainoan oppikirjan: Traité élémentaire de chimie. Voitte siis uskoa, että tiedän mistä puhun! Tunnette varmaan kaikki 1600-luvun lopusta vallinneen flogiston-teorian? Siis että kaikissa metalleissa on flogistonia, jota tarvitaan palamiseen. Flogiston vapautuu metallin palaessa, ja jäljelle jää metallin kalkkia. No, minäpä olen vihdoin pannut pisteen tälle järjettömyydelle, ja sanon sen sijaan, että palamiseen tarvitaankin happea! Sen sijaan, että metallista palaessa poistuisi jotain, olen todistanut, että se yhtyykin happeen ja syntyy siis metallioksidia! Tutkimalla lisää palamista ja löytämääni ainetta happea, olen saanut selville myös mullistavan asian, joka uudistaa käsityksemme happamuudesta! Aikaisemminhan emme ole tienneet happojen kemiallisesta koostumuksesta juuri mitään, vain sen, että ne maistuvat happamalle ja vaihtavat väriä tiettyjen aineiden kanssa, reagoivat reaktiivisten metallien kanssa muodostaen kaasua, reagoivat karbonaattien kanssa muodostaen hiilidioksidia ja reagoivat emästen kanssa, jolloin niiden happamat ominaisuudet häviävät. Panin kuitenkin merkille, että rikkihappoa ja typpihappoa valmistetaan polttamalla. Rikkihappoa saadaan polttamalla rikkiä tai pasuttamalla eli kuumentamalla ilmavirrassa rikkikiisua, josta saadaan rikkidioksidia, joka taas hapetetaan ja sen annetaan reagoida veden kanssa, jolloin muodostuu rikkihappoa.
Typpihappoa taas saatiin palamisreaktiolla kaliumnitraatista. Täten päättelin, että hapon täytyy koostua jostakin kanta-aineesta, johon yhtyy happea! Ja mitä enemmän happea aineessa on, sitä happamampi se on! (Siksi muuten annoinkin tälle löytämälleni palamisaineelle nimeksi juuri happi.) Esimerkiksi siis oksimuriaattihappo, joka tunnetaan myös suolahappo-nimellä, koostuu muriaattiradikaalista ja hapesta! Flogiston-teorian mukaan siis: metalli (kalkki+flogiston) metallikalkki + flogiston Nykyään, minun mukaani: metalli + happi metallikalkki eli metallioksidi Mutta täällä teidän nuorten kanssa me emme tänään aio polttaa asioita, vaan tutkimme oksideja vesiliuoksessa. Katsokaa, laitan hiilidioksidia tähän veteen ja kappas! Vesi on hapanta! Voimme tässä huomata happamuuden indikaattorin värinmuutoksesta! (Demonstraatio 1) toinen henkilö: - Mutta entäs miten selität tämän! (Demonstraatio 2: mittaa MgO:n ph:n josta tulee emäksinen) Lavoisier: Sacre bleu! Miten tuo voi olla mahdollista? Me tarvitsemme nyt puolueettoman komitean tutkimaan asiaa! Oksidien teoriaa Oksidien happo-emäsominaisuuksia jakaa jaksollisen järjestelmän metalli-epämetalliraja. Metallien oksidit ovat yleensä ioniyhdisteitä, joissa metalli on positiivisena kationina ja happi negatiivisena oksidi-ionina, joka ei voi esiintyä vesiliuoksessa, vaan reagoi tuottamalla hydroksidi-ionin O 2- + H 2 O 2 OH -. Näin metallin ioninen oksidi toimii emäksenä. (Rodgers, 2002) Epämetallien oksidit ovat luonteeltaan kovalenttisia ja reagoivat veden kanssa muodostaen oksohappoja, joissa on epämetalli-o-h yksiköitä, jotka dissosioituessaan tuottavat negatiivisen anionin ja oksonium-ionin H 3 O + (Rodgers, 2002). Oksidien happo-emäs ominaisuudet johtuvat pohjimmiltaan elektronegatiivisuuserosta. Metalli- ja epämetallioksidit reagoivat vedessä tuottaen X-O-H-yhdisteen. Jos aine X on metalli, yhdiste on emäksinen ja jos X on epämetalli, yhdiste on hapan. Tämä johtuu elektronegatiivisuuseroista, sillä se määrää, kumpi sidos, X-O vai O-H on poolisempi ja siten alttiimpi katkeamaan poolisen vesimolekyylin hyökkäyksen vuoksi. Metallien tapauksessa vesiliuokseen syntyy siis OH - -ioni ja epämetallien tapauksessa H 3 O + -ioni. (Rodgers, 2002)
Happaman ja emäksisen oksidin reagoidessa keskenään muodostuu suolayhdiste. Happaman oksidin ja emäksen tai emäksisen oksidin ja hapon reagoidessa muodostuu suolayhdiste ja vettä. Luonnontieteiden luonne Luonnontieteiden luonteeseen kuuluu, että tiedemiehet tekevät virheitä, kemian mallit ja teoriat muuttuvat, tieteen tekemisessä tarvitaan luovuutta ja tieteen tekemiseen vaikuttavat sekä kulttuurilliset, sosiaaliset että historialliset seikat (Hodson, 2008). Yhdellä oppitunnilla on kuitenkin hyvä käsitellä vain yhtä osaa luonnontieteiden luonteesta, joten tällä tunnilla käsitellään sitä, että tieteellinen tieto on kestävää, mutta epävarmaa. Lavoisierin happamuuskäsityksen kumoutuminen Parikymmentä vuotta myöhemmin englantilainen kemisti Sir Humphry Davy teki kokeita oksimuriaattihapolla eli suolahapolla ja selvitti, että se koostuu vedystä ja happea muistuttavasta aineesta, kloorista, mutta ei sisällä happea. Täten hän tuli todistaneeksi, että kaikki hapot eivät sisällä happea, kuten Lavoisier oli väittänyt. Tapahtumia: Dalton keksi atomiteorian 1803 Humphry Davy löysi kloorin 1810 Berzelius kehitti kemialliset symbolit 1814 Suolahappo kirjoitettiin HCl 1878 Lähteet Oksidien kemian historia: Berg, K. (2008) Tin oxide chemistry from Macquer (1758) to Mendeleeff (1891) as revealed in the textbooks and other literature of the era. Science & Education 17:265-287. Luonnontieteiden luonne: Hodson (2008) Towards scientific literacy: a teacher's guide to the history, philosophy and sociology of science, luku 8 Oksidien teoria: Rodgers, Glen E. (2002). Descriptive inorganic, coordination, and solid-state chemistry. Brooks/Cole.
Tutkimuskaavake opiskelijoille Lavoisier tuotti happoja palamisreaktioilla rikistä ja typestä. Tutki seuraavaa taulukkoa ja mieti, miksi toiset oksidit ovat happamia ja toiset emäksisiä? Keksitkö yhdistävää tai erottavaa tekijää ryhmille? Kirjoita havaintosi ylös! Happamia CO 2 SO 2 N 2 O 5 Emäksisiä MgO CaO Li 2 O Miksi vedestä tulee hapanta kun CO 2 reagoi sen kanssa? Miten MgO voisi reagoida veden kanssa, että liuoksesta tulee emäksistä? Miten maailmankuvasi olisi erilainen, jos olisit elänyt 1800-luvun alussa ja sinulla olisi sen ajan kemialliset tiedot? Kuinka selittäisit Lavoisierille, ettei hänen teoriansa siitä, että happi aiheuttaa happamuuden, pidä paikkansa? Käytä vain termejä, joita hän ymmärtäisi.
Miten itse olisit tutkinut happamuutta tai määritellyt happamuuden sen ajan tiedoilla?