KE2 – Ihmisen ja elinympäristön kemiaa
Entinen kurssi KE2 – Kemian mikromaailma paneutui nimensäkin mukaan aineen rakenteeseen, erityisesti orgaaniste yhdisteiden, molekyylien näkökulmasta. Erityispiirteenä tässä opetussuunnitelmassa oli orbitaaliteorian mukaisten rakenteiden käsittely: elektroniverhon rakenne ja atomiorbitaalit, molekyyliorbitaalit ja orgaanisten yhdisteiden sidos- ja avaruusrakenne. Tämä oli varmasti kemian sivuaineena opiskelleille opettajille rankka paikka. Oma käsitys oli (ja on), ettei lukiotason kemiaa voida opettaa ilman orbitaaliteoriaa. Se tuo oikean (jos sellaisesta saa kokeellisessa tieteessä puhua) ymmärryksen sidoksien syntyy. Se ainakin selittää koko joukon orgaanisten molekyylien rakenteista ja reaktioista. Toki tässä on mukana molekyyliorbitaalien muodostumiseen liittyen hybridisaatiot.
Erilaiset kovalenttiset sidokset (sigma- ja pii-sidokset) selittyvät nykyään oivallisesti, kun katsotaan niitä sidosenergioiden kautta. Jatkossa sidosenergiat eivät kuulu KE2-kurssin sisältöihin.
Orgaanisen kemian siirryttyä KE1-kurssilta KE2-kurssiin:
- orgaanisten yhdisteiden, kuten hiilivetyjen, happi- ja typpiyhdisteiden, rakenteiden mallintaminen ja kuvaaminen erilaisilla malleilla
- avaruusrakenne ja isomeria
- orgaanisten yhdisteiden ominaisuuksien selittäminen rakenteen avulla
Entuudestaan KE2-kurssin asioita olivat avaruusrakenne ja isomeria. Tässä avaruusrakenne sisältää (tai ei sisällä) paljon asioita. Miten molekyylien rakenne selitetään a) ilman mitään teoriaa ja mallia b) ilman orbitaaliteoriaa. a) johtaa absurdiin ”näin se on” -väittämiin, ilman minkäänlaista ymmärrystä. b) voisi vielä toimia, jos esim. asiaa lähestyy VSEPR (Valence shell electron pair repulsion) -teorian avulla, joka ei välttämättä vaadi orbitaalien ja hybridisaation käsittelyä. Tämä teoria ei kuitenkaan auta selittämään kaksois- ja kolmoissidoksien syntymistä sitten sidosteorian osalta.
Vanhan LOPS:in mukaan KE2-kurssi:
- alkuaineiden ominaisuudet ja jaksollinen järjestelmä
- hapettuminen, pelkistyminen ja hapetuslukujen määräytyminen
- yhdisteen kaavan määrittäminen
- sidosenergia ja aineen ominaisuudet
- elektroniverhon rakenne ja atomiorbitaalit
- molekyyliorbitaalit ja orgaanisten yhdisteiden sidos- ja avaruusrakenne
- isomeria
- tutkimusmenetelmiä
Vanhan opetussuunnitelman pulmana mielestäni oli hieman ylimalkainen suhtautuminen tutkimusmenetelmiin ja se näkyi myös oppikirjoissa (joita ei tietenkään ollut pakko seurata). Mm. spektroskopian rooli oli aivan alimitoitettu. Osin tässä olisi ollut pulmana se, ettei kemian sivuaineopiskelijaopettajat välttämättä olisi hallinneet asiaa.
KE2-kurssin uudet tavoitteet
Nyt KE2-kurssin tavoitteena on, että opiskelija
- osaa käyttää ja soveltaa orgaanisiin yhdisteisiin ja ainemäärään liittyviä käsitteitä jokapäiväisen elämän, ympäristön, yhteiskunnan ja teknologian ilmiöissä
- osaa tutkia kokeellisesti ja erilaisia malleja käyttäen orgaanisiin yhdisteisiin, ainemäärään ja pitoisuuteen liittyviä ilmiöitä
- ymmärtää, kuinka kemiallinen tieto rakentuu kokeellisen toiminnan ja siihen kytkeytyvän mallintamisen kautta
- osaa käyttää tieto- ja viestintäteknologiaa mallintamisen välineenä.
Ainemäärän ja konsentraation käsitteiden tuominen KE2-kurssille KE1-kurssista oli virhe. Taisin mainita tämän jo KE1-bloggauksen yhteydessä. Fiksu kemian opettaja käsittelee nämä jo KE1-kurssilla ja sitten kertauksen omaisesti kuittaa ne KE2-kurssin yhteydessä. Opetussuunnitelmaa pitää noudattaa, niitä on käsiteltävä. Joka tapauksessa on paikallaan kaikilla kursseilla palata ainemäärän ja konsentraatioiden käsitteisiin ja laskemiseen. KE3-kurssilla ne tulevat heti kaasulaskujen yhteydessä – mikä kannattaa olla KE3-kurssin alussa.
KE2-kurssin keskeiset sisällöt
Mitä tarkoittaa ”kemian merkitys hyvinvoinnin ja terveyden kannalta”? Puhutaanko lääkekemiasta? Osuu orgaaniseen kemiaan ja orgaanisten molekyylien ominaisuuskeskusteluihin mainiosti. Ihmisen hyvinvoinnin kannalta moni asia on tärkeää: puhdas vesi, riittävä proteiinien saanti (pelkät kasvikset eivät riitä), hivenaineet. Vai astutaanko yhteiskuntaopin puolelle: energian saanti, saastuminen, ilmastomuutos tms. Nämä ovatkin herkkiä alueita puhua ideologisesti (neg.) asioista, jotka kuuluvat luonnon kiertokulkuun kuten hiilidioksidi tai muu kasvihuonekaasut, tai radioaktiivisista aineista, joita syntyy tiettyjen alkuaineiden hajotessa. En tarkoita, etteikö saastumista pitäisi välttää, energiaa säästää tai rajoittaa hiilin käyttöä energian tuotannossa tai hiiliyhdisteiden käyttöä autoilussa. Kemisteinä ne haemme asioihin tieteellisiä ja teknologisia ratkaisuja. Kuka osaa sanoa lisää ajatuksia?
Sisältönä ”orgaanisten yhdisteiden, kuten hiilivetyjen, happi- ja typpiyhdisteiden, rakenteiden mallintaminen ja kuvaaminen erilaisilla malleilla” antaa hyvät perustelut molekyylimallinnusohjelmien käyttöönottoon ja opettamiseen. Itse vaadin tutkielmien tekemistä, jossa em. ohjelmien tuotoksia täytyy käyttää (osaaminen esittää). Emmehän tietenkään heitä omia askartelusarjoja menemään mutta 3D-mallinnus tuo lisää dokumenttia peliin. Tämän jatkoksi ”avaruusrakenne ja isomeria” ovat johdonmukainen lisä. Nyt vain täytyy muistaa aiemmin todettu, lähestytäänkö ”näin se on” -ajatuksen vai teorioiden näkökulmasta. Esim. cis-trans-isomerian selittämiseen, jäykkään rakenteeseen, olisi mielekästä tuoda joku teoria tai malli.
Mielenkiintoisen pohdinnan tuo minulle ”orgaanisten yhdisteiden ominaisuuksien selittäminen rakenteen avulla”, koska nyt avautuu paikka pohtia erilaisten funktionaalisten ryhmien käyttäytymiselle selityksien hakeminen, ei niiden ”reaktiolistojen” laatiminen. Kuinka monella on valmius selittää reaktiomekanismeja perustaen ne molekyylien elektroniverhon rakenteeseen?
Ainemäärä ja pitoisuus -käsitteisiin en enää palaa. Käsitelkää ne KE1-kurssille, kuten liuoksien valmistus. Liuoksien valmistusta kannattaa harrastaa aina sopivien tilaisuuksien tullen – on erinomaisen hyvä kertausaihe. Oikeastaan saisi olla joka kurssien keskeinen sisältö. Silloin ”työvälineiden ja reagenssien käyttö” olisi triviaali asia.
KE2-kurssin kovin ja paras uudistus on viimeisenä, mutta ei vähiten merkityksellisenä: ”aineen rakenteen analyysimenetelmät, kuten spektroskopia”. Spektroskopian mainita on viimeinkin opetussuunnitelmassa. Sitä on aina siellä täällä tavaillaan oppikirjoissa, ehkä Editan Neon-sarjassa tähän mennessä selkeimmin ja konkreettisimmin. Nyt se on – mikä oli tiukka oma vaatimus – opetussuunnitelmassa. Analyyttinen kemia (vaikka joku väittää ettei näitä jakoja saisi tuoda esille) on ollut aivan liian pienessä roolissa kemian opintojen alkutaipaleella. Oppikirjojen kirjoittajille tulee tässä mielenkiintoihin haaste. Onneksi itse olen itse tässä ollut kaukaa viisas. Jo omassa gradussani nostin spektroskopian käsittelyä – ja sain kokeilla myös kokeilutunteina – osana lukion syventäviä kursseja. Tässä varmaankin myöhemmin oma bloggaus. Olen luvannut jakaa spektroskopian materiaaliani. Jatkossa ne löytyvät uuden LOPS:in mukaisessa Orbitaali 2 -kirjassa.