Month: joulukuu 2018

Spektroskopiaa KE2-kurssilla

admin

Uuden opetussuunnitelman myötä OPS:issa mainittuihin teemoihin nousi ansaitusti spektroskopia. Analyyttisen kemian – niin epäorgaanisen kuin orgaanisen analyyttisen kemian – merkitys on suuri kemian teollisuudessa ja kemian tutkimuksessa. Analyyttinen kemia on rakennekemiaa, rikoskemiaa, dopingkemiaa jne. Ympäristökemia haastaa jatkuvasti analyyttisen kemian menetelmiä, haetaan tarkempaa, helpompaa, monipuolisempaa tapaa tunnistaa aineita ja niiden pitoisuuksia.

Spektrometria vai spektroskopia

Noin puolet kemiallisen analyysin mittaustekniikoista perustuvat sähkömagneettisen säteilyn ja aineen väliseen vuorovaikutukseen. Sähkömagneettinen säteily voi absorboitua, emittoitua ja sirota aineesta. Eri aallonpituiset säteilyt vaikuttavat atomeihin, ioneihin ja molekyyleihin eri tavoin: Lyhytaaltoinen suurenerginen gammasäteily virittää atomin sisimpiä elektroneja korkeammille energiatasoille. Gammasäteily voi myös ionisoida hiukkasia ja katkaista atomien välisiä sidoksia. Ultravioletti säteily virittää valenssielektroneja. Näkyvä valon aallonpituuden ja infrapunasäteily aiheuttavat molekyylien värähtelyä sekä sidosten venymistä ja taipumista. Mikroaaltosäteily muuttaa molekyylien rotaatiota eli kiertymistä ja elektronin pyörimistä oman akselinsa ympäri eli spinniä. Radioaalloilla häiritään ytimen spinniä.

Varhaisimmat menetelmät perustuivat valon käyttäytymisen havainnointiin, mistä juontuu tutkimusalan vanhempi nimi spektroskopia (kreik. skopeion, katsoa). Uudempia tekniikoita nimitetään yleisemmin spektrometrisiksi menetelmiksi (kreik. metron, mitata). Niissä havaintojen tekeminen perustuu säteilyn voimakkuuden tai sen muiden ominaisuuksien mittaamiseen mittalaitteella. Toisinaan spektroskopialla tarkoitetaan yleisesti joukkoa tutkimusmenetelmiä, joissa hyödynnetään sähkömagneettista säteilyä aineiden tutkimisessa, ja spektrometreiksi laitteita, joilla tätä tutkimusta tehdään.

Mitä voisimme koulussa spektroskopiasta?

Spektrometrit (laitteet, joita käytetään mittaamiseen ja myös spektrien tuottamiseen) ovat yleisesti varsin kalliita laitteita, joten koulumaailmassa ei juurikaan törmää spektrometreihin. UV-Vis (käytännössä Vis) -spektrometrit ovat sillä rajalla, että niitä voi kouluihin hankkia. Esim. Vernier-laitteisiin lukeutuva spektrometri on noin 400-500 euron hintainen. Laitteen hyödyntäminen sopii erinomaisesti pitoisuuksien määrittämiseen.

UV-Vis-spektroskopia

UV-VIS-menetelmä sovelletaan metalli-ioneja sisältävien näytteiden, kaksoissidoksia sisältävien orgaanisten yhdisteiden ja biologisten makronolekyylien analysointiin. Molekyylin virittymisen edellytyksenä on, että yhdisteessä on pariton elektroni tai pii-sidoselektroneja. Riittävän pitkä konjugoitujen kaksoissidosten ketju aiheuttaa absorption näkyvän valon aallonpituusalueella. Porkkanalle tunnusomainen punertava väri johtuu siitä, että beetakaroteenimolekyylin ketjussa on konjugoituneita kaksoissidoksia, jotka aiheuttavat säteilyn absorption näkyvän valon aallonpituudella. Sopiva funktionaalinen ryhmä voi saada myös suoraketjuisen hiilivetymolekyylin absorboimaan säteilyä UV-alueella (Lähde: Orbitaali 2 -e-kirja).

Dimensio-lehdessä (3/2017) oli UV-spektroskopian osalta hieman laajemmin asiaa ja esimerkki kokeellisesta työstä.

Massaspektrometria

Itse massaspektrometrejä tuskin koulun käyttöön saadaan koskaan, sen verran kalliista laitteesta on kyse. Mutta massaspektrien tulkinta on kuitenkin tärkeä asia. Massaspektri, yleensä, antaa meille yhdisteen (molekyylin) moolimassa. Spektrejä löytyy runsaas mm. SDBS-tietokannasta (https://sdbs.db.aist.go.jp/), mutta myös molekyylimallinnusohjelmamme MarvinSketch antaa massaspektrejä. Massaspektrien tulkinnassa (ja opetuksessa) täytyy olla tarkka, koska tulkinta ei ole aivan yksiselitteinen.

MarvinSketchin antamissa spektreissä (jotka eivät kyllä oikeasti ole kummoisia massaspektrejä) näkyvät ns. M+1 ja jopa M+2 viivat. Nämä ovat hiilen C-13 -isotoopin aiheuttamia piikkejä spektrissä. Molekyylin moolimassa on osattava lukea suurimman piikin antamassa pisteestä.

Mitä isompi molekyyli, sitä enemmän on mahdollista, että hiilen raskaampi isotooppi löytyy molekyylistä
Tässä em. SDBS-tietokannata poimíttu massaspektri. Siinä näkyy myös tämä M+1 -piikki.

Tässä poiminta Kemian opettajien vertaisryhmän Facebook-keskustelusta:

(jatkuu)

EASE-ASET-konferenssissa 29.11.-1.12.2018 – Chemistry Education – Individual Learning Paths and The Flipped Classroom Pedagogy

admin

Saimme kollegan kanssa esityksen abstraktin läpi – se on se prosessi, jolla ulkomaisiin konferensseihin pääsee varmuudella mukaan. Tällä kertaa tavoitteenamme oli välittää kokemuksia kemian opetuksessa tehdyistä kokeiluista ns. flipped learning -otsikon alla. Tea oli kokeillut yksilöllisten oppimispolkujen käyttöä KE1-kurssilla ja minä flipped classroom -toimintamallia KE5-kurssilla. Molemmat haastavia asioita ja mielenkiintoisia tutkimuskohteina. Ja tällä hetkellä suomalaisessa pedagogisessa keskusteluissa aika lailla keskiössä olevia asioita.

Itse konferenssista sen verran, että todellisuudessa osallistuimme samaan aikaan järjestettyyn ASET-konferenssiin (osa kokonaisuutta). Näiden kahden konferenssin ero on se, että EASE on koko itä-Aasian tiedeopetuksen organisaatio ja ASET on Taiwanin tiedeopetuksen organisaatio ja näiden konferenssit oli yhdistetty. ASET-konferenssissa oli myös kiinan kielisiä sessioita.

Matkalta

Onneksi tauluissa oli myös englanniksi tiedot

Hotelli

Matka Hualieniin ei ollut mikään itsestään selvyys. Lennot Taipeihin Hong Kongin kautta oli allekirjoittaneelle tuttu kuvio (kolmasti olen käynyt Taipeissa Computex-tapahtumassa, viimeksi kesäkuussa tänä vuonna). Siitä eteenpäin olikin sitten uutta. Taipein juna-asemalta lipun osto oli oma haaste, koska paikallisten englannin kielen taito oli arvoitus. Mutta ongelmitta pääsimme Hualieniin ja myös hotellille – hotellin vastaanotto taas ei ymmärtänyt englantia lainkaan, ja se oli aiheuttaa hotelliin kirjautumisessa pulmia. Sekin saatiin onneksi ratkaistua – onneksi, koska 24 tunnin matkustaminen oli pohjalla.

Torstai 29.11.

Konferenssin julisteen edessä

Konferenssin avauspäivänä oli ilmoittautuminen ja workshopit.  Emme kollegan kanssa olleet ilmoittautuneet työpajoihin, mutta kävimme tutustumassa pieneen näyttelyyn. Tapasimme kuitenkin muita osallistujia paikan päällä, jotka eivät myöskään vielä osallistuneet varsinaiseen ohjelmaan. Ruotsalainen kielten opettaja, joka tutki kielen merkitystä luonnontieteen opetuksessa, oli mielenkiintoinen tuttavuus. Paluumatkalla hotellille (lähes tunnin matka paikallisliikenteellä eli bussilla) oli tilaisuus keskustella IOSTE:n (International Organisation of Science and Technology Education) puheenjohtajan kanssa. IOSTE:n tämän vuoden konferenssi pidettiin Malmössä. IOSTE on tärkeä foorumi jatkossa.

Hualien

Hualien on samannimisen piirikunnan hallintokeskus Taiwanissa, itäosan suurin kaupunki. Hualienin kaupungissa asuu noin 100000 asukasta. Kaupungin talous perustuu pitkälti matkailuun. Muutaman kilometrin päässä Hualienista sijaitseva Taroko Gorgen kansallispuisto on Taiwanin saaren vierailluimpia kohteita. Hualienissä vallitsee trooppinen ilmasto. Ruokakulttuurista oli vaikea saada kuvaa, paikallinen streetfood ei oikein tuntunut houkuttelevalta vaihtoehdolta. Värikäs ympäristö, temppelit, erilaiset rakennukset antoivat mielikuvan pitkästä historiasta.

Perjantai 30.11.

Konferenssin (http://ease2018.ndhu.edu.tw/) avauspuheenvuorot ja perjantain keynote-luennot käsittelivät STEM-opetuksen laajuutta ja merkitystä alueen opetuksessa.

Keynote-puheenvuorot

Perjantain puheenvuorojen ja esityksien jälkeen oli yhteinen päivällinen, jossa mm. palkittiin pitkän opetustyön tehneitä professoreita.

Lauantai 1.12

Lauantaina oli vuorossa oma esitys. Se oli toiseksi viimeinen sessio koko konferenssissa, joten yleisömäärä ei ollut suuri. Kuvassa Tea Kantola vetää omaa osuuttaan. Samassa sessiossa oli toinen esitys, joka käsitteli Algodoo-nimisen ohjelman käyttöä fysiikan opetuksessa. Esityksien jälkeen keskustelin hänen kanssa mahdollisesta yhteistyöstä jatkossa, mm. ko. ohjelman hyödyntämisestä kemian opetuksessa.

Seuraava EASE-seminaari järjestetään Etelä-Koreassa Daegussa.

Sunnuntai 2.12

Aikataulujen vuoksi päädyimme siirtymään Hualienista Taipeihin ja aamupäivän junalla. Kävimme mm. katsomassa Torni101:tä eli World Trade Centerin ympäristöä. Illasta oli sitten lento Hon Kongiin.

Maanantai 3.12. HongKongissa

Aamupäivästä lähdimme kohti keskustaan. Pari tunnin jonotuksen jälkeen pääsimme Gondolimatkalle kohti Ngong Pingiä. Matkalla oli mahdollisuus kuunnalle ladattu esittely matkan kohteesta ja maisemista. Vuoristokylässä sijaitsee suuri pronssinen patsas nimeltä Big Buddha. Sen ympärillä on kuusi pienempää pronssipatsasta kuvaamassa kuutta täydelliseen valaistumiseen vaadittavaa asiaa, jotka täytyy toteutua valaistumisen saavuttamiseksi: anteliaisuus, moraali, kärsivällisyys, intohimo, meditaatio, viisaus, valaistuminen.

Voiko opettaja olla buddhalainen? Polku itsekurista vaatii mm. 1) oikeaa puhetta – sen täytyy olla rehellinen, hyväntahtoinen ja rauhaa edistävä; pidättäydytään valehtelusta, eripuraisesta ja vihaisesta puheesta sekä joutavien puhumisesta; 2) oikea toiminta – väkivallattomuus, pidättyminen ottamasta, mitä ei ole annettu ja kohtuullisuus aistinautinnoissa; 3) oikea elinkeino – se ei tuota vahinkoa tietoisille olennoille eikä vaadi edellä mainittujen periaatteiden rikkomista. Kukin päätelköön itse. (Lähde: Wikipedia)

Illasta alkoi matka kohti Helsinkiä. Tästä alkoi tosi pitkä odotus. Lennon piti lähteä klo 00.45 yöllä. Koneessa todettiin joku hydrauliikan ongelma, mitä venytti lähtöä 7 tuntia. Eli portilla odotettiin pitkään.