Eric R. Scerrin (2019) artikkeli Five ideas in chemical education that must die käsittelee viittä kemian opetuksessa vakiintunutta ajatusta, joita kirjoittaja pitää virheellisinä tai harhaanjohtavina. Scerrin tavoitteena on korvata ongelmalliset opetukselliset selitykset täsmällisemmällä ajattelulla. Artikkeli ei perustu opetuskokeisiin, mutta kuvaa tärkeitä kehittämiskohtia kemian opetuksessa. .

Kemian opetuksessa tarvitaan yksinkertaistuksia, mutta niiden ongelmaksi muodostuu helposti soveltamisrajojen unohtuminen. Muistisääntö alkaa näyttää luonnonlailta, ja yksittäisen tapauksen selitys laajenee perusteettomasti yleiseksi periaatteeksi. Scerrin keskeinen kysymys on, auttaako opetettu sääntö ymmärtämään ilmiötä vai joudutaanko sen synnyttämiä ristiriitoja myöhemmin korjaamaan uusilla poikkeussäännöillä. Tästä ovat käytännön esimerkkejä kemian opetuksessa mm. Bohrin malli, eräisen hydroksidien tulkitseminen emäksiksi.

1. Vesiliuos ei ole aina neutraali, jos pH=7

Ensimmäinen teema on neutraalisuuden samaistaminen pH-arvoon seitsemän. Alkuvaiheen opetuksessa neutraaliksi kuvataan usein liuos, jonka pH on 7. Scerri osoittaa, ettei tämä ole yleispätevä määritelmä: neutraalisuus tarkoittaa vesiliuoksessa oksonium- ja hydroksidi-ionien yhtä suuria pitoisuuksia. Neutraalin liuoksen pH puolestaan riippuu veden ionitulosta ja siten lämpötilasta. Noin 25 °C:ssa neutraali pH on 7. Scerrin esimerkissä veden ionitulo on 50 °C:ssa 5,47×10^-14, jolloin neutraalin veden pH on noin 6,63. Vesi ei siis muutu happamaksi vain siksi, että sen pH laskee lämpötilan noustessa: molempien ionien pitoisuudet kasvavat yhtä paljon.

Kemian opetuksessa parempi lähestymistapa olisi: neutraalisuus kannattaa määritellä ensin ionipitoisuuksien suhteena ja vasta sen jälkeen liittää siihen tietyissä oloissa pätevä pH-arvo. Näin opiskelija oppii erottamaan käsitteen määritelmän sen tavallisesta numeroesimerkistä.

2. Le Châtelier’n periaate

Toinen teema on Le Châtelier’n periaatteen käyttäminen yleisenä selityksenä tasapainon muutoksille. Scerri arvostelee erityisesti sanallista muotoilua, jonka mukaan tasapainossa oleva systeemi vastustaa siihen kohdistuvaa muutosta. Hänen mukaansa tämä ilmaisu jättää epäselväksi, mitä systeemin tarkalleen ajatellaan vastustavan. Esimerkiksi kaasuseoksen puristamisessa muuttuvat sekä tilavuus että paine. Pelkkä muutoksen vastustamisen ajatus ei vielä anna opiskelijalle yksiselitteistä tapaa päätellä tasapainokoostumuksen muutosta.

Korvaavaksi lähestymistavaksi Scerri esittää tasapainovakioon ja termodynamiikkaan perustuvaa tarkastelua. Kaasutasapainoissa osapaineiden muutoksia voidaan käsitellä tasapainolausekkeen avulla. Lämpötilan vaikutuksessa on puolestaan huomioitava, että itse tasapainovakio muuttuu. Lukio-opetukseen sovellettuna tästä seuraa luontevasti reaktio-osamäärän ja tasapainovakion vertailun vahvistaminen: opiskelija tutkii, miten häiriö muuttaa tasapainolausekkeen arvoa ja mihin suuntaan reaktion on edettävä tasapainon palautumiseksi.

Hänen ehdotuksensa Le Châtelier’n periaatteesta luopumisesta on voimakas pedagoginen kannanotto; artikkeli ei kuitenkaan osoita tutkimustuloksia tästä.

3. Reaktioentalpian merkitseminen reaktioyhtälöön

Scerri vastustaa myös lämmön merkitsemistä reaktioyhtälöön ikään kuin se olisi lähtöaine tai tuote. Hänen perustelunsa on, että lämpö ei ole aine, ja lämpötilan muuttaminen koskee koko reaktiosysteemiä. Tällainen muistisääntö saattaa tuottaa oikean ennusteen mutta samalla vahvistaa väärää käsitystä energiasta.

4. Elektronikonfiguraatiot

Kolmas teema on elektronikonfiguraatioiden selittäminen liian yleisillä täyttymis- ja stabiilisuussäännöillä. Artikkelin tarkastellaan 4s- ja 3d-orbitaalien suhdetta sekä kromin elektronikonfiguraatiota. 

Scerri arvostelee käsitystä, jonka mukaan 4s-orbitaali täyttyy siirtymämetalleissa ennen 3d-orbitaaleja mutta sen elektronit myös irtoavat ensin. Hänen mukaansa ristiriidan taustalla on eri atomien käsitteleminen ikään kuin niiden orbitaalien energiajärjestys olisi muuttumaton. Kaliumin ja kalsiumin elektronirakenteesta ei voida suoraan päätellä skandiumin orbitaalien keskinäisiä energioita. Ydinvaraus, elektronien määrä ja elektronien vuorovaikutukset muuttuvat alkuaineesta toiseen.

Scerri korostaa, että ensimmäisen siirtymäsarjan atomien tarkastelussa 3d-orbitaalien energiat ovat 4s-orbitaalin alapuolella. Tästä ei silti seuraa, että esimerkiksi skandiumin kaikki kolme argonytimen ulkopuolista elektronia sijoittuisivat 3d-orbitaaleille. Konfiguraatio {Ar}3d¹4s² on kokonaisuutena edullisempi, kun myös elektronien keskinäinen repulsio huomioidaan. Pedagogisesti keskeistä on erottaa toisistaan elektronikonfiguraation kirjoittamisen muistisääntö, orbitaalien energiat ja koko atomin kokonaisenergia.

Sama kokonaisenergian näkökulma liittyy kromin konfiguraatioon {Ar]3d⁵4s¹. Tavallinen selitys vetoaa puolitäyden d-alakuoren erityiseen pysyvyyteen. Scerrin mukaan tämä ei kelpaa yleiseksi selitykseksi. Mangaanilla ja teknetiumilla on puolitäysi d-alakuori mutta ulkokuorella kaksi s-elektronia. Toisaalta esimerkiksi niobiumilla, ruteniumilla ja rodiumilla esiintyy yhden s-elektronin konfiguraatio ilman puolitäyttä d-alakuorta. Puolitäyteisyys ei siten yksin ennusta, milloin yksinkertaisesta täyttymissäännöstä poikkeava konfiguraatio esiintyy.

Scerri ehdottaa kromin tarkasteluun eri konfiguraatioiden kokonaisenergioiden vertailua ja nostaa esiin kahden 4s-elektronin välisen repulsion. Hänen vastaesimerkkinsä osoittavat erityisesti puolitäyteisyysmuistisäännön rajat. Artikkelin oma tärkeä huomio on, että kukin atomi on tarkasteltava erikseen.

5. Jaksollisen järjestelmän kolmas ryhmä

Neljäs teema on jaksollisen järjestelmän kolmannen ryhmän kokoonpanon pitäminen itsestään selvänä. Scerri puolustaa ryhmitystä Sc, Y, Lu ja Lr perinteisen Sc, Y, La ja Ac -ryhmityksen sijaan. Hän tarkastelee sekä elektronikonfiguraatioihin perustuvia historiallisia perusteluja että jaksollisen järjestelmän rakennetta.

Yksi hänen havainnoistaan koskee yttriumin elektronikonfiguraation historiallista virhetulkintaa. Kun yttriumin ja lutetiumin molempien tiedettiin sisältävän täysi 4f-alakuori, lutetiumin sijoittamista f-lohkon viimeiseksi alkuaineeksi ei voitu perustella aiemmalla tavalla. Samalla Scerri korostaa, ettei yksittäisen vapaan atomin elektronikonfiguraatio yksin ratkaise alkuaineen paikkaa taulukossa.

Kemian didaktiikan kannalta artikkelin merkittävin anti on vaatimus perustelujen näkyväksi tekemisestä.

Lähde: Scerri, E. R. (2019). Five ideas in chemical education that must die. Foundations of Chemistry. https://doi.org/10.1007/s10698-018-09327-y

Kuvat tuotettu ChatGPT:llä.