Uudet lukion kemian opetussuunnitelman perusteet – OPS:ia tekemään 1

Johdanto

Yhden opintopisteen moduuli (huom. käsite moduuli, joista sitten rakennetaan opintojaksoja, kursseja ei enää ole – paitsi ehkä sitten puhekielessä) on uusi ilmiö uudessa opetussuunnitelmassa – joissakin aineissa on kurssi jaettu kahteen erilliseen moduuliin (kemiassa, matematiikassa jopa 3 opintopisteen moduuleja). Tavoitteena on ollut uudenlaisten opintojaksojen rakentaminen, joissa yhdistyisi eri oppiaineiden moduuleja. Miten nämä toteutuvat ja mitä ideoita tähän löytyy, jää nähtäväksi. Niihin en tässä bloggauksessa ota kantaa.

Kemia 1 moduuli – Kemia ja minä

Selkeitä uusia asioita verrattuna yläkoulun kemiaan on 1.moduulissa jaksollisen järjestelmän ja atomin rakennetta kuvaavan elektronikuorimallin käyttäminen selittämään atomin rakennetta. Aiemmin mainittiin vain atomin rakenne. Bohrin mallin arvon palauttaminen hieman arveluttaa, sitä vastaan kun on ”taisteltu” jo vuosi kymmeniä. Oma fysikaalisen kemian professorini Juhani Murtokin yritti aikoinaan laittaa tätä mallia hautaan omissa artikkeleissaan. Mallina Bohrin malli toimii joissakin tapauksissa, mutta käyttämällä sitä ioniyhdisteiden ja ionisidoksen kuvauksessa, edessä on myöhemmin kohtuullisen vaikea poisoppiminen. Toinen uusi teema 1.moduulissa, ehkä enemmän palauttaminen omalle paikallaan kemian pakollisiin opintoihin, on ainemäärän ja konsentraation käsitteet.

Moduuli on pääasiassa yläkoulun kemian kertausta, mikä (valitettavasti) on paikallaan tehdä. Tämän moduulin liittäminen johonkin kokonaisuuteen (jossa ei ole matematiikkaa) saattaa haitata kemian perussuureiden opiskelua, koska siihen liittyy kuitenkin selkeästi oma osa matematiikkaa. Muten on kohtuullisen kevyt moduuli.

Kemia 2 moduuli – Kemia ja kestävä tulevaisuus

Moduuli 2 tuo sitten uusina käsitteinä elektronegatiivisuuden, poolisuuden ja heikot sidokset. Kun 1.moduulissa on (valitettavasi) paneuduttu / palattu Bohrin malliin, nyt 2.moduulissa sitten paneudutaan atomimallien historiaan (atomi- tai sidosmallien historiallinen kehittyminen). Mielenkiintoinen ja mielestäni oiva lisäys 2.moduulissa on veden nostaminen esimerkkinä ja tutkittavana aineena. Toki tämä on tullut vastaan jo useasti ylioppilaskokeessa, mutta nyt se mainitaan hyvin opetussuunnitelmassa.

Moduulin otsikossa mainittu ”kestävä tulevaisuus” on (minusta) valitettava jäänne siitä ideologisesta vyörytyksestä, jonka kohteena juuri kemia ja kemianteollisuus ovat.

”Vihreän kemian” (siis ei Vihreän liikkeen) alkuperäinen idea pyrkii kehittämään mahdollisimman ympäristöystävällisiä kemiallisia yhdisteitä ja -prosesseja erilaisiin tarpeisiin. Vihreän kemian käsite on saanut alkunsa 1990-luvulla, Paul Anastas ja John Warner muotoilivat (1988) vihreän kemian periaatteita (lähde Wikipedia): Jätteen synnyn ehkäisy, atomiekonomia, vaarattomat kemialliset synteesit, turvallisten kemikaalien suunnittelu, turvallisten liuottimien käyttö ja apuyhdisteiden käytön välttäminen, energian käytön minimoiminen, uudistuvien lähtöaineiden käyttö, tarpeettoman johdosten muodostumisen välttäminen, katalyyttien suosiminen, tuotteiden hajoaminen elinkaaren lopussa, reaaliaikaiset analyysit, onnettomuuksien välttäminen esimerkiksi oikeilla kemikaalivalinnoilla. Nämä tavoitteet ovat olleet ja ovat edelleenkin kemian teollisuuden, kemian innovaatioiden ja kemian opetuksen kantavia teemoja.

Olisin niin halunnut ja toivonut, että tämän moduulin otsikko olisi ollut ”ajaton” ja konkreettinen: Kemia ja turvallisuus. Tällöin kaikki em. olisi ollut mukana ja siihen olisi tuotu kemian työturvallisuus ja kokeellisen työskentelyn mahdollistaminen opetussuunnitelman tärkeäksi tavoitteeksi (keskeiseksi sisällöksi).

Kemia 3 moduuli – Molekyylit ja mallit

Aiempi Kemia 2 -kurssi on saanut näköisensä nimen. Ainemäärn ja konsentraation opetus on siirretty takaisin sinne, minne ne kuuluivat (edellisen OPS:in mukaan) eli pakollisille kursseille. Liuoksen valmistui vielä jäi tälle kurssille, mutta se soveltuu uuten asiana nostettuun keskeiseen sisältöön: liuoksen valmistus ja laimentaminen sekä standardisuoran sovittaminen pitoisuuden määrittämiseksi. Ainemäärn ja konsentraation käsittedien soveltaminen on liitettävissä analyyttisen kemian UV-vis-spektroskopian sovellutukseen. Toivottavasti kemian opettajille hankitaan tähänsoveltuvaa teknologiaa (esim. Vernerin Vis-spektrometrit) ja perehdytetään niiden käyttöön – monelle sivuainekemistille spektroskopia voi muodostua hankalaksi teemaksi (ei ole liittynyt missään vaiheessa kunnolla opetukseen).

Perinteisesti isomeria on opetettu ”kokonaisuutena” luokitelleen isoemeria ensin rakenne- ja stereoisomeriaan sekä tämän jälkeen niiden konkreettisiin esimerkkeihin. Nyt OPS yhdistää ensin suhdekaavan ja molekyylikaavan selvittämisen rakenneisomeriaan. Sitten viittaa
kvanttimekaaniseen atomimalliin ja hybridisaatioon mainitsemalla samassa lauseessa stereoisomerian hiiliyhdisteissä. Kun tätä yrittää hahmottaa, syntyy ehkä tarpeettoman monimutkaisia matriiseja, jos ja kun yrittää lähestyä kokonaisuutta.

IsomeriaSisältö, merkitys, selitys Atomimalli, hybridisaatio
Rakenneisomeria – runkoisomeriaSama molekyylikaava, hiilirunko erilainen (empiirinen kaava ei oikein osu tähän)käytännössä sp3-hybridisaatioon liiiittyvä
Rakenneisomeria – funktioisomeriaSama molekyylikaava, funkitionaalinen ryhmä erilainen (empiirinen kaava ei oikein osu tähänkään) harvemmin yhdistetty mihinkään hybridisaation (karbonyyliryhmä?)
Rakenneisomeria – paikkaisomeriaSama molekyylikaava, funktionaalinen ryhmä eri kohdassa hiilirungossa (empiirinen kaava ei oikein osu tähänkään) harvemmin yhdistetty mihinkään hybridisaation
Stereoisomeria – cis-trans-isomeria (ja MarvinSketchin myötä E/Z-isomeria) – geometrinen isomeriaKaksoissidoksiin liittyvä isomeria muoto. Samaan kaksoisssidoksen hiileen ei liity kahta samanlaista rakenneosaa. (cis-trans-isomeria ei ole IUPACin mukainen jaottelu).
Sykloheksaani-rakenteisten (ja joidenkin kompleksiyhdisteiden) tapauksien kohdalla käytetty nimeäminen.
sp2-hybridisaatio liittyy kaksoissidoksien ymmärtämiseen

kompleksiyhdisteissä on kysymys mahdollisesti myös muista hybridisaatioista kuin sp, sp2, sp3 (kts. VSEPR-teoria)
Stereoisomeria – peilikuvaisomeria (R/S-isomeria) – optinen isomeriaHiiliatomien tetraedmäisen rakenteen vaikutus. Hiileen (asymmetrinen, kiraalinen) liittyy neljä erilaisten rakenneosaa (atomia, funktionaalista ryhmä, hiiliketjua)Hiilen sp3-hybridisaatio kaiken perustana
Stereoisomeria – konformaatioisomeriasp3-hydridisoituneet hiilet muodostavat keskenään yksinkertaisia sidoksia (sigma-sidos), joka voi kiertyä Hiilen sp3-hybridisaatio kaiken perustana

Kuten taulukossa jo mainitsin cis-trans-isomerian opettamisen rinnalle on välttämätöntä nyt ottaa E/Z-isomerian opettaminen. Nämä eivät ole sama asia, mm. sykloheksaani-rakenteiden cis-trans-isomeriaa E/Z-isomeria ei käsittele (ne tulkitaan R/S-isomeriaan kuuluviksi). Mielenkiintoista on, miten kustantajat ja oppikirjoilijat ratkaisevat tämän asia. Ohjaako ylioppilaskokeeseen valittu ohjelma (MarvinSketch) meitä muuttamaan isomerian opetuksen sisältöjä cis-trans-isomeriasta E/Z-isomeriaan, vai tuleeko yksi isomeriamuoto lisää.

Eräässä kirjasarjassa (SanomaPro) isomeria käsitteistöön tuodaan rakenneisomerian kohdalla lisäksi muun muassa tautomeria ja topologinen isomeria. Mielenkiintoisia ja vakavasti otettavia lisiä, kun joka tapauksessa mietitään isomeriaopetuksen uusia suuntia. Tässä en ole ottanut kantaa siihen, miten nimeäminen voidaan mielekkäällä tavalla ottaa isomerian opiskelun tueksi (tai syventämiseksi).

KE3-kurssin keskeisissä sisällöissä on ”aineen rakenteen analyysimenetelmistä – spektroskopia mainiten” -kommentti muutettu muotoon ”tutustuminen spektrien antamaan informaatioon aineen rakenteesta”. Aineen analyysimentelmät on varsin laaja käsite ja valitettavan usein jäänyt vähäiselle käsittelylle. Kirjoissa on menetelmistä erilaisia poimintoja, syksyn 2019 yo-kokeessa asia olikin konkreettisesti esillä.

IR-spektrien tulkintaa lienee harrastettu enemmän, NMR-spektrit ovat hyvin monelle opettajalle hyppy tuntemattomaan (ja opeteltavaan asiaan). Kuinka pitkälle spektrien tulkinnassa voi (pitää) mennä, että täytyy vaatimus ”tutustumisesta”. Tässä on MAOL:ille (Opetushallituksen kustantamana) kyllä laajan täydennyskoulutuksen paikka.

Kokonaisuudessaan uusi KE3-kurssin puoltaa nyt paikkaansa, tosin lukion kemian vaikeimpana (abstraktisimpana) kurssina; mikä on lukiolaisille syytä todeta, ettei heti kemia ala oppiaineena hirvittämään.

JATKUU

Uusi LOPS – kommentteja kemian osuuteen ja hieman yleiseenkin 1

Kurssien nimet ja KE1-kurssin jako kahtia

Kurssien sisältöjen jäsentämisessä on saatu tuloksia aikaiseksi. Otsikoiden valossa kurssien sisällöt ovat selkeämpiä. Otsikoiden nimissä on kuitenkin hieman langettu ”aikaan sidottuihin” ja hieman demagogisten käsitteiden lisäämiseen otsikoihin: kestävä tulevaisuus, kiertotalous.

LOPS 2015 LOPS 2021
KE1 Kemiaa kaikkialla KE1.1 Kemia ja minä
KE1.2 Kemia ja kestävä tulevaisuus
KE2 Ihmisen ja elinympäristön
kemiaa
KE2 Molekyylit ja mallit
KE3 Reaktiot ja energiaKE3 Kemiallinen reaktio
KE4 Materiaalit ja teknologia KE4 Kemiallinen energia ja kiertotalous
KE5 Reaktiot ja tasapaino KE5 Kemiallinen tasapaino

Aiempi otsikko on minusta toimiva, ja kun ensimmäiseen kurssiin saadaan takaisin kemian tärkeä suure eli ainemäärä, on jotain todella kaikkialla olevaa mukana. Vuonna 2004 tehdyn opetussuunnitelman musta helmi ”ihmisen ja elinympäristön kemia” -käsite on saatu viimeinkin pois. Voisimme näissä kurssien otsikoissa vähitellen irrottautua ”vihreän kemian” ikeestä ja keskittyä takaisin tieteen käsitteen ja tieteen tekemisen ympärille.

Kurssien rakenteen puolesta KE1 poikkeaa muista. Se on jaettu kahteen yhden opintopisteen kurssiin. Pikaisesti tulkittuna – puhtaan kemian näkökulmasta – KE1.1 tuo atomin elektroniverhon rakenteen, ainemäärän sekä konsentraation ja KE 1.2 tuo vahvat ja heikot sidokset. Se, mihin tarvitaan jakoa kahteen eri kurssiin, jää ilmaan.

Lisää konkretiaa? Miksi?

Aiempaan opetussuunnitelmatekstin ”tavoitteet ja keskeiset sisällöt” -määrityksiin on nyt lisäksi moduulin (ei kurssin) kuvaus sekä tavoitteiden ja keskeisten sisältöjen jälkeen asiayhteydet ja maininnat mahdollisista kokeellisista töistä. Millainen vaikutus tällä on esim. ylioppilaskokeiden ns. kokeellisiin tehtäviin, jää nähtäväksi.

Se, että mainitaan erikseen liekkikokeet, orgaanisten yhdisteiden funktionaalisten ryhmien osoitusreaktiot, biomateriaalin valmistus, esineen pinnoittaminen elektrolyyttisesti, veden hajotus elektrolyysillä, … Mitä näillä esimerkeillä halutaan saavuttaa?

KE2 – Molekyylit ja mallit

KE1-kurssin – ennen 2015 muutosta – ainemäärän ja konsentraation käsittelyyn liitettiin kokeellisena työnä liuoksen valmistus (ja laimentaminen). Nyt tämä on edelleen tavallaan em. käsitteiden kertauksena KE2-kurssilla. Lisäksi siihen on tuotu konkreettisena lisänä käytännössä UV-spektroskopian sovellutus pitoisuuden määrittämiseksi standardisuoran avulla.

KE2 noudattaa sisällöntään melko hyvin aiempia opetussuunnitelmia, joskin nyt on selkeästi todettu käsitteet kvanttimekaaninen atomimalli ja hybridisaatio. Nämä ovat toki olleet opetuksessa jo nyt (osin siksi, että nämä löytyvät myös oppikirjoista). Tämän lähestymistavan rinnalla on usein esitelty VSEPR-teoria (Valence Shell Electron Pair Repulsion). Mainitsematta jäävät käsitteet, kuten kvanttiluvut, orbitaalit, sigma- ja piisidokset, joskin nämä liittyvät läheisesti em. atomimalliin ja erikseen opetussuunnitelmassa mainittuihin isomeriamuotoihin (ja niiden olemassa oloon). Mitä käsitteitä oikeasti on syytä poimia opetussuunnitelmaan?

Spektroskopia tuli jäädäkseen. Se on hyvä asia analyyttisen kemian kannalta. Luonnoksessa asia esitetään aiempaa konkreettisemmin: ”tutustuminen spektrien antamaan informaatioon aineen rakenteesta”. Tämä ohjaa meitä selkeämmin spektritulkintaan, mikä on mielestäni hyvä asia. OPS-luonnos ei määritä, mitä spektroskopian lajeja tässä tarkoitetaan, mutta esim. MAOL-taulukko esittelee niin IR:n että HNMR:n spektriviivojen paikkoja. MarvinSketch-ohjelma osaa piirtää vain HNMR- ja CNMR-spektrejä. Massaspektrometriaa hyödynnetään molekyylikaavan (moolimassa) määrittämisessä, MarvinSketch piirtää ainoastaan molekyylipiikit (riippuen alkuaineista ja niiden isotoopeista). Varsinaisesti kyse tällöin ei ole massaspektreistä.

JATKUU