admin

Nykyfysiikka tutuksi kokeellisuuden kautta F2k:ssa

“Kokeellisuuden ja fysikaalisten ilmiöiden liittämisen lasten ja nuorten elämään ja ympärillä olevaan maailmaan pitäisi olla johtotähtenä, kun lisätään kiinnostusta fysiikkaan sekä luonnontieteisiin ja tekniikkaan yleensä”, sanoo Valtakunnallisen LUMA-keskuksen fysiikan F2k-keskuksen johtaja Kaarle Hämeri. F2k johdattaa opettajat ja oppilasryhmät modernin fysiikan pariin laboratoriovierailujen, täydennyskoulutusten ja tiedeklubien kautta.

Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella toimivan F2k-keskuksen johtaja, professori Kaarle Hämeri ilmaisee huolensa kouluopetuksen niukkojen resurssien vaikutuksesta kokeellisten aineiden opetukseen.

“Kokeellisuutta pitäisi painottaa ja opetuksen tulisi keskittyä enemmän ilmiöihin ja kvalitatiiviseen maailman ymmärrykseen. Kvantitatiivisen laskemisen tulisi olla mukana pienemmällä painolla ja sen puolen pitäisi keskittyä niihin oppilaisiin, jotka valitsevat luonnontieteiden suunnan”, hän toteaa.

Hämerin oma tausta on ilmakehätieteissä. Hänen mielestään fysiikkaa voitaisiin tuoda kiinnostavasti esille esimerkiksi juuri ilmakehään, ilmastoon ja ilmanlaatuun liittyvien teemojen kautta, jotka ovat mediassakin vahvasti esillä.

Hämerin johtama fysiikan opetuksen keskus F2k pyrkii osaltaan vahvistamaan nykyfysiikan tutkimuksen ja kouluopetuksen yhteyksiä. Toimintaa kohdistetaan sekä fysiikan opettajille ja heidän oppilasryhmilleen että erityisesti fysiikasta kiinnostuneille opiskelijoille.

“Pyrimme tuomaan esille nykyfysiikan haasteita ja ilmiöitä ymmärrettävällä tavalla niin, että lähtökohtana on omatoiminen laboratoriotyöskentely”, Hämeri toteaa.

F2k-laboratorio avattiin Kumpulan tiedekampukselle loppuvuodesta 2010 ja samalla fysiikan opetuksen keskuksen nimi päivittyi Kondensaattorista F2k:ksi, joka viittaa fysiikkaan 2000-luvulla.

F2k-laboratorio keskittyy erityisesti lukiolaisryhmien kokeelliseen työskentelyyn modernin fysiikan ja sähkömagnetismin aihealueiden parissa. Lisäksi yläkoulu- ja lukioikäisille tarjotaan Dyna-miitit-tiedeklubeja, joissa tutustutaan nykyfysiikan tutkimukseen.

“Opettajille järjestämme täydennyskoulutuksia, muun muassa perinteisen kesäkurssin heti lomien alussa sekä pienempiä kokonaisuuksia vuoden mittaan. Kohderyhmänä ovat paitsi aineenopettajat myös luokanopettajat. Tietysti myös F2k-laboratorion toiminta on osaltaan opettajien työtä tukevaa toimintaa”, kertoo F2k-keskuksen koordinaattori Tommi Kokkonen.

Fysiikan kiinnostavuuden lisäämiseksi Kokkonen haluaisi painottaa erityisesti yleisen ihmettelyn ja pohtimisen tärkeyttä. “Arkipäiväiseltäkin tuntuvat ilmiöt ja asiat tarjoavat rikkaan pohjan pohdinnoille fysiikan parissa.”

 

Teksti: Elisa Lautala.

Bentseeni askarruttaa

Bentseeni on klassinen esimerkki molekyylistä, jossa osa sidoselektroneista on delokalisoitunut. Entäpä sitten bentseenin johdannaiset: ilmeneekö vastaavaa sidoselektronien delokalisoitumista myös aivan kaikissa substituoiduissa bentseeneissä tai vaikkapa polyaromaattisissa yhdisteissä, vai onko niin, että jossain tapauksessa molekyylin osana on bentseenirengas, jossa hiilten välisissa sidoksissa todella on vuorotteleva yksöis—kaksoissidosrakenne? Kysymykseni kumpuaa siitä, että lähes missään muualla kuin koulukirjoissa ei tunnuta käyttävän bentseenijohdannaisten bentseenirenkaille ympyrän sisältävää kuusikulmiota vaan yleensä käytetään sitä kuusikulmiota, johon on piirretty näkyviin kolme kaksoissidosta. Arvelin, että joissain tapauksissa on varmaankin sitten kyse siitä, että mitään delokalisoitumista ei edes ole tapahtunut, kun kerran renkaan sisältävää symbolia kartetaan.

Bentseeni on esimerkki aromaattisesta yhdisteestä, joissa esiintyy delokalisoituneiden elektronien elektronivirta. Pii-elektronit pääsevät liikkumaan koko aromaattisen rengassysteemin alueella ja alin pii-elektronien miehittämä molekyyliorbitaali voidaan kuvata bentseenin hiiliatomien muodostaman tason molemmin puolin olevalla renkaalla.

Yleisesti aromaattiselta systeemiltä vaaditaan tietyt kriteerit: siinä täytyy olla katkeamaton pii-elektronien, vapaiden p-elektronien tai tyhjien p-orbitaalien muodostama konjugaatio, rengasrakenne ja tasomainen rakenne. Lisäksi konjugaatioon osallistuvien elektronien lukumäärän täytyy noudattaa ns. Hückelin sääntöä, 4n+2. Jos ehdot täyttyvät, voidaan ennakoida systeemin energian olevan alemmalla tasolla verrattuna pelkkään konjugoituneeseen systeemiin.

Erotusta “kuvitteellisen” konjugaatioenergian ja todellisen välillä kutsutaan aromaattiseksi stabilisaatioenergiaksi. Konjugaatio tai elektronien delokalisaatio ei siis sinällään takaa aromaattisuutta.

Bentseenin tapauksessa kaikki hiiliatomien välillä olevat sidokset ovat saman arvoisia. Voimme piirtää kaksi resonanssirajarakennetta, joissa piirretyt kaksois- ja yksöissidokset ovat vaihtaneet paikkaa.

Todellisuus on jotain näiden väliltä. Tämä osoittaa, että emme pysty kuvaamaan todellisuutta kaikissa tapauksissa Lewis-rakenteilla, eli piirtämällä sidosviivoja ja merkitsemällä vapaita elektroneja pisteillä. Ongelmia aiheuttaa muutkin kuin aromaattiset rakenteet. Bentseenin ja muiden aromaattisten molekyylien tapauksessa on esitetty, että parempi ja havainnollisempi esitys saadaan esittämällä pii-elektronit renkaan sisään piirrettävällä renkaalla. Tätä esitystä näkee varsinkin joissakin koulukirjoissa.

Tässäkin esitystavassa on puutteensa. Voi syntyä virheellinen käsitys, että kaikki sidokset ovatkin kaksoissidoksia. Lisäksi elektronien laskeminen on vaikeampaa kuin perinteisessä esityksessä. Aika yleisesti varsinkin yliopistotasolla suositaankin tapaa, jossa piirretään toinen resonanssirajarakenne kaksois- ja yksöissidoksilla. Näin tehtäessä ajetellaan lukijan ymmärtävän merkinnän puutteellisuuden ja mielessään kuvittelevan systeemin joka tapauksessa oikein.

Käytännön seikkana voidaan vielä mainita, että käytettäessä kemiallisten kaavojen piirtämiseen tietokoneohjelmia, viimeksi mainittu tapa on huomattavasti helpompi.

Mitä tulee muihin saman tapaisiin yhdisteisiin, niin niidenkin kohdalla aromaattisuuteen vaaditaan edellä esitetyt kriteerit. Esimerkkinä voidaan mainita vaikkapa pyridiini. Se on aromaattinen yhdiste, jossa bentseenin yksi hiiliatomi on korvattu typpiatomilla. Se täyttää kaikki aromaattisen yhdisteen kriteerit ja sillekin voitaisiin piirtää kaksi saman arvoista resonanssirajarakennetta.

Renkaassa olevat sidokset eivät ole puhtaasti kaksoissidoksia tai yksöissidoksia vaan jotain niiden väliltä. Sidokset eivät kuitenkaan ole keskenään saman arvoisia, koska typpi elektronegatiivisempana atomina aiheuttaa elektronijakaumaan muutoksen. C–N-sidos on lyhempi kuin C–C-sidos ja yhdisteellä on dipolimomentti. Myöskään kaikki C–C-sidokset eivät ole keskenään samanlaisia. Sillä ei kuitenkaan ole vuorottelevaa kaksois- ja yksöissidosrakennetta.

Ylipäänsäkään resonanssia ei pidä tulkita niin, että kyseessä olisi tasapaino kahden tilan välillä. Eli, esiintyisi pari yhdisteitä, joissa sidokset olisivat vaihtaneet paikkaa. Kyse on vain käyttämämme esitystavan puutteellisuudesta ja todellisuus on jotain esitettyjen rakenteiden väliltä.

Mainitsin aromaattisuuden ehdoksi sen, että elektronien lukumäärän täytyy noudattaa kaavaa 4n+2. Mikä sitten on pienin mahdollinen aromaattinen yhdiste. Vastauksena voisi olla syklopropyleenikationi, eli yhdiste, jossa kolme hiiliatomia muodostaa renkaan, ja johon voi piirtää yhden kaksoissidoksen ja positiivisen varauksen jollekin hiiliatomille.

Todellisuus on tässäkin tapauksessa jotain muuta. Kaksoissidoselektronit ovat jakautuneet kaikkien hiiliatomien alueelle, kuten myös positiivinen varaus. Tämän tyyppisiä kationeja on pystytty valmistamaan ja ne ovat yllättävän pysyviä, joten ennakoitu aromaattisuus näyttäisi toteutuvan. Pii-elektronien lukumäärähän on kyseisessä kationissa kaksi, eli Hückelin ehdossa mainittu n on nolla.

Konjugaatioon osallistuu näiden pii-elektronien lisäksi tyhjä p-orbitaali. Ja tämäkin on kuvitteellista yksinkertaistusta, koska molekyyliorbitaalitasolla emme voi erottaa mitään tyhjää p-orbitaalia tai kaksoissidoselektroneja. Vain delokalisoituneet orbitaalit, joille nuo kaksi elektronia asettuvat. Jotta asia ei olisi liian yksinkertainen Hückelin sääntökään ei ole lopullinen totuus, eikä myöskään vaatimus rakenteen tasomaisuudesta.

On olemassa myös pallomaista aromaattisuutta, jonka tapauksessa elektronien lukumäärän täytyy noudattaa kaavaa 2(N+1)2, jossa N on kokonaisluku. Tämän ehdon täyttää esim 60 hiiliatomin muodostama pallo, fullereeni, jonka varaus on +10. Laskennallisesti on osoitettu kyseisessä yhdisteessä esiintyvän globaaleja elektronivirtoja osoituksena aromaattisuudesta.

Petri Heinonen
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Metallien sidoksista

Minkälainen on sidostyyppi elohopealla ja hiilellä dimetyylielohopeassa tai ylipäätänsä organometalliyhdisteissä? Olen ymmärtänyt että metallit eivät muodosta kovalenttisiä sidoksia, esimerkiksi natriumhydridi on ioniyhdiste. Kuitenkin sidos vaikuttaisi olevan dimetyylielohopeassa kovalenttisen kaltainen.

Vähemmän elektronegatiiviset metallit muodostavat tosiaan ionisia yhdisteitä – vahvasti elektronegatiivisten alkuaineiden (esimerkiksi halogeenit) kanssa. Jos elektronegatiivisuusero on paljon pienempi, kuten esimerkiksi organometalliyhdiste dimetyylielohopean Hg–C -sidoksessa, niin sidos on kyllä ihan kovalenttistyyppinen.

Metallit pystyvät käyttämään s-, p-, ja siirtymämetallit myös d-orbitaalejaan sidosten muodostamisessa. Sidoksen luonne riippuu voimakkaasti metalliin sitoutuvan atomin tai atomiryhmän kyvystä vetää elektroneja puoleensa, nimenomaan suhteessa metallin vetovoimaan.

Elohopea(II)-kloridin (myrkky) ja alumiini(III)kloridin (ärsyttävä) voi mieltää ioniseksi, mutta dimetyylielohopeaa (äärimmäinen myrkky, varo!) ja trimetyylialumiini (palovaarallinen, mutta teollisuudessa hyvin käyttökelpoinen yhdiste) ei.

Turvallisuusasiana on hyvä tutustua kemisti Karen Wetterhahnin tapaukseen. Hän kuoli 1997 saatuaan puolta vuotta aiemmin dimetyylielohopeapisaroita lateksihanskalleen – aine hulahtaa hanskan läpi muutamassa sekunnissa. Wetterhahn oli erikoistunut myrkyllisten metallien käsittelyyn, ja noudatti useimmille aineille riittäviä varotoimia.

Marko Vehkamäki
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Happojen syövyttävyys

Mitkä asiat vaikuttavat hapon syövyttävyyteen? Esimerkiksi vetyfluoridin happovakio on pieni verrattuna esimerkiksi suolahappoon. Kuitenkin olen saanut käsityksen että vetyfluoridi syövyttää paljon paremmin yhdisteitä kuin suolahappo. Voiko siis pelkällä oksoniumionikonsentraatiolla selittää aineiden syövyttävyyttä? Onko aineen syövyttävyys pääteltävissä muuten kuin vain kokeilemalla?

Happamuus ja syövyttävyys ovat tosiaan aivan eri asia. Monet emäkset kuten väkevät NaOH tao KOH ovat syövyttäviä. Useimmin mikään yksittäinen happo, emäs tai liuotin ei kykene liuottamaan mitä tahansa, vaan liuotettavan (syövytettävän) materiaalin ainesosien pitää olla syövyttävään liuokseen liukoisia.

Esimerkiksi mainittu HF on tosiaan heikko happo, mutta syövyttää lasia toisin kuin esimerkiksi vahva happo HCl. Tämä on ensi sijassa fluorin suuren elektronegatiivisuuden ansiota – se kykenee pätkimään lasin pii-happi-sidoksia ja muodostamaan vesiliukoisia piifluoridi-ioneja. Fluorihappo säilytetään sitä kestävissä muovipulloissa.

Yksittäisen aineen syöpyminen on verraten hyvin etukäteen pääteltävissä, jos syöpymisreaktiot tunnetaan hyvin. Kuitenkin käytännön kemiassa syöpyminen tai liuottaminen on syytä kokeilla laboratoriossa, sillä kirjallisuustietoa voi olla vaikea löytää ja se että kestävätkö käytetyt välineet liuoksia on työturvallisuuden kannalta tärkeä tieto.

Kemikaalien puhtaus voi myös vaikuttaa paljon liukenemiseen tai syöpymiseen, sillä epäpuhtaudet voivat joko edistää tai jarruttaa reaktioita. Teollisuudessa ja tutkimuksessa ollaan usein tekemisissä seosten kanssa – varsinkin tällöin on kätevintä tehdä käytännön syövytyskokeet.

Turvallisuushuomio: Jos fluorihapon väkevää 40-%:sta vesiliuosta saa noin 40 neliösentin ihoalueelle, on kuolema lähellä. Myös laimeampiin liuoksiin (1-5 massaprosenttia) on syytä suhtautua kunnioituksella.

Marko Vehkamäki
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Opinnäytetyö LUMA-toiminnan vaikuttavuudesta

Anni Aroluoma ja Titta Liukkonen selvittivät opinnäytetyössään LUMA-toiminnan vaikuttavuutta biologian ja maantiedon opetuksessa. Biologian ja maantiedon aineenopettajien näkökulmaan keskittyneen tutkimuksen mukaan LUMA-toiminnan tuntemus ja hyödyntäminen on monissa kouluissa vasta kehittymässä.

1980- ja 90-luvuilla opetusministeriössä huolestuttiin siitä, että suomalaisten tiedot ja taidot luonnontieteissä eivät kestäneet vertailua kansainvälisellä tasolla. Kiinnostus luonnontieteitä kohtaan oli vähäistä, eivätkä vanhanaikaiset opetusmenetelmät motivoineet innostuneitakaan oppilaita. Vuonna 1996 ryhdyttiin käytännön toimiin tilanteen pelastamiseksi: LUMA-toiminta käynnistyi kansallisilla kehittämistalkoilla.

Anni Aroluoman ja Titta Liukkosen Jyväskylän yliopiston bio- ja ympäristötieteiden laitoksella tekemä opinnäytetyö kuvaa, miten tarve valtakunnalliselle luonnontieteiden ja matematiikan kehittämishankkeelle syntyi ja miten sen vaikutukset näkyvät biologian ja maantiedon aineopetuksessa.

Pro gradu –tutkimuksessa vertailtiin biologian ja maantiedon opetuksen piirteitä LUMA-talkoisiin osallistuneiden pilottihankekoulujen ja verrokkikoulujen välillä. LUMA-talkoiden vaikutus näkyi pilottikouluissa vielä vuonna 2012 hieman verrokkikouluja suurempana yhteistyöaktiivisuutena. Kovin merkittäviä eroja pilotti- ja verrokkikoulujen välillä ei pienestä aineistosta havaittu. Sekä pilotti- ja että verrokkikouluissa biologian ja maantiedon opetus oli pääosin opettajalähtöistä, eikä tunneilla juuri käytetty kokeellisuutta ymmärtämisen syventämiseksi.

Tutkimuskyselyyn vastanneiden biologian ja maantiedon opettajien näkökulmasta LUMA-toiminnasta ei ollut tarpeeksi tietoa helposti saatavilla tai heillä ei ollut aikaa ottaa selvää tarjonnasta. Opinnäytetyön tulosten perusteella vaikuttaa siltä, että LUMA-toiminta kaipaisi biologian ja maantiedon aihepiirien vahvistamista ja uusia tapoja tavoittaa koulut ja opettajat.

Saavutuksia ja kehityskohteita

2010-luvun suomalaiset ovat arvostavat tiedettä ja tutkimusta ja nuorten luonnontiedeosaamisen tasoa on onnistuttu kohentamaan.

Esimerkiksi vuoden 2010 Tiedebarometrin mukaan enemmistö suomalaisista ilmoittaa olevansa kiinnostunut tieteen ja teknologian saavutuksia, ja jopa 77 % oli hyvin kiinnostunut luonnosta ja ympäristöstä. Paljon uutisoitu menestystarina puolestaan on se, että koululaisten osaamista mittaavan PISA-testin luonnontiedeosuuden mukaan Suomen tulokset ovat maailman terävintä kärkeä.

Alkuperäisen LUMA-ohjelman tavoite suomalaisen luonnontiedeosaamisen nostamisesta kansainväliselle tasolle vaikuttaisi toteutuneen, mistä voimme iloita. Aroluoman ja Liukkosen tutkielman mukaan LUMA-toiminnassa on kuitenkin edelleen kehitettävää erityisesti biologian ja maantiedon opetuksen kannalta.

Konkreettisina kehityskohteina voisi olla LUMA-keskusten tarjoamien biologian ja maantiedon materiaalien organisoiminen teemoittain kokonaisuuksiin. Verkkomateriaalin määrän ja monipuolisuuden lisääminen, helppo tavoitettavuus ja niistä tiedottaminen olisi myös tärkeää opettajien kannalta. Aroluoma ja Liukkonen rohkaisevat opettajia myös omien vinkkien ja linkkien jakamiseen ja ideoivat, että LUMA-keskukset voisivat järjestää esimerkiksi opettajatapaamisia nykyistä enemmän yhteistyön edistämiseksi.

Teksti: Maija Pollari.

P-lohkon metallien ominaisuudet

Mistä johtuu, että siirtymämetallien jälkeisten metallien (Al, Ga, In, Sn, Tl, Pb, Bi, Po, Wikipediassa poor metals) tiheys, lujuus ja kovuus eivät mene yleisen säännön mukaan. Suora lainaus Kemisti 2 -oppikirjasta:

“Alkalimetallit, joiden atomit luovuttavat yhden elektronin metallisidokseen ja joiden atomien ionisäde on suuri, ovat pehmeitä ja kevyitä. Kahdenarvoiset maa-alkalimetallit, joiden atomien ionisäde on hiukan pienempi, ovat jo hieman kovempia ja tiheämpiä metalleja. Sivuryhmien metallien suuri tiheys ja lujuus perustuvat pieniin ionisäteisiin ja suhteellisen suureen ionivaraukseen.”

Tein tekstistä johtopäätöksen, että metallit muuttuisivat kovemmiksi ja tiheämmiksi sitä mukaa, mitä pienempi ionisäde ja positiivisempi ionivaraus niillä on. Tämä päättely ei kuitenkaan päde p-lohkon metalleille. Miten siis selitetään p-lohkon metallien vähentynyt metallisuus?

Tuo kohta Kemisti 2 -oppikirjassa on harhaanjohtava. Efektiivinen ionisäde auttaa hahmottamaan monia asioita rakennekemiassa, mutta huomaa, että kyseessä on nimenomaan ionisäde. Eli ei siis hapetusaste 0, kuten puhtaassa metallissa. Esimerkkinä alumiini, jonka atomisäde on metallirakenteessa 143 pm ja Al3+-ionin ionisäde on 53,5 pm, eli kokoero on oikeasti huomattava (Chemistry of the Elements, Greenwood, Earnshaw). Lujuus ja tiheys riippuvat metalliatomien (ei ionien) koosta, elektronirakenteesta ja pakkautumisesta. Lujuus ja tiheys eivät kuitenkaan korreloi hyvin keskenään.

Metalleilla pakkautumistavoista yleisimmät ovat pintakeskinen kuutiollinen , FCC (face-centered cubic) -rakenne ja tilakeskinen kuutiollinen, BCC (Body centered cubic) -rakenne. Yksi kovuuteen vaikuttava tekijä on rakenne, eli se onko kyseessä FCC– vai BCC-rakenne.

Tässä linkissä on jaksollinen järjestelmä, johon on lisätty tieto kiderakenteesta.

Alkali ja maa-alkalimetallien kovuusero johtuu useammasta asiasta. Alkalimetallit ovat pehmeitä, koska niillä on BCC-rakenne ja niillä on vain yksi s-elektroni käytettävissä metallisidoksiinsa. Maa-alkalimetalleilla sekä rakenne että sitoutumiseen käytettävien elektronien määrä ovat erilaiset kun alkalimetalleilla.

Tässä rakenneasiasta lisää havainnekuvin.

Kuten aiemmin mainitsin, lujuus ja tiheys eivät välttämättä korreloi hyvin keskenään. Esimerkkinä vaikkapa siirtymämetalli elohopea, joka on tiheää, mutta lujuudesta ei nesteen kohdalla voi puhua. Eli minun mielestäni poikkeuksia on niin paljon että mitään “yleistä sääntöä” ei ole olemassakaan.

Tuo oppikirjassa yritetty karkea yleistys jaksollisessa järjestelmässä vasemmalta oikealle ei toimi hyvin fyysisiin ominaisuuksiin, kuten kovuuteen. Huomasin, että internetistä löytyi vastaavia yleistyksiä. Itsenäisesti opiskelevan kannattaa aluksi kiinnittää huomioita yksittäisen ryhmän sisällä tapahtuviin muutoksiin. Tuo siirtymämetallien jälkeinen p-lohko sisältää hyvin erilaisia alkuaineita, ja esim. ryhmät 14 ja 15 eroavat suuresti toisistaan. Ryhmien sisältä löytyy enemmän yhtäläisyyksiä. Lujuuteen vaikuttavassa atomien pakkautumisessa on suuria eroja ryhmien 14 ja 15 välillä sekä sisällä.

Alkuaineiden sulamispiste voi auttaa hahmottamaan niiden elektronisen rakenteen vaikutusta niiden lujuuteen. Sulamispisteet korreloivat hyvin kovuuden kanssa. Tämä koskee myös mineraaleja, joissa metalleilla on siis eri säde ja erilainen sitoutuminen kuin puhtaassa metallissa. Tässä linkissä on hyvä kuva, siinä oleva viiva kytkee muutamia puhtaita metalleja.

Tästä löydät joidenkin metallien ja mineraalien kovuuden niiden sulamispisteen funktiona.

Se, miksi sulamispisteet eivät muutu selkeän jaksollisesti, onkin sitten pidempi ja monimutkaisempi juttu. Hyvin raskailla alkuaineilla on kevyitä monimutkaisempi elektronirakenne d- ja f- orbitaaleineen, joissa lisäksi ydinvarauksen ja elektronin varauksen suuri epäsuhta alkaa aiheuttaa relativistisia efektejä. Nämä selittävät mm. sen, miksi elohopea onkin yllättäen neste, kun sen kaikki naapurit jaksollisessa järjestelmässä ovat kiinteitä.

Wikipediasta löytyy aiheesta tietoa otsikolla Relativistic Quantum Chemistry.

Tuo suuri (siis suhteessa elektronin yhteen varaukseen) ydinvaraus hyvin raskailla alkuaineilla aiheuttaa myös alkuaineilla Tl, Pb, Bi sen, että niiden uloimmat 6s2-elektronit jäävät varsinkin yhdisteissä inerteiksi. Tämä voi heikentää niiden vaikutusta metalliatomien keskinäisessä sitoutumisessa ja näin osaltaan madaltaa lyijyn ja vismutin sulamispisteitä. Tämä selittää myös mm. sen, miksi lyijy on usein yhdisteissään hapetusasteella +2, vaikka sen ryhmähapetusaste on +4. Vastaavasti vismutilla esiintyy usein hapetusaste +3, vaikka sen ryhmähapetusaste olisi +5.

Voit verrata näitä vähän eksoottisempia metalleja tutumpiin alkalimetalleihin, jotka ovat yhdisteissään aina hapetusasteella +1 (s-elektroni lähtee) ja maa-alkalimetalleihin (kaksi s-elektronia lähtee). Puhtaissa metalleissa nuo uloimmat s-elektronit ovat tallella.

Tuli pitkä vastaus, mutta asia oli tosiaan vähän monimutkaisempi kuin tuo oppikirja antoi ymmärtää.

Marko Vehkamäki
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Silikoni kosmetiikassa

Kasvovoiteisiin, shampoisiin ym. kosmetiikkaan lisätään silikonia (dimetikoni ja syklometikoni). Onko tämä aine haitallista iholle kauan käytettynä? Entä hiuksille? Onko tuote ympäristölle haitallinen ja miten se häviää luontoon joutuessaan?

Osassa kosmetiikkaa käytetään tosiaan silikoneja, jotka ovat pii-happi-polymeerejä.

Dimetikoni ja syklometikoni ovat esimerkkejä käytetyistä silikoniyhdisteistä. Metikonista käytetään myös synonyymejä polymetyylisiloksaani (PDMS) ja dimetyylipolysiloksaani. International Journal of Toxicology -lehden mukaan silikoniyhdisteet, kuten juuri dimetikoni ovat turvallisia oikein käytettyinä ja niissä määrissä, joita niitä kosmetiikassa on. Esimerkiksi ihoa kyseiset yhdisteet ärsyttävät eläinkokeiden mukaan korkeintaan miedosti. Silmiä yhdiste voi ärsyttää, ja silmät onkin huuhdeltava, jos kosmetiikkatuotetta joutuu silmiin.

Metikonin turvallisuudesta kertoo se, että sen LD50-arvo rotalle on 5000 mg/kg. LD50-arvo kuvaa yhdisteen myrkyllisyyttä. Se tarkoittaa pitoisuutta, jossa puolet koe-eläimistä kuolee. Mitä pienempi LD50-arvo on, sitä myrkyllisempi tutkittu aine on. Esimerkiksi ruokasuolalle arvo on 3000mg/kg.

Metikonia voidaan käyttää myös lisäaineena esimerkiksi makeisissa koodilla E900 ja sen enimmäismäärärajoitus vuorokaudessa eli ADI-arvo on 1,5 mg/kg/vrk.

Silikoni tekee hiuksista kiiltävät, minkä vuoksi sitä suositaan esimerkiksi shampoissa. Shampoita saa kuitenkin myös silikonittomina, koska joidenkin kuluttajien mukaan silikonia sisältävät hiustenhoitotuotteet voivat jäädä hiuksen pintaan kalvoksi.

Ympäristöhaitoista ei ole saatu tieteellisiä todisteita. PDMS:n ympäristövaikutuksista kertovan selvityksen mukaan PDMS hajoaa maaperässä kevyemmiksi yhdisteiksi, kuten dimetyylipiihydroksidiksi. Yhdisteet hapettuvat edelleen ja lopputuotteina saadaan luonnossa muutenkin esiintyviä yhdisteitä; vettä, piitä ja hiilidioksidia. Tutkimusten mukaan PDMS ei ole haitallista esimerkiksi kasvibiomassalle tai eläimille.

Lisätietoa kosmetiikan silikoniyhdisteistä on mm. oheisissa lähteissä:

LUMA-aineisiin innostamista LUMA-viikolla 2012 Oulun seudun ammattiopistossa

Oulun seudun ammattiopistossa Myllytullin yksikössä on vietetty valtakunnallista LUMA-viikkoa useiden vuosien ajan. Heidän toimintansa tähtää siihen, että luonnontieteiden ja matematiikan kiinnostus heräisi niillekin opiskelijoille, joille nämä aineet eivät erikseen ole helppoja.

LUMA-viikolla on tarjolla haastavia visoja, joihin opiskelijat osallistuvat mielellään. Oppitunneilla mietitään asioita tulevaan käytännön työhön ja herätellään tai säilytetään kiinnostusta luonnontieteisiin ja matematiikkaan.

Joukkoliikenteen ja energian säästämisen kannustamiseksi näytettiin rautateiden historiaan liittyvä DVD.

LUMA– ja teknologiaviikkoon lähdettiin vietetyn energiansäästöviikon kannustamana. Energiansäästöviikolla mietittiin mm. miten saisimme hukkaan menevän ruoan määrää vähennettyä konkreettisesti.

Toimintaa myös kehitetään opiskelijoiden näkökulmasta. Vuonna 2012 on mietitty matematiikan viemistä blogiin sekä miten matematiikasta ja muista luma-aineista saisi vetovoimaisempia. Tekniikan opiskelijaryhmä tuottaa tällä mittaamisesta tehtäviä omaan blogiin.

Keskeisenä on toiminta siten, että opiskelija itse haastetaan ottamaan asioista selvää ohjauksen avulla. Opettajat antavat tukea oppimismenetelmien avulla. LUMA-wikiin lisätään tietoa eri vaiheissa esim. tietoa hyvistä linkeistä eri kielillä, jotta mahdollisimman moni pääsisi kokeilemaan ja oppimaan.

Opistossa tarjotaan myös LUMA-viikon jälkeen virikkeitä yläkoulujen opiskelijoille heidän vieraillessaan oppilaitoksessa avoimien ovien jälkeen. Oppilaitoksessa tarjotaan uteliasta matematiikan avaamista.

LUMA-toiminta OSAO:ssa on kestävän kehityksen tulos ja kehittyminen jatkuu. Oppilaitoksessa tehdään erittäin pienellä bujdetilla työtä, joka on jo integroitunut eri ammattialojen välille.

Teksti: Armi Hopea, Oulun seudun ammattiopiston raportin pohjalta.

Kannuksen lukiossa käytännöllistä toimintaa LUMA-viikolla 2012

Kannuksen lukiolla on pitkät perinteen vahvasta luonnontieteellisestä osaamisesta. Keväällä 2012 Kannuksen lukiolla käynnistyi Koulutus Kannus selvityshanke. Hankkeen tuotoksina on lukiollemme rakennettu Suomen ensimmäinen lukion eläinlääketieteellinen linja ja koulutusohjelma. Linjan koulutusohjelmassa painottuvat luonnontieteelliset aineet. Koulutusohjelman avulla saadaan lukiokoulutukseen, erityisesti fysiikan, kemian ja biologian opetukseen, lisää kokeellisuutta ja tutkimuksellista otetta.

Yhteistyötä on tehty niin Keski-Pohjanmaan maaseutuakatemian kanssa kuin paikallisen, alueellisen ja valtakunnallisen koulutus-, tutkimus- ja yritystoiminnan kanssa ja se koetaan merkitykselliseksi. Oulun yliopiston luonnontieteellisen tiedekunnan ja lääketieteellisen tiedekunnan, Kokkolan yliopistokeskuksen, Centria ammattikorkeakoulun, Helsingin yliopiston eläinlääketieteellisen tiedekunnan, Tarton yliopiston eläinlääketieteellisen tiedekunnan ja Keski-Pohjanmaan ja Oulun LUMA-keskusten kanssa on aloitettu kestävän yhteistyön suunnitelmat. Tavoitteena on antaa opiskelijoille mahdollisuuksia opiskelijavierailuihin ja käytännössä tutustua laboratoriotyöskentelyyn.

Koulutusohjelmaa ja luonnontieteellisen erikoistumislinjan kurssisisältöjä ja kurssitarjontaa ovat olleet ideoimassa asiantuntijoiden lisäksi aktiivisesti myös opiskelijamme. Opiskelijoiden mielipiteet ovatkin olleet erittäin arvokkaita ja rakentavia koko syksyisen koulutusohjelmasuunnittelun ajan. Tarjottavat uudet kurssit ovat vaihtelevia, uutta teknologiaa hyödyntäviä ja kokeellisuutta korostavia. Yhä useammin oppiminen tullaan saavuttamaan käytännössä tekemällä. Käytännössä tekemistä tukee myös Kannuksen lukiolla syksyllä 2012 käynnistynyt uutta teknologiaa tutkiva ja kehittävä ubiikki-oppimisympäristö -hanke. Hankkeen avulla selvitetään mm. miten oppimista tapahtuu ajasta ja paikasta riippumattomasti. Tavoitteena on entistä tehokkaammin tunnistaa ja tunnustaa luokkahuoneen ulkopuolella tapahtuva oppiminen. LinssiLUMA-kilpailutyö toi mukanaan ubiikki-oppimisympäristö hankkeeseen liittyvän uuden teknologian tehokkaan hyödyntämisen. Opiskelijat ovat itse sekä kuvanneet että editoineet kilpailutyönsä. Musiikin, kuvataiteen ja tietotekniikan osaamisen avulla on rakennettu moni-ilmeinen LUMA-aineita, teknologiaa ja liikuntaa yhdistävä videokooste.

Katso video »

Kannuksen lukio pääsi mukaan Helsingin yliopiston COMBLAB-projektin toiseen vaiheeseen syksyllä 2012. Projektin tarkoituksena on luoda uusia mittausautomaatiolaitteita hyödyntäviä kokeellisia oppilastöitä kemian, fysiikan ja biologian lukio-opetukseen. Opiskelijamme pääsevät testaamaan kuutta kemian kokeellista työtä ja antamaan niistä palautettaan. Töissä mm. selvitetään valon aallonpituuden ja värien välistä yhteyttä tai verrataan erilaisten närästyslääkkeiden tehoa.

Kannuksen lukio on osallistunut aktiivisesti lukion luonnontieteellisiä aineita esittelevään tiedotustoimintaan. Ajankohtaisilla artikkeleilla paikallislehdissä (Lestijoki, Prasu) ja aluelehdessä (Keskipohjanmaa) olemme tuoneet esiin lukiomme luonnontieteellistä osaamista ja sen vahvistumista luonnontieteitä korostavan erikoistumislinjan myötä.

Kannuksen lukio on esiintynyt myös aktiivisesti alueemme yläkoululaisille suunnatuissa jatko-opintovaihtoehtoja esittelevissä vanhempainilloissa. Eteenpäin 2012 -messuilla lokakuussa Oulussa pääsivät erityisesti opiskelijamme esiin. Pet’n Science -osastomme oli raikas ja kiinnostusta herättävä. Luonnontieteellisyys korostui niin pukeutumisessamme kuin puheissamme. Oletko kiinnostunut luonnontieteistä, kemiasta, fysiikasta, pidätkö eläimistä?, sininen Pet’n Science -paita, valkoinen työtakki, iloinen lukiolaisryhmämme ja uudenaikaisinta teknologiaa kuvaava esitteemme takasi, että messuosastoamme ei voinut ohittaa pysähtymättä ja ihastumatta.

Luonnontieteellisiä aineita korostavaa eläinlääketieteellistä erikoistumislinjaa suunniteltaessa on pohdittu lukion kurssitarjotinta myös kokonaisuutena. Oleellista on ollut selvittää, kuinka mahdollisimman hyvin myös eri oppiaineet ja eri oppiaineiden yksittäiset kurssit tukisivat toisiaan. Kannuksen lukion opiskelijoiden kilpailuvideo kuvaa loistavasti sitä, miten eri oppiaineet linkittyvät kokonaisuudeksi. Kokonaisuuden kruunaa vielä videon musiikkina vaikuttavasti toimiva lukion abiturientin oma sävellystyö.

Teksti: Armi Hopea, Kannuksen lukion raportin pohjalta.

LUMA-viikolla 2012 Askolan lukiossa kisattiin Amazing Race, salakirjoituksen salatkin aukenivat

Marraskuussa 2012 Askolan lukiossa järjestettiin toisen kerran LUMA-päivä, jolloin opiskelijat saivat vapaasti valita mielenkiintonsa mukaisia työpajoja ja luentoja. LUMA-päivä oli myös esillä paikallislehti Uusimaassa.

Fysiikan työpajassa opiskelijat pääsivät tutustumaan nestemäisen typen ja kuivajään ominaisuuksiin. Kuivajään avulla opiskelijat tutkivat hiilidioksidin olomuodon muutosta ja siitä seuraavia ilmiöitä. Kuivajää liukui lähes kitkatta lakatulla pinnalla. Käsissä lämmitetty kolikko sai kuivajään päälle asetettuna aikaan ujeltavan äänen. Nestemäiseen typpeen upotettiin erilaisia hedelmiä, vaahtokarkkeja ja ilmapalloja. Opiskelijoiden kanssa pohdittiin kaasujen tilanmuutoksia ja hämmästeltiin vasaran alle sirpaloituvia hedelmiä.

Energia-asiantuntija Hanna Nopanen Fortumilta piti Skypen välityksellä esitelmän energian tuotannosta, hinnoittelusta ja päästökaupasta. Hinnoittelusta päästiin luontevasti energian regulaatioon ja päästökaupasta ilmastonmuutokseen. Luokkahuoneessa oli videokamera ja mikrofoni, jonka avulla opiskelijat esittivät kysymyksiä Nopaselle. Varsinkin Talvivaaran päästöt, päästöjen yleinen regulaatio sekä päästökauppa synnyttivät paljon keskustelua.

Matematiikan työpajassa Rami Luisto Helsingin yliopiston Summamutikka-keskuksesta oli pitämässä työpajaa salauksiin ja alkulukuihin liittyen. Opiskelijat tutustuivat Caesar-salaukseen ja salakirjoituslaite Enigman toimintaan. Näiden jälkeen keskusteltiin salauksien sovelluksista. Monet pitkän sekä lyhyen matematiikan lukijat kiinnostuivatkin verkkoliikenteen salauksista.

Maantiedon työpajassa perehdyttiin Motivan Maapallopelin avulla päivittäisten kulutustottumusten vaikutuksiin. Pelaajan tehtävänä oli pelastaa maapallo valitsemalla mahdollisimman vähän energiaa ja luonnonvaroja kuluttavia vaihtoehtoja. Fortumin Energia ja Eko vai Ego –pelien avulla oppilaat kasvattivat tietämystään energia- ja ilmastokysymyksistä sekä pohtivat tulevaisuutta.

Maantiedon toisessa työpajassa pohdittiin kulutustottumusten yhteyttä arkielämään, hyvinvointiin, työkykyyn ja taloudelliseen tilanteeseen sekä ympäristön tilaan pelaamalla Neuvokkaat-elämäntaparoolipeliä.

Kemian tiimoilta opiskelijat asetettiin vaativan tehtävän eteen: pienen johdannon jälkeen heidän oli saatava ledi syttymään ainoastaan tehtävässä sallittuja välineitä käyttäen. Käytettävänä oli mm. kuparisulfaatilla kyllästettyjä suodatinpaperin suikaleita ja magnesiumnauhan palasia. Metallien jalousjärjestystä pohtien useimmat työparit onnistuivatkin tehtävässään, ja luokassa kuultiin innostuneita hihkaisuja: “Nyt se syttyi!”

LUMA-päivän aikana lukiossa pyöri myös Askola Amazing Race -kilpailu, jossa opiskelijoiden piti ratkaista heille asetettuja tehtäviä teknologiaa hyödyntäen. Amazing Race alkoi lukion lehteen piilotetulla vihjeellä. Vihje oli QR-koodi, joka vei opiskelijat nettisivuille, josta löytyi ohjeet kilpailussa etenemiseen. Kilpailu sisälsi QR-koodien avulla toteutettuja kysymyksiä, videoita ja tehtäviä. Kilpailun aikana lukiolaiset joutuivat kiertämään ympäro lukiorakennusta. Loppuun asti selvittäneet ryhmät saivat seuraavan viikon ryhmänohjauksessa palkinnon.

Katso video Askolan lukion LUMA-päivästä »

Askolan lukio on varustettu modernilla opetusteknologialla: jokaisessa luokassa on dokumenttikamera ja dataprojektori, kolmessa luokassa on SmartBoard-älytaulut ja kursseilla käytetään erilaisia oppimisympäristöjä ja verkkomateriaaleja, mm. Oppimappia, Verkkoveräjää, erilaisia wiki-sivustoja ja Youtube- ja Vimeo-videopalveluita. Tablettien opetuskäytön kehitystä seurataan koulussa tarkasti ja osallistutaan ahkerasti opetusteknologian käyttöön liittyviin koulutuksiin.

Kuluvana lukuvuonna aktiivinen LUMA-toiminta jatkuu. Tähtitieteen kurssilaiset vierailevat Metsähovin radioteleskooppiasemalla ja luvassa on myös vierailuja Kumpulan kampukselle maantiedon, fysiikan ja kemian ryhmien kanssa. Pienessäkin lukiossa on mahdollista tehdä paljon LUMA-työtä, vaikka resursseja on käytettävissä rajallisesti. Askolan lukiossa on kussakin aineessa vain yksi opettaja, mutta koulun aktiivista toimintaa voi silti täysin verrata suurten lukioiden järjestämään toimintaan.

Teksti: Armi Hopea, Askolan lukion raportin pohjalta.