Tehtävä 2.
Tässä blogi-merkinnässä olisi tarkoitus kuvata jonkun kemian käsitteen tai ilmiön visualisointiprosessia oppilaille. Valitsemani ilmiö on sellainen, jonka visualisoimatta jättäminen on mielestäni eräänlainen rikos ihmiskuntaa kohtaan. Käsittelemäni ilmiö on tietysti galvaaninen kenno.
Galvaaninen kenno on systeemi, jossa on paljon liikkuvia osia. Kuten olen edellisissä postauksissani tilittänyt, käy dynaamisten systeemien visualisointi parhaiten simulaatioilla ja/tai animaatioilla. Galvaanisen kennon tapauksessa aiheesta voi näyttä oppilaille esim. jonkun seuraavista Youtube-videosta:
Jälkimmäinen video on muuten hyvä, mutta harmillisesti ioneista puuttuu niiden sähkövaraus. Lisäksi molempien heikkous on se, että ne ovat molemmat englanniksi ja saattavat siten olla joillekin oppilaille epäselviä. Molemmat ovat kuitenkin dynaamisia animaatioita, joista näkyy selvästi galvaanisen parin osasten liike. Tässä vielä netistä löytynyt ilmainen simulaatio galvaanisesta kennosta: Voltaic Cell Virtual Lab Mikäli ei halua turvautua animaatiooon tai sähköiseen simulaatioon, voi systeemiä simuloida kätevästi myös paperilla. Simulaatiota varten tarvitaan kuva galvaanisesta parista sähköjohtoineen ja suolasiltoineen sekä jonkin verran paperista leikattuja ympyroitä, joista osa edustaa elektroneja ja osa galvaanisessa parissa esiintyviä ioneja (näihin ioniympyröihin ei kuitenkaan merkitä sähkövarausta). Ioniympyröistä leikataan hieman elektroniympyröitä suurempia.
Paperisimulaatiossa aluksi katodi- ja anodi-kuvan päälle on asetettu oman alkuaineensa mukaisia ioniympyröitä (jotka ovat siis tässä vaiheessa vielä alkuaineatomeja ja siksi näiden ympyröiden päälle laitetaan niiden ulkoelektronien verran elektroniympyröitä). Ioniympyröitä laitetaan myös anodia ja katodia ympäröivään elektrolyyttiin ja näihin ympyröihin laitetaan sen verran elekroniympyröitä kuin katodin ja anodin alkuaineiden ionimuodoilla on. Loput elektroniympyrät laitetaan kennoja yhdistävän virtajohtokuvan päälle.
Paperisimulaatio käynnistyy siten, että anodissa olevilta atomeilta siirretään elektroniympyröitä johtoa pitkin katodille, jossa nämä ympyrät laitetaan katodin läheisyydessä olevan ioniympyrän päälle, joka tällöin kiinnittyy katodiin. Tämä visualisoi ionin pelkistymistä alkuaineatomiksi. Elektroninsa anodilla menettänyt ioniympyrä siirtyy anodia ympäröivään elektrolyyttiin. Tästä syntyvä varausepätasapaino korjataan liikuttelemällä elektrolyyttiliuoksessa olevia ioneja (esim. suolahapon tapauksessa vety ja kloridi-ioneja) suolasiltaa pitkin siten, että molemmissa kennoissa on yhtä paljon varausta. Kun ympyröitä liikutellaan tällä tavalla, antaa simulaatio jokseenkin hyvän käsityksen galvaanisen kennon toiminnasta.
Tässä vielä erittäin epäselvä Paint-töherrus paperisimulaatiosta. Kuvassa nuolet kertovat paperiympyröiden liikuttamissuunnan. Isot plus- ja miinus-ympyrät ovat elektrolyysiliuoksen ioneja (muita kuin katodi- ja anodi-kohtioiden atomeihin liittyviä). Toivottavasti ymmärrätte idean.
Normaalipotentiaali on yksi kemian hankalimpia asioita. Galvaanisessa kennossa se muuttuu varausten potentiaaliksi metallikappaleessa (elektrodi), mutta normaalipotentiaali voidaan määritellä yleisemmin aineille, jotka osallistuvat hapetuspelkistyreaktioihin. Nyt normaalipotentiaali tarkoittaakin jonkinlaista elektronien potentiaalia orbitaaleillaan. Mutta kun hapetus-pelkistysreaktioissa voi siirtyä useampia elektroneja, ei ole mitenkään selvää miten se liittyy yksittäisen elektronin potentiaaliin.
VastaaPoistaSähkökemian opetuksessa olisi minusta hyvä kytkeä asioita fysiikan sähköoppiin. Virtapiireistä tiedämme, ettei virta voi kulkea, jos virtapiiri ei ole suljettu. Juuri tästähän suolasillassa on kysymys. Tähän liittyen pieni kritiikki tuohon paperimalliin: kun varauksia ei ole merkitty näkyviin, mallissa ei ole selvää, että sama virta kulkee johtimessa ja suolasillassa. Varauserojen neutraloituminen liuoksissa voi myös jäädä epäselväksi.
Kokeilin tuota simulaattoria, ja se mahdollistaa joitain hauskoja kokeita. Esimerkiksi mitä tapahtuu, jos molemmat kennot täytetään samalla liuoksella. Sinkkinitraatin tapauksessa ei tietenkään mitään, koska reaktioissa tapahtuisi sinkin pelkistyminen ja hapettuminen, jolloin jännite on 0 V. Sen sijaan kuparinitraatti reagoi sinkkielektrodin kanssa, jolloin sinkki hapettuu sinkki-ioneiksi, ja kupari pelkistyy elektrodin pinnalle. Simulaatio havainnollistaa nämä hyvin. Sen sijaan hopeaelektrodi hopeanitraattiliuoksessa yhdistettynä kuparielektrodiin sinkkinitraattiliuoksessa ei toiminut, vaikka kaiken järjen mukaan hopean pitäisi pelkistyä ja kuparin hapettua. Kun sinkkinitraatin vaihtaa oletusarvoisesti kuparinitraattiin, kenno toimii normaalisti. Simulaation tekijät eivät siis ole ottaneet huomioon, että joku haluaisi oikeasti kokeilla muutakin kuin oppikirjaesimerkkejä.
Testailin kanssa tuota simulaatioita samoin, laihoin tuloksin. Suolasillassa olisin kaivannu äksöniä, kuten ehdotit kehitysehdotuksena tuohon Pekan paperisimulaatioon.
PoistaOlisi todella kiva nähdä käytännössä, miten tuo paperisimulaatio toteutetaan. Kuulostaa hirveän vaikealta, itse en ainakaan uskaltaisi lähteä räpeltämään niiden elektronipallojen kanssa :D! Koko sähkökemian alue on minusta hirveän sekavaa ja melkein aina pitää pysähtyä miettimään, että missä järjestyksessä ne asiat nyt tapahtuvatkaan. En tiedä selkeyttivätkö nuo animaatiot minua yhtään, tuo ensimmäinen ja pidempi ehkä vain sekoitti hieman enemmän kun siinä puhuttiin myös siitä, miten kuparikin hapettuu sinne liuokseen, mutta hitaammin.
VastaaPoistaMinusta tässä tapauksessa kannattaa animaation lisäksi teettää ihan fyysinen koe oppilailla. Suolasillan voi tehdä ihan tavallisesta ruokasuolasta ja vedestä ja suodatinpaperista, ja melkein joka koululla on nyt ainakin sinkkiä, kuparia ja niiden liuoksia (esim. sulfaatti). Näin asia jää ehkä paremmin mieleen. Olet kuitenkin oikeassa siinä, että animaatiolla/videolla saa parhaiten havainnollistettua tuota reaktion dynaamisuutta.
Tiedätkös, tätä merkintää kirjoittaessani unohdin täysin sen vaihtoehdon, että kennoa voisi demota käytännössä tai että sen voisi teetättää laboratoriotyönä (jotenkin, kun oli puhe visualisoinnista ajattelin vain kuvallisia esityksiä). Tuo sähkökemia monine liikkuvine osineen on ollut aikanaan minullekin jokseenkin vaikea sisäistää (ja on se vielä hieman vieläkin). Paperisimulaation kuulin joskus joltakin ja myönnän, että se saattaa olla aika sekava, minkä vuoksi käyttäisin opetuksessani luultavasti merkinnässä linkkaamaani nettisimulaatiota paperiversion sijaan.
PoistaTykkään tuosta paperisimulaatiosta. Vois toimia sellaisena toiminnallisena vaihtoehtona, jos ei pääse puuhailemaan labraan jossain poikkeustilanteessa (ei ole labraa eikä nettiä). Oot huomioinu dynaamiset systeemit pariin otteeseen visualisoinnin yhteydessä ja tarkensitkin tätä oivallisella tavalla yhdessä aikaisemmassa kirjoituksessa. Liittyykö ne sulla johonkin tiettyy teoriaan vai nouseeko omista havainnoista?
VastaaPoista