Hvorfor er de grunnleggende begrepene så viktige i kjemi

Elevene, uansett alder, vil nærme seg kjemien fra en ren makroskopisk vinkel. I utgangspunktet er ikke partikkelmodellen en del av ”deres verden”. I denne artikkelen vil jeg prøve å vise hvordan ting må se ut fra en makroskopisk vinkel. Uten partikkelmodellen vil store deler av kjemien være mer eller mindre uforståelig.

Innledning

Mange vil hevde at faget kjemi er tredelt:

  1. Den makroskopiske verden. Hva skiller vann fra etanol, rødkålsaft blir rød i syre, men grønn i base, sukker løser seg i vann selv om en ikke rører, bakepulver i eddik gir brusing etc.
  2. Det kjemiske språket: kjemiske formler, kjemiske reaksjonslikninger og begreper som atom, molekyl etc.
  3. Det submikroskopiske nivået, - på atom- og molekylnivå. Det vi kaller partikkelmodellen. Dessuten må vi forstå noen grunnleggende begreper som er knyttet til partikkelmodellen.

Tradisjonelt har vi nok lagt mer vekt på de to første punktene, på den makroskopiske verden og på språket, enn på modellverden. Denne artikkelen prøver å vise hvorfor dette tredje punktet kanskje er vel så viktig for å forstå kjemien. Forskning viser at mange av elevenes problemer med å forstå, er knyttet til følgende begreper: partikkelmodellen, gasser generelt, faseoverganger og kjemiske reaksjoner. I løpet av de par siste 10-åra har et par nye, kanskje enda mer grunnleggende begreper blitt føyd til lista: stoff i generell mening (eng.: matter) og kjemiske stoff (eng.: substances).

Den materielle verden – stoff i generell mening (”matter” på engelsk)

Så vidt meg bekjent, så fins det ikke noe felles anerkjent opplegg for hvordan vi bør begynne kjemiundervisning. Leser vi kjemibøker, finner vi gjerne en setning eller to i innledninga om hva kjemi er. Et tilfeldig valgt eksempel: ”Kjemi er læren om stoffene i og omkring oss” (Frøyland et al., 2006 s. 8). Det første problemet eleven møter er derfor: Hva menes med stoff (i generell mening)? Uten en viss forståelse for det begrepet, vet elevene egentlig ikke hva de arbeider med.

To sider ved begrepet stoff faller vanskelig for elever og studenter: Stoff i generell mening (eng. ”matter”) og kjemiske stoffer (eng. ”substance”). Små barn (og noen større) har problemer med å skille gjenstanden fra stoffet som gjenstanden er laga av. Vi kan si at stålull er myk og mene dotten med stålull. Vi kan også si at stålull er hard og mene jerntrådene som stålulla er laga av. Begge deler er rett. Som lærere bør vi prøve å uttrykke oss presist slik at elevene vet hva vi snakker om.

Mange elever vil ikke inkludere mat og levende organismer som dyr og planter i begrepet stoff. Andre ekskluderer væsker, og mange ekskluderer gasser. Gasser er et problem i seg selv. For mange er det et problem at stoff bare forsvinner eller dukker opp fra ingenting. En vannskvett på kjøkkenbenken forsvinner etter en stund. Vannet fordamper, men spør vi om en nærmere forklaring, har mange problemer. Brenner vi et stearinlys, så forsvinner stearinen. Skal vi bli kvitt noe, brenner vi det gjerne opp.

Dogg på kalde briller når du kommer inn i et varmt rom, dukker opp fra ingen steder.

Det er nokså naturlig at mange tror at stoff går over til energi. Brenner vi et stearinlys, ser vi lys og føler varmeenergi, men vi ser ingen gasser. Vi tapper bensin på bilen og får ut bevegelsesenergi pluss eksos og varmeenergi. Ingen ser all karbondioksiden og vannet som blir sluppet ut. Vi kan prøve å gi makroskopiske kriterier på hva som karakteriserer stoff generelt, for eksempel: Stoff er alt som har vekt og volum (tar plass), som kan tas og føles på og som vi kan flytte rundt. Går elevene med på disse kriteriene, kan vi få dem med på at væsker, mat og levende organismer hører med. De forstår kanskje også at det ikke går an å samle opp en sekk med lys eller tappe elektrisitet på ei flaske for så å selge den til kilogrampris.

De fleste gassene er usynlige. At de faktisk veier noe, er det få som har noen erfaringer med. At f eks 1 m3 luft veier så mye som 1,2 kg kommer nok som en overraskelse for mange. Så lenge vi har en rein makroskopisk oppfatning av den stofflige verden rundt oss, så er det vanskelig å forstå hva som regnes med som stoff (i generell mening) og hva som ikke er stoff. Innsikt i partikkelmodellen, kan etter min oppfatning hjelpe elevene til å forstå at alt som er bygd opp av atomer, er stoff i generell mening.

Faseoverganger

Tenk deg at du er en elev som ikke kan noe om partikkelmodellen. Du må tenke og resonnere ut fra reine makroskopiske erfaringer. Du vet sannsynligvis at is og vann er det samme stoffet, men hvorfor skulle andre faste stoff plutselig bli flytende fordi om du varmet dem opp, eller hvorfor skjer dette bare med vann og ikke med andre kjente stoffer som sukker og salt? Hvorfor skulle kjente væsker som bensin eller diesel bli fast stoff når en kjøler dem ned?

De fleste barn har forholdsvis få erfaringer med faseoverganger for andre stoffer enn vann. Dersom de observerer at sukker eller voks smelter og blir til ei klar væske, hvordan kan de da vite at det fremdeles er sukker eller voks? Det ser jo ut som vann. Kan hende er det vann. Det er i hvert fall for varmt til at de kan smake direkte på væska. For andre stoffer enn vann må du stort sett bare tro det andre sier.

Spesielt må overgangen til eller fra gass være et stort mysterium for mange elever. Dersom noen sier at vannet som lå på kjøkkenbenken har fordampa og gått opp i lufta, hvordan skal elevene elevene kunne avgjøre om vannet fremdeles er der? De ser det jo ikke, og det ser i alle fall ikke ut som vann. Og hvorfor skulle doggen i gresset en tidlig sommermorgen komme fra lufta? Vi har jo aldri sett noe vann i lufta når det er fint vær.

Til slutt: Går det an å tenke seg vanlig koksalt som flytende væske eller som gass? Er det fremdeles koksalt som vi kan bruke til å gjøre maten saltere?

Alle disse situasjonene må fortone seg som en samling uavhengige fenomener som er mer eller mindre uforklarlige. Dersom elevene har lært noe om partikkelmodellen (se forrige side), og godtar at partiklene (molekylene eller ionene) ikke forandrer seg så lenge de utsettes for fysiske prosesser, er forklaringa rimelig enkel. Faseoverganger er et resultat av at partiklene beveger seg kraftigere når temperaturen øker, eller motsatt. Samtidig forandrer ikke tiltrekkingskreftene mellom partiklene seg. Ved overgang til væsker klarer ikke tiltrekkingskreftene å holde molekylene eller ionene i faste posisjoner lenger. De kan bevege seg rundt hverandre. Ved overgang til gass klarer ikke tiltrekkingskreftene å holde molekylene eller ionene samla lenger. De ”stikker av” og fordeler seg på det tilgjengelige volumet.

Kjemiske stoff (”substance” på engelsk)

De som kan sitt naturfag, vet at den materielle verden rundt oss vanligvis er en blanding av ei rekke kjemiske stoffer (”substances” på engelsk). Noen ganger bruker vi tilnærmet reine kjemiske stoffer slik som ferskvann, metaller (jern, aluminium, sink etc.), sukker og koksalt. Det vanlige er likevel at vi har med stoffblandinger å gjøre som sjøvann, ved, levende organismer, luft, bensin etc.

Phil Johnson, som arbeider på Universitetet i Durham (England) har vist at begrepet ”kjemisk stoff” kanskje er et av de mest sentrale i all kjemiundervisning (Johnson, 1996, 2005). Han mener også at begrepet er dårlig forstått.Vi har behov for å forstå dette begrepet i flere sammenhenger. Noen eksempler:

  • Elevene skal lære metoder for å skille (kjemiske) stoffer, men dersom de ikke har en rimelig god ide om hva et kjemisk stoff er, så er det vanskelig å forstå hva de skiller.
  • Elevene skal lære seg å forstå hva en kjemisk reaksjon er. Et av de viktige kriteriene for en kjemisk reaksjon er at det blir dannet nye kjemiske stoffer. Vet elevene ikke sikkert hva et kjemisk stoff er, så er det vanskelig å avgjøre om det dannes nye stoffer.
  • Elevene skal lære om faseoverganger: Er is og vann det samme stoffet? Er fast voks det samme som flytende voks, eller har det gått over til vann?

Fra en reint makroskopisk synsvinkel er det ikke lett å avgjøre om vi bare har med et reint kjemisk stoff å gjøre, eller om det er en stoffblanding. Elevene kan lære noen tester de kan gjøre:

  • Stoffblandinger kan skilles i flere reine kjemiske stoffer med fysiske metoder. Har de bare ett kjemisk stoff, kan dette ikke skilles i flere stoffer med fysiske metoder. Har de ett kjemisk stoff, kan det ofte deles i flere stoffer med kjemiske metoder, men da blir det dannet nye stoffer.
  • Reine kjemiske stoffer smelter og koker ved en bestemt temperatur. Stoffblandinger smelter og koker over et temperaturintervall.

Dette er ikke tester vi raskt kan gjøre i en hverdagssammenheng. Hvordan skal vi da kunne avgjøre om vann, sukker, salt og kobber er reine kjemiske stoffer, mens messing, bensin og diesel er stoffblandinger?

Dersom vi har fått slått fast at vi har med ett kjemisk stoff å gjøre, hvordan avgjør vi om vi har fått noe nytt i forhold til noe som likner? Vi må sjekke de fysiske og kjemiske egenskapene til stoffprøven: fargen, smeltepunkt, kokepunkt, tetthet og hvordan det reagerer med kjente kjemiske stoff. Skiller det seg på et punkt i forhold til en annen liknende stoffprøve, så har vi noe nytt.

Skal vi avgjøre hva slags stoff det er, må vi sammenlikne egne observasjoner / målinger med de verdiene vi finner i tabeller over kjente kjemiske stoffer.

Igjen må vi konkludere med at det ikke er noen lett oppgave å forstå hva et kjemisk stoff er, ut fra en reint makroskopisk synsvinkel. Den samlende ideen mangler. Dersom eleven har forstått partikkelmodellen, så kan et hvert kjemisk stoff assosieres med sin unike partikkel (eller sine unike partikler), molekyler eller ioner. Vann består bare av vannmolekyler, sukker bare av sukkermolekyler, koksalt av en 1:1 blanding av natrium- og kloridioner etc. Er partikkelmodellen innført, kunne en arbeidsdefinisjon av et kjemisk stoff være: Et kjemisk stoff består av sin (sine) unike partikkel (-ler), det har en kjemisk formel (som sier hvilke atomer som inngår i partiklene) og det har sitt unike sett egenskaper (makronivå).

Skiller vi for eksempel kjemiske stoffer i en stoffblanding, så separerer vi partiklene i blandingen litt på samme måten som vi skiller ertene fra bønnene i ei blanding av de to frøene. Er noen av partiklene store, kan vi bruke ei rist (filtrerpapir) til å skille dem, er de omtrent like, må vi finne andre metoder.

Kjemiske reaksjoner

I kjemiske reaksjoner blir både nye kjemiske stoffer dannet og gamle forsvinner, men de vanlige erfaringene fra hverdagslivet er at kjemiske stoffer ikke forandrer seg. Vi setter salt og sukker opp i hylla og forventer å finne dem der som salt og sukker selv om vi lar dem stå der i måneds- eller årevis. Hvis noe forandrer seg, som for eksempel at spaden vår ruster etter bruk, så har vi en tendens til å tenke at jernet har rustet litt, men at det er der, ikke at noe (metallisk) jern har forsvunnet og at det er dannet noe fullstendig nytt, et nytt kjemisk stoff: rust.

Vi møter fenomener i hverdagen som likner på hverandre, men som har forskjellige forklaringer. Noen ganger dreier det seg om fysiske forandringer, andre ganger om kjemiske reaksjoner. Noen eksempel:

  • Lar vi et glass med kaldt vann stå i ro ved romtemperatur, dannes det bobler på innsiden av glasset. Legger vi noen marmorbiter i fortynnet eddik, vil det langsomt dannes bobler på overflaten.
  • Varmer vi vann opp til kokepunktet, begynner det å koke, det blir dannet bobler. Har vi noe natron oppi eddik, begynner det også ”å koke”, det blir dannet bobler.
  • Lar vi litt vann stå utildekket, for eksempel noen vannskvetter på kjøkkenbenken, så forsvinner det.
  • Brenner vi et stearinlys, så forsvinner stearinen. Legger vi litt mat ut i naturen og dekker den slik at ikke dyr kan spise på den, vil maten begynne å råtne og etter
    hvert vil den forsvinne.

Disse få eksempene viser at det langt fra alltid er lett å avgjøre om vi har med en kjemisk reaksjon å gjøre eller ikke. Selv om vi lærer at det blir dannet nye kjemiske stoffer i kjemiske reaksjoner, så er det lite i situasjonen som sier oss hva som er nytt eller ikke.

Elevene må ha en rimelig god forståelse for hva et kjemisk stoff er (se over). De kan lete etter tegn på nye kjemiske stoffer. Makroskopiske tegn på kjemiske reaksjoner som ofte blir nevnt er:

  • Fargeforandring – en ny egenskap, altså et nytt kjemisk stoff
  • Det blir dannet gass – indikerer et nytt kjemisk stoff med lavere kokepunkt (ny egenskap)
  • Det blir dannet en utfelling – indikerer et nytt kjemisk stoff med høyere smeltepunkt (ny egenskap)
  • Temperaturforandring – varmeenergi blir enten utviklet eller absorbert

Så lenge vi forholder oss til en ren makroskopisk beskrivelse, er jeg ikke sikker på om slike tommelregler hjelper så mye. Elevene sitter fremdeles igjen med det grunnleggende spørsmålet: Hvorfor skal kjemiske stoffer forsvinne og hvorfor skal nye oppstå?

Et år intervjuet jeg alle kjemistudentene mine før kjemikurset startet. For å komme inn på lærerutdanninga, må de ha gjennomgått normal kjemiundervisning fram til og med videregående skole. I et av spørsmålene ba jeg dem forklare stearinen som mangla på et halvbrent stearinlys. Den mest populære forklaringa var at stearinen hadde fordampa. For mange var dette kanskje en parallell forestilling til vann som fordamper. Noen få nevnte at det må ha foregått en reaksjon, noen nevnte også karbondioksid, men ingen nevnte vann (damp) som et produkt. Ingen var i stand til å gi en fullgod forklaring basert på en kjemisk reaksjon.

Dersom elevene kan bruke partikkelmodellen, kan kjemiske reaksjoner forklares med at partiklene, molekylene eller ionene, kolliderer eller påvirker hverandre på annen måte. Atomene som molekylene og ionene er bygd opp av, blir ”slått fra hverandre”. Atomene kan ikke forandres. De blir så satt sammen igjen (reorganisert) til nye kjemiske stoff, - nye molekyler eller ionekombinasjoner. En må huske på at i kjemiske reaksjoner er det alltid snakk om milliarder på milliarder av partikler som er involvert.

Jeg liker å referere til dette som ombyggingsideen. Gjennom kjemiske reaksjoner blir kjemiske stoff stadig ”revet fra hverandre”, og nye kjemiske stoff blir danna ut fra atomene. Kjemiske stoff forsvinner og nye oppstår hele tida.

Oppsummering og sluttbemerkninger

Partikkelmodellen kan hjelpe til å gi en logikk i å forstå stoff, faseoverganger og kjemiske reaksjoner. En ny verden åpner seg. Den materielle verden består av en blanding av ei rekke forskjellige kjemiske stoff. Disse kjemiske stoffene blir bygd om og bygd om i ei uendelig rekke av kjemiske reaksjoner. Resultatet er at de uforanderlige atomene ”vandrer rundt” i naturen. Selv det som er selve tegnet på det uforanderlige, fast fjell av granitt, vil gradvis eroderes og atomene vil kanskje gå inn i planter eller i oss.

Dersom vi og elevene ikke har et mentalt bilde, slik som partikkelmodellen, å tenke ut fra, så er kjemi en samling makroskopiske fenomen som ikke henger sammen. Vi lærer oss noen ord og kanskje å balansere kjemiske likninger, men det blir manipulering av tegn etter noen fastsatte regler. Noen prøver å lære seg matematikk på samme måten. Ved iherdig pugging kan en komme ganske langt i en skolesammenheng, men en lærer seg aldri å forstå kjemi og en vil aldri kunne tenke kjemisk og kunne vurdere nye situasjoner kjemisk.

Som lærere bør vi etter min mening satse på få elevene til å lære og å forstå partikkelmodellen samtidig som de arbeider med de andre grunnleggende begrepene. Når vi beveger oss over på atom og molekylnivå, bør vi hele tida vektlegge at det dreier seg om milliarder på milliarder av partikler i praktiske sammenhenger, ikke enkeltmolekyler eller ioner. Først da lærer elevene seg til å se sammenhengen mellom modellene (partikkelmodellen) og det som skjer i miljøet rundt oss. Løsinger er blandinger av to eller flere kjemiske stoffer, altså ei blanding av to eller flere typer partikler. Undersøkelser har vist at løsinger er et av de områda hvor folk ofte spontant tyr til partikler når de skal forklare det som skjer.

Løsinger kan derfor kanskje være et mulig startpunkt når en ønsker å introdusere partikkelmodellen for stoffer. Får vi elever til å begynne å resonere rundt hva som skjer når vil løser et stoff i f eks vann, så er vi godt i gang.

Litteratur

Frøyland, M., Hannisdal, M., Haugan, J., & Nyberg, J. (2006). Eureka! 8 Naturfag for ungdommstrinnet. Grunnbok Oslo: Gyldendal Undervisning.

Johnson, P. (1996). What is a substance? Education in chemistry, 33(2), 41-42+45.

Johnson, P. (2005). The development of children’s concept of a substance: A longitudinal study of interaction between curriculum and learning. Research in Science Education, 35(1), 41-61.