Lukion kemiakilpailu 2020−2021

Lukion kemiakilpailu on osa MAOLin kilpailutoimikunnan vuosittain järjestämiä Neljän tieteen kisoja, joissa lukiolaiset pääsevät kilpailemaan osaamisestaan luonnontieteissä. Kilpailuiden tehtävänä on tuottaa innostavia kokemuksia kemiasta kiinnostuneille opiskelijoille ja kerätä yhteen kemiassa hyvin pärjääviä opiskelijoita jo lukioaikana. Kilpailuissa menestyneille järjestetään yliopiston koordinoimaa valmennusta, joka tähtää Suomen kisatiimin muodostamiseen kansainvälisiä tiedeolympialaisia varten. Tästä artikkelista voit lukea kemiakilpailuiden järjestelyistä koronan varjostamana kilpailuvuonna 2020−2021, perussarjan ja avoimen sarjan voittajat ja kolmen parhaan haastattelut. Lopuksi voit vielä poimia käyttöön loppukilpailun kokeellisen osan työohjeen ratkaisuineen.

Lukion kemiakilpailuiden alkukilpailut pidettiin tiistaina 6.10.2020. Perussarjaan osallistui 147 ja avoimeen sarjaan 196 opiskelijaa. Yhteensä kilpailuun otti osaa opiskelijoita 53 eri lukiosta. Lukumäärät perustuvat lukioiden omaan ilmoitukseen. Muista vuosista poiketen myös loppukilpailut järjestettiin opiskelijoiden omissa lukioissa, koska sen hetkinen koronatilanne ei sallinut opiskelijoiden kokoontumista yliopistolle. Loppukilpailut pidettiin lukioissa 21. tammikuuta 2021. Lisäksi Helsingin yliopiston järjestämään valmennukseen annettiin osallistumismahdollisuus avoimessa sarjassa 30:lle ja perussarjassa 28:lle parhaiten sijoittuneelle opiskelijalle. Myös jatkovalmennus järjestettiin etänä.

Alkukilpailujen palautteen perusteella alkukilpailut onnistuivat niihin osallistuneissa kouluissa hyvin, eikä korona vaikuttanut muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta kilpailuiden järjestämiseen tai niihin osallistumiseen. Loppukilpailut osuivat sen sijaan hieman jännittävämpään ajankohtaan, koska ainakin pääkaupunkiseudun lukioissa elettiin pk-seudun koronakoordinaatioryhmän asettamaa etäopiskelujaksoa. Kilpailutoimikunta piti tärkeänä, että opiskelijat saavat koronasta huolimatta kokemusta sekä kokeellisesta että teoriakilpailusta.

Aikaisempina vuosina loppukilpailijat ovat päässeet suorittamaan kokeellista osuutta Helsingin yliopiston opetuslaboratorioon, jossa he ovat tehneet hieman teknisesti hankalampia kvantitatiivisia ja kvalitatiivisia analyysejä, kuten erilaisia titrauksia. Tänä vuonna kokeellinen osa suunniteltiin niin, että jokainen loppukilpailija pystyi omassa lukiossaan osallistumaan kisaan. Tämä oli iso ero aikaisempaan verrattuna, koska kokeellisen työn valmistelu ja toteutus sekä valvonta jäivät nyt lukioiden vastuulle. Kokeellisessa osassa käytetyt kemikaalit löytyivät suurimmasta osasta kouluja jo valmiiksi, mutta puuttuvia kemikaaleja toimitettiin Helsingin yliopistolta osaan lukioista etukäteiskyselyn perusteella. Ainakin kolmen kärkeen sijoittuneiden opiskelijoiden haastattelujen perusteella kokeellinen osa oli hauska ja sopivan haastava. Kokeellisen osan ohje ja ratkaisut löytyvät tämän artikkelin lopusta.

Lopuksi haluamme vielä kiittää kaikkia opettajia, jotka mahdollistivat opiskelijoidensa osallistumisen alkukilpailuihin, sekä opettajia, jotka osallistuivat loppukilpailujen järjestämiseen! Kemian kilpailutoimikunta onnittelee kaikkia kilpailussa menestyneitä opiskelijoita ja heidän opettajiaan!

Kemian kilpailutoimikunnan puolesta Nelly Heiskanen, FM, Lukion kemian lehtori, Ressun lukio Maija Honkela, TkT, Lukion kemian lehtori, Otaniemen lukio

Voittajat

Perussarjan voittajat ja palkinnot

Iida Saraniemi, Lyseonpuiston lukio, Rovaniemi (170 €) Matti Kalttila, Tampereen klassillinen lukio (120 €) Santtu Lukkari, Kajaanin lukio (90 €)

Avoimen sarjan voittajat ja palkinnot

Aku Hertell, Ressun lukio (600 €) Miro Karsikas, Kajaanin lukio (350 €) Aarne Heikkilä, Turun Suomalaisen Yhteiskoulun lukio (200 €)

Opiskelijoiden kokemuksia kilpailusta ja voittajien esittely

Halusimme tuoda esille myös kilpailijoiden näkökulman. Kemiakilpailun kolme parasta kirjoittivat kokemuksistaan kilpailussa, valmennuksessa ja jatkosuunnitelmistaan.

Aku Hertell, Ressun lukio

Olen Aku Hertell, 18-vuotias Ressun lukion abiturientti. Käyn lukiota kotikylästäni Nurmijärven Klaukkalasta käsin. Kemia on kiinnostanut minua jo alakoulun ympäristötiedosta lähtien. Olen luonteeltani utelias erityisesti ympäröivän luonnon toimintaa kohtaan. Osallistuin perussarjan alkukilpailuun kilpailuhenkisyyteni ja opettajani kannustuksen vuoksi. Tänä vuonna osallistuin avoimen sarjan kilpailuun, koska halusin haastaa itseäni ja koska olin sijoittunut hyvin myös perussarjan kilpailussa.

Loppukilpailu oli mielenkiintoinen ja haastava, muttei liian vaikea. Teoreettisissa tehtävissä oli aina jotain tuttua, mutta ne vaativat kyvyn omaksua ja soveltaa uutta tietoa nopeasti. Aikaa tuntui olevan juuri sopivasti, mikä oli miellyttävä yllätys. Kokeellinen osa oli siten mukavasti toteutettu, että ensimmäiset tehtävät antoivat vihjeen myöhempien tehtävien tekemiseen. Kauan jatkuneen etäopetuksen jälkeen oli mukava päästä harjoittamaan pitkästä aikaa kokeellista kemiaa. Loppukilpailussa parasta oli mahdollisuus oivaltaa uusia yhteyksiä vanhojen oppisisältöjen välille ja päästä kokeilemaan niitä käytännössä kokeellisissa tehtävissä.

Jatkovalmennuksessa olen päässyt tutustumaan varsin monenlaisiin lukiolaiselle tuntemattomampiin kemian osa-alueisiin. Se on toisaalta ollut äärimmäisen mielenkiintoista, mutta ajoittain myös tuskastuttavan vaikeaa. Onneksi apuna ovat hyvät oppimateriaalit, perussarjan valmennuksesta saatu kokemus sekä tietenkin internet.

Lukion jälkeen suuntana on yliopisto, näillä näkymin Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan ja matematiikan koulutusohjelma. Pyrin sisällyttämään opintoihin myös kemiaa jossakin muodossa. Ennen yliopistoa suoritan varusmiespalveluksen, joka onneksi tarjoaa pienen tauon opiskelusta.

Miro Karsikas, Kajaanin lukio

Hei! Miro Karsikas täällä. Olen 18-vuotias nuorukainen Kainuusta. Tyyppinä olen nörttimäisemmästä päästä, ja tietokoneet, tiede ja kaikki maailman mielenkiintoinen asia on mieleen. Lisäksi kissat ovat lähellä sydäntä (Ihana Orri-kissani <3) ja mikä tärkeintä, kemia.

Osallistuin kemiakilpailuun osittain omasta kilpailullisuudestani, mutta toisaalta myös opettajan houkuttelemana. Tiesin olevani hyvä kemiassa, mutta en ollut kovin varma omista taidoistani. Opettajani oli kilpailusta todella innoissaan, mikä sai minutkin siitä paljon tietoisemmaksi. Lopulta kyse oli itseni testaamisesta ja halusta olla paras. Näin tässä myös kävi, niin en kadu.

Loppukilpailu oli mahtava kokemus! Vaikka se tapahtui koululla tavallisemmissa merkeissä, oli kilpailu itsessään täynnä jännitystä ja mielenkiintoisia käänteitä. Minut yllätti tehtävien hankaluus. Tiesin niiden olevan hankalia, mutta kilpailutehtävissä tuli ihan uuttakin asiaa, joten oli pakko ajatella nopeasti. Kokeellinen osio oli hieno lisä, sillä sen tapaisia määrityksiä pääsee harvemmin tekemään. Selvä kohokohta kilpailussa oli koetilaisuuden loppu. Viimeiset minuutit olivat todella intensiivisiä. Yritin raapia adrenaliinipäissäni kaikki viimeiset pisteet, mitkä ulottuvillani olivat. Lopun koittaessa pääsin vaihtamaan vapaalle ja oli voittajafiilis. Kaiken kruunasi kemialliset keskustelut opettajan ja kilpakumppanini kanssa.

Jatkovalmennus on ollut vaikeaa. Sen etätoteutus ei ollut optimaalisin, ja se meni minulta melkein ohi. Muistin vasta luentojen puolessa välissä tulla mukaan, mutta onneksi ne olivat myös tallennettuna netissä. Ensimmäinen tehtäväpaketti sisälsi todella haastavia tehtäviä ja vei tuntikaupalla aikaa. Melkein revin hiukset päästäni niiden kanssa, mutta selvisin. Odotan innolla (ja kauhulla) valmennuksen jatkoa. Siitä voi tulla vielä hieno kokemus.

Yritän lukion jälkeen päästä lääkikseen. Lääketiede on jo pidempään kiinnostanut. Se yhdistää kiinnostuksenaiheitani kemiasta, biologiasta, fysiikasta ja matikasta mielenkiintoisin tavoin. Lääkis on ykköstavoitteena heti piakkoin, mutta muuten tulevaisuus on avoin. Kajaanista poispääsyn lisäksi kissanpennun tai parin hankkiminen olisi ihanaa. Eipä tässä muuta. Kemia on kivaa.

Aarne Heikkilä, Turun Suomalaisen Yhteiskoulun lukio

Olen toisen vuoden opiskelija Turun Suomalaisen Yhteiskoulun lukion luonnontiedelinjalla. Lukiossamme on viime vuosina osallistuttu aktiivisesti luonnontieteiden kilpailuihin ja menestystäkin on tullut. Halusin jatkaa tätä perinnettä, joten osallistuin syksyllä Neljän tieteen kisojen kemian alkukilpailuun samoin kuin fysiikan ja matematiikankin kilpailuihin. En uskonut itse menestyväni näin hyvin, mutta ajattelin, että onpahan kilpailu ainakin mielenkiintoinen kokemus.

Alkukilpailun jälkeen otin osaa joulukuussa etänä pidettyihin teoreettisiin jatkovalmennusluentoihin, joita pidettiin viiden päivän ajan. Niiden aikana syvennettiin kemian tuntemusta ja opittiin paljon uuttakin tietoa. Valmennus jatkui joulu- ja tammikuussa itsenäisesti valmennusvideoita katsomalla ja kirjevalmennustehtäviä tekemällä. Nämä tehtävät olivat hyvin haastavia, mutta kovalla työllä ja mietinnällä niistäkin selvisi.

Tammikuussa omassa koulussa pidetty loppukilpailu oli minusta kiinnostava ja mukava tapahtuma. Sen teoreettiset tehtävät olivat pitkälti samanlaisia kuin kuvittelin, ja niissä tulivat osittain tarpeeseen lukio-oppimäärän lisäksi myös jatkovalmennuksessa saadut tiedot ja taidot. Kokeellinen osuus yllätti yksinkertaisuudessaan. Siinä painotettiin enemmänkin havainnointia ja kvalitatiivista ongelmanratkaisua kuin titrauksen kaltaisia kvantitatiivisia analyysimenetelmiä. Se oli myös mielestäni kilpailun paras osa, sillä siinä pääsi käsittelemään kemikaaleja käytännössä ja tuntemaan itsensä viralliseksi.

Tulevaisuudestani en vielä ole varma, mutta luultavasti siirryn lukion jälkeen yliopistoon opiskelemaan. Pääsenhän nyt kilpailumenestykseni perusteella ainakin kemian alalle suoraan ilman pääsykokeita. Saattaa kuitenkin olla, että lopullinen valintani on erilainen.

Kuvat 1 ja 2 Otaniemen lukiosta ovat Maija Honkelan ottamia ja voittajien kuvat heidän itsensä ottamiaan.

Kokeellinen osa – Kemiakilpailun loppukilpailu 21.1.2021 Vastaa kaikkiin kysymyksiin. Vastaa erilliselle paperille. Voit käyttää MAOL-taulukkokirjaa. Aikaa on 120 minuuttia.

A. Reaktiot ja reaktioyhtälöt (kirjoita havainnot ja laadi reaktioyhtälöt) A1. Mittaa 1 M HNO₃-liuoksen ja 2 M NH₃-liuoksen pH:t pH-paperilla. Kirjaa havainnot.

A2. Tee liekkireaktiot 0,1 M Na₂CO₃-, 0,1 M CaCl₂– ja 0,1 M CuSO₄-liuoksille. Kirjaa havainnot.

A3. Ota koeputkeen 3 pisaraa 0,1 M CuSO₄-liuosta ja lisää 3 pisaraa 2 M NH₃-liuosta. Kirjaa havainnot ja laadi reaktioyhtälö.

A4. Ota koeputkeen 20 pisaraa 0,1 M Na₂CO₃-liuosta ja lisää 5 pisaraa 1 M HNO₃-liuosta, sekoita ja havainnoi sekoittamisen aikana huolellisesti. Kirjaa havainnot ja laadi reaktioyhtälö.

A5. Ota koeputkeen 3 pisaraa 0,1 M Na₂CO₃-liuosta ja lisää 3 pisaraa 0,1 M AgNO₃-liuosta. Tee havainnot ja laadi reaktioyhtälö. Lisää sitten 3 pisaraa 1 M HNO₃-liuosta ja sekoita lasisauvalla ja tee uudet havainnot ja laadi reaktioyhtälö.

A6. Ota koeputkeen 3 pisaraa 0,1 M Na₂CO₃-liuosta ja lisää 3 pisaraa 0,1 M BaCl₂-liuosta. Tee havainnot ja laadi reaktioyhtälö. Lisää sitten 3 pisaraa 1 M HNO₃-liuosta ja sekoita lasisauvalla ja tee uudet havainnot ja laadi reaktioyhtälö.

A7. Ota koeputkeen 3 pisaraa 0,1 M CaCl₂-liuosta ja lisää 3 pisaraa 0,1 M AgNO₃-liuosta. Tee havainnot ja laadi reaktioyhtälö. Lisää sitten 3 pisaraa 1 M HNO₃-liuosta ja sekoita lasisauvalla ja tee uudet havainnot ja laadi reaktioyhtälö.

A8. Ota koeputkeen 3 pisaraa 0,1 M CuSO₄-liuosta ja lisää 3 pisaraa 0,1 M BaCl₂-liuosta. Tee havainnot ja laadi reaktioyhtälö. Lisää sitten 3 pisaraa 1 M HNO₃-liuosta ja sekoita lasisauvalla ja tee uudet havainnot ja laadi reaktioyhtälö.

B. Analyysit Mitä seuraavista ioneista; H⁺, Na⁺, Ca²⁺, Cu²⁺, Cl^–, SO₄^2- ja CO₃^2-, näytteet B1, B2 ja B3 sisältävät (vähintään 0,05 M konsentraatiossa)? Esitä johtopäätösten perusteena olevat havainnot.

C. Jatkokysymykset C1. B-kohdassa tutkittavan näytteen vastaukseksi saatiin, että näyte sisältää ioneja H⁺ ja CO₃^2-. Mitä mieltä olet tämän tuloksen järkevyydestä? Perustele. C2. Miltä näyttäisi B-kohdan tutkittava näyte, joka sisältää ioneja Ca²⁺ ja CO₃^2- -ioneita? C3. Miten kokeen A3 havainnot eroavat, jos Cu²⁺-liuos sisältää runsaasti happoa? C4. Miksi HNO₃:n vaikutus on kokeissa A7 ja A8 kovasti erilainen verrattuna kokeisiin A5 ja A6?

Tarvittavat liuokset ja muut tarvikkeet Tarvittavat liuokset 0,1 M Na₂CO₃ 0,1 M CaCl₂ 0,1 M CuSO₄ 0,1 M AgNO₃ 0,1 M BaCl₂ 1 M HNO₃ 2 M NH₃ 1 M HCl (tarvitaan vain näytteen 3 valmistukseen, ei anneta kilpailijoille erikseen)

Analysoitavat näytteet: B1) 0,1 M Na₂CO₃ B2) 0,1 M CaCl₂ B3) 0,1 M CuSO₄ + 1 M HCl

Muut tarvikkeet: Koeputkia, koeputkiteline, kaasupoltin, krominikkelilankaa, pipettejä

Kokeellisen osan vastaukset ja pisteytysohje  A1. HNO₃ pH = 0, NH₃ pH = 11 (hyväksytään +/- 1) [1p] A2. Na keltainen, Ca tiilenpunainen, Cu vihreä [2p] A3. NH₃ tekee liuoksen vaaleansinisestä syvänsiniseksi (1p havainto, 1p reaktioyhtälö) [2p] Cu²⁺ (aq) + 4 NH₃ (aq) 🡪 [Cu(NH₃)₄]²⁺ (aq) (jos havaintoja tekee ensimmäisellä ammoniakkipisaralla erikseen voi havaita saostuman joka sitten liukenee kun ammoniakkia lisää lisää) A4. Havaitaan kuplia. [2p] CO₃^2- (aq) + 2 H⁺ (aq) 🡪 CO₂ (g) + H₂O (l) A5. saostuma muodostuu ja liukenee [2½ p] CO₃^2- (aq) + 2 Ag⁺ (aq) 🡪 Ag₂CO₃ (s) Ag₂CO₃ (s) + 2 H⁺ (aq) 🡪 2 Ag⁺ (aq) + CO₂ (g) + H₂O (l) A6. vaalea saostuma muodostuu ja liukenee [2½p] CO₃^2-(aq) + Ba²⁺(aq) 🡪 BaCO₃(s) BaCO₃ (s) + 2 H⁺ (aq) 🡪 Ba²⁺ (aq) + CO₂ (g) + H₂O (l) A7. saostuma muodostuu eikä liukene [2p] Cl^– (aq) + Ag⁺ (aq) 🡪 AgCl (s) A8. saostuma muodostuu eikä liukene [2p] SO₄^2- (aq) + Ba²⁺ (aq) 🡪 BaSO₄ (s)

B1. Na₂CO₃ (kohtien A2 ja A4 mukaiset havainnot) [5p] B2. CaCl₂ (kohtien A2 ja A7 mukaiset havainnot) [5p] B3. CuSO₄ HCl:ssä (kohtien A1, A2/A4, A7 ja A8 mukaiset havainnot) [5p] B-osiossa tietysti myös oikeat negatiiviset havainnot ovat pisteenarvoisia (niin että vääristä positiivisista menettää pisteitä). Yleisesti 5p/näyte siten että kationit 2½p ja anionit 2½p.

C1. Mahdotonta. Kohdan A4 mukaisesti ko. ionit eivät pysy samassa liuoksessa. [2p] C2. Sisältäisi saostumaa. (Voi vaikka testata yhdistämällä B1 ja B2). [2p] C3. Ammoniakkia pitää lisätä enemmän ennen kuin mitään havaitaan. [2p] C4. Niukkaliukoiset karbonaatit liukenevat happoon mutta vahvojen happojen suolat AgCl ja BaSO₄, jotka eivät liukene veteen, eivät liukene happoonkaan. [3p]