Puskuriliuokset uudessa opetussuunnitelmassa
Kirjoituksen tarkoitus on antaa virikkeitä uuden opetussuunnitelman mukaisten puskuriliuosoppituntien suunnitteluun. Lisäksi tavoitteena on herättää pohdintaa ja keskustelua aiheesta. Kirjoittaja opettaa Helsingin yliopiston kemian kandiohjelmassa 20 opintopistettä liuosten kemiaa, joista 10 opintopistettä on luentokursseja ja 10 opintopistettä laboratoriotöitä. Kirjoittaja keskustelee mielellään lukijoiden kanssa liuostasapainoihin liittyen.
Artikkelin jatko-osa Puskuriliuoksen pH:n laskemisesta (Dimensio 20.6.2023)
Johdanto
Uudessa lukion opetussuunnitelmassa puskuriliuosten käsittely on määritelty ”puskuriliuosten toimintaperiaate sekä elimistön ja luonnon puskurisysteemejä kvalitatiivisella tasolla”. Vaikka ”kvalitatiivisella tasolla” sinänsä voi viitata tai olla viittaamatta myös alun ”puskuriliuosten toimintaperiaatteeseen”, selvää on, ettei puskuriliuoksen pH:ta enää tarvitse laskea. Puskuriliuosten toimintaperiaate sisältyy kuitenkin edelleen oppimäärään. Edelleen opetussuunnitelman perusteissa mainitaan ”puskuriliuoksen valmistaminen ja puskurointikyvyn tutkiminen” kokeellisena tutkimuksena, jolla tätä oppisisältöä voidaan tarkastella.
Puskuriliuoksen pH:n laskeminen itsessään ei olekaan vielä lukiokontekstissa kovin oleellista. Sen sijaan laskemisen poistuminen antaa tässä mahdollisuuden oppia itse konsepti paremmin. Sellaisen osaamisen varassa pH:n laskemisen opettaminen voikin sittemmin onnistua esimerkiksi yliopistossa helpommin kuin nykyään. Itse asiassa puskuriliuoksen pH:n laskemisen poistumisen lukion oppisisällöistä voikin nähdä pyrkimyksenä korvata tässä asiassa matemaattista osaamista paremmalla kemiallisella osaamisella. Tässä artikkelissa tarkastellaan, miten tämä voidaan saavuttaa.
Puskuriliuosten kemia
Puskuriliuosten kemian lainalaisuudet ovat seuraavat:
1. Puskuriliuos valmistetaan laittamalla liuokseen etikkahappoa ja natriumasetaattia (tai jotain muuta heikkoa happoa ja sitä vastaavaa heikkoa emästä, jatkossa ”puskurikomponentit”).
2. Puskuriliuoksessa on etikkahappomolekyylejä niin paljon kuin sinne on laitettu etikkahappoa, ja asetaatti-ioneja niin paljon kuin sinne on laitettu natriumasetaattia.
3. Puskuriliuoksen pH ei muutu lisättyä vety- tai hydroksidi-ionimäärää vastaavasti, koska ne kuluvat reaktioissa puskurikomponenttien kanssa:
$$\mathrm{Ac}^- + \mathrm{H}^+ \rightarrow \mathrm{HAc} \hspace{2cm} (1)$$
$$\mathrm{HAc} + \mathrm{OH}^- \rightarrow \mathrm{Ac}^- + \mathrm{H_2O} \hspace{2cm} (2)$$
4. Puskuriliuoksen pH lasketaan sijoittamalla kohdan 2 mukaiset (tai kohdan 3 mukaan muuttuneet) konsentraatiot happovakion lausekkeeseen:
$$K_a=\mathrm{\frac{\left[H^+\right]\left[Ac^-\right]}{\left[HAc\right]}}=\frac{\mathrm{\left[H^+\right]}C\left(\mathrm{NaAc}\right)}{C\left(\mathrm{HAc}\right)}\Leftrightarrow\left[\mathrm{H^+}\right]=\frac{K_aC\left(\mathrm{HAc}\right)}{C\left(\mathrm{NaAc}\right)}\Rightarrow \mathrm{pH}=-\lg\left[\mathrm{H^+}\right] \hspace{2cm} (3)$$
Lausekkeissa merkintä $C\left(\mathrm{HAc}\right)$ tarkoittaa sitä konsentraatiota etikkahappoa, joka liuokseen on laitettu, ja merkintä $\mathrm{\left[HAc\right]}$ sitä konsentraatiota, joka liuoksessa oikeasti on. Näistä voidaan käyttää nimityksiä alku- ja tasapainokonsentraatiot. Esimerkiksi liuokselle, joka sisältää $0,200 \; \mathrm{mol/l} \; \mathrm{HAc}$ ja $0,100 \; \mathrm{mol/l} \; \mathrm{NaAc}$, saadaan:
$$\mathrm{[H^+]}=\frac{10^{-4,757} \cdot 0,2}{0,1}=3,500 \cdot 10^{-5} \; \mathrm{M} \Rightarrow \mathrm{pH} = -\lg\left(3{,}5\cdot10^{-5}\right) = 4,456 \hspace{2cm} (4)$$
Tämän kirjoituksen myöhemmin julkaistavassa jatko-osassa tarkastellaan puskuriliuoksen pH:n laskemisen vaihtoehtoisia tapoja ja perustellaan, miksi ne eivät ole yhtä hyviä kuin tässä esitetty tapa. Niiden erittelyn pointti on, ettei opetuksessa ainakaan enää esitettäisi mitään niihin viittaavaa, kun puskuriliuoksen pH:ta ei tarvitse lukiossa laskea.
Lainalaisuuksien 1-4 roolit uudessa opetussuunnitelmassa
Uuden OPSin mukaan lainalaisuutta 4 ei siis tarvitse opiskella mutta lainalaisuudet 1 ja 3 ovat vaatimuksena, kun OPSin mukaan puskuriliuosten toimintaperiaate pitää opiskella. Lainalaisuuden 2 käsittelyn laajuuden tarpeellisuudesta voi olla monta mieltä. Jollakin tasolla se on joka tapauksessa tarpeen, jotta lainalaisuutta 3 on mahdollista opiskella. Lainalaisuutta 3 varten ei nimittäin riitä lainalaisuuden 1 mukainen tieto, että puskuriliuokseen on laitettu etikkahappoa ja natriumasetaattia, vaan siihen tarvitaan lainalaisuuden 2 mukainen tieto, että liuoksessa myös tosiasiassa on merkittäviä määriä etikkahappomolekyylejä ja asetaatti-ioneja. Mutta eroja voi saada aikaan sillä, kuinka syvällisesti lainalaisuus 2 opiskellaan.
Ensinnäkin tietosisällöltään lainalaisuuden 2 voi esittää kolmella tasolla: että molempia puskurikomponentteja on liuoksessa a) jonkin suuruisia merkittäviä määriä, b) alkukonsentraatioiden kanssa vertailukelpoisia määriä tai c) alkukonsentraatioiden kanssa nimenomaan samansuuruiset määrät. Lisää tasoja saa sillä, kuinka vahvasti valittu tietotaso perustellaan. Kun kyseessä ei ole keskenään reagoivat aineet, on varsin loogista, että niitä tulee liuoksessa olemaan juurikin alkuperäisten suuruiset määrät. Itse asiassa jos asiasta kysyttäisiin ennen kuin opiskelijat ovat tutustuneet protolyysitasapainoihin, useimmat todennäköisesti olettaisivat juuri näin. Näin ollen lähinnä vain muu opetus on voinut herättää oppijoissa epävarmuutta tuota päätelmää kohtaan. Tällöin oppijat voivat kuitenkin hyväksyä ylimmän tason c mukaisen tiedon, kun se esitetään heille yksinkertaisesti: kyseessä eivät ole reagoivat aineet, jolloin intuitiivinen oletus tilanteen kehittymisestä tai kehittymättömyydestä on oikea. Koska oikeita oletuksia pitää opetuksessa pyrkiä vahvistamaan eikä heikentämään, tason c mukaisen tiedon opettamista voi uudenkin opetussuunnitelman mukaan työskenneltäessä pitää ainoana järkevänä valintana tasojen a ja b antaessa lähinnä vaikutelman tiedon panttaamisesta!
Jos abiturientti tietää, että molempia puskurikomponentteja on puskuriliuoksessa juuri ne määrät, joita niitä on sinne laitettu, tästä on loppujen lopuksi hyvin pieni askel puskuriliuoksen pH:n laskemiseen lainalaisuuden 4 mukaisesti esimerkiksi yliopistossa. Nykyisellään kun puskuriliuoksen pH:n laskemisen oppiminen on lukiossa ollut pikemminkin itsetarkoitus, laskemista on saatettu tehdä muilla tavoin kuin lainalaisuuden 4 mukaisesti. Tällöin nimenomaan lainalaisuuden 2 oppiminen on itse asiassa voinut jäädä hyvinkin vaillinaiseksi, mikä on ollut yksi syy siihen, että puskuriliuokset ovat saattaneet tuntua lukion kemian viimeisen valtakunnallisen kurssin muita sisältöjä vaikeammilta.
Nyt kun lainalaisuutta 4 ei siis enää opiskella, myös lainalaisuuden 2 käyttö jää lukiossa vähäiseksi. Tällöin sen sisäistäminen ei tietenkään tule kovin vahvaksi ja tämä tarkoittaa väistämättä sitä, että kun lainalaisuutta 4 opetetaan jatko-opinnoissa, sen pohjalla olevaa lainalaisuutta 2 täytyy ensin prosessoida lisää. Tämä on kuitenkin helposti tehtävissä kertaamalla lainalaisuudelle 2 yllä oleva perustelu ja esittämällä lisäksi alla oleva vahvempi perustelu. Sillä, ettei lainalaisuutta 2 kuitenkaan uuden opetussuunnitelman mukaan opetettaessa tulla kunnolla sisäistämään, ei näin ollen voi oikeuttaa sen opettamatta jättämistä. Uuden opetussuunnitelman mukaisen puskuriliuosten opetuksen on tarkoitus antaa hyvät, ehkä jopa nykyistä paremmat, valmiudet asian syventämiseen myöhemmin.
Tarvitseeko lainalaisuutta 2 perustella yllä olevaa syvällisemmin?
Opetuksen toteutusta suunnitellessaan lukion opettaja saattaa toisaalta miettiä, kannattaako hänen perustella opetuksessaan lainalaisuutta 2 myös jotenkin vahvemmin kuin yllä on esitetty. Pelkkä puskurikomponenttien keskinäiseen reagoimattomuuteen nojaava perustelu ei itse asiassa edes ole kovin kaukana riittävästä tieteellisestä argumentoinnista. Näin ollen ja koska lainalaisuutta ei enää tulla hyödyntämään puskuriliuoksen pH:n laskemisessa, vahvemmat perustelut eivät välttämättä ole tarpeen. Missään tapauksessa ei kannata esittää lainalaisuudelle 2 minkäänlaisia laskennallisia perusteluja, koska se vesittäisi kaikki opetussuunnitelmauudistuksen hyvät tarkoitukset. Kuitenkin jos opettaja toteuttaa opetuksessaan opetussuunnitelman perusteissa ehdotetun kokeellisen tutkimuksen puskuriliuoksista ja käyttää siinä pH-mittaria, mikään ei varmaankaan estä toteamasta entiseen tapaan, että liuoksen alku-pH noudattaa lainalaisuuteen 2 perustuvan lainalaisuuden 4 mukaista ennustetta. Tällöin lainalaisuudelle 2 saadaan siis kokeellinen perustelu. Jos opettaja haluaa perustella lainalaisuutta 2 protolyysitasapainojen kontekstissa kokeellisesta työskentelystä ja pH:n laskemisesta riippumattomasti, kestävintä on esittää seuraava kvalitatiivinen päättelyketju:
Ennen puskuriliuosten opiskelua on laskettu etikkahappoliuoksen pH ja natriumasetaattiliuoksen pH. Kummassakin tapauksessa on viimeistään laskemisen jälkeen ollut nähtävissä, että melkein kaikki lähtöprotolyytti on ollut liuoksessa alkuperäisessä muodossaan (jatkossa ”heikkojen protolyyttien päälainalaisuus”). Verrattuna puhtaaseen etikkahappoliuokseen, etikkahappo-natriumasetaattipuskuriliuokseen on laitettu myös etikkahapon vastinemästä. Le Chatelierin periaatteen mukaisesti se etikkahapon protolyysitasapainon 1 reaktiotuotteena siirtää tasapainoa entisestään vasemmalle, jolloin heikkojen protolyyttien päälainalaisuus pätee etikkahapolle puskuriliuoksessa vielä vahvemmin. Vastaava päättely voidaan tehdä asetaatti-ionille. Siis kun heikkojen protolyyttien päälainalaisuus on voimassa sekä etikkahapolle että asetaatti-ionille niiden puhtaissa liuoksissa, niin se on voimassa niille molemmille puskuriliuoksessa a fortiori, sitä suuremmalla syyllä.
Heikkojen protolyyttien päälainalaisuus lukiokontekstissa
Riippumatta siitä, esitetäänkö äskeinen päättelyketju vai ei, tämän artikkelin kirjoittaja näkisi mielellään, että heikkojen protolyyttien päälainalaisuutta korostettaisiin opetuksessa mahdollisimman paljon. Käytännön laboratoriotyöskentelyssä heikon protolyytin liuoksen pH:ta joudutaan nimittäin tarkasti laskemaan melko harvoin, jos jo ilman laskemista ymmärretään, että se on joitakin yksiköitä lähempänä 7:ää kuin vastaavan vahvan protolyytin liuoksen pH. Sen sijaan jos tämänkaltainen intuitio ei pääse kehittymään, niin käytännön laboratoriotyöskentely muodostuu helposti varsin hankalaksi, kun tämän tästä joudutaan turvautumaan yhtälöiden kirjoittamiseen ja ratkaisemiseen. Liuostyöskentelyssä voi nimittäin tulla vastaan paljon muitakin tilanteita, joissa tasapainoista tarvitaan tietoa, mutta suuntaa antava tieto riittää. Tällöin, jos tarvittavan tiedon osaa päätellä, välttyy paljolta ylimääräiseltä vaivalta.
Laskeminen saattaa pahimmillaan piilottaa opiskelijoiden näkyvistä sitä arvokasta kemiallista tietoa, jota sellaisessa päättelyssä tarvitaan. Tämä vaara on erityisen suuri, ellei laskutulosten kemiallisia merkityksiä tarkastella edes jälkeenpäin. Toisaalta kemiallisten lainalaisuuksien ymmärtäminen vahvistuu laskemisen yhteydessä, jos niitä hyödynnetään itse laskemisessa. Yksittäisen heikon protolyytin liuoksen pH:n laskeminen säilyy edelleen lukion kemian oppimäärässä. Jos nyt samalla kun puskuriliuosten käsittely muuttuu puhtaasti kvalitatiiviseksi, tuodaan myös heikon protolyytin puhtaan liuoksen pH:n laskemiseen takaisin kvalitatiivista, ns. approksimatiivista ajattelua, abiturienttien ymmärrys heikoista protolyyteistä voidaan saada huomattavasti nykyistä paremmaksi. Siis, protolyysivakion nimittäjästä kannattaa jättää $-x$ pois ja todeta jälkeenpäin, että se approksimaatio oli sovitun tarkkuusrajan (esim. $5\; %$) puitteissa oikeutettu. Tällöin ymmärrys heikkojen protolyyttien olemuksesta kehittyy jokaisen laskutehtävän yhteydessä.
Puskuriliuosten demonstraatio
Puskuriliuosten visuaalisessa demonstraatiossa etikkahappo-natriumasetaattipuskuriliuosta titrataan a) suolahapolla käyttäen indikaattorina bromifenolisinistä, b) natriumhydroksidilla käyttäen indikaattorina bromitymolisinistä ja c) kummalla tahansa tai laimennetaan vedellä käyttäen indikaattorina bromikresolivihreää. Versioissa a ja b havaitaan, että vastakkaisesta puskurikomponentista kuluu melkein kaikki ennen kuin liuoksen väri alkaa vaihtua. Versiossa c havaitaan, että sekaväri pysyy muuttumattomana vedellä laimennettaessa ja muuttuu erittäin hitaasti kohti kyseisen muodon puhdasta väriä titrattaessa hapolla tai emäksellä.
Yhteenveto
Yhteenvetona voidaan todeta, että puskuriliuosten lainalaisuuden 2 opettaminen on uudenkin opetussuunnitelman perusteella paikallaan. Mutta sitä ei välttämättä tarvitse perustella kovin syvällisesti vaan alkeellinen perustelu voi riittää.
Kirjoittaja: Kjell Knapas kjell.knapas at helsinki.fi
