Sidokset ja niiden mallintaminen - Helsinki.fi

Laudaturtutkielma
Fysiikka, opettajan suuntautumisvaihtoehto
SIDOKSET JA NIIDEN MALLINTAMINEN
LUKION PAKOLLISILLA KURSSEILLA
Tuula Sorjonen
15.05.2008
Ohjaaja(t):
professori, emeritus Kaarle Kurki­Suonio
professori Heimo Saarikko
Tarkastajat:
professori, emeritus Kaarle Kurki­Suonio
professori Heimo Saarikko
HELSINGIN YLIOPISTO
FYSIIKAN LAITOS
PL 64 (Gustaf Hällströmin katu 2)
00014 Helsingin yliopisto

HELSINGIN YLIOPISTO − HELSINGFORS UNIVERSITET
Tiedekunta/Osasto − Fakultet/Sektion
Laitos − Institution
matemaattis­luonnontieteellinen
fysiikan laitos
Tekijä − Författare
Sorjonen Tuula
Työn nimi − Arbetets titel
Sidokset ja niiden mallintaminen lukion kaikille pakollisilla kursseilla
Oppiaine − Läroämne
Fysiikka, opettajan suuntautumisvaihtoehto
Työn laji − Arbetets art
Laudaturtutkielma
Tiivistelmä – Referat
Aika − Datum
09.05.2008
Sivumäärä − Sidoantal
Tutkielmassa tehtiin yhteenveto sidoksista ja niiden mallintamisesta sekä tutkittiin lukioopiskelijoiden
sidoksiin liittyviä virhekäsityksiä heidän suoritettuaan osan fysiikan, kemian ja
biologian pakollisista kursseista.
Virhekäsityksiä tutkittiin kyselylomakkeen avulla, jonka kysymykset liittyivät molekyylien
sisäisiin ja niiden välisiin sidoksiin sekä ionisidokseen. Metallisidoksen malli käsitellään
vasta syventävillä kursseilla, joten se jätettiin opiskelijakyselyn ulkopuolelle.
Opiskelijoilla ilmeni erilaisia vuorovaikutuksiin liittyviä virhekäsityksiä. Erityisesti voitiin
ajatella, että :
– poolittomien molekyylien välillä ei ole vuorovaikutuksia,
– kukin natriumioni vuorovaikuttaa vain viereisen kloridi­ ja natriumionin kanssa
– vesimolekyylit eivät vuorovaikuta keskenään.
Liukenemiseen monet opiskelijat liittivät kuuluvaksi aina kylläisen liuoksen. Parhaiten
mallinnettiin olomuodon muutos.
Avainsanat ­ Nyckelord
Sidokset, virhekäsitykset
Säilytyspaikka ­ Förvaringställe
Muita tietoja

SISÄLLYS
Johdanto .....................................................................................................................................................................................2
1.Sidosten luokittelu ..................................................................................................................................................................4
1.1 Ionisidos .........................................................................................................................................................................6
1.2 Kovalenttinen sidos .......................................................................................................................................................8
1.3 Metallisidos ..................................................................................................................................................................11
1.4 Molekyylien väliset sidokset ........................................................................................................................................12
2. Sidosten vaikutus aineen ominaisuuksiin .............................................................................................................................13
3. Sidokset ja mallintaminen opetussuunnitelmien valossa .....................................................................................................14
4. Ennakkokäsitysten teoriaa ....................................................................................................................................................16
5. Kysely ensimmäisen vuosikurssin opiskelijoille sidoksista ................................................................................................18
5.1 Tulokset .......................................................................................................................................................................18
6. Yhteenveto ...........................................................................................................................................................................22
Lähdeluettelo ............................................................................................................................................................................25
Liitteet ......................................................................................................................................................................................26
1

Johdanto
Laudaturtyön aiheen valinta oli tulosta kymmenen vuoden kemian, matematiikan ja fysiikan
lukion opettajan työkokemuksesta. Mallien rajallisuuden ymmärtäminen ja mallien
soveltaminen ongelmanratkaisuun on tärkeää, mutta niin vaikeaa opiskelijoille.
Tutkielmassa tehdään yhteenveto sidosten mallintamisesta lukion matemaattisluonnontieteellisten
pakollisilla kursseilla. Hyvän tietopaketti aineen rakenneosista, sidoksista
ja niiden merkityksestä aineiden havaittaville ominaisuuksille voi auttaa opiskelijaa
ymmärtämään arkielämäänkin liittyvien ilmiöiden selitysmalleja rajoituksineen.
Pohja sidosten mallintamiselle luodaan tietenkin jo perusasteella. Perusasteen
opetussuunnitelman mukaan päättöarvioinnin arvosanan 8 kriteerit edellyttävät luonnon
tutkimisen taidoissa että oppilas
­ osaa tehdä kontrolloidun kokeen ja arvioida koejärjestelyn toimivuutta sekä tulosten
luotettavuutta, tarkkuutta ja mielekkyyttä,
­ tietää, että fysiikka on perusluonnontiede ja että fysiikan tietoja ja kokeellista
tiedonhankintamenetelmää käytetään muissa luonnontieteissä ja tekniikassa,
­ osaa työskennellä turvallisesti, ohjeita noudattaen ja yhdessä toisten kanssa,
­ osaa käyttää lämpenemisen, olomuodon muutosten ja lämpölaajenemisen lakeja
tarkastellessaan ja selittäessään ympäristössään tapahtuvia lämpöilmiöitä ja
­ hahmottaa rakenneosien ketjun ja mittasuhteita alkeishiukkasista galakseihin ja osaa
havainnollistaa näitä rakenteita ja järjestelmiä sopivilla malleilla.
Kemian perusasteen opetussuunnitelman päättöarvioinnin arvosanan 8 kriteerit edellyttävät
että oppilas
­ osaa käyttää oikeita käsitteitä kuvaillessaan aineiden ominaisuuksia ja kemiallisia
ilmiöitä, esimerkiksi happamuutta, sähkönjohtokykyä ja olomuodon muutoksia.
­ osaa myös kuvata atomia, kemiallisia sidoksia ja yhdisteitä asianmukaisia malleja
käyttäen sekä
­ tehdä päätelmiä aineen reaktioherkkyydestä atomin uloimman elektronikuoren
rakenteen tai alkuaineen paikan perusteella jaksollisessa järjestelmässä.
2

Biologian päättöarvosanan 8 kriteerit edellyttävät, että oppilaat osaavat kuvata pääpiirteet
kasvi­ ja eläinsolun rakenteesta, selostaa fotosynteesin ja kuvata sen merkityksen eliökunnan
kannalta sekä toteuttaa itsenäisesti pienimuotoisia tutkimuksia sekä selostaa evoluution
peruspiirteet ja ihmisen evoluution vaiheet.
Tutkielman opiskelijakyselyssä tutkitaan millaisia malleja opiskelijat käyttävät selittäessään
olomuodon muutoksia, liukenemista ja eri aineiden ominaisuuksia.
Tutkielmassa etsitään vastauksia kysymyksiin:
1) Millaisen kokonaisuuden tämän päivän lukiolainen saa sidosten mallintamisesta fysiikan,
kemian ja biologian pakollisten kurssien perusteella
2) Millaisia virhekäsityksiä opiskelijoilla on sidoksista jo opiskeltuaan fysiikan, kemian ja
biologian kaikille pakollisia kursseja
Tämän laudaturtyön valmistumisesta kuuluu suurkiitos professori, emeritus Kaarle Kurki­
Suoniolle ja professori Heimo Saarikolle, jotka jaksoivat uskoa työn valmistumiseen vaikka
itse tekijällä usko oli välillä koetuksella.
3

1.Sidosten luokittelu
J. J. Thomson yritti ensimmäisenä selittää kemiallisen sidoksen vuonna 1904 ilmestyneessä
artikkelissaan, jossa hän esitti atomin rakennetta kuvaavan teoriansa. 1916 G.N. Lewis
julkaisi artikkelin otsikolla ”The Atom and the Molecule”. Tällöin Lewis esitti että polaaristen
yhdisteiden sidos syntyi, kun elektroneja siirtyi atomista toiseen ja tämä johti vastakkaisesti
varautuneisiin ioneihin, joilla oli täydelliset, kahdeksan elektronia sisältävät elektronikuutiot.
1919 Irving Langmuir (1881–1957) laajensi teoriaa ja otti käyttöön termit elektrovalenssi,
kovalenssi ja oktetti. 1920­luvun loppupuolen kvanttiteorian kehittyminen mullisti käsitykset
elektroneista ja muista perushiukkasista. Louis de Broglie (1892–1987) esitti, että ainetta
tulisi pitää luonteeltaan sekä hiukkas­ että aaltomaisena. Pian de Broglien teorian jälkeen
atomeissa olevien elektronien kuvaamiseksi julkaistiin useita matemaattisia järjestelmiä:
Erwin Schrödinger (1887–1961) kehitti aaltomekaniikan ja Werner Heisenberg (1901–1976)
matriisimekaniikan. Heisenbergin teoria johti epätarkkuusperiaatteeseen, jonka mukaan
elektronin samanaikaisen paikan ja nopeuden täsmällinen määrittäminen on mahdotonta
(Hudson 1995). Kvanttifysiikassa on monia muitakin suurepareja, joita ei voi samanaikaisesti
mitata tarkasti, esimerkiksi elektronin kiertokulma ja pyörimismäärä vetyatomissa.
Sidos muodostuu, koska elektronit vetävät puoleensa samanaikaisesti kahta tai useampaa
ydintä. Atomien ja molekyylien rakennetta ja sidosten muodostumista hallitsee kuitenkin
ratkaisevasti elektronien ”kvanttimekaaninen” luonne duaalisina ”aaltohiukkasolioina” ja
identtisinä fermioneina. Duaalisesta luonteesta johtuu se, että pysyvät tilat ovat ylimalkaan
mahdollisia ydinten ja elektronien muodostamille systeemeille, joita atomit ja molekyylit
ovat.
Ajasta riippumaton Schrödingerin yhtälö (Kurki­Suonio ja Kurki­Suonio, 1997) on
kvanttimekaaninen energialaki, joka ilmaisee, miten elektronien ja ydinten vuorovaikutukset
otetaan huomioon käsiteltäessä laskennallisesti ”kvanttimekaanisia olioita”. Yhtälön avulla
voidaan määrittää tällaisten systeemien mahdolliset energiat ja stationaariset tilat, eli tilat,
joissa systeemillä on tietty energia. Näistä tiloista se, jolla on pienin energia, on systeemin
perustila. Stationaarisia tiloja voidaan esittää kohtalaisen tarkasti mallilla, jossa elektronit
miehittävät nk. yhden hiukkasen tiloja. Atomien rakennetta tarkasteltaessa nämä yhden
hiukkasen tilat voidaan identifioida neljän kvanttiluvun n, l, m ja m s avulla. Pääkvanttiluku n,
4

sivukvanttiluku l ja magneettinen kvanttiluku m määrittävät tilan orbitaalin eli sen
aaltofunktion riippuvuuden paikasta. Spinkvanttiluku m s määrittää spintilan. Näiden
atomiorbitaalien havainnollistaminen on hankalaa. Useimmiten tyydytään esittämään
suuntariippuvuudet, jotka kvanttiluvut l ja m määräävät, ja kutsutaan näitä orbitaaleiksi.
Yleensä orbitaaleja ei pyritä esittämään kolmiulotteisina, vaan tyydytään tasokuvioihin
(Kalliorinne et al, 1988). Molekyylien rakenteesta ja sidoksista puhuttaessa tarkoitetaan
tavallisesti molekyylin perustilaa.
Elektronien luonne identtisinä fermioneina merkitsee kvanttimekaanisessa esityksessä, että
atomien ja molekyylien stationaaristen tilojen aaltofunktioiden on oltava kaikkien elektronien
vaihtojen suhteen antisymmetrisiä. Tästä seuraa erityisesti nk. Paulin kieltosääntö, jonka
mukaan kaksi elektronia ei voi koskaan olla samassa tilassa eli saman atomin kahden
elektronin kaikki neljä kvanttilukua eivät voi olla samat. Usein tämä ilmaistaan sanomalla,
että samalla orbitaalilla voi olla vain kaksi elektronia, joiden spinit ovat eri suuntaiset.
Orbitaalin energia riippuu ensisijaisesti pääkvanttiluvusta n = 1,2,3,… joka tämän vuoksi
lähinnä numeroi elektronien nk. pääkuoret eli pääenergiatasot. Energia riippuu vähemmän
sivukvanttiluvusta l = 0,1,…, n­1 ja vielä vähemmän kahdesta muusta kvanttiluvusta. Näin
atomien rakentumiseen muodostuu elektronien lukumäärän (järjestysluvun) kasvaessa
kvanttilukujen säätelemä rytmi, josta puhutaan nk. kuorirakenteena ja joka muodostaa
alkuaineiden jaksollisen järjestelmän fysikaalisen perustan. Siirryttäessä järjestyksessä
seuraavaan alkuaineeseen, elektroniverhon uusi elektroni sijoittuu pääsääntöisesti alimmalle
mahdolliselle pääkuorelle n ja sen alimmalle mahdolliselle alakuorelle l. Täydet kuoret ovat
”energeettisesti edullisia”, eli elektronin irrottaminen täydeltä kuorelta vaatii paljon energiaa.
Elektronin irrottaminen hyvin vajailta kuorilta onnistuu pienemmällä energialla. Tästä
rytmityksestä, jota eri kuorille mahtuvien elektronien määrä säätelee, seuraa kemiallinen
empiirinen ”nyrkkisääntö” oktettisääntö.
Tilojen antisymmetria merkitsee myös, että lähietäisyydellä elektronit näyttävät hylkivän
toisiaan ( Maalampi ja Perko, 1997, Kurki­Suonio ja Kurki­Suonio, 1997). Atomien välille
muodostuu sen tähden nk. Paulin repulsio.
Molekyylien rakenteita voidaan pitkälti tarkastella mallilla, jonka perustana on tämä kuva
atomien elektroniverhon rakenteesta ja ”ulkoelektronien orbitaaleista”. Sidosten
muodostumista voidaan tällöin selittää lähinnä esitettyjen kahden, elektronien
kvanttimekaanisesta luonteesta johtuvan tekijän avulla. Atomien ”energiarytmitys” ilmenee
5

”kvanttimekaanisena pyrkimyksenä täysiin kuoriin”, jota voidaan kuvata karkeasti myös nk.
oktettisäännöllä. Se aiheuttaa atomien välille vetovoiman. Paulin repulsio taas on atomien
välinen poistovoima, joka tietyllä sidospituudeksi sanotulla etäisyydellä tasapainottaa
attraktion. Pyrkimys täysiin kuoriin vaikuttaa myös sitoutuvien atomien varausjakaumiin,
jolloin sitoutumiseen liittyy tästä aiheutuvia sähköisiä veto­ ja poistovoimia, jotka vaikuttavat
molekyylien rakenteisiin.
Atomien välisten, molekyylejä muodostavien sidosten päätyypit ovat kovalenttinen sidos,
ionisidos ja metallisidos. Tämä luokitus perustuu ensisijassa siihen, millainen rooli sidoksen
muodostumisessa on ”kvanttimekaanisella” ja sähköisellä attraktiolla. Tämä taas riippuu
sitoutuvien atomien elektronirakenteesta, erityisesti siitä, millainen on niiden uloimman
kuoren ”täyttymisaste”.
Puhutaan myös molekyylien välisistä sidoksista, jotka sitovat molekyylejä yhteen
suuremmiksi ryppäiksi ja aineeksi. Niitä ovat vetysidos, ionidipoli­sidos, dipolidipolisidos
sekä van der Waalsin vuorovaikutus.
Jako atomien ja molekyylien välisiin sidoksiin jakaa sidostyypit samalla vahvoihin ja
heikkoihin sen mukaan, miten suuri on niiden sidosenergia eli energia, joka vapautuu
vapaiden atomien tai molekyylien sitoutuessa tai tarvitaan sitoutuneiden atomien tai
molekyylein erottamiseen. . Ionisidosten sidosenergiat ovat noin 500– 4000 kJ/mol,
kovalenttisten sidosten 150– 1000 kJ/mol ja metallisidosten 100–900 kJ/mol. Heikkojen
sidosten sidosenergiat ovat noin välillä 0,5–40 kJ/mol.
Mikään sidostyyppi ei esiinny sellaisenaan yksin, vaan kemiallinen sidos muodostuu eri
tyyppien yhteisvaikutuksesta.
1.1 Ionisidos
Kun kahdesta atomista toisella on vain vähän (1–3) elektronia uloimmalla kuorella ja toisella
uloin kuori on vain vähän vajaa, pyrkimys täysiin kuoriin voi aiheuttaa elektronien
siirtymisen atomilta toiselle. Atomin luovuttaessa elektronin tai elektroneja toiselle atomille,
siitä muodostuu positiivisesti varautunut hiukkanen, positiivinen ioni. Vastaavasti elektronin
tai elektronit vastaanottaneesta atomista muodostuu negatiivinen ioni. Positiivisten ja
6

negatiivisten ionien välille syntyy sähköinen vuorovaikutus. Näin muodostuva sidos on
ionisidos.
Puhtaimmillaan tämä tyyppi esiintyy alkalihalogenideissa. Niissä alkaliatomi (Li, Na, K, Rb,
Cs) luovuttaa uloimman kuoren ainoan elektroninsa halogeeniatomille (F, Cl, Br, I), joiden
uloin kuori on yhtä elektronia vajaa. Näin kumpikin muodostuva ioni saa jalokaasurakenteen,
joka on erityisen pysyvä.
Yleisin oppikirjoista löytyvä esimerkki on natriumin ja kloorin välinen reaktio, jolloin syntyy
natriumkloridia.
2Na(s) + Cl 2 (g) → 2NaCl (s)
Natriumkloridihila koostuu Na + ja Cl ­ ­ioneista, joiden etäisyys on r. Kahden naapuri­ionin
välinen sähköstaattinen energia on
2
e
E = 1
4π εr
,
o
missä e = alkeisvaraus, r = ionien välinen etäisyys ja ε
0 = sähkövakio (Laitinen ja Toivonen,
1997).
Ionit muodostavat kiteen, jossa anionit ja kationit ovat pakkautuneet geometrisesti.
Kidemuodot riippuvat ionien varauksista ja suhteellisesta koosta.
Kuva 1. Natriumkloridin muodostuminen. Jokainen natriumioni on kuuden kloridi­ionin
ympäröimä. Ionihilassa samanmerkkisten ionien repulsio on mahdollisimman pieni ja
erimerkkisten ionien välinen vetovoima mahdollisimman suuri.
7

1.2 Kovalenttinen sidos
Puhtaasti kovalenttinen sidos syntyy, kun kaksi samanlaista atomia sitoutuu toisiinsa.
Kovalenttisessa sidoksessa ”kvanttimekaaninen pyrkimys täysiin kuoriin”, erityisesti
jalokaasurakenteisiin (oktettisääntö), vaikuttaa siten, että jotkin atomien uloimpien kuorten
elektronit tulevat atomeille yhteisiksi. Yksinkertainen kovalenttisen sidoksen malli perustuu
ns. Lewis­rakenteisiin. Esimerkiksi kaksi vetyatomia muodostavat vetymolekyylin H 2
yksinkertaisella kovalenttisella sidoksella, kaksi happiatomia happimolekyylin O 2
kovalenttisella kaksoissidoksella ja kaksi typpiatomia typpimolekyylin N 2 kovalenttisella
kolmoissidoksella.
Kuva 2. Lewisin rakenteissa valenssielektronit piirretään pisteinä alkuaineen kemiallisen
merkin ympärille. Parittomien elektronien lukumäärä näyttää syntyvien sidosten määrän.
Samanlaisten atomien muodostamat molekyylit ovat symmetrisiä ja siten poolittomia. Niissä
ydinten ja elektronien välinen sähköinen vuorovaikutus on ulospäin täysin neutraali, eikä
niissä ole ulkoisia sähköisiä vuorovaikutuksia.
Kun kaksi erilaista atomia sitoutuu toisiinsa, ei sidoksen elektronitiheys ole symmetrinen eikä
molekyylin sisäinen sähköinen vuorovaikutus neutraloidu. Syntyy poolinen kovalenttinen
sidos. Tällöin toisella sidoksen atomilla on positiivinen osittaisvaraus ja toisella negatiivinen.
Sähköstaattisessa kentässä, esimerkiksi kondensaattorin levyjen välissä poolisen molekyylin
negatiivinen pää kääntyy kohti positiivista levyä ja molekyylin positiivinen pää kohti
negatiivista levyä. Molekyylit vaikuttavat sähkömäärään, jonka varautunut levypari pystyy
pitämään. Näin tehdään mittauksia, joiden avulla määritetään molekyylien dipolimomentin
arvoja. Poolittomien molekyylien dipolimomentti on nolla. Monta poolista kovalenttista
8

sidosta sisältävän molekyylin dipolimomentti voidaan laskea yksittäisten sidosten
dipolimomenttivektorien yhteenlaskulla.
1932 Pauling esitti termin elektronegatiivisuus kuvatakseen molekyylin atomin kykyä vetää
sidoselektroneja puoleensa. Elektronegatiivisuus on käyttökelpoinen halutessa ennustaa
yhdisteen sidostyyppi. Kun elektronegatiivisuusero on riittävän suuri, sidos voidaan mallintaa
ionisidoksena.
Kuva 3. Elektronegatiivisuuseroa voidaan käyttää hyväksi arvioitaessa yksittäisen sidoksen
poolisuutta.
Kaikkia systeemejä voidaan kuvata aaltofunktioilla, jotka saadaan Schrödingerin yhtälöiden
ratkaisuina. Ainoastaan yksielektronisille tapauksille voidaan johtaa tarkka ratkaisu. Muille
tapauksille on tehtävä yksinkertaistavia oletuksia ja yhtälö voidaan ratkaista likimääräisesti.
Heliumatomin aaltofunktio riippuu kuudesta ja litiumin aaltofunktio yhdeksästä muuttujasta,
ja uraaniin liittyy peräti 276 muuttujaa (Maalampi ja Perko, 1997).
Kovalenttisten sidosten mallintamisessa käytetään molekyyliorbitaaliteoriaa ja
valenssisidosteoriaa. Molekyyliorbitaaliteorian keskeinen kehittäjä oli Robert Mulliken
(1896–1986). Teorian perustana on oletus, että sidoksen muodostuessa syntyvät
molekyyliorbitaalit voidaan esittää atomien atomiorbitaalien lineaarisina kombinaatioina
(LCAO, Linear Combination of Atomic Orbitals). Alemman energian elektronit asettuvat
sidosorbitaaleille, mutta korkeammilla sidoksen muodostumista vastustavilla orbitaaleilla on
vapaita paikkoja. Sitovalla orbitaalilla elektronitiheys keskittyy sidokseen osallistuvien
9

atomien väliseen avaruuteen, hajottavalla orbitaalilla elektronit pyrkivät työntymään pois
atomien välisestä tilasta (www.chemistry.hut).
Ainoastaan sellaiset atomiorbitaalit, joiden energia on samaa suuruusluokkaa ja joiden
symmetria sidosakselin suhteen on sama, voivat muodostaa molekyyliorbitaaleja.
Symmetrisessä sigmasidoksessa orbitaalit sulautuvat yhteen sitoutuvia atomiytimiä
yhdistävän suoran suuntaisesti, piisidoksessa orbitaalit ovat kohtisuorassa atomiytimiä
yhdistävää suoraa vastaan.
Kuva4. Piisidoksen muodostuu kahdesta p­orbitaalista.
Valenssisidosteoriassa yksittäistä sidosta mallinnetaan olettamalla, että vierekkäisten atomien
orbitaalit peittävät toisiaan ja orbitaaleilla olevat elektronit keskittyvät muodostuvalle
sidosorbitaalille. Elektronien sanotaan olevan lokalisoituneen kyseiseen sidokseen.
Linus Carl Pauling (1901–1994) on kehittänyt ja soveltanut valenssissidosteoriaa. 1930­luvun
alussa hän johti hiilen tetraedrin kärkiin suuntautuneet valenssit kvanttimekaniikasta ja otti
käyttöön atomiorbitaalien hybridisoitumisen käsitteen (Hudson, 1995). Käsitteellä
tarkoitetaan saman atomin atomiorbitaalien sekoittumista keskenään, jolloin muodostuu kaksi
tai useampia samanlaisia hybridiorbitaaleja, joilla on tarkoin määrätyt orientaatiot.
10

Kuva 5 Hybridiorbitaali voi muodostua yhden s­orbitaalin ja yhden p­orbitaalin
sekoittumisesta (sp), yhden s­orbitaalin ja kahden p­orbitaalin sekoittumisesta (sp 2 ) tai yhden
s­orbitaalin ja kolmen p­orbitaalin sekoittumisesta (sp 3 ).
1.3 Metallisidos
Metalleja aineena pitää koossa metallisidos. Metalliatomien uloimmat elektronikuoret ovat
selvästi vain osittain täynnä. Tällöin elektronien kvanttimekaaninen luonne johtaa siihen, että
uloimman kuoren elektronit vapautuvat koko yhtenäisen metallikappaleen kaikkien atomien
yhteisiksi. Metallisidoksen yksinkertaisin malli koostuu positiivisista metallikationeista,
joiden ympärillä luovutetut sidoselektronit liikkuvat vapaasti nk. elektronikaasuna.
Molekyyliorbitaalimalliin perustuu vyöteoria. Sidosta kuvataan molekyyliorbitaalien avulla,
jotka ulottuvat koko metallikiteen alueelle. Kvanttimekaanisesti voidaan ajatella metallin
muodostuvan suuresta määrästä peräkkäisiä potentiaalikuoppia ja vapaina vaeltavat elektronit
liikkuvat kuoppien välisten potentiaalivallien yläpuolella. Kaikki energia­arvot eivät olet
sallittuja, ja käytetään termejä kielletty ja sallittu energiavyö.
11

1.4 Molekyylien väliset sidokset
Epäsymmetriset molekyylit ovat useimmiten pysyviä sähködipoleja, ja niiden välillä ovat
dipolidipolisidokset. Eräs dipolidipolisidoksen erityistapaus on niin sanottu vetysidos.
Vetysidoksen A – H … B muodostumisen edellytys on se, että alkuaineet A ja B ovat vahvasti
elektronegatiivisia. Tärkeimpiä vetysidosten muodostajia ovat typpi­, happi­ ja fluoriatomit.
Vetysidoksessa on ilmeisesti kyseessä erikoinen atomiorbitaalien delokalisaatio. Sidos A – H
muodostuu kahdesta molekyyliorbitaalista ja elektronit ovat sitovalla orbitaalilla. B:llä on
oltava vapaa elektronipari. Hybridissä A – H … B syntyy kolmas molekyyliorbitaali. Alin
orbitaali on sitova, keskimmäinen neutraali ja ylin ei sitova. B:n vapaa elektronipari asettuu
keskimmäiselle orbitaalille, joten sidos on stabiilimpi kuin A – H ja B yksinään.
Vetysidoksen energia on huomattavasti pienempi kuin kovalentin tai ionisidoksen,
suuruusluokkaa 10–40 kJ mol –1 , minkä vuoksi se voi katketa jo huoneenlämmössä. Vetysidos
atomien A ja B välillä voidaan esittää kaaviona
A–H∙∙∙B
Vetysidoksen muodostumiseksi A:n ja B:n täytyy olla vahvasti elektronegatiivisia.
Tärkeimpiä vetysidosten muodostajia ovat N, O ja F, jossain määrin myös S ja Cl.
Vetysidoksen muodostumista ei täysin ymmärretä kvanttimekaanisesti, mutta kyseessä on
erikoinen atomiorbitaalien delokalisaatio. Sidos A–H muodostuu kahdesta molekyyliorbitaalista
ja elektronit majoittuvat sitovalle orbitaalille. B:llä on vapaa elektronipari.
Hybridissä A–H∙∙∙B syntyy kolmas molekyyliorbitaali (kts. kuva). Alin orbitaali on sitova
(bonding), keskimmäinen neutraali (non­bonding) ja ylin ei­sitova (anti­bonding). B:n vapaa
elektronipari asettuu keskimmälle orbitaalille, joten sidos on stabiilimpi kuin A–H ja B
yksinään.
Vetysidoksia on esimerkiksi vesimolekyylien välillä sekä DNA:n molekyylien emäsparien
välillä ja valkuaisaineissa sekundaari­ ja tertiaarirakenteissa.
Van der Waalsin vuorovaikutus on elektroniverhon tilastollisten fluktuaatioiden aiheuttamien
dipolien välinen vuorovaikutus. Van der Waalsin vuorovaikutuksella on merkitystä
jalokaasuatomeilla ja poolittomilla molekyyleillä.
12

2. Sidosten vaikutus aineen ominaisuuksiin
Kaikkien atomien välillä vaikuttaa lähietäisyyksillä Paulin kieltosäännöstä johtuva
työntövuorovaikutus, koska kaksi elektronia ei voi olla samassa tilassa. Siksi tiivistä ainetta
(nesteitä ja kiinteitä aineita) on vaikea puristaa kokoon.
Ionisidoksin mallinnetuille yhdisteille yhteisiä ominaisuuksia ovat sähköjohtavuus liuoksina
ja sulatteina. Koska ionisidos on vahva sidos, on ionisidoksisilla yhdisteillä yleensä korkeat
sulamis­ ja kiehumispisteet. Ionikiteet ovat kovia, mutta hauraita (Lavonen et al, 1996).
Ioniyhdisteen liuetessa veteen tapahtuu hydratoituminen
Kuva 6 Ioniyhdisteiden liuetessa tapahtuu hydratoituminen ja muodostuu ionidipolisidoksia.
.
Kovalenttiset sidokset ovat vahvoja, joten kovalenteilla kiteillä on hyvin korkeat
sulamispisteet. Kovalentit kiteet ovat eristeitä.
Metalleille tyypillisiä ominaisuuksia ovat hyvä lämmön­ ja sähköjohtokyky ja metallinkiilto
sekä läpinäkymättömyys. Vapaasti liikkuvat uloimman energiatason elektronit aiheuttavat
sähkön­ ja lämmönjohtavuuden. Metallinkiilto selitetään energiavöiden energiatason
lähekkäisyydellä, jolloin valenssielektronit voivat siirtyä korkeammille energiatasoille
adsorboimalla valoa hyvin laajalta aallonpituusalueelta. Kun virittyneet elektronit putoavat
alemmille energiatasoille, lähettyy valoa.
13

3. Sidokset ja mallintaminen opetussuunnitelmien
valossa
Fysiikassa ja kemiassa on yksi valtakunnallinen pakollinen kurssi, kun taas biologiassa on
kaksi: eliömaailma ja solu ja perinnöllisyys. Suurimmassa osassa lukioita biologian
ensimmäinen kurssi suositellaan opiskeltavan ensimmäisenä opiskeluvuonna ja toinen toisena
opiskeluvuonna. Fysiikan ja kemian pakolliset kurssit suositellaan opiskeltaviksi
ensimmäisenä opiskeluvuotena.
Kaikissa kolmessa aineessa opetussuunnitelman yleisessä osassa painotetaan luonnontieteille
ominaista havaintoihin ja kokeellisuuteen perustuvaa tiedonhankintaan. Fysiikassa ja
kemiassa kokeellisuuteen liitetään ilmiöt, käsitteet, periaatteet ja mallit, mutta biologiassa
mallintamista ei mainita.
Kaikissa kolmessa aineessa asetetaan tavoitteeksi että opiskelija osaa suunnitella ja toteuttaa
kokeita tai mittauksia ja tulkita niiden tuloksia. Fysiikassa kokeellisuuteen liitetään myös
tulosten arvioiminen ja niiden soveltaminen, kemiassa arvioiminen ja kyky keskustella ja
esittää muille kokeellisesti hankkimaansa tietoa.
Fysiikan ja kemian opetussuunnitelmissa opetuksen tavoitteena on erilaisten tietolähteiden
hyödyntäminen ja niiden mahdollisuudet tiedonhankinnan ja mallintamisen välineinä.
Biologiassa asia on sisällytetty arviointiosuuteen: ”Taitojen arvioinnissa painotetaan
opiskelijan luonnontieteellisiä työskentelytaitoja, ryhmässä toimimista, kykyä käyttää erilaisia
lähteitä biologisen tiedon hankinnassa sekä kykyä arvioida tietoa kriittisesti.”. Tähän sisältyy
ilmeisesti kokeellisen työskentelyn taidot, jotka on erikseen mainittu niin fysiikan kuin
kemian arviointikappaleissa. Kemian opetussuunnitelmassa kokeellisen tiedonhankinnan osaalueet
on jaettu alakohtiin: 1) havaintojen tekeminen, mittausten ja kokeiden suunnittelu ja
toteutus, 2) työvälineiden ja reagenssien turvallinen käyttö, 3) tulosten esittäminen sekä
suullisesti että kirjallisesti, 4) tulosten tulkitseminen, mallintaminen ja arviointi sekä 5)
johtopäätösten tekeminen ja soveltaminen. Kemiassa arviointiosuus on yksityiskohtaisin.
Fysiikan ensimmäisen kurssin ”Fysiikka luonnontieteenä” keskeisiä sisältöjä ovat
kokeellisuus ja mallintaminen. Opetussuunnitelmassa keskeisenä sisältönä on ”kokeellisuus ja
mallintaminen perustana fysikaalisen tiedon rakentumisessa, mittaaminen, tulosten
14

esittäminen ja niiden luotettavuuden arviointi”. Esimerkiksi lineaarista mallia harjoitellaan
muun muassa tasaisen liikkeen graafisessa esityksessä sekä tiheyden käsitteen yhteydessä.
Tulkitseminen mainitaan sekä fysiikan että biologian opetussuunnitelmissa, mutta hyvin
erilaisessa yhteydessä: ”…opiskelija osaa jäsentää nykyisen eliökunnan rakenteen ja tulkita
sen kehitystä”, ”…opiskelija suunnittelee ja tekee yksinkertaisia luonnontieteellisiä kokeita
sekä kykenee tulkitsemaan ja arvioimaan kokeellisesti saatua tietoa ja esittämään sitä muille”.
Kemian opetussuunnitelmassa mallien rajoittuneisuuden ymmärtäminen lienee sisällytetty
lauseeseen ”…opiskelija oppii kokeellisen työskentelyn, kriittisen tiedonhankinnan ja –
käsittelyn taitoja”. Biologian toisen kurssin tavoitteista löytyy kokeellisen työskentelyjen
taitojen hallinta.
Vuorovaikutuksen käsite esiintyy niin fysiikan kuin biologian opetussuunnitelmissa.
Fysiikassa keskeisissä sisällöissä on aineen ja maailmankaikkeuden rakenteet ja
perusvuorovaikutukset, biologiassa elollisen ja elottoman luonnon vuorovaikutus.
Sidokset mainitaan ainoastaan kemian opetussuunnitelmassa. Kemian ensimmäinen kurssi on
orgaaniseen kemiaan painottuva. Molekyylimallit ovat oleellisesti mukana kurssilla
tutustuttaessa orgaanisiin yhdisteryhmiin, niissä esiintyviin sidoksiin sekä poolisuuden
käsitteeseen. Biologian toinen kurssi käsittelee soluja ja perinnöllisyyttä, ja opiskelija
tarvitsee tietoa aineen rakenneosista ja sidoksista ymmärtääkseen solun toiminnan,
energiatalouden, toiminnan ohjaamisen sekä lisääntymisen.
Sidosten kannalta oleellinen energian käsite löytyy fysiikasta ja biologiasta. Biologian
toisessa kurssissa solun energiataloudessa käsitellään energian sitominen ja vapauttaminen.
Kurssin tavoitteena on että ”opiskelija hallitsee solun energiatalouden prosessin ja niiden
merkityksen”. Fysiikassa keskeistä sisältöä on ”energia, erityisesti säteilyn, sitoutuminen ja
vapautuminen luonnon ja ihmisen aikaansaamissa prosesseissa.
Mikrotason mallintaminen mainitaan biologian yleisissä tavoitteissa :” tunnistaa elämän
tuntomerkit ja osaa jäsentää elämän ilmiöt sekä biologian eri organisaatiotasot
molekyylitasolta biosfääriin. Fysiikassa keskeisenä sisältönä on aineen ja
maailmankaikkeuden rakenteet ja perusvuorovaikutukset. Kemiassa mikrotason
mallintaminen on sisällytetty yleisen osan osuuteen:” …ilmiöiden tulkitseminen ja
selittäminen mallien ja rakenteiden avulla…”. Biologian toinen kurssi keskittyy solun
merkitykseen, kemialliseen rakenteeseen, toiminnan ohjaamiseen ja solun energiatalouden
prosesseihin.
15

Vain fysiikan opetussuunnitelmassa keskitytään ennakkokäsityksiin. Opetussuunnitelman
yleisessä osuudessa tavoitteena on että opiskelija oppii tiedostamaan ja kyseenalaistamaan
ennakkokäsityksiään ja tarkentamaan maailmankuvaansa hankkimansa uuden tiedon
perusteella.
4. Ennakkokäsitysten teoriaa
Opiskelijoilla esiintyviä mielikuvia ja uskomuksia luonnonilmiöiden selityksistä kutsutaan
opiskelijoiden ennakkokäsityksiksi. Tutkimuksissa on havaittu, että ennakkokäsitykset ovat
sangen pysyviä ja usein ristiriidassa luonnontieteellisen tiedon kanssa. Ennakkokäsityksellä
voidaan tarkoittaa uskomuksia, jotka ovat kehittyneet opiskelijan omista havainnoista
(esimerkiksi suola sulaa veteen) tai selitystä, joka syntyy nopeasti intuitiivisen käsityksen
pohjalta (esimerkiksi suola haihtuu veteen) tai omista havainnoista ja kokemuksista
kehittynyttä kausaaliselitystä (esimerkiksi suola haihtuu pikkuhiljaa ja muodostuu pieniä
kuplia pohjalle ja reunoihin). Ennakkokäsityksiä kutsutaan virhekäsityksiksi, kun ne ovat
ristiriidassa yleisesti hyväksytyn tieteellisen käsityksen kanssa. Virheelliset käsitykset estävät
usein asian oikean oppimisen (Lampiselkä, 2003, Lavonen et al.)
Biologiassa on tutkittu paljon ennakkokäsityksiä evoluutiosta (Bishop ja Anderson, 1990).
Tutkimusten mukaan opiskelijat eivät osaa selittää tai ratkaista ongelmia varsinaisen
evoluutioteorian käsittein. Evoluutioteoria on hyvä tutkimuskohde koska evoluutioteoria
vaatii eri kompleksisuuden tasolla olevien biologisten ilmiöiden ymmärtämistä,
molekyylitasolta alkaen. Evoluution ymmärtäminen vaatii monentyyppisten tietojen
keräämistä ja yhdistämistä.
Aineen rakenteeseen liittyviä ennakkokäsityksiä ovat esimerkiksi:
­ Aine on jatkuvaa ja se voidaan jakaa osiin
­ Näillä pienillä osilla on samat ominaisuudet kuin suurella määrällä samaa ainetta
­ Tyhjän tilan käsitettä ei mielletä aineeseen
­ Aineella on inhimillisiä ominaisuuksia. Se pyrkii esimerkiksi siirtymään kuumasta
paikasta kylmään.
Heikki Saaren (Saari, 1997) tutkimuksessa oppilailla havaittiin seuraavia virhekäsityksiä:
16

­ Aineen rakenneosat ovat liikkumattomia
­ Puhtaan aineenkin rakenneosien välissä on ”ainetta”, yleensä ilmaa, eli oppilaat eivät
hyväksy tyhjiön käsitettä
­ Rakenneosilla, esimerkiksi atomeilla on samanlaisia ominaisuuksia kuin
makroskooppisella kappaleella. Atomeilla on tämän mukaan esimerkiksi tietty väri
­ Atomit laajenevat lämmetessään
­ Lämpötilan muutokset eivät vaikuta atomien liiketilaan.
Opiskelijoiden ennakkokäsityksiä sidoksista on tutkittu vähän. Richard Coll ja David
Treagust tutkivat lukioikäisten ja yliopisto­opiskelijoiden käyttämiä malleja metallisidoksesta.
Tietoa he keräsivät kirjallisen materiaalin (luennoitsijoiden muistiinpanot, tehtävä­ ja
tekstikirjat, luentomuistiinpanot) sekä interaktiivisen dialogin avulla. He toteavat että monet
käyttivät elektronimerimallia, mutta yliopisto­opiskelijat käyttivät muita malleja, kuten
molekyyliorbitaaliteoriaa täydentämään mentaalimallejaan. Muutama opiskelija pystyi
selittämään sidokset lejeeringeissä ja muokattavuuden selittäminen oli vaikeaa. Coll ja
Treagust esittävätkin että monimutkaiset ja abstraktit mallit pitäisi opettaa vasta yliopistoopintojen
loppuvaiheessa.
Keith Taber on tutkinut ionisidokseen liittyviä virhekäsityksiä. Hän käytti
haastattelututkimusta kymmenelle opiskelijalle. Tutkimuksessa löytyi kolmenlaisia
virhekäsityksiä. 1) atomien elektronikonfiguraatio määrää kuinka monta ionisidosta
muodostuu. Esimerkiksi natriumatomi voi luovuttaa yhden elektronin, joten se voi muodostaa
ionisidoksen yhteen klooriatomiin. 2) sidos muodostuu vain niiden atomien välille, jotka
luovuttavat/vastaanottavat elektroneja. Esimerkiksi natriumkloridissa kloridi­ioni sitoutuu
juuri siihen natriumatomiin, joka luovutti elektronin kyseiselle kloridi­ionille. 3) Ionit
vuorovaikuttavat lähistöllä olevien ionien kanssa, mutta kaikki eivät ole ionisidoksia.
Esimerkiksi natriumkloridissa kloridi­ioni on sitoutunut yhteen natriumioniin ja vetää
puoleensa viittä muuta natriumionia, mutta vain voimina ei sidoksina.
Helsingin yliopistossa Linda Gustafsson on tehnyt pro gradu ­tutkielman aiheenaan
”Kemialliset sidokset kemian opetuksessa”. Hän tutki lukion kemian oppikirjoja ja kemian
ylioppilaskokeen sisältöjä ja kehitti oppimateriaaliksi opetuksen tueksi itsearviointitehtäviä.
17

5. Kysely ensimmäisen vuosikurssin opiskelijoille
sidoksista
Kyselyn ensimmäisessä tehtävässä pyydettiin piirtämään mallit vetyatomille,
happimolekyylille ja natrium­ ja kloridi­ionille. Toisessa osiossa oli kuusi
monivalintatehtävää, joiden aihepiirit kattoivat olomuodon muutokset, liukenemisen sekä
molekyylien sisäiset ja väliset sidokset. Biologian aiheet jätettiin pois, koska sidoksiin
enemmän liittyvä biologian toinen kurssi opiskelleen hyvin yleisesti vasta toisena
opiskeluvuonna.
5.1 Tulokset
Kyselyyn vastasi kaksi erillistä opiskelijaryhmää (n 1 = 20 ja n 2 = 13 ). Ryhmät koostuivat
lukion ensimmäisen ja toisen vuositason opiskelijoista. Ryhmän perusasteen fysiikan
arvosanojen keskiarvo on 8,54 ja biologian sekä kemian 8,03. Kemiassa oli eniten heitä, jotka
eivät olleet saavuttaneet perusasteella arvosanaa kahdeksan ( n = 9). Fysiikassa heitä oli viisi
ja biologiassa kaksi. Yhtä opiskelijaa lukuun ottamatta kaikki olivat suorittaneet vähintään
yhden kurssin fysiikkaa, lukion biologian kurssit puuttuivat kokonaan kahdeksalta ja kemian
kurssit yhdeltä opiskelijalta.
Ensimmäisen ryhmän kanssa kyselylomaketta käytiin läpi keskustellen sen jälkeen kun kaikki
olivat saaneet sen tehtyä. Keskustelun alussa opiskelijoita pyydettiin perustelemaan
mielestään vääriä vaihtoehtoja. Keskusteluun osallistui ryhmästä noin kolmasosa, loput eivät
halunneet, uskaltaneet tai osanneet kertoa perusteluja.
Monivalintaosion ensimmäinen tehtävä koski sidoksen muodostumisen edellytystä. Vain
kaksi opiskelijaa kolmestakymmenestäkolmesta löysi oikean vaihtoehdon: aina kemiallisen
sidoksen muodostuessa systeemin energia pienenee. Suosituin vastaus oli ionisidoksen
muodostumista kuvaava vaihtoehto (n = 19) ja toiseksi suosituin kovalenttisen sidokset
muodostumista kuvaava vaihtoehto ( n = 11). Kun ryhmän opiskelijoita pyydettiin
perustelemaan mielestään vääriä vastauksia, eräs opiskelija perusteli oikean vaihtoehdon
vääräksi: ”energia ei häviä minnekään vaikka sidos syntyy”. D­kohta (toinen atomi luovuttaa
18

elektroneja ja toinen vastaanottaa ne) perusteltiin vääräksi koska ”esimerkiksi poolisessa
sidoksessa elektronit ovat yhteisiä”. A­kohtaan (metalli ja epämetalli reagoivat keskenään)
kukaan ei ensin sanonut mitään perustetta, mutta kysyttäessä voiko joku antaa esimerkin
yhdisteestä, joka on muodostunut kahdesta epämetallista, esimerkiksi ehdotettiin hiilivedyt, ja
vielä pyydettäessä kyseisestä yhdisteryhmästä esimerkkiyhdiste, ehdotettiin metaania CH 4 .
Toinen tehtävä liittyi kiinteään olomuotoon. Oikean vastauksen (aineen rakenneosat
värähtelevät lähes paikallaan) antoi yhdeksäntoista opiskelijaa. Kuuden opiskelijan mielestä
rakenneosat eivät liiku lainkaan ja viiden mielestä rakenneosat eivät vuorovaikuta keskenään.
Loput kolme kannattivat vaihtoehtoa rakenneosat liikkuvat kerroksittain toistensa lomitse. A­
kohdan (aineen rakenneosat eivät liiku lainkaan) vääryyttä perusteltiin sanomalla ”pitää
paikkansa vain absoluuttisessa nollapisteessä”. Muihin kohtiin ei kellään ollut mitään
sanomista.
Kolmannessa tehtävässä pohdittiin liukenemista rakenneosatasolla. Kaikkein eniten oli
vastauksia vaihtoehdossa ” osa sokerista sekoittuu veteen ja osa jää sekoittumatta liuoksen
pohjalle” ( n = 14). Kaksitoista opiskelijaa oli oikean vaihtoehdon kannalla:
”sokerimolekyylien väliset sidokset purkautuvat ja muodostuu uusia sidoksia sokeri­ ja
vesimolekyylien välille”. D­kohdan vääräksi toteava opiskelija perusteli asiaa sanomalla
”vaan silloin kun on tarpeeksi sokeria osa jää pohjalle”.
Neljäs tehtävä liittyi poolittomien molekyylien välisiin vuorovaikutuksiin. Tehtävään jäi
vahingossa kaksi oikeaksi tulkittavaa vastausta. Tarkoitus oli d­kohtaan laittaa vaihtoehto
”vaikuttavat heikot vuorovaikutukset, jotka johtuvat molekyylien pysyvistä navoista”. Perätä
yksitoista opiskelijaa oli sitä mieltä että poolittomien molekyylien välillä ei ole
vuorovaikutuksia.
Viidennen tehtävän aihepiiri oli ionisidokset. Opiskelijoiden oli valittava malli kuvaamaan
ruokasuolan eli natriumkloridin rakenneosien ja niiden vuorovaikutuksia. Tehtävän yleisin
vastaus oli vaihtoehto ”kukin natriumioni vetää puoleensa vain vieressä olevaa kloridi­ionia ja
hylkii vieressä olevaa natriumionia” ( n = 16). Oikea vastaus (kukin natrium­ ja kloridi­ionit
vuorovaikuttavat kaikkien riittävän lähellä olevien ionien kanssa) oli neljällä opiskelijalla.
Hiljaisuus vallitsi kysyttäessä perusteluja opiskelijoiden mielestä väärille vastauksille.
Kuudes tehtävä liittyi jään rakenneosiin. Yksitoista opiskelijaa kannatti vaihtoehtoa
”vesimolekyylit ovat hyvin tiiviisti eikä niiden väliin jää tilaa”, kaksitoista vaihtoehtoa
”vesimolekyylit asettuvat tiiviiseen kuutiolliseen rakennelmaan” ja viisi kumpaakin
19

vaihtoehtoa ”vesimolekyylit eivät vuorovaikuta keskenään joten rakenne on harva” ja
”vesimolekyylien väliset vuorovaikutukset suuntaavat vesimolekyylit harvaan rakenteeseen”.
Ensin perusteluja ei taaskaan tullut, mutta johdateltaessa kysymyksellä ”Millainen tiheys
jäällä olisi siis nestemäiseen veteen verrattuna” löytyi ajatteluketju ” joo, jään tiheys olis
suuri”, ”mutta silloinhan jää uppoaisi”, ” ja niin ei muuten käy”.
Toisessa osiossa opiskelijoita pyydettiin piirtämään atomi­, molekyyli­ ja ionimallit.
Vetyatomin malleissa suosituin oli Bohrin atomimallin mukaiset hahmotelmat ( n = 19), joista
osaan oli merkitty plusmerkki ytimeen ja miinusmerkki tai e ­ ­merkintä elektronin merkiksi.
Yksi opiskelija merkitsi tunnuksen y ilmeisestikin symboloimaan ydintä. Neljä opiskelijaa
mallinsivat vetyatomin ympyränä, kaksi ehdotti vetyatomin koostuvat kahdesta vedystä ja
kolme opiskelijaa piirsivät metaanin rakennekaavan.
Kuva 7 Esimerkkejä opiskelijoiden vetyatomimalleista
Happimolekyylin malliksi peräti kolmetoista opiskelijaa piirsi mitä erilaisimpia versioita
vesimolekyylistä. Neljä opiskelijaa pitäytyi Bohrin atomimallissa ja kahdeksan hahmotteli
kahta toisiinsa liittynyttä palloa. Näistä yhteen oli merkitty atomien väliin selitys poolinen
kovalenttinen kaksoissidos. Lisäksi löytyi O­H ­, OH 4 ­ ja COH 3 ­molekyylit.
20

Kuva 8. Esimerkkejä opiskelijoiden happimolekyylimalleista
Natriumionimalleissa kuudessa käytettiin Bohrin atomimallia, kuudessa joko pelkkiä
merkintöjä Na + ja Cl ­ tai ympyröitä, joiden sisällä kyseiset symbolit olivat. Ionien koot olivat
monella samankokoiset.
21

Kuva 9. Esimerkkejä opiskelijoiden ionimalleista.
6. Yhteenveto
Opetussuunnitelmien perusteella opiskelijoille tarjotaan avaimet sidosten maailmaan, mutta
konkreettisten mallien teoriataustan ymmärtäminen jää liian monella hämäräksi pakollisten
kurssien perusteella. Opiskelijat mieltänevät alkeishiukkaset konkreettisesti hiukkasiksi, ja
aineen aaltoluonne ei tule esille. Kokeellisuuden osalta opetussuunnitelmaan kaipaisi
yhtenevyyttä luonnontieteellisten aineiden osalta. Oppiaineiden kohdalla käytetään termiä
”rakentuu kokeellisuuteen”, joka olisi syytä purkaa samanlaiseksi eri oppiaineiden kohdalla.
Sidosten mallintaminen on luonnollisesti kaikkein yksityiskohtaisinta kemiassa. Sidosten
ymmärtäminen vaatii opiskelijalta hyvää pohjaa aineen rakenteesta, ja sehän kuuluu fysiikan
ensimmäiseen kurssiin. Mutta miten hyvin koulujen arjessa on mietitty ja ohjattu opiskelijoita
valitsemaan luonnontieteelliset kurssit Olisiko kaikkien syytä aloittaa opiskelu fysiikan tai
kemian kurssilla, ja vasta tämän jälkeen siirtyä atomien ja kovalenttisen sidoksen käsittelyn
jälkeen biologian kursseille käyttämään oppimiaan malleja Parhaan luonnontiedepaketin
22

opiskelija saisi jos hän valitsisi kaikki kolme luonnontieteellistä pakollista kurssia samaan
jaksoon!
Ihanteellinen asia olisi, jos opetussuunnitelmaan lisättäisiin monitieteellisiä kursseja. Aineen
rakentuminen ja sidokset ­kurssi fysiikan ja kemian yhteiseksi, Veden biologiaa ja kemiaa
­kurssi biologian ja kemian yhteiseksi, Liikenne ja ympäristö ­kurssi niin biologiaan,
maantieteeseen kuin fysiikkaan ja kemiaan liittyen. Koulukohtaisia soveltavia kursseja
varmaankin löytyy, mutta eikö kaikkia opiskelijoita hyödyttäisi saada kokonaisvaltainen kuva
eli monitieteellinen kurssi kaikille pakolliseksi. Kurssin paikka olisi kolmannen
opiskeluvuoden syksyllä, jolloin koottaisiin yhteen kaikki sirpaletieto yhdeksi
kokonaisuudeksi. Opettajille kyseiset kurssit olisivat hyvin haasteellisia, koska opiskelijoiden
tietotaso olisi hyvin kirjava: toisilla suoritettuna vain pakolliset kurssit, toisilla melkein
kaksikymmentä matemaattisluonnontieteellisiä kurssia. Ylioppilaskirjoitusten oppiainerajat
ylittävät kysymykset testaavat opiskelijoiden monitieteellisyyttä.
Kyselyyn osallistuneiden opiskelijoiden perustiedot ovat hyvät perusasteen arvosanojen
perusteella. Arvosanat eivät tietenkään kerro kaikkea; aika tekee tehtävänsä.
Kyselyssä etsittiin opiskelijoiden virhekäsityksiä sidoksista. Ensimmäinen osio testasi
millaisia ajatusmalleja opiskelijoilla on aineen rakenneosista. Vastanneiden lisähaastattelut
olisivat antaneet paljon lisäinformaatiota. Jälkeenpäin ajateltuna kyselylomakkeen
ensimmäiseen osioon olisi pitänyt lisätä kommentti ”kerro mallistasi lyhyesti sanallisesti” tai
”nimeä käyttämääsi malliin liittyvien osien nimet”, jotta opiskelijoiden käyttämä terminologia
olisi selvinnyt. Opiskelijat piirsivät Bohrin atomimallin mukaisia vetyatomimalleja, keskellä
yksi rakenneosa tai monta, kuvastaen ilmeisesti protoneja ja neutroneja.
Opiskelijoiden lukuisat väärät vastaukset etenkin sidosten kannalta peruskysymykseen
systeemin energian pienenemisestä olivat masentavia. Opiskelijat tarjosivat sidoksen
muodostumisen edellytykseksi hyvin konkreettisia malleja elektronien jakamisesta tai
luovuttamisesta ja vastaanottamisesta. Osa ei ehkä lukenut kysymystä huolellisesti ja unohti
sanan aina tehtävän alusta.
Bohrin atomimalli oli opiskelijoiden yleisimmin käyttämä malli. Mallia käytettiin niin atomin,
molekyylin kuin ionien kuvaamiseen. Virheitä tehtiin niin elektronien kuin kuorien
lukumäärissä.
Tässäkin kyselyssä paljastui opiskelijoiden virhekäsityksiä liittyen sähkömagneettiseen
vuorovaikutukseen: ionisidos muodostuu vain kahden ionin välille. Onkin syytä tarkentaa
23

omaa opetustaan ja välttää aina ionisidoksen yhteydessä mallintamista yhden elektronin
siirtymisellä natriumatomilta klooriatomille ja keskustella sähkömagneettisen
vuorovaikutuksen vaikutusalueesta.
Kaikkein parhaiten opiskelijat vastasivat kysymykseen kiinteän olomuodon rakenneosien
liikkeestä. Olomuodot ja niiden muutokset ovat opiskelijoille hyvin tuttuja ja niihin liittyvät
mallit selkeitä. Jään rakenne oli kylläkin monella hukassa; kolmestakymmenestäkolmesta
viisi vastasi oikein. Ensimmäisellä kurssilla käytetty jään molekyylimalli sattui olemaan
vahingossa opettajanpöydällä, mutta kukaan ei ainakaan kommentoinut sitä huomanneensa.
Kyseisessä mallissa vetysidokset ovat malliltaan violetteja tikkuja.
Opettajalle kyselylomakkeen purkaminen oli ajatuksia herättävää. On syytä keskittyä
korostamaan opiskelijoille sidosten mallien käyttökelpoisuutta kokeellisten havaintojen
selittämisessä, mutta muistutettava perimmäisestä ajatuksesta aaltohiukkasdualismissa.
Opiskelijoiden perustelujen kuuleminen oli kiinnostavaa, mutta tekniikkaa on vielä hiottava
paljon. Kaikkein antoisinta, mutta erittäin aikaa vievää olisi kahdenkeskiset haastattelut,
niiden nauhoittaminen ja purkaminen. Luokattoman lukion ryhmäyttämisen haaste on iso asia
kun halutaan että ryhmä toisille lähes tuntemattomia opiskelijoita perustelisi mielipiteitään ja
väittelisi niistä positiivisessa hengessä.
24

Lähdeluettelo
Bishop, B.A. ja Anderson C.W. 1990: Student Conceptions of Natural Selection and it´s role
in evolution, Journal of research in Science Teaching, vol 27,
Coll R. K. Ja Treagust D. F 2003: Learner´s Mental Models of Metallic Bonding: A Cross­
Age Study, Science Education, vol 87
Gillespie, R. J. ja Popelier, P.L.A 2001: Chemical Bonding and Molecular Geometry, Oxford
University Press
Gustafsson, L 2007: Kemialliset sidokset lukion opetuksessa, pro gradu ­tutkielma, Helsingin
yliopisto
Hudson, J. 1995: Suurin tiede, Art House
Kalliorinne, K & all 1988: Fysikaalinen kemia, Kirjayhtymä
Kurki­Suonio K. ja R 1998: Fysiikan merkitykset ja rakenteet, Limes
Kurki­Suonio, K. ja R 1997: Aaltoliikkeestä dualismiin, Limes
Laitinen, R. ja Toivonen J 1997: Yleinen ja epäorgaaninen kemia, 11. korjattu jatkopainos,
Otatieto
Lampiselkä J 2003: Demonstraatio lukion kemian opetuksessa, Väitöskirja, Jyväskylän
yliopisto
Lavonen, J, Kurki­Suonio, K ja Hakulinen, H 1996: Galilei 8 Moderni fysiikka, WSOY
Lavonen, Meisalo & all, Oppilaiden ennakkokäsitykset,
www.edu.helsinki.fi/malu/kirjasto/ennakko
Maalampi, J. ja Perko T. 1997: Lyhyt modernin fysiikan johdatus, Limes ry Helsinki
Mackay, K.M: ja Mackay, K.M 1989: Introduction to Modern Inorganic Chemistry, Blackie
Mortimer, C. E. 1997: Kemia, Opetushallitus
Saari, H. 1997: Mallien käyttö luonnontieteen oppimisessa ja opetuksessa, Joensuun
normaalikoulun julkaisuja nro 10,
Taber, K. S. 1994: Misunderstanding the ionic bond, Education in Chemistry, July 1994
www.chemistry.hut.fi/eokem/courses/KE359700/mater/molekyyliorbitaaliteoria.pdf
25

Liitteet
Liite 1. Kyselylomake
SIDOSTEN MALLINTAMINEN
Perusasteen päättöarvosanat:
fysiikka__________
biologia__________
kemia____________
Lukiossa suoritettujen kurssien arvosanat:
fysiikka________________________________
biologia________________________________
kemia__________________________________
I Piirrä malli
vetyatomista
happimolekyylistä
26

natrium­ionista
kloridi­ionista
27

II. Valitse mielestäsi oikea vaihtoehto.
1. Aina kemiallisen sidoksen muodostuessa
metalli ja epämetalli reagoivat keskenään
systeemin energia pienenee
atomit jakavat elektroneja
toinen atomia luovuttaa elektroneja ja toinen vastaanottaa ne
2. Kiinteässä olomuodossa
aineen rakenneosat eivät liiku lainkaan
aineen rakenneosat eivät vuorovaikuta keskenään
aineen rakenneosat värähtelevät lähes paikallaan
aineen rakenneosat liikkuvat kerroksittain toistensa lomitse
3. Taloussokerin liuetessa veteen
sokerimolekyylien väliset sidokset purkautuvat ja muodostuu uusia sidoksia sokeri­ ja
vesimolekyylien välille
sokerimolekyylit hajoavat atomeiksi ja sekoittuvat vesimolekyyleihin
sokerimolekyylit reagoivat vesimolekyylien kanssa, muodostuu hiilidioksidia ja vapautuu
energiaa
osa sokerista sekoittuu veteen ja osa jää sekoittumatta liuoksen pohjalle
4. Poolittomien molekyylien välillä
ei ole vuorovaikutuksia
vaikuttavat heikot vuorovaikutukset, jotka johtuvat elektronien satunnaisesta siirtymisestä
molekyyliltä toiselle
28

vaikuttavat heikot vuorovaikutukset, jotka johtuvat sidoselektronien satunnaisesta liikkeestä
vaikuttavat heikot vuorovaikutukset, jotka johtuvat molekyylien erimerkkisistä navoista
5. Ruokasuolassa eli natriumkloridissa
natrium­ ja kloridi­ionit vuorovaikuttavat kaikkien riittävän lähellä olevien ionien kanssa
kukin natriumioni vetää puoleensa vain vieressä olevaa kloridi­ionia ja hylkii vieressä olevaa
natriumionia
klooriatomit ovat luovuttaneet ja natriumatomit ottaneet vastaan elektronin
natrium ja kloridi­ionit ovat sekoittuneet epäsäännölliseen rakenteeseen
6. Kiinteässä vedessä eli jäässä
vesimolekyylit ovat hyvin tiiviisti eikä niiden väliin jää tilaa
vesimolekyylit asettuvat tiiviiseen kuutiolliseen rakennelmaan
vesimolekyylit eivät vuorovaikuta keskenään joten rakenne on harva
vesimolekyylien väliset vuorovaikutukset suuntaavat vesimolekyylit harvaan rakenteeseen
29