Kuidas paremini tutvuda molekuliga?

www.orgaanilinekeemia.ee avaleht

Keemiat peetakse keeruliseks õppeaineks. Nii see vist ka on. Seda nii õppimise kui ka õpetamise poolt vaadatuna. Ilmselt sellepärast, et erinevalt teistest loodusteadustest tegeleb keemia ainult üht tüüpi nähtusega, milleks on keemiline reaktsioon. Teisiti öeldes kirjeldab keemia seda, kuidas üks molekul muutub teiseks. Molekulid kuuluvad aga vaieldamatult mikromaailma ning neid ennast ega ka nendega toimuvaid muutumisi vahetult vaadelda ei saa. Neid tuleb ette kujutada – protsessid ja nendega seotud mõisted on abstraktsed. Abstraktsetest ehk vahetult mittetajutavatest objektidest ja nähtustest arusaamine on üldse keeruline, ka füüsikas ning bioloogias. Samas on füüsikas ja bioloogias väga oluline roll makromaailma nähtustel, mille tunnetamiseks piisab meie meeltest. Seega saame neid protsesse ja nähtusi vahetult tunnetada ja sellest lähtuvalt nende seaduspärasuste üle arutleda. Keemias see võimalus aga puudub.

Paljud seda väidet ehk ei tunnista, sest ka keemilise reaktsiooni korral näeme mõnikord värvuse muutumist, soojuse eraldumist, valgussähvatust, tossu tõusmist või tunneme iseloomulikke lõhnu. Need tajutavad efektid ei ole aga iseenesest keemilised nähtused, vaid ainult keemilise nähtuse ehk keemilise reaktsiooniga kaasnevad muutused, mida saame oma meeltega tajuda. Kõik need meeltega tajutavad efektid on seotud aine füüsikaliste omaduste muutumisega või siis on spetsiifilise lõhna korral tegemist pigem füsioloogiaga. Kindlasti aga ei kirjelda need silmaga nähtavad ja ninaga tajutavad muutused keemilise reaktsiooni toimumise seaduspärasusi. Samas esitatakse neid vahetult tajutavaid nähtusi koolikeemias kui keemilise reaktsiooni tunnuseid. Teisalt on aga väga palju keemilisi reaktsioone, millel sellised tunnused puuduvad ja mis ometigi toimuvad. Nende toimumise seaduspärasuste mõistmine on meile väga vajalik.

Loome keemilist maailmapilti

Eelnevast tuleneb oluline järeldus: keemia selgitamist lihtsustaks, kui oskame seostada neid muutusi, mida saame vahetult tajuda ja mis kaasnevad keemilise reaktsiooni toimumisega, selle reaktsiooni seaduspärasustega ja reageerivate molekulidega toimuvate muutustega.

Edasi võib juba teha üldistusi. Teiste sõnadega on huvitav, kuidas makromaailmas avalduvad ja meie poolt tajutavad omaduste muutused on seotud mikromaailmas toimuvate protsessidega. Kui oskame seda teha, siis on meil head võimalused kasutada neid väheseid efekte keemia õppimise ja õpetamise lihtsustamiseks ning õpilaste jaoks arusaadavama keemilise maailmapildi loomiseks. Siin on oluline arenguruum keemiahariduse edendamiseks ja selle seostamiseks katsetega keemialaboris.

Loomulikult tuleneb siit vajadus teha keemia õpetamisel, eriti selle protsessi algstaadiumis, keemiakatseid. Neid jäävad uudistama ka tagarea poisid, kes muidu proovivad ennast õpetaja tegevusest võimalikult vähe häirida lasta. Seejuures on üks keemiaklassis tehtud huvitav katse kindlasti põnevam kui kümnete katsete vaatamine videopildina. Seda näitab keemiateatri populaarsus ning teadusbussi edukas programm koolides, kus vajalike tingimuste puudumisel on efektsete katsete tegemine piiratud või isegi võimatu.

Eriti oluline on see, kui õpilased saavad katseid ise teha. Selline hands-on-õpetamine oli mingil perioodil väga populaarne ja sellest räägiti palju. Paraku on selline programm aga kallis, nõuab palju aega (ehk suuremat õppetundide arvu) ja tuleb täita ka laboriohutuse nõudeid. Need takistused on osaliselt ületatavad hästi varustatud keemiaklassi olemasolul. Samas tundub aga ka kõrvaltvaatajale, et puudub tõeliselt läbi mõeldud juhendmaterjal keemiakatsete korraldamiseks ja nende lülitamiseks ainekavasse. Seda eelkõige viisil, et katsed mitte ei illustreeri juba selgeks seletatud teemasid, vaid et õppetööd saaks korraldada just katsetest lähtudes. Sellisel juhul kasutame ära, et katsed on atraktiivsed ja tõmbavad õpilaste tähelepanu, nende põhjal saab formuleerida lahendamist vajavaid probleeme. Kõik see valmistab ette soodsa pinnase õppematerjali esitamiseks viisil, mis sillutab tee abstraktsete mõisteteni jõudmiseks ja nende selgitamiseks.

Keskmes molekul

Mis on need abstraktsed mõisted, millele põhineb keemia maailmapilt? Eelkõige on see aineosakese mõiste, mis koos füüsika (näiteks soojusnähtused, faasiüleminekud jne) ja bioloogia (näiteks osmoos) vastavate teemadega moodustavad loodusteadusliku maailmapildi ühtse aluse. Keemias on aga lisaks aineosakese mõistele määrava tähtsusega aatomi ja molekuli mõisted. Orgaanilises keemias on määrav mitte ainult molekuli atomaarne koostis, vaid selle struktuur. Kui need mõisted on arusaadavad, osutub järgnev keemiliste reaktsioonide selgitamine ja nende peamistest seaduspärasustest arusaamine juba palju lihtsamaks. Nendeks seaduspärasusteks on näiteks keemilises reaktsioonis esinevad stöhio­meetrilised suhted, mis tulenevad otseselt molekulide struktuurist ja reaktsioonis osalevate aatomite jäävusest, samuti reagentide laengute muutustega seotu ehk laengute jäävus jne.

Seega on keemia õpetamisel keskseks molekuli mõiste ning sellest tulenevad mõisted, nagu katioonid ja anioonid, aga miks mitte ka radikaalid kui paljudes keemilistes ja bioloogilistes protsessides osalevad reaktsioonivõimelised aineosakesed. Seejuures on määrava tähtsusega mõista molekuli ja iooni erinevust, lähtudes jällegi nende osakeste struktuurist, saada aru, kuidas toimub nendevaheline üleminek ning mis määrab selle tõenäosuse. Võimalik, et kõigi nende kolme aspekti üheaegne käsitlemine tundub esimesel pilgul keerukas, aga tulemus on proovimist väärt. Seda enam, et selliselt on võimalik ammendavalt seletada ka keemilise sideme teket ja lagunemise viise.

Molekuli mõiste tuleb kõige selgemalt esile orgaanilise keemia kursuses, kus molekulide ruumilisel ehitusel on määrav osa nende keemiliste omaduste määramisel. Oleneb ju molekuli struktuurist ühendi reaktsioonivõime ja füüsikalised omadused, näiteks sulamistemperatuur, keemistemperatuur jne. Selle temaatika olulisust on mõistetud juba ammu ja seetõttu on nii teadustöös kui ka keemia õpetamisel kasutatud molekulide mudeleid. Kui varem tehti neid sõna otseses mõttes puust (hiljem ka plastist), siis nüüd on olemas suurepärased arvutiprogrammid, mis võimaldavad molekulide mudelite konstrueerimist mitmel viisil ning nende mudelite struktuuri ja geomeetria uurimist. Võiks arvata, et neid võimalusi kasutatakse koolis massiliselt. Aga tegelikult siiski vist mitte. Sellise järelduseni võib jõuda, tutvudes ülikooli õppima tulnud noorte teadushuviliste arusaamadega keemiast ja keemilistest reaktsioonidest.

Lisaks teada-tuntud arvutite vabavarale, mis võimaldab struktuurivalemeid joonistada ja neid ruumilisteks mudeliteks teisendada (näiteks www.acdlabs.com/resources/­freeware), on molekuli mudelite konstruktor koos eestikeelse juhendiga olemas ka orgaanilise keemia digiõppevahendis (vt http://­orgaanilinekeemia.ee). Praegu saab lihtsamaid molekulimudeleid koostada ja vaadata ka nutitelefonides (http://molecule.barn.ee). Seega tehnilised võimalused ootavad oma kohta õppetöös.

Sama järeldus kehtib keemiakatsete korral. Kindlasti on võimalik teha koolis lihtsaid katseid ning nende abil muuta õppimist põnevamaks ja keemiat kui õppeainet atraktiivsemaks. Vaja on leida ainult koht, kuidas ja milleks neid kõige sobivam kasutada on. Lisaks veel see, et katsete tegemiseks on vaja aega, mida keemia õpetamiseks on niigi vähe.

Seega on mõistlikult sõnastatud õppekava, selgelt ja põhjendatult määratletud tegevuse eesmärgid ning elementaarsete tehniliste võimaluste loomine märksõnad, mis võivad muuta katsed keemia õpetamise oluliseks osaks ning parandada noorte keemilist maailmapilti. Ilma selleta jääb koolikeemia paljuski alkeemia tasemele, kus valmistati küll keemilisi ühendeid ning anti neile ka nimetused, seda aga ilma keemiliste muutuste sisu mõistmiseta. Siit siis ka viljakas kasvupind deuteeriumsulfaadi, MMS-i ja muude imepreparaatide ja nõiatrikkide populaarsusele.