Innføring i kjemi for lærere

Kjemididaktiske perspektiver er inkludert i alle kapitlene. Temaene i boka er knyttet tett til skolefaget, slik at du får dybdekunnskaper både om kjemifaget og om hvordan man kan undervise i temaene i grunnskolen.

MONA KVIVESEN er universitetslektor, SOLVEIG KARLSEN er førsteamanuensis, og MAGNE OLUFSEN er professor i naturfag og naturfagdidaktikk. Alle forfatterne arbeider ved UiT Norges arktiske universitet og har undervisningserfaring fra skolen.

KJEMI for lærere

Dette er første bind av totalt to, som sammen utgjør Innføring i kjemi for lærere.

Bind 1 passer for alle studenter som tar naturfag på grunnskolelærerutdanningen.

Bind 2 passer for studenter som skal ta fordypning i naturfag. I bind 1 møter du grunnleggende kjemiske temaer, som atomets oppbygning, grunnstoffer, kjemiske bindinger og kjemiske reaksjoner. Det siste kapittelet handler om bærekraftig utvikling i et kjemiperspektiv.

Innføring i

Å ha kunnskap i kjemi er sentralt for å forstå verden rundt oss. Hvorfor ruster jern?

Hvorfor gir fyrverkeri så fine farger? Hvorfor er karbondioksid en klimagass?

Forfatterne ønsker med denne boka å åpne døra til vitenskapsfaget kjemi og la deg se verden fra et kjemisk ståsted. Boka inneholder derfor mange eksempler på hvordan man kan bruke kjemi til å forstå prosesser i naturen og utfordringer vi ser i verden i dag.

Mona Kvivesen Solveig Karlsen Magne Olufsen

Innføring i kjemi for lærere er en lærebok i kjemi og kjemididaktikk for studenter ved grunnskolelærerutdanningene 1–7 og 5–10.

BIND 1 ISBN 978-82-15-03725-7

Mona Kvivesen, Solveig Karlsen og Magne Olufsen

Innføring i

KJEMI for lærere

BIND 1

INNFØRING I KJEMI FOR LÆRERE

9788215037257_Karlsen mfl_Innføring i kjemi for lærere 280820.indd 1

16.09.2020 16:02

9788215037257_Karlsen mfl_Innføring i kjemi for lærere 280820.indd 2

16.09.2020 16:02

Mona Kvivesen, Solveig Karlsen og Magne Olufsen

INNFØRING I KJEMI FOR LÆRERE BIND 1

Universitetsforlaget

9788215037257_Karlsen mfl_Innføring i kjemi for lærere 280820.indd 3

16.09.2020 16:02

© Universitetsforlaget 2020 ISBN 978-82-15-03725-7 Materialet i denne publikasjonen er omfattet av åndsverklovens bestemmelser. Uten særskilt avtale med rettighetshaverne er enhver eksemplarfremstilling og tilgjengeliggjøring bare tillatt i den utstrekning det er hjemlet i lov eller tillatt gjennom avtale med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Utnyttelse i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning og kan straffes med bøter eller fengsel.

Forfatterne har mottatt støtte fra Det faglitterære fond.

Henvendelser om denne utgivelsen kan rettes til: Universitetsforlaget AS Postboks 508 Sentrum 0105 Oslo www.universitetsforlaget.no Omslag: Cecilie Mohr Sats: ottaBOK Trykk: 07 Media – 07.no Innbinding: Bokbinderiet Johnsen AS Boken er satt med: Adobe Garamond Pro 11,5/14 Papir: 100 g Arctic Matt

9788215037257_Karlsen mfl_Innføring i kjemi for lærere 280820.indd 4

16.09.2020 16:02

Innhold Forord. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Kapittel 1 Kjemi i skole og samfunn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Kjemi i samfunnet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Kjemifaget blir til. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Hva er kjemi?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Kjemi i media. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Kjemivitenskapens betydning for samfunnsutvikling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Kjemi som skolefag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Kjemi i læreplanen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Dybdelæring og de tverrfaglige temaene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Kjemifagets egenart. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Naturvitenskapelig kunnskap og tenkemåte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Kjemiens språk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Begrepsutvikling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Stoff og stoffbegrepet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Begynneropplæring i kjemi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Kapittel 2 Praktiske aktiviteter i kjemi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Definisjon av praktiske aktiviteter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Ulike måter å legge opp kjemiforsøk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Demonstrasjonsforsøk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Kokebokforsøk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Utforskende forsøk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Begrunnelser for praktiske aktiviteter i kjemiundervisningen. . . . . . . . . . . . . . . 37 Praktiske aktiviteter i LK20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Læringsutbytte av praktiske aktiviteter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

9788215037257_Karlsen mfl_Innføring i kjemi for lærere 280820.indd 5

16.09.2020 16:02

6

Innhold

Planleggingsfasen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Underveis i aktiviteten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Etter den praktiske aktiviteten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Skriving i forbindelse med kjemiforsøk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Kjemirapporten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 HMS på naturfagrommet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Risiko i kjemiundervisningen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Regelverk for klassifisering og merking av kjemikalier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Merking av kjemikalier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Hvilke kjemikalier kan brukes i skolen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Risikovurdering av forsøk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Kapittel 3 Modeller i kjemi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Bruk av modeller i kjemi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Hverdagsforestillinger og misoppfatninger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Partikkelmodellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Faseoverganger med partikkelmodellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Forklaringer med partikkelmodellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Partikkelmodellen – begrensninger og misoppfatninger. . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Undervisningsaktiviteter med partikkelmodellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Vannets kretsløp som modell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Vannets kretsløp i skolen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Bruk av modeller for å visualisere kjemiske forbindelser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Kulepinnemodellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Kjemisk formel og strukturformel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Atommodellene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Kapittel 4 Atomets oppbygning og periodesystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Atomer – byggeklossene i alt stoff. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Oppbygging av atomet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Partikler som bygger opp atomet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Grunnstoffer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Isotoper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Atommasse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Elektronfordelingen til grunnstoffene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Periodesystemet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Atomsymboler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Elektronfordeling hos grunnstoffer i perioder og grupper. . . . . . . . . . . . . . . . 79 Metaller og ikke-metaller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Atomstørrelse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Noen hovedgrupper av grunnstoffer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

9788215037257_Karlsen mfl_Innføring i kjemi for lærere 280820.indd 6

16.09.2020 16:02

Innhold

7

Dannelse av ioner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Undervisning om atomer og periodesystemet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Historisk utvikling av periodesystemet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Orbitalmodellen – dagens atommodell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Eksiterte atomer sender ut lys med ulike farger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Kapittel 5 Den kjemiske bindingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Dannelse av den kjemiske bindingen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Ionebindinger: ladninger tiltrekker hverandre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Ioner danner bindinger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Sammensatte ioner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Egenskaper til salter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Metaller: atomer som deler på en sky av elektroner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Metallbindinger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Egenskaper ved metaller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Molekyler har kovalente bindinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Polare kovalente bindinger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Regler for å avgjøre hvilken binding som dannes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Navnsetting av kjemiske forbindelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Trivialnavn og systematiske navn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Navnsetting av salter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Navn på molekyler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Undervisning om kjemiske bindinger og navnsetting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Kapittel 6 Krefter mellom molekyler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Molekyler med dipoler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Dipol-dipol-krefter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Hydrogenbinding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Overflatespenning i vann. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Van der Waals-krefter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Bestemmelse av stoffenes intermolekylære krefter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Styrken på de intermolekylære kreftene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Løselighet av stoffer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Separasjon av stoffer med ulike egenskaper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Undervisning om intermolekylære krefter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Kapittel 7 Kjemiske reaksjoner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Kjennetegn på kjemiske reaksjoner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Kjemiske reaksjoner på mikronivå. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

9788215037257_Karlsen mfl_Innføring i kjemi for lærere 280820.indd 7

16.09.2020 16:02

8

Innhold

Balansering av reaksjonslikninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Energi i kjemiske reaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Reaksjonsvarme – entalpi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Grad av uorden i en reaksjon – entropi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Spontane reaksjoner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Reaksjonsfart. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Faktorer som påvirker reaksjonsfarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Kjemisk likevekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Undervisning om kjemiske reaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Kapittel 8 Stoffmengde og masse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Målinger og enheter i kjemi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Volumetrisk utstyr. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Sammenhengen mellom antall og masse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Stoffmengde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Formelmasse og molar masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Støkiometriske beregninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Molare løsninger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Konsentrasjon av løsninger i molar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Tillaging av løsninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Fortynning av løsninger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Kapittel 9 Ulike kjemiske reaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 Fellingsreaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 Løseligheten av salter i vann. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 Fellingsreaksjoner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Undervisning om fellingsreaksjoner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Syre–base-reaksjoner – protoner overføres mellom stoffer. . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Definisjoner av syre og base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Syrer i vann og syrestyrke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Viktige sterke syrer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Baser i vann. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 Vann har amfotære egenskaper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 pH-skalaen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 pH-målinger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Undervisning om syrer og baser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Redoksreaksjoner – elektroner overføres mellom stoffer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Definisjoner av oksidasjon og reduksjon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Elektronoverføringer ved redoksreaksjoner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Spenningsrekka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Korrosjon av metaller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

9788215037257_Karlsen mfl_Innføring i kjemi for lærere 280820.indd 8

16.09.2020 16:02

Innhold

9

Oksidasjonstall. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Undervisning om redoksreaksjoner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Reaksjonstyper – en oppsummering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Kapittel 10 Bærekraftig utvikling med et kjemiperspektiv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 Bærekraftig utvikling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 Materialgjenvinning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Plast. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Metaller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 Kretsløp i naturen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Karbonkretsløpet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Nitrogenkretsløpet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Klimaendringer og drivhuseffekten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 Sur nedbør. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Vann og vannressurser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Vann i et bærekraftig perspektiv. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Vannrensing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Naturen som vannrenser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Kjemi i det tverrfaglige temaet bærekraftig utvikling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Oppgaver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Referanser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 Fasit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 Illustrasjoner og foto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Stikkordregister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

9788215037257_Karlsen mfl_Innføring i kjemi for lærere 280820.indd 9

16.09.2020 16:02

9788215037257_Karlsen mfl_Innføring i kjemi for lærere 280820.indd 10

16.09.2020 16:02

Forord Vi har flere ganger snakket om å skrive en lærebok i kjemi. Etter å ha undervist i flere år på lærerutdanningene ved Norges arktiske universitet har vi sett behov for et nytt læreverk i kjemi for lærerstudenter. Våren 2019 begynte vi for alvor å planlegge skrivingen, og vi var enige om at tidspunktet passet bra med fagfornyelsen og nye læreplaner fra høsten 2020.

Kjemi kan være et spennende og engasjerende fag i skolen, og vi ønsker at studentene våre skal ha kunnskaper og ferdigheter til å formidle kjemifagets betydning for samfunnet.

Vi ønsker også å vise at faget forklarer mange av fenomenene og prosessene vi ser rundt oss. Lærerutdanningene trenger et læreverk som går i dybden i kjemi, og har interessante og aktuelle eksempler som studenter kan gjenkjenne. I boka har vi tatt med eksempler fra hele landet, siden lokale eksempler ofte vekker engasjement og nysgjerrighet.

Vi har valgt å begynne boka med et kapittel som viser hvor stor betydning kjemifaget har i hverdagen vår. I kapittelet skriver vi også om kjemiens plass i skolen, og hva som er spesielt med kjemi som undervisningsfag. Her har vi vektlagt kjemiens språk og begrepslæring i kjemi. Videre i boka er kjemididaktikk integrert i alle kapitlene, der vi i hovedsak legger vekt på hvordan vi kan undervise faget for å fremme forståelse og engasjement. Siden bærekraftig utvikling har kommet inn i læreplanen som et eget tverrfaglig tema, har vi et eget kapittel som gir kjemifaglige perspektiver på dette viktige temaet.

Her viser vi hvordan det å jobbe tverrfaglig i skolen med komplekse temaer kan gi en større dybdeforståelse hos elevene.

For at du som lærer skal hjelpe elevene til å forstå verden fra et kjemifaglig ståsted, tar boka opp sentrale temaer for grunnskolen. Kapitlene starter på et grunnleggende nivå og går gradvis dypere inn i temaene. Vi håper dette gir deg dypere forståelse i kjemi, og at du kan anvende dette i undervisningen din.

I arbeidet med boka har vi brukt egne erfaringer fra vår undervisning på grunnskolelærerutdanningene. Vi har alle tre bidratt like mye, og har hatt gode faglige og didaktiske diskusjoner. Dette har vært en artig og utviklende prosess, både kjemifaglig, didaktisk og ikke minst skriveteknisk.

Vi ønsker å takke redaktør Jannicke Bærheim for god oppfølging, grundige tilbakemeldinger og konstruktive innspill i arbeidet med boka. Vi vil også takke førsteamanuensis Kirsti Marie Jegstad for mange gode innspill til boka.

Vi håper boka kan bidra til å inspirere kommende naturfaglærere, slik at kjemifaget kan knyttes til elevenes hverdag og utfordringer i samfunnet.

Alta og Tromsø, september 2020 Mona Kvivesen, Solveig Karlsen og Magne Olufsen

9788215037257_Karlsen mfl_Innføring i kjemi for lærere 280820.indd 11

16.09.2020 16:02

9788215037257_Karlsen mfl_Innføring i kjemi for lærere 280820.indd 12

16.09.2020 16:03

Kapittel 1

Kjemi i skole og samfunn

Forståelsen av kjemiske stoffer og reaksjoner har vært med på å forme samfunnet vårt helt siden oldtidsmennesket lærte seg å blande stoffer de fant i naturen. I dag trengs kompetanse i kjemi i alt fra produksjon av livsviktige medisiner til batterier i el-biler og rensing av utslipp. Vi trenger også kunnskaper i kjemi for å kunne ta egne beslutninger og delta i samfunnsdebatten; derfor kan vi si at kunnskaper i kjemi er en del av vår allmenndannelse. Vi trenger blant annet forståelse i kjemi for å ha kunnskapsbaserte diskusjoner om bærekraftig utvikling. For eksempel når vi skal diskutere om el-biler er bedre for miljøet enn bensinbiler, bør vi vite litt om batteriteknologi, forbrenning av fossilt brensel og egenskaper til drivhusgassen karbondioksid.

I dette kapittelet vil vi se nærmere på hvordan kjemiske og naturvitenskapelige oppdagelser bidrar til å utvikle samfunnet vårt. Vi vil videre diskutere hva som kjennetegner kjemi som skolefag, og argumentere for at det er en sentral del av skolefaget naturfag.

Siste del av kapittelet handler om kjemifagets egenart og språk.

Kjemi i samfunnet Kunnskaper og ferdigheter i det vi i dag kaller kjemi, har vært viktig for oss mennesker helt siden oldtiden. Menneskene utviklet tidlig et repertoar av materialer, teknikker og kunnskaper som vi har videreutviklet gjennom historien. Et av de eldste arkeologiske funn som viser at oldtidsmennesket hadde kunnskaper i kjemi, er 20 000 år gamle hulemalerier.

I disse var det brukt ulike typer av leire til farge. De var blandet med aske og fett for lett å kunne påføres huleveggen (Cobb & Goldwhite, 2001). Oldtidsmenneskene kontrollerte også ilden og laget keramiske potter. Etter hvert begynte vi mennesker å utvinne metall for å lage redskaper og smykker. For ca. 10 000 år siden lærte vi å framstille alkohol fra sukkerholdige planter. Menneskene begynte også tidlig å anvende kosmetikk. Nedtegnelser på steintavler viser at vi mennesker brukte såpe allerede for 4800 år siden (Lowe, 2016).

Kjemifaget blir til Fra ca. år 300 fvt. vokste det opp en ny blandingskultur mellom filosofi og praktiske kunnskaper om stoffer i Alexandria i Egypt. Denne fikk navnet alkymi. Navnet alkymi har arabisk opprinnelse og er hentet fra artikkelen «al» og ordet «chymia». Opprinnelsen til ordet «chymia» er ikke kjent, men det spekuleres i om ordet stammer fra det egyptiske ordet for sort, enten på grunn av det sorte jordsmonnet rundt Nilen eller sort magi (Cobb & Goldwhite, 2001). Ordet kjemi er utledet fra ordet alkymi.

Alkymien blomstret i Alexandria i flere hundre år og spredte seg etter hvert til større deler av verden. Alkymien kom til Europa rundt år 1100.

9788215037257_Karlsen mfl_Innføring i kjemi for lærere 280820.indd 13

16.09.2020 16:03

14

Kapittel 1

Alkymi bygde på en annen forståelse av hva stoffer er bygd opp av, enn det vi vet om grunnstoffer i dag. Alkymister hadde som mål å forvandle et stoff til et annet, og mange alkymister forsøke å lage gull fra andre metaller. Dette lyktes ingen med, men de gjorde andre oppdagelser. Alkymisten Hennig Brand, for eksempel, tørrkokte i 1669 urin på jakt etter en substans som kunne omvandle metaller til gull. I stedet for gull fikk han et selvlysende stoff som selvantente i kontakt med luft. Dette ble oppdagelsen av fosfor

Figur 1.1. Maleri som beskriver Hennig Brand når han oppdager grunnstoffet fosfor. Legg merke til hvordan kolben lyser opp. Maleriet «Fosfor» fra 1771 av Joseph Wright.

9788215037257_Karlsen mfl_Innføring i kjemi for lærere 280820.indd 14

16.09.2020 16:03

Kjemi i skole og samfunn

15

og var det første nye grunnstoffet som ble oppdaget siden oldtiden (Lowe, 2016). Dette stoffet var mer verdifullt enn gull i sin tid. Brandt tørrkokte 5500 liter urin, men fikk bare ut 120 g fosfor. I over 200 år var dette den industrielle måten å framstille fosfor på. De hentet store mengder urin, blant annet fra militærleirer. I dag utvinnes fosfor fra fosforrike bergarter som gjennomgår kjemiske prosesser for å ta ut grunnstoffet.

Alkymien ble forbundet med magi og mystikk. Det sto mye på spill, for de som fant en oppskrift på gull eller evig liv, ville bli uendelig rike. Derfor holdt alkymistene sine metoder og resultater skjult (Cobb & Goldwhite, 2001). I sin søken etter nye stoffer utviklet de mange metoder for å endre på stoffer. De blandet, smeltet, kokte og løste opp stoffer.

Dette er teknikker som også kjemikere i dag bruker. Alkymistene begynte også å stille hypoteser som de testet ut eksperimentelt, noe som er sentralt i naturvitenskapen i dag.

Fra 1700-tallet utviklet den mystiske alkymien seg til å bli et vitenskapsfag der nøyaktige målinger og teoretisk refleksjon sto i fokus. Vitenskapen forsøkte å vrake teorier som var basert på spekulasjoner, og erstatte disse med teorier som var basert på eksperimentelle resultater (Cobb & Goldwhite, 2001). Dette ble starten på vitenskapsfaget kjemi.

Hva tror du fosfor ble brukt til på slutten av 1600-tallet, som gjorde at det var mer verdifullt enn gull?

Hva er kjemi?

Kjemi blir kort beskrevet som en vitenskap som studerer stoffer og endringene de gjennomgår. Litt grundigere kan vi si at denne vitenskapen har som mål å forklare hvorfor og hvordan stoffer reagerer med hverandre. For å forstå hvordan stoffene reagerer med hverandre, må kjemikere finne ut av hvordan bittesmå atomer som de ikke kan se, kan danne nye stoffer. Ofte skjer selv enkle kjemiske reaksjoner i flere trinn. I ordet «hvorfor» ligger det blant annet at vi prøver å forstå hvorfor noen stoffer reagerer svært raskt med hverandre, mens andre stoffer kan være i kontakt i årevis uten at noe skjer. Hvis vi slipper en bit av metallet natrium i vann, skjer det en voldsom eksplosiv reaksjon. Hvis vi derimot slipper en bit av metallet jern i vann, dannes det et rustbelegg i løpet av noen dager. Begge disse stoffene er metaller; hvorfor reagerer de da så forskjellig med vann?

Hvorfor reagerer ikke papir og oksygen med hverandre før noen tenner en flamme?

Kjemikere har som oppgave å forklare egenskapene til stoffer. Et eksempel på en slik egenskap er forskjellen på diamant og grafitt. Begge er bygd opp av kun karbonatomer.

Mens diamant er det hardeste stoffet vi kjenner til, er grafitt et svært mykt stoff som blant annet brukes i blyanter. Hvordan kan det være så stor forskjell i hardhet mellom disse to stoffene? Forklaringen ligger i bindingene mellom atomene. Figur 1.2 viser at diamant og grafitt har ulik bindsigsstruktur. Dette skal vi forklare i detalj i kapittel 6.

9788215037257_Karlsen mfl_Innføring i kjemi for lærere 280820.indd 15

16.09.2020 16:03

16

Kapittel 1

Strukturen til diamant Strukturen til diamant Strukturen til grafitt Strukturen til grafitt

Figur 1.2. Forskjellen i struktur mellom diamant og grafitt. Begge er bygd opp av grunnstoffet karbon.

Kjemi i media Kjemifaget blir ofte omtalt negativt i media (Horváth, 2002; Seager & Slabaugh, 2011).

Mange tenker på forurensinger, miljøkatastrofer og lignende når de hører ordet kjemi.

Det har vært en del alvorlige hendelser opp igjennom tidene som kan relateres til kjemisk virksomhet, alt fra utslipp av helseskadelige stoffer, oljeutslipp, luftforurensing og ulykker.

I dag er plastforurensing i verdenshavene en stor utfordring som får stor oppmerksomhet i media. Alt dette er problemer som vi må ta på alvor, og vi må jobbe for å redusere faren for ulykker og negative konsekvenser for miljøet. Kanskje kan kjemikere, som i utgangspunktet utviklet plasten, også bidra til å løse dette alvorlige problemet? Det forskes blant annet på å utvikle bioplast som er laget av biologisk materiale og er nedbrytbart.

De positive effektene av naturvitenskapelige og kjemiske oppdagelser er ikke så framtredende i media, selv om de har svært stor betydning for livet vårt. Det er ikke mulig å tenke seg et moderne samfunn uten naturvitenskapelig forskning og oppdagelser. Stort sett alt vi bruker i hverdagen, er et resultat av dette. Selv vannet vi drikker fra kranen og lufta vi puster inn i klasserommet, har gjennomgått prosesser som bygger på naturvitenskapelig forskning. Drikkevannet vårt har gjennomgått omfattende renseprosesser og blitt fraktet i rør av plast eller metall. Lufta i undervisningsrommet er renset i filtre og går igjennom kanaler av plast eller metall.

Gi eksempler på ting du omgir deg med eller bruker i hverdagen, som ikke er et resultat av naturvitenskapelige oppdagelser.

9788215037257_Karlsen mfl_Innføring i kjemi for lærere 280820.indd 16

16.09.2020 16:03

Kjemi i skole og samfunn

17

Figur 1.3. Plastforurensing på en norsk strand.

Kjemivitenskapens betydning for samfunnsutvikling Naturvitenskapelig forskning har endret samfunnet enormt mye, og det vil den også gjøre i framtiden. I 2020 fantes det over 161 millioner registrerte kjemiske forbindelser, og antall nye forbindelser øker i raskt tempo (CAS, 2020). Noen av disse har hatt svært stor positiv innvirkning på livet vårt, mens andre har vist seg å være skadelig for mennesker og miljø på ulike måter. For eksempel skadet klorfluorkarbon-gasser (KFK-gasser) ozonlaget før de ble forbudt å anvende. Blyholdig bensin førte tidlig på 1900-tallet til at vi fikk utslipp av tungmetallet bly, som var skadelig for mennesker (Lowe, 2016). Det er nå forbudt å bruke blyholdig bensin. Disse to svært skadelige produktene ble faktisk oppfunnet av samme mann, Thomas Midgley jr. I dag er hormonforstyrrende stoffer et helseproblem (Gore et al., 2015; Uhrenholt Kusnitzoff & Eriksen, 2017). Hormonforstyrrende stoffer kan blant annet påvirke kjønnsutviklingen til dyr og mennesker. Hormonforstyrrende stoffer finnes i mange produkter i hjemmet, for eksempel i møbler, kremer og bankkort.

Et eksempel på en kjemisk reaksjon som har hatt enorm betydning for utviklingen på jorda, og er kalt en av 1900-tallets viktigste oppdagelser, er Haber-Bosch-prosessen.

Fritz Haber og Robert Le Rossignol oppfant tidlig på 1900-tallet en maskin som kunne produsere ammoniakk (NH3) fra nitrogen- og hydrogengass. Dette er stoffer som normalt ikke vil reagere med hverandre. Carl Bosch videreutviklet denne prosessen. Han klarte å

9788215037257_Karlsen mfl_Innføring i kjemi for lærere 280820.indd 17

16.09.2020 16:04

Kjemididaktiske perspektiver er inkludert i alle kapitlene. Temaene i boka er knyttet tett til skolefaget, slik at du får dybdekunnskaper både om kjemifaget og om hvordan man kan undervise i temaene i grunnskolen.

MONA KVIVESEN er universitetslektor, SOLVEIG KARLSEN er førsteamanuensis, og MAGNE OLUFSEN er professor i naturfag og naturfagdidaktikk. Alle forfatterne arbeider ved UiT Norges arktiske universitet og har undervisningserfaring fra skolen.

KJEMI for lærere

Dette er første bind av totalt to, som sammen utgjør Innføring i kjemi for lærere.

Bind 1 passer for alle studenter som tar naturfag på grunnskolelærerutdanningen.

Bind 2 passer for studenter som skal ta fordypning i naturfag. I bind 1 møter du grunnleggende kjemiske temaer, som atomets oppbygning, grunnstoffer, kjemiske bindinger og kjemiske reaksjoner. Det siste kapittelet handler om bærekraftig utvikling i et kjemiperspektiv.

Innføring i

Å ha kunnskap i kjemi er sentralt for å forstå verden rundt oss. Hvorfor ruster jern?

Hvorfor gir fyrverkeri så fine farger? Hvorfor er karbondioksid en klimagass?

Forfatterne ønsker med denne boka å åpne døra til vitenskapsfaget kjemi og la deg se verden fra et kjemisk ståsted. Boka inneholder derfor mange eksempler på hvordan man kan bruke kjemi til å forstå prosesser i naturen og utfordringer vi ser i verden i dag.

Mona Kvivesen Solveig Karlsen Magne Olufsen

Innføring i kjemi for lærere er en lærebok i kjemi og kjemididaktikk for studenter ved grunnskolelærerutdanningene 1–7 og 5–10.

BIND 1 ISBN 978-82-15-03725-7

Mona Kvivesen, Solveig Karlsen og Magne Olufsen

Innføring i

KJEMI for lærere

BIND 1