NÅR FAGET VOKSER UT AV FENOMENENE. Naturen som historieforteller

Transkript

1 NÅR FAGET VOKSER UT AV FENOMENENE Naturen som historieforteller Aksel Hugo Program for pedagogikk Norges landbrukshøgskole

2 NÅR FAGET VOKSER UT AV FENOMENENE Det sporhunden har til felles med den musiserende, diktende, lyttende, lesende og mer generelt den sant oppdagende bevissthet, er at nuet er fylt med forventning. Peder Christian Kjerschow La oss begynne med lukt og smak. En svensk gartner jeg kjenner, fortalte begeistret om en fransk parfymør han hadde truffet, som med egen nese kunne atskille og identifisere mer enn tusen ulike parfymelukter. Gjennom mange års iherdig og konsentrert beskjeftigelse med parfyme, hadde han dyrket frem sin evne til å skjelne og oppleve en hel liten verden av lukt - en verden som for oss med uutviklet luktesans forblir et slags ennå uoppdaget kontinent. Jeg bruker med vilje begrepet dyrket frem, for den evnen parfymøren hadde utviklet, var vokst frem gjennom årelang og intens beskjeftigelse med parfymelukt. Gartnerens begeistring skyldes at dette var noe han kjente igjen fra egen årelang yrkesutøvelse som epledyrker og eplekjenner. Gjennom intens og langvarig beskjeftigelse med epleveksten og ulike eplesorters kvaliteter, var blikket hans blitt rikere, opplevelses- og skjelneevnen dypere. I et intervju om hagebruk som pedagogisk arena (Krantz 2000), bruker han følgende interessante formulering: Man måste odla relationen. Det er primært det forhold som vi opparbeider som må pleies og forfines. Dyrkes forholdet, vil - på samme måte som i et vennskap - erfaringsfylde vokse med. Det gjelder i forhold til venner, som det gjelder i forhold til roser, epler og egentlig all natur. Spørsmålet er hvordan vi kan bringe dette perspektivet inn i naturfagundervisningen. Hvordan kan læreren utvikle egne erfaringsevner og dyrke sitt eget forhold til fenomenene? Og hva kan elevene på ulike klassetrinn inviteres med på? Intensjonen med dette kapittelet er å gi deg som leser noen ledetråder i forhold til mulige øvelsesveier for lærer og elev. Jeg begynner med noe så konkret som en mester, en som forbilledlig får faget til å vokse frem av fenomenene. Som det fremgår av beskrivelsen, var vedkommende kjemiker ut i fingerspissene. Han kjente stoffene og hadde opparbeidet seg et forhold til dem, slik gartneren hadde det i forhold til eplene sine. I tillegg er det tydelig at han har et forhold til ungdommene at han kjenner deres ståsted og ut fra dette kjennskapet opererer som pedagog. I mellomrommet, i broen mellom fenomenenes verden og elevenes, utfolder han sitt spillerom som naturdidaktisk kunstner. Michael Faraday som pedagog Tidspunktet er en eller annen gang tidlig i 1860-årene. Stedet er the Royal Academy of Science i London. Oppe på podiet står en av datidens mest berømte naturvitenskapsmenn, Michael Faraday. Nede i salen er det ikke vitenskapsakademiets medlemmer som sitter, men en samling ungdommer som Faraday (til manges forskrekkelse) har åpnet akademiets dører for. I en serie på seks forelesninger ønsker han å gi de unge tilhørere en oversikt over datidens kjemi. Intet mindre! Overraskende er ikke bare valget av tilhørerskare, men også valget av tema. Bare hør hva han sier i sin korte innledning til den ukelange forelesningsserien: "I propose, in return for the honour you do us by coming to see what are our proceedings here, to bring you, in the course of these lectures, the Chemical History of a Candle... (1) 2

3 Her velges det av Faraday altså noe så lite oppsiktsvekkende som et stearinlys! Og han blir ved fenomenet uken gjennom! Pedagogisk sett er det et genialt trekk Faraday her gjør ved å velge et hverdagslig, tilsynelatende lite interessant fenomen. Hvis man virkelig setter seg inn i alle prosesser knyttet til det brennende stearinlyset, åpenbarer det ikke bare sine egne, men universets lovmessigheter. Det er Faradays begrunnelse for å velge stearinlyset, en begrunnelse han legger frem for ungdommene allerede til å begynne med:...there is not a law under which any part of this universe is governed which does not come into play, and is touched upon in these phenomena. There is no better, there is no more open door by which you can enter into the study of natural philosophy, than by considering the physical phenomena of a candle. I trust, therefore, I shall not disappoint you in choosing this for my subject rather than any newer topic, which could not be better, were it even so good." For at stearinlyset skal avsløre alle sine hemmeligheter, fordres det imidlertid en uvant grad av iakttagende innlevelse fra observatørenes side. Det ser Faraday som sin oppgave å sørge for. I løpet av ukens seks foredrag går han gjennom flammen på langs og på tvers, til han har kartlagt hele den kjemiske historien knyttet til forbrenningen av stearinen. Samtidig blir det hele veien gjort sidesprang fra stearinlyset og over i kjemien knyttet til de prosesser som blir påvist: Lysfenomenet og forbrenningsprosessen gir anledninger til sidesprang inn i kjemiforsøk knyttet til datidens lyskjemi, spunnet inn i betraktninger om forholdet mellom lys og varme. Påvisningen av vanndamp som et biprodukt av forbrenningsprosessen gir anledning til sidesprang inn i vannets og hydrogenets kjemi, samtidig som sinkbatteriets kjemi kan gjøres rede for. Så igjen tilbake til stearinlyset og oksygenets betydning for forbrenningen, noe som gir anledning til en ny ekskursjon inn i kjemien - oksygenets kjemi og forbrenning av ulike metaller i rent oksygen. Slik spinnes det hele veien tråder fra stearinlyset, ut i de universale kjemiske prosesser og så tilbake til stearinlyset igjen. I tillegg gjennomgås en rekke fysiske forhold knyttet til fenomenet, som den kapillære væskestrøm i veken eller aerodynamikken knyttet til flammens struktur. Det hele krydres underveis med en rekke eksotiske fenomener som hydrogenballongen, limelight, flammetyper, skyggetyper og røykstrukturer. Som i forbrenningsprosessen selv, avsluttes det med karbondioksidet - og i tilknytning til dette; karbonets kjemi. Dette muliggjør skrittet fra kjemien over i biologien, med påvisning av analogien mellom vår egen respirasjon og forbrenningsprosessen i stearinlyset. Så til slutt spennes buen mellom biologien og det vi i dag ville kalle økologien - idet samspillet mellom planterikets og dyrerikets respirasjon i begeistrede ordelag trekkes inn: Wonderful is it to find that the change produced by respiration, which seems so injurious to us (for we cannot breathe air twice over), is the very life and support of plants and vegetables that grow upon the surface of the earth... and they all move about to produce the one great work of making the animal and vegetable kingdoms subservient to each other. Slik makter Faraday, med utgangspunkt i et skarve stearinlys, for et ulærd publikum å formidle det viktigste han vet om fysikk, kjemi og biologi i løpet av seks forelesninger. Det bemerkelsesverdige, pedagogisk sett, er at han i tillegg får frem sammenhengene de ulike prosesser imellom, og finner trådene fra detaljene ut i de store livssammenhenger fra det som er forbrenningsfenomener og stoffkjemi hele veien ut til økologien. 3

4 Det elegante Faraday gjør, er å benytte fenomenet selv til å strukturere faghistorien som han forteller. Overskriften han velger synliggjør dette grepet: The chemical history of a candle: Fra dag til dag i den ukelange forelesningsserien følges stearinens vei oppover i lyset og flammen i en stoffskiftehistorie som ender der vår egen utpust ender, med karbondioksid og vann. Det er en reell historie vi kan følge om vi bare ser prosessen. Linjen i historien er det naturen selv som gir, mens forsker-pedagogens rolle blir å bruke enkelthistorien til å komme inn til vesensforståelser som er allmenne, slik en god forteller vil kunne gjøre det. Grepet Faraday velger, kan vi allment betegne som fenomenologisk metode i naturfaget. Vi skal komme tilbake til dette begrepet senere i kapittelet. Den innebygde sammenhengen Både fra lærere og elever kan vi ofte høre et stønn over at fagene er for fragmenterte, at det er for mange løsrevne biter som blir presentert. Det integrerende grep som Michael Faraday gjør er ganske enkelt: Greier du å hente ut alle de ulike fag og prosesser fra ett og samme fenomen, så har du samtidig uten å omtale sammenhenger - vist hvordan disse fag og prosesser som et hele henger sammen. Dette prinsippet kan, som vi skal komme tilbake til, utpensles mer i detalj også for andre deler av kjemien. Før vi gjør det, la oss presisere at fenomenorientert undervisning er et helt allment grep som sprenger grensene for fag og fagområder. For naturfagets del, er det mest åpenbare å begynne med selve naturen som fenomen i hele sin vidde. Har skolen et eget referanseområde i tilknytning til naturfagundervisningen? I så fall vil det på samme måte som stearinlyset har hele kjemien i seg, kunne sies å inneholde alt naturfag. Også her vil det være naturhistorier å ta utgangspunkt i som selv gir struktur til undervisningens design; det kan være store historier over lange tidsløp slik de arter seg i vegetasjonshistorie eller jordsmonnsdannelse. Eller det er historier knyttet til botanisk suksesjon, utvikling av hogstklasser, enkeltvekster (morfologisk i forhold til vekstvilkår), økologisk samspill mellom enkeltarter, enkle fuglebiografier osv. Inn i dette levende nettverket av historier i historier, vil det naturligvis også foregå en masse kjemi knyttet for eksempel til nedbrytning (forbrenning) og fotosyntese, til geologi (sure og basiske bergarter), til jord og til sopp og planteliv. Antallet historier som kan forfølges er uendelig, så det sier seg selv at kunsten ligger i å velge et utvalg som treffer både læreren og elevene og som samtidig kan bygge opp under den faglige fokusering en ønsker i akkurat den klassen på akkurat det klassetrinnet. Selv har jeg god erfaring med å knytte undervisningen opp mot et referanseområde hvor vi kommer igjen og igjen, til ulike årstider og med ulike blikk i forhold til prosesser og fenomener. Som grunnleggende bakgrunnshistorie gir jeg elevene forståelsen av de lange linjene i landskapsprosessene til de selv kan se en slags sakte film i terrenget fra istid gjennom jordsmonnsdannelse og vegetasjonshistorie. Målet blir å få forståelsen så langt at de evner å gjenfinne historien i terrenget (fenomenene) de hvor som helst har under føttene og rundt seg. Terrenget som før bare var et fiksérbilde, en statisk overflate får liv og begynner å bli dynamisk, begynner å leve i tiden. Bildeserien på neste side gir tre glimt av jordsmonnsdannelsen. Den går hånd i hånd med en suksesjon av planter fra lav (rett på fjellet) til mose, gras og høyere planter. For å se denne historien må vi se stasjonene omtrent som i en tegneserie og så selv bringe inn bevegelse som får historien frem som noe vi ser inne i oss, selv om det er frosne bilder vi ser i terrenget. 4

5 Til den vide terrenghistorien hører det med to grunnprosesser, som preger dannelseshistorien i både stort og smått, nemlig dynamikken mellom oppbygging og nedbryting. Den gjenfinner vi overalt vi snur oss hen. Forståelsen av historiene knyttet til jordsmonnsdannelse, planteliv og økologi kan knyttes opp mot denne allmenne verdensdynamikk. Soppenes spesifikke rolle i naturen blir tydelig, og dynamikken mellom forbrenning og fotosyntese, som vi har vært inne på i kjemien, får plutselig et livsnært, reelt og dramatisk bilde (bare se rundt deg) å knytte an til. Jeg nevner dette allerede her, fordi det kan passe å ha disse ute-erfaringene knyttet til biologi i minne når vi nå setter oss inn i klasserommet eller kjemisalen for å arbeide med kjemien på en måte som tar Faraday ett skritt videre. Vi skal fordype oss i forbrenningsfenomenet, og vi skal se hvordan det er mulig å gå ett skritt videre over til fenomenet syrer og baser, og mer generelt til karbonets kjemi. Kunsten er å bygge ut fenomenfordypningen slik at den knytter an til og fordyper - det vi ønsker å gjennomgå pensummessig. En helt vanlig fyrstikk Om vi nå spør oss selv eller elevene hvor Faradays stearinflamme kom ifra, vil vi forfjamses litt. Hvor kommer lyset fra? Hvor har det sitt opphav? Vi merker at det svimler litt, og kan vel føle tilfredshet eller ubehag ved det alt etter legning og type. Vi kan uansett nøkternt ta tak i tenningsprosessen og undersøke den litt nærmere. Den begynner som kjent med en helt vanlig fyrstikk. Dette å stoppe opp litt og, som et barn, spørrende iaktta de helt vanlige fenomener er av og til helt på sin plass. Fyrstikken er et godt eksempel på noe vi har sett så mange ganger at vi ikke egentlig iakttar, men bare registrerer: Aha, en fyrstikk. Vi er straks ferdige med saken når vi har registrert det. Men hva er det egentlig vi har foran oss? En trepinne et eller annet treslag må det være firkantet den rødbrune kuleformen i den ene enden, hvor hele poenget med fyrstikken liksom sitter hvordan lages den? Slik forsker det spørrende blikket når vi tar noe i nærmere øyesyn. Og akkurat dette, å ta noe i nærmere øyesyn, er faktisk en sentral egenskap å lære elevene. Ikke bli overrasket om det er en av de såkalt svake elevene som er den sterke iakttageren og rask til å oppdage finere detaljer: Det er noe glatt i treverket, noe impregneringsgreier men det glatte mangler i den enden som vender vekk fra fyrstikkhodet! Litt omtanke må til når en deler ut fyrstikker til en klasse elever, det sier seg selv. Ellers blir det lett mye røyk, og lite forståelses-ild. Skal vi undersøke fyrstikken skritt for skritt, er det lurt å vente med å dele ut ripeflaten. Først etter den tørre undersøkelsen hvor spørsmål gjerne kan få henge i luften, kan det passe med en intensivert studie av hvordan fyrstikken brenner. Her er det greit å si til elevene at de har kort tid på seg (den tiden en fyrstikk brenner) til å få med seg og beskrive så nyansert og nøkternt som mulig hva de ser og sanser. Det er mulig å samle trådene etter en slik første, korte undersøkelsesøkt, ved å samle sammen de observasjonene som er gjort i et felles bilde, gjerne på tavlen. Her gir jo fenomenet selv en viss struktur som vi kan følge i beskrivelsen. Begynner vi med fyrstikken utent og tegner den, 6

6 8 gram rødt fosfor (lett antennelig stoff) 5 gram kalsiumkarbonat (friksjonsmiddel) 3 gram gummi arabicum i 15 ml vann (bindemiddel) Bindemiddelet lages på samme måte som med tennsatsen. Tilsett rødt fosfor og kalsiumkarbonat og rør godt om. Stryk et tynt lag av massen på et stykke kartong. Etter en times tørketid vil ripeflaten være klar. I forlengelsen av fyrstikkundersøkelsen, er det naturlig å ta fatt i teknologihistorien som ligger bak det fyrtøyet vi tar for gitt i dag. Rent fenomenologisk er jo denne kulturhistorien en del av dannelseshistorien til det vi har foran oss på bordet. Det som vi i dag tar for gitt, og de fleste ikke engang er klar over, var en gang en viktig oppfinnelse. Fosforet og svovelet har skilt lag slik at tenningen bare kan skje mot ripeflaten på esken. Det var på verdensutstillingen i 1855 i Paris at de to svenske brødrene Lundstrøm fikk førstepris for sine sikkerhetsstikker. Forut for det var det fosforstikkene som dominerte med en tennsats av kaliumklorat (gir oksygen) og hvitt fosfor (som er giftig). Briten Robert Hoyle ( ) var den første til å oppdage at en svovelstikke tok fyr av seg selv hvis den hadde vært nær hvitt fosfor. Allikevel ser ikke den kjemiske fyrstikken som bygger på dette prinsippet dagens lys før så sent som begynnelsen av 1800-tallet. Det var også først da (1805) at franskmannen Chansel oppdaget hvordan oksygen frigjøres når svovelsyre spalter kalsiumklorat. Ut ifra denne oppfinnelsen laget han de såkalte dyppestikker; med en tennsats av nettopp kalsiumklorat, sukker og gummi arabicum som han dyppet vanlige svovelstikker ned i. Når denne tennsatsen ble dyppet i svovelsyre, skjedde det en kjemisk varmeutvikling som var sterk nok til at stikkene tok fyr. Det er trolig dette fyrtøyet som en gammel norsk sjømann beskriver sitt første møte med i 1836: Vort værste Arbeide var at faa ild paa Kabyssen, og holde Ilden vedlige. Og den som ikke har prøvet Taalmodighedsarbeidet med Knusk og Flint, kan ikke engang forestille sig hvordan vi havde det. Saa var det en Gang i Falmouth jeg tror det var i Skipperen kom noksaa lurt bort til mig og sagde at nu skulde jeg slippe Kommercen med Knusk og Flint. Og meget hemmelighedsfuldt kaldte han os sammen, trak en Fladske og nogle Pinder op af Lommen og begyndte sit Experiment. Vi gabte naturligvis af Nysgjerrighed, men holdt paa at falde overende af Forbauselse, da han ved at dyppe en Pinde i Fladskens Væske fik Pinden til at brænde. Det var ikke frit for at jeg mistænkte ham for at staa i Ledtog baade med det ene og det andet, men den som blev glad det var mig. Dette var de første Fyrstikker jeg saa. Wetting, Olav (1968), Norsk fyrstikkindustri. Universitetsforlaget (s. 27) Allerede fra oldtiden kan man lese om svovelstikker. De var ikke fyrstikker i vår forstand, da de ikke hadde evnen til å tennes, men bare et hjelpemiddel når man allerede hadde en glo for hånden. Når man stakk stikker av mer eller mindre rent svovel bort i en glo og blåste, tok først svovelet fyr, siden treet. Tykke tråder av lin eller bomull har også blitt svovlet opp og brukt til opptenning. Opedal fra Kinsarvik beskriver prosessen med smelting, trekking og tenning slik: Dei la svovelet i ei skjøe, ei lita kole eller i eit brot og sette på glørne så det bråna. Sidan duppa dei nedi ein tjukk, heimgjord bomullstråd eller ein grov lintråd. No kunde dei dra svoveltråd upp or kari. Dei klypte honom i stubbar så lange som fyrstikker, slo eldjarn mot flintstein så det sprang gneistar ned i tunder, stakk burttil svoveltråden so han tok eld. Med den brennande tråden kveikte dei talgljos, og talgljoset stakk dei burt i kveiksla under veden på gruva. Wetting, Olav (1968), Norsk fyrstikkindustri. Universitetsforlaget (s. 17) Svovelstikkene var altså et hjelpemiddel til å gjøre glo til flamme. Selve gloen var det lightermetoden en benyttet seg av for å få, med ildjern mot flintstein. Så gjaldt det å fange gloen opp og få den til å fate og stafetten var i gang fra svovel, via talglys og til knusket under veden. I fyrstikken som vi tenner uten å tenke mer over det, har mennesker forfinet denne ildstafetten i en fortettet, brannsikker og giftfri form. Se nå har vi straks noe mer mellom hendene enn ved timens begynnelse. Vi har fått en relasjon til fyrstikken, og kan legge den bort. Selve flammen og forbrenningsprosessen kan vi undersøke videre i det stearinlyset som er blitt tent. 8

7 Flammen som fenomen Dersom det ikke er trekk i rommet, er det en stabil og formfullendt flamme vi har foran oss uten blafring og soting. Vi trenger ikke fortelle elevene det, men tenk et øyeblikk over hvilken lang vei teknologihistorien la bak seg før den endte opp med dette klimaks: En stille, lukt- og osløs flamme i en oljelampe som ikke trenger noen skål (den lager den jo selv), og heller ikke renner fordi stearin som fettstoff er akkurat mykt nok til å smelte godt og akkurat hardt nok til å beholde formen. Som en fullendt frukt, uten å prange med sin perfeksjon, umulig å forbedre, er stearinlyset (som fyrstikken) kommet for å bli i vår kultur. Har vi dempet lyset i rommet for å kunne se flammene bedre, vil det - før vi kommer så langt som til å undersøke dem - ofte oppstå et interessant fenomen, nemlig en høytidsstemning som brer seg i rommet. Når den brer seg, kan den oppleves som litt upassende, liksom. Og det er jo interessant. Hvorfor er den upassende? Som sanseiakttagelse, bør den ikke få lov å høre med? Indre erfaringer klinger videre som indre spørsmål, - samtidig som det nå handler om å vende oppmerksomheten til elevene nøkternt mot forbrenningsprosessen og flammen de har etablert foran seg. Jeg bryter stillheten: Hvordan ville dere beskrive flammen? Fortell så det er mulig for en som er blind å se den for seg i detalj! Det blir gjerne stille en stund. Det som jo skulle være så lett, viser seg å være vanskelig litt overveldende. Noen elever blir nok også hindret i at de forventer at det er bestemte ting jeg vil at de skal se, og lurer på hva dette kan være. Det blir selvsagt en sperre for å komme i gang og å stole på sine egne sanser. Andre kan være litt overveldet av hele saken får liksom ikke fatt i det hele: Denne stille og enkle flammen, er jo et dramatisk og enormt sammensatt foretak: helheten er dynamisk; formen er den samme hele tiden og likevel hele tiden ny fast stearin blir til flytende og til gass stoff forvandles og går over til å gi lys og varme (den overgangen er jo ikke så enkel å fatte) - veken trekker opp væske i den ene enden og gløder oransje i den andre akkurat der flammehuden berører den luften settes i bestemte bevegelser rundt flammen osv. Denne bevegeligheten hele veien gjør forstanden litt svimmel rett og slett. Det er vanskelig for fornuften å finne noe å bite seg fast i når fenomenet det står overfor stadig forvandles og samtidig strømmer. Jeg sier alt dette som forklaring på den nølingen som ofte kommer i elevgruppen. For å samle klassen i denne litt famlende åpningssituasjonen, kunne det passe å gi et samlende bilde og innspill fra min side her. Jeg spør: Hvis dere tok film av stearinlyset noen timer, hva ville dere da se om dere kjørte filmen i rask kino? Det blir klart at stearinlyset forsvinner, at det går opp i røyk. Vi har med stoff-forvandlinger å gjøre - og det vi vil undersøke i kjemitimen er hva slags forvandlinger som foregår i og omkring flammen. Det som i tillegg møter oss der, i samspill mellom forvandling av stoffene, er fenomenene lys og varme. Der vil fysikktimene overta. Dermed er det plassert inn i stearinlysopplevelsen hva vi nå skal gjennomgå, og hva vi vil ha mulighet til å gå videre på senere. For elevene er det tilfredsstillende å få plassert ting: Slik og slik nå, og resten kommer i andre timer og sammenhenger! I virkeligheten hører disse tingene sammen; stoff og lys/varme, kjemi og fysikk, det ser dere jo. Og det er noe annet som dere også kan se. Om dere virkelig konsentrerer dere og forestiller dere filmen av stearinlyset, som lyser og varmer og samtidig gradvis forsvinner, om dere ser dette for dere og så kjører filmen baklengs, hva ser dere da? Da vil dere først se slutten på filmen - altså ingenting, og så et stearinlys som strekker seg opp av bordplaten og vokser rakt i vei til full høyde! Ja, dere vil se stoff-forvandlingen i baklengs film. Og forbrenningen baklengs, hva slags prosess er det? 9

8 FOTOSYNTESE lys og varme karbondioksid + vann organisk stoff + oksygen lys og varme FORBRENNING Om det lykkes å få elevene til å beholde forbindelsen til det de umiddelbart ser og samtidig forsterke prosessen for sitt indre øye og reversere den, har jeg som naturfaglærer oppnådd det nærmeste jeg kommer en opplevelse av pensumformlene (se forrige side). Saken er at elevene bør kjenne formlene som noe mer enn et bokstavelig innhold. Hele elevgruppen vinner jo på å kunne forbinde de tørre formlene med et opplevelsesinnhold. Dette lille intermessoet blir slik sett et kontrapunkt til den fordypningen vi skal gå inn i. Vi har plassert undersøkelsen vi skal i gang med inn i en sammenheng som omfatter andre fag og virkeligheter enn kjemiens vi har et grep om det hele før vi går inn i detaljene. Det er spennende å være lærer når prosessen kommer i gang og elevene her og der begynner å melde inn hva de ser. Det krevende er å være åpen som lærer og til stede både i det som skjer i elevene og det en selv ser (det er jo første gang jeg ser og hører akkurat dette!) og å føye denne åpenheten sammen med en ledelse som vet noen stasjoner vi vil til, hvor vi kan samle trådene. Det er klart at vi skal dit at vanndamp og karbondioksid påvises og at elevene får erfare det som formelen viser i overgangen fra organisk stoff. I tillegg er det oksygenets rolle som vi jo kan vise på ulike sett gjerne tradisjonelt med en glassklokke over et stearinlys som flyter på en kork - hvor vannet stiger og ca. 20 % av luftvolumet blir borte. Men før vi kommer dit, har den faste stearinen en lang vei å gå opp gjennom flammen. Her er noen knagger på denne veien som kan være en hjelp til å få øye på: 1. Stearinens vandring Vi kan se overgangen fra fast til flytende rundt koppdannelsen - og vi kan ane overgangen fra flytende til gass og transporten i veken. De dansende bevegelsene i koppen viser en roterende bevegelse. Slik havstrømmene drives av temperaturdifferanser er det også i dette havet voldsomme strømninger. Veken trekker opp stearinen det er et fenomen vi kjenner når vi stikker et hårrør ned i vann. Om det i tillegg er andre krefter som driver strømmen opp og inn i flammen (vedheng i parafinstrømmen, driv fra temperatur eller trykk) er interessante spørsmål. På yttersiden av stearinlyset er det en skorsteinseffekt. Det foregår en konstant transport av luft opp over kanten, denne konstante tilførselen er en forutsetning for den jevne flyten i flammen. Den bidrar også til å kjøle kanten på lyset slik at den holder seg stiv nok til å være en skikkelig kopp. 2. Flammens fargestruktur Vi kan tydelig se det mest gull-lysende område fra øvre halvdel og ned omkring et tydelig gråere område midt i nedre halvdel omkring veken. Vi kan også se en tydelig oransje glød i vekens tupp i sidekant av flammen og blålig hud i flammens underkant. Den grå sonen rett rundt veken som ikke gløder, er stearingass. Stikker du en nål inn i denne sonen soter den ikke. Det gjør det derimot lenger opp hvor flammen lyser som sterkest. Jeg anbefaler å la elevene gjøre en oppdagelse av hva som er inne i flammen ved å stikke en metallgjenstand inn. 10

9 Hva er det der i det aller helligste der det lyser skarpest? Jo, der er det som svartest! Noen vil si SOT. Ja det er rett; sot! Og hva er sot, hvilket kjemisk stoff er det? Det blir gjerne litt stille da. Så er det en som prøver seg med KULL eller KARBON. Ja det er riktig, dette er kull det er det som dere skriver C for i kjemien. Er alle med på det! Det er ikke stearin, det er KULL, rent kullstøv! For de fleste er dette aller enkleste en aha-opplevelse. Inne i flammen, der det lyser, er kaoset optimalt. Der er historien kommet så langt at stearinen er revet i filler. At det er akkurat da det lyser, kan vi jo undres over eller oppleve som vakkert. Og samtidig er det litt overraskende at det rett og slett er glødende kull vi ser inne i enhver stearinlysflamme. At kull kan gløde har jo alle sett. Men visse selvsagtheter blir annerledes når de kommer i en ny sammenheng. Det vil være en fordel å ha en utbrent kullbit liggende og kunne ta den opp og ta hardt i den og bli litt svart på fingrene samtidig som vi kommer til dette poenget. KULL! Det blir liksom kjernen i timen å komme dit har vi sett og sagt det, blir det lettere å fatte at det er KULLdioksyd og samtidig underligere. Overgangen fra stearin til kull er allerede et lite mirakel for mange av elevene ja for hvordan kan egentlig noe bli til noe annet? For dem som er interessert i organisk kjemi hører det med til historien at det vil være en lang rekke overgangsstadier på veien fra stearingass til kull, og at det finnes en avansert kjemi knyttet til disse ustabile mellomformene. Når lamper oser, hva er det da som skjer? Har noen sett hvordan taket ser ut i en stue hvor parafinlampens flamme har blitt for høy? Når en flamme oser, brytes flammehudens overside opp, og kullet går til værs uforbrent. At vi kan tenne på dette kullet (noe stearingass vil det også være) i stripen av os etter at vi har slukket flammen og få en flamme til å brenne seg ned til veken gjennom løse lufta, vil kunne illustrere dette at kullet faktisk brenner. Den glødende tuppen på veken gir oss en indikasjon på at det må være her (i flammens hudområde) at karbonets ekteskap med oksygenet finner sted. At veken er flettet, bidrar for øvrig til at den bøyer seg litt og stikker ut på siden, slik at den brennes av i møtet med oksygenet. Derved slipper den å klippes. Av og til kan vi se at dette ikke fungere og veken må klippes. Spørsmålet om blåfargen langs kanten av flammen bringer oss i kontakt med fargelæren som vi her må la ligge. Det samme gjelder hele startprosessen før det oppstår en dynamisk likevekt i flammen. Hvordan foregår den? Svært ofte vil vi se at flammen vokser (på stearinen i veken) før den dernest begynner å skrumpe inn til den så tar seg opp igjen ved å begynne å smelte unna stearin som mater veken. Vi kan også komme borti flammer som står og vibrerer opp og ned lenge i en slags hysterisk av-og-på-likevekt. Etter å ha dannet et bilde av hele forbrenningsprosessen så formelen er dokumentert, er det på sin plass å trekke tråden fra forbrenningen i stearinlyset til forbrenningen slik vi kjenner den i åndingen i dyrecellen. Underveis kan vi også ha lagt inn en kommentar om en forbindelse: for eksempel er det mulig å assosiere til hvordan de ville oppleve dette å mangle oksygen, å ikke få puste, når eleven ser flammen som er i ferd med å dø ut under glassklokken. Lungene våre bringer oksygen til kroppen og blodet bringer dette ut til cellene. Jo, det har de hørt. Det de ikke har hørt eller tenkt, er at flammen er naturens modell av en levende celle. Akkurat som i flammen, er det også slik i kroppen deres at likevekten er dynamisk - og de faste formene bare tilsynelatende står der urørlige. Stoffene kommer og går, strukturen består. Hva trenger denne flammen for å brenne? Den må mates gjennom veken med kullstoffer av et eller annet slag og så må den tilføres oksygen. Hvem opplever det som upassende at lyset og livet er beslektet? Fenomenets mangfold oksidene Hvor detaljert en går i dybden i forhold til et fenomen, og i dette tilfelle hvor mange timer en bruker på å komme gjennom flammen, vil selvsagt kunne variere. Poenget rent didaktisk er å kunne veksle mellom å gå i dybden og bredden. Har vi fått en relasjon til et fenomen som for eksempel forbrenning, har vi forstått temaet til bunns, så vil vi lett kunne ta imot et mangfold av variasjoner av dette temaet uten at stoffmengden kjennes tyngende. Tvert imot, kjennes det faktisk både befestende og belivende ut for det vi allerede har gjennomgått når det viser seg å kunne varieres i et mangfold av former. Mange variasjoner kan da tas imot på relativt liten tid, uten at det kjennes ut som faglig overkjøring. 11

10 Vi har brent stearin. Er det andre stoffer som også brenner? De mulige variasjonene av temaet forbrenning er jo gedigen. Det viser seg at alle organiske stoffer brenner ja, hele milliontallet av organiske karbonforbindelser som plantene syntetiserer i forlengelsen av fotosyntesen. Når de brennes, lager de altså alle det samme oksidet karbondioksid. Klimadebatten kan her tas opp med kull- og gasskraftverk og spørsmål knyttet til utslipp av CO 2 eller NO x. Uten å gå helt i detalj er det mulig å gå inn på de ulike brennstoffene som parafin, bensin, propan, butan og metan osv. Vi kan gjøre oppmerksom på gulfargen som er karakteristisk for flammen fra stoff som inneholder karbon - som minner oss om sola, som var fadder for all denne stoffdannelse. Hva med andre stoffer enn de organiske? Brenner de? Hva skal til for at de brenner? Her er en overgang mulig til oksidene som kjemisk gruppe. Slik vi ville frem til opplevelsen av kullet i stearinlyset som et tyngdepunkt i undersøkelsen av flammen, vil mangfoldet av forbrenninger kunne lede frem til sikkerhet om at hvert stoff som brenner danner sitt oksid. Svovel og fosfor som vi har hørt om allerede, er de mest nærliggende å ta tak i. Vi kan hente frem stoffene i ren form, det lysegult, rene svovelpulveret og det rødbrune fosforpulveret. Det er jo et poeng å få se stoffene med egne øyne om ikke elevene får lov å behandle dem. Etter min erfaring kan det ikke gjøres for tydelig, noe av det vi gjør i kjemitimen. Om vi har to petriskåler hvor fosforet og svovelet får vise seg, kan vi legge til en tredje skål ved siden av med det tredje ikke-metallet, karbon. Om det er grafitt eller en trekullbit har ingen ting å si. Vi kjenner jo allerede den historien, vet hva som vil skje om vi brenner dette svarte stoffet. Da får vi karbondioksid. Nå ligger det mye i kortene der allerede. Om vi brenner de andre stoffene: hva får vi da? Petriskålene slik de blir plassert ved siden av hverandre formulerer spørsmålet. Svaret bør jeg ikke si, men vise. For å vite hva vi får når vi brenner de to stoffene, må vi jo brenne dem!!! For å få frem forskjellen i flammefarge, og et kvalitativt inntrykk av hvor ulikt de brenner, har jeg hatt god erfaring med å ta en spiseskje svovelpulver, tenne det i skjeen over en brenner og helle det flytende og brennende stoffet over en håndballstor, halvkuleformet stein inne i avtrekkskapet. Svovelet vil først smelte og blir rødlig flytende før det brenner med en kald og blålig flamme som liksom bare slikker over stoffet. Det røde fosforet brenner i et kraftig, utstrålende oransje-gult. Vi vil se at det oser, og vil på tross av avtrekkskapet vite det også med nesen, denne stikkende og ubehagelige lukten - før vi får begrepet svoveloksid (mer presist svoveldioksid, det har med mengdeforholdet å gjøre poenget her er at forbrenning av svovel gir et oksid av svovel). Tilsvarende vil begrepet fosforoksid kunne knyttes til gassen som fosforet gir. De tre ikke-metallene karbon, svovel og fosfor kan altså brenne ved å forbinde seg med oksygen og danne ulike oksider. Hva med metallene da? Kan de brenne? Noen sier kanskje nei, noen ja. Det slår aldri feil om vi da trekker frem et magnesiumbånd og tenner på det. En flamme som er så sterk og hvit at vi må beskytte øynene og ikke se direkte på den, og som i fotografiets barndom ble brukt som flash i lampen. Det drysser et hvitt pulver ned som vi kan samle opp og som ikke er giftig. Det er ja det er magnesiumoksid. Når magnesium brenner, dannes et oksid som ikke en gass, men et hvitt pulver. Det kalles talkum, dette turnerne faktisk bruker som anti-glippe-middel på hendene når de skal gjøre øvelser i svingstang. Vi samler pulveret opp, for det vil vi trenge til neste trinn i undersøkelsen når vi skal se på syrer og baser. Vi brenner kobber og får en grønn flamme og kobberoksid (irr), vi brenner jernspon og får herlige stjerneskudd (de brukes også der) og vi brenner natrium og får en sterk gul farge (den brukes også i stjerneskudd). Det kan også fungere å rett og slett samle stjerneskudd fra nyttårsaften. Fyrverkeri er metaller i brann. 12

11 Poenget er å bre et tema i dette tilfelle forbrenning - ut i bredden i mange variasjoner. Det er velgjørende med variasjon i verden, samtidig som det gir oss innblikk i noe som er fast i dette mangfoldet: Oksygenets rolle blir tydelig den samme uansett hva det er vi brenner. Det vet jo alle i dag, men igjen er det mulig å dykke inn i selvsagtheten. Historien om hvordan Lavosier påviser oksygen og finner frem til oksygenets rolle i forbrenningen er spennende og lærerik i denne sammenhengen. Det er ikke selvsagt at det hvite pulveret som det brente magnesiumet legger etter seg er en forbindelse mellom oksygen og magnesium. Undersøker vi stoffvekten, blir det tydelig at stoffet er blitt tyngre. Veier vi nøyaktig, vil vi se at tyngdeforholdet mellom magnesium og pulveret vil stemme med tyngdeforholdet mellom Mg og MgO. Selv om det er fristende å ta med det fascinerende smellet i ekteskapet mellom oksygenet og hydrogenet med forbrenningen av hydrogen, som gir den overordentlig besynderlige asken: VANN lar vi dette ligge i denne sammenhengen. Vi vil føre linjen videre fra oksidene til de produkter de lager når de føres over i vannet nemlig syrene og basene. Da får vannet og den fenomenologiske undersøkelse av dette vidunderlige verdensstoff vente om enn det altså er til stede som den anonyme tumleplass for syrene og basene. La det være nevnt at faren er stor for å redusere fenomenet til dette skrifttegnet H 2 O, å tro man da har fattet vannets fulle vesen. Det samme gjelder syrene og basene. Det blir litt fattigslig om syrebegrepet begrenser seg til bokstaven H + og det vi vet om baser er at de alle har formelen OH -. Den enkleste måten å få et forhold til syrene og basene på, er å lære å lage noen av dem. Begrepet dannelseshistorie er også en inngangsport til å si oss noe vesentlig om det som blir dannet. Fra oksider til syrer og baser Hva gjør brusfabrikkene for å lage brus i brusen? De tilsetter den samme gassen som kommer brusende ut når vi åpner korken på en flaske farris. Så langt er det lett å følge fenomenet: Det du setter inn, kommer senere ut. Legg merke til at gassen derfor må kunne løses i vann, slik et fast stoff (for eksempel salt) også kan løses. Og hvilken gass er det som tilsettes? Kulldioksid (karbondioksid) blåses inn i det fargeløse sukkervannet før passelige doser med kunstig farge og smak tilsettes. Det er i grunnen hva man ser i en brusfabrikk. Og når brusen blir tilsatt en gass, er det ikke bare for brusingens skyld. Hva er grunnen? Jo, det skal smake svakt syrlig av leskedrikken. Og hvilken svake syre er det som dannes når kulldioksid ledes i vann? Da får vi (her kan vi vente litt og få med klassen på det banale, men essensielle)..helt riktig: kullsyre. De har hørt ordet mange ganger: kullsyre. Men smaken av kull i ordet; forbindelsen til kullet i flammen, er ny. Helt nytt er det også dette enkle fenomen at vi får en syre når vi leder en gass ned i vann. Rent fenomenologisk er jo forvandlingen, fra en smak- og luktløs gass til en syrlig smak på tungen, heller ikke enkel å fatte. Hvis vi nå har beholdt de tre skålene med ikke-metaller (karbon, svovel, fosfor), kan det være på sin plass å spørre seg hva som skjer når vi gjør noe tilsvarende med svovel og fosfor. Det vi allerede vet, er at de alle tre danner oksider som er gasser. Hvis vi tar fosforets og svovelets oksidgasser og leder dem i vann, hva får vi da? Legg merke til at konklusjonen vi er kommet frem til i forhold til karbon gir spørsmålet i forhold til fosfor og svovel. Vi kan nå ta den tiden det tar å svare med et forsøk. Det ligger i luften at det kanskje blir noe likt, men hva vil det si? Ønsker vi å øve elevenes evne til å se sammenhenger og mønstre, er det slike enkle oppgaver vi kan bygge begrepsveksten rundt. Brenner vi nå svovel og leder gassen over i vann, vil vi få kraftig rødfarging med lakmus, som er tegn på at vi har en sterk syre. En enkel måte er å fukte et lakmuspapir, klebe det på tvers over åpningen av et reagensrør, med litt svovel i bunnen av røret, og varme opp svovelet så gassdannelsen inntrer. Igjen får vi altså en syre men en sterk syre. Hva slags sterk syre kan det være vi her har fått? Tenkningen blir utfordret i møtet med 13

12 erfaringen. Det må bli svovelsyre, det! Joda, det er det. Og igjen har vi åpning for en viss ahaopplevelse knyttet til et kjent begrep. Alle har hørt om svovelsyre noe fryktelig sterkt og farlig. Her har vi altså laget den, akkurat på samme måte som vi lager kullsyre. At den kalles svovelsyrling, og kan gjøres ennå sterkere så vi får svovelsyre, er her ikke det vesentlige det får bli en tilleggsopplysning. Om vi har kjent det stikkende litt i nesen, vet vi at dette er sterke greier, og at fuktigheten i nesen vår er nok til å sørge for syredanningen. Og hva tvil skje om vi brenner fosfor og leder fosforoksidgassen i vann? (pause ) Riktig, joda, vi får fosforsyre. Deduksjon kalles dette uten at vi trenger å nevne det. Vi kan gjøre forsøket for fosfor, eller bare fortelle om det i skjemaet som på tavlen kommer frem knyttet til de tre ikke-metallene. Poenget er mønsteret som nå begrepsmessig danner seg; veien kjemisk fra rent grunnstoff via forbrenningsprosess (med oksygen) til et oksid og videre i en løsningsprosess (med vann) til en syre. OKSYGEN VANN KARBON karbon(di)oksid kullsyre SVOVEL svovel(di)oksid svovelsyre(syrling) FOSFOR fosforoksid salpetersyre ikke-metaller På svensk heter oksygen syra og på norsk het det i gamle dager surstoff. Navnet er altså knyttet til denne dannelseshistorien som vi har fulgt. Også det greske navnet oksy-genium betyr syre-danner. Kullsyre er et eksempel på en svak syre, og svovelsyre et eksempel på en sterk syre. Hvordan vi her går videre, er et åpent spørsmål. Vi kunne igjen gå mer i bredden; fordype syrene, gi formler og reaksjonsligninger eller gå mer i bredden, hvor også organiske syrer trekkes inn. Maursyre, sitronsyre og eddiksyre er stoffer elevene har vært borti - enten de har brent seg på brennesle eller spist en salat med dressing. Jeg foretrekker å vente med denne utdypingen til vi har resten av mønsteret på plass. Griper vi nemlig nå tilbake til metalloksidene og spør hva som skjer når de løses i vann, er vi der igjen i mønsterjakten. Ut fra en slags begrepsmessig estetikk, er det naturlig å forfølge metallene den samme veien vi har fulgt ikke-metallene. Som kjent, samlet vi opp det som drysset da vi brant magnesium; et hvitt pulver (magnesiumoksid). Samlet vi det opp i en petriskål, kan vi forsøke å løse det i vann og tilsette litt lakmusløsning. Løsningen blir svakt blå. Vi får altså her en basisk reaksjon. Og hvilken base kan dette være? Magnesiumbase eller magnesiumhydroksid, som er en relativt svak base. Om vi gjør det samme med natrium får vi natriumhydroksid, og en sterk blåfarge som tegn på en sterk base. Slik kan vi fortsette med alle typer metalloksider; alle vil de lage baser. En del av disse stoffene vil også være kjente fenomener, slik som irr fra kobber og rust fra jern. 14

13 OKSYGEN VANN METALL METALLOKSID BASE NATRIUM svovel(di)oksid natriumhydroksid KALSIUM kalsiumoksid kalsiumhydroksid KOBBER kobberoksid kobberhydroksid MAGNESIUM magnesiumoksid magnesiumhydroksid Det vi interesserer oss for i denne omgang, er de metallene som danner sterke baser, og det er jordalkalimetallene; natrium (på engelsk sodium, derav sodalut, eller kaustisk soda) og kalium (derav kalilut) som er lettmetaller. Kalsium danner også et hydroksid vi skal komme tilbake til en base som er relativt sterk, kalsiumhydroksid. Det som er fascinerende med disse lette metallene, er at de ikke må brennes for å løses i vann. De er så fyrige i sin natur, at de løser seg direkte i vannet uten å brennes (til oksid) først. At gasser kan løses i vann, er ikke lett å fatte. Men at metaller også gjør det, er sensasjonelt! Å slippe noen små ubåter med havregrynstore metallbiter i et beger med vann er fascinerende. Bare vær klar over at det er hydrogen det vi da ser bruse. Poenget rent fenomenologisk er at natrium tydelig er mer fyrig enn kalsium i sin reaksjonsmåte i vannet. Kalsiumbitene synker til bunns og må få hjelp av hydrogenbobler for å stige til værs igjen mens natrium viser seg å være lettere enn vann og freser omkring som små jetbåter på overflaten. Jeg sier dette fordi det gir et visst bilde av natrium som kan gi et bilde på et meget reaksjonskraftig stoff. Som kjent er natriumhydroksid da også en sterk base. Når vi kjøper lut for å lute møbler eller lutefisk, er det denne basen vi kjøper, i granulert form. Dere kan altså lage den selv, om dere har tilgang til metallet. Det er svært enkelt og farlig! Flere indikatorfarger Før vi gjør neste skritt over i saltene, la oss stoppe opp et øyeblikk og gjøre et lite dybdedykk i forhold til den indikatorfargen vi har brukt. Lakmusløsning og lakmuspapir er noe elevene kjenner, igjen uten kanskje å kjenne det helt. I ungdomsskolen pleier jeg å introdusere det ved å la elevene få et lakmuspapir hver, og så få i oppgave å sjekke ph i eget spytt. Som regel vil dette fenge alle, også de eventuelle jentene som ikke er så opptatt av syrer og baser. Det er en enkel måte å komme dit at vi er i gang. Så kan vi ta fatt i selve fargestoffet: Lakmus er et stoff hentet ut fra en lav-art som vokser i fjellområdene i varme kyststrøk. Dette at plantesafter vil endre farge ved ulik ph, er egentlig et allment fenomen. Om en vil lage sin egen indikator, er rødkålsaft ypperlig. Også den vil farges sterkt rød mot sur reaksjon og blå mot basisk. Det er også mulig å gjøre mer ut av dette med fargestoffene, og bruke omslaget til å gjøre et forsøk med ulike plantesafter. Mackensen (1987) gjengir et forsøk han har gjort med elever, hvor de har tatt for seg med både slåpetorn, bringebær, surkirsebær, bjørnebær og rødbete! Det kan bli mye saftklining, men også herlige farger. Oppsettet er enkelt: Med ferdige løsninger av ulik ph tilsettes de ulike plantesaftene i en serie på fire ulike surhetsgrader mellom ph 1 og

14 PLANTE PLANTESAFT Ph 1 Ph 6-7 Ph 10 Ph 12 farge og Ph slåpetorn lys, blassrød intens lyserød rød, gråaktig rødbrun, grønnlig 3,5 grønnaktig rødbrun bringebær mørkerød intens lyserød rød, gråaktig rød med sterkt grønnlig 3,0 gråskjær rødbrun surkirsebær mørkerød intens lyserød rød med sterkt brungrønn med som 10 3,0 gråskjær gråskjær bjørnebær rød intens lyserød brunrød med rødbrun med som 10 3,0 gråskjær gråskjær rødbete kraftig rød rød med stenk mørkerød rød med lett brun, 3,0 av fiolett brunskjær lett gul Som forsøk, illustrerer dette fargeomslagene ved ulik ph. Det blir tydelig hva en indikator er, og at vi selv kan lage en standard, forutsatt at stoffene oppfører seg fargemessig likt i lik ph. For norske forhold ville det være interessant å prøve med blåbærsaft eller rips. Vi kan også ta i bruk kjemiske indikatorer, bromtymolblått for eksempel. Fra syrer og baser til salter Vi går tilbake til sporet vi har fulgt. Kanskje har vi hatt litt tid til å spre ut syrene og basene og gitt en oversikt over de viktigste typer og bruksområder. I tilknytning til spyttprøven, kan vi gi litt stoff om kroppen og ph. Noen vil være litt surere og noen litt mer basiske i en klasse men jevnt over holder spyttet ca. ph 7. Magen vår er derimot sur, det vet vi. Hvilken ph er det i magen? Og hvilken funksjon har syren der? Miljøet i tarmene er derimot svakt basisk Skal vi strukturere undervisningen etter den kjemiske dannelseshistorien, etter mønster fra det Faraday gjør, ser vi at det neste skrittet må bli å spørre: Hva skjer om vi blander en syre og en base? Vi kan forestille oss at vi har lagt bak oss en lang rekke med syrer og baser: SYRER BASER H 2 CO 3 (kullsyre) NaOH (natriumhydroksid) H 2 SO 4 (svovelsyre) KOH (kaliumhydroksid) H 3 PO 4 (salpetersyre) CuOH 2 (kobberhydroksid) HCl (saltsyre) CaOH 2 (kalsiumhydroksid) Det er jo egentlig to fenomener som vi kan skille fra hverandre når vi blander syrer og baser. Det ene er nøytralisasjonsfenomenet, hvordan surhetsgraden endrer seg - og det andre er stoffforvandlingen; hvordan det dannes noe kvalitativt nytt, nemlig salter (og vann). Spranget i fargeomslag Det første og enkleste vi kan gjøre, er å ta utgangspunkt i to skåler med henholdsvis saltsyre (rødfarges med lakmusløsning) og natronlut (blåfarges med lakmusløsning). Selve omslaget vil vi i titreringssammenheng kunne finne helt presist. Her er det snakk om å få et kvalitativt forhold til det som foregår. Effekten av dråpene er fascinerende, og vi må være på vakt idet 16

15 det brått slår om. Det vesentlige å få frem, er at et lite utslag mengdemessig (den avgjørende dråpen!) gjør et stort utslag fargemessig og følgelig ph-messig. Det finnes et sprang der hvor likevekten vipper over. Når likevekten skal gjennomgås teoretisk, med beregninger av ph, er det en fordel å ha opplevd dette spranget. NaOH HCl NaOH HCl surt basisk basisk surt Natriumklorid Vi kan her spørre litt ledende: Skulle dere noen gang mangle salt til maten, hva kunne dere gjøre da?" Og så kan vi så virkningsfullt som det er mulig å få til, uten at det er farlig, gjøre eksperimentet med saltdannelse ut fra saltsyre og natriumhydroksid. Nå skifter vi fra petriskål til middels store måleglass, og fokuserer på at blandingen vi ender opp med, skal ligge akkurat på vippen, med ph 7. For å få en renere opplevelse, bruk gjerne bromtymolblått hvor fargen er gul i det sure og blå i det basiske. Ved omslaget er den ubeskrivelig vakkert grønn! Skal vi tro på våre egne teorier, betyr det at det ikke er farlig å stikke fingeren nedi. I tillegg vet også læreren at det ikke er farlig å smake på væsken vi da har fått på fingeren! Den smaker ganske riktig; SALT. Nå er temaet salter innledet. Vi kan presisere at det vi kaller salt (natriumklorid) bare er ett av mange salter nemlig natriumklorid. Om vi tar en flat skål og heller litt av løsningen tynt over den, kan det stå å fordampe slik at vi ved en senere time kan se de fine kubiske krystallene (eventuelt ved hjelp av forstørrelser). Vi kan nå skrive reaksjonslikningen på tavla, og gjerne bruke fargekritt for å tydeliggjøre hvor de to elementene i saltet stammer fra. SYRE + BASE = SALT + VANN HCl NaOH NaCl H 2 O I forhold til design av undervisningen, er vi ved et punkt hvor det er mulig å gå videre enten i dybden eller i bredden. Vi kan ta tak i salt (NaCl) og gjøre ekskursjoner omkring betydningen av dette stoffet i både naturen og kulturen. Saltutvinning og saltets effekt kan diskuteres. Når vi salter mat, hvorfor holder den seg? Hva skjer med mikroorganismene? Her er det videre en bro til fenomenet osmose, som kan trekkes inn i denne sammenheng: Frosken kan drikke bare ved å stikke føttene ned i en dam! Saltbalansen i kroppen vår må også reguleres. Og hvordan kan laksen regulere saltbalansen sin når den svømmer fra saltvann over i ferskvann? I kjemien er det en bro over til fenomenene løselighet og felling. Saltinnholdet i havet bør også nevnes og de store mengdene natrium som kan utvinnes derfra (elektrolyse). Om havet inneholder så så mange prosent NaCl, hvor mange kilo natrium kan vi få fra et tonn sjøvann? Slik kan vi gå i dybden omkring fenomenet salt. 17

16 Vi kan også gå i bredden og utvide begrepet til å omfatte mangfoldet av salter. Saltinnholdet i havet bringer oss eventuelt til et punkt hvor vi kan gå over i denne bredden. Som dere vet, er det også andre salter enn NaCl i havet! Om elevene ikke har gjort det før, bør vi ta oss tid til et blikk på hvor mangfoldig saltene opptrer i sin geometri og estetikk. Noe enhetlig kan vi jo også merke i mangfoldet av former; dette edelstenlignende, denne skjønne blandingen av noe hardt, jordisk og likevel himmelsk, strålende som synssansen føler seg tiltrukket av. Det er fort gjort å samle et brett med ulike salter gjerne med navnelapper ved siden av. Poenget er ikke å kunne alle navnene, men å se aha et mangfold av variasjoner over samme tema! Som nevnt er det faktisk fantastisk å se hvor kubiske disse saltkornene i virkeligheten er de er virkelig terninger om vi kikker på dem med forstørrelse. Dyrking av kobbersulfatkrystaller Om vi også har kobbersulfat på det brettet vi viser frem, vil fargen fascinere. For at elevene skal få et forhold til fenomenet salter som de husker lenge, vil det være en gave å legge inn en liten øvelse hvor elevene får lov å dyrke sine egne krystaller. Skal vi dyrke krystaller? Men kan de vokse da? vil en elev kanskje spørre. Ja de kan da det. Vi må bare ta tiden til hjelp! KOBBERSULFAT Bildet viser resultatet av en elevøvelse med dyrking av kobbersulfatkrystaller. En sytråd er hengt ned i en mettet løsning og latt stå i en uke. Langsom avkjøling gir store krystaller. Hvert salt har sin karakteristiske farge og form. Som vi ser har kobbersulfat en egen rombisk måte å vokse på. Avrunding et mangfold av saltoppskrifter Vi har gått en vei med elevene hvor den faglige prosessforståelsen vokser fram som et skjelett - ledd for ledd - ettersom vi systematisk forfølger fenomenene. I tillegg forsøker vi underveis å gi kjøtt på beinet med stoff som berører elevenes livsverden og viser relevansen av det vi rent begrepsmessig forstår. Når vi har kommet dit at saltene er dannet, er det en prosessrekke som er avrundet. En måte å forsterke denne følelsen av å ha kommet rundt og beherske det hele på, er å gi elevene nøkkelen som gjør at de selv kan lage saltoppskriften til ethvert salt. Hvis dette skjemaet vi tegnet stemmer for alle salter, kan vi bruke det til å forutsi hvilke syrer og baser vi må sette sammen for å få et bestemt salt. Vi gjentar den enkle formelen: SYRE + BASE = SALT + VANN I prinsippet kan vi nå lage hvilken som helst base, kun ved å brenne metallet og løse oksidet i vann. Og syrene har vi også fått et grep om. Vi setter dem opp, og begynner å trekke linjer fra 18

17 en bestemt syre til en annen bestemt base. Den første linjen kan vi eksempelvis trekke mellom svovelsyre og kobberhydroksid. Det saltet vi da får, blir nettopp kobbersulfat! SYRE SALT BASE H 2 CO 3 (kullsyre) H 2 SO 4 (svovelsyre) H 3 PO 4 (salpetersyre) HCl (saltsyre) Kobbersulfat Cu SO 4 NaOH (natriumhydroksid) KOH (kaliumhydroksid) CuOH 2 (kobberhydroksid) CaOH 2 (kalsiumhydroksid) Er alle med på det? At dere må velge svovelsyre og kobberhydroksid om dere ønsker å lage kobbersulfat? Er det noen som ikke er med så langt? Nei! Og om dere fikk i oppgave på prøve å lage kobbersulfat og kun hadde svovel og kobber utdelt, hva ville dere gjøre da? Slik kan vi kort repetere igjen veien frem dit vi nå er kommet: Vi må brenne og leske de to stoffene for å lage henholdsvis svovelsyre og kobberhydroksid. Dernest kan vi blande de to stoffene og få et herlig turkisblått salt. Og for å lage krystaller av saltet vet vi allerede hva vi skal gjøre. Om vi nå utvider hele krysningskartet, er det klart at elevene vil få en aha-opplevelse kombinert med å oppleve mestring når mønsteret blir begrepsmessig klart for dem. En verden av salter vokser frem bare av de 8 syrene og basene vi har skrevet opp. Vi kan trekke linjer og navngi saltene: H 2 CO 3 (kullsyre) H 2 SO 4 (svovelsyre) H 3 PO 4 (salpetersyre) HCl (saltsyre) kalsiumkarbonat - kalk kakalkkalk Kalsiumsulfat - gips NaOH (natriumhydroksid) KOH (kaliumhydroksid) CuOH 2 (kobberhydroksid) CaOH 2 (kalsiumhydroksid) kalsiumfosfat kalsiumklorid - veisalt 19

18 Dernest kan vi kaste oss ut i det og spørre oss om hvilke salter vi vil få om vi blander syre med base Y. Eller vi kan gå motsatt vei, og spørre hvilke syrer og baser som er involvert for å produsere bakepulver når vi ser på pakken at formelen er natrium(bi)karbonat, NaHCO 3. Hvis elevene får litt øvelse i dette, kan de etter hvert få følelsen av å faktisk ha lært mye. Som vi vil komme tilbake til senere, er fokus her primært på det kvalitative. Mengdeforhold som tallene i formlene indikerer, kan vi gjerne gjøre oppmerksomme på men nettopp da bare som det de er, nemlig uttrykk for mengdeforholdene når stoffene reagerer. Det viktige er imidlertid å få et forhold til stoffene som bokstavene (Cu, Ca, Na osv.) er forkortelser for. Det samme kan sies om bindinger og ionefordeling (plusser og minuser). De representerer aspekter ved prosessene vi har sett på som det går an å fokusere på uten at de skal bli til hinder for å få med seg dette som ligger til grunn for forkortelsene vi bruker i formelspråket. Også den kvantitative kjemien kan vi bygge opp fenomenologisk, gjerne med utgangspunkt i et tydelig forsøk som hydrolyse av vann. Det må imidlertid bli et eget fokus å arbeide med støkionometri og mengder. Fokus i det vi her har omtalt, er relasjons- og begrepsdannelsen ut fra erfaringer med grunnfenomener i kjemien. Den må også læringsmessig komme først, som kontekst for å forstå forkortelsene vi gjør i kjemiske likninger, forholdstallene, det periodiske system, atomteori, bindingsteori osv. Veien tilbake forbrenning av salter Mønsteret blir komplett når vi viser den veien det er mulig å gå tilbake fra saltene til syrene og basene. Om vi tar en liten bit kobbersulfat og brenner den i bunnen av et reagensglass, vil vi se at den går i oppløsning mens den klare blå fargen blir blassere og går mot hvitt. Det stiger gass opp av røret, samtidig som det dannes litt vanndamp på glassets innside (krystallvann!). Ut fra hva vi nå vet om kobbersulfat, kan vi spørre oss rent teoretisk (deduktiv metode) hva vi forventer vil stige til værs når vi brenner saltet. Og om vi lar gassen farge et lakmuspapir, blir det rødt og det lukter litt stikkende (svoveldioksid). Vi får bekreftet at vi nå kjører prosessen i revers. I bunnen av reagensglasset ligger det en hvitgrønn liten klump som ikke kan være noe annet enn kobberoksid (irr). Om dere lurer på hvorfor det heter base, så er dette grunnen. Når vi brenner et salt, er det vi får igjen på bunnen i basis av reagensglasset metalloksidet som er base-danneren. Det som stiger til værs vil være syredanneren. Under temaet kalk, vil vi se at det samme gjelder forbrenning av kalsiumkarbonat. IKKE-METALLOKSID SYRE SALT ild / syre METALLOKSID BASE Vi vet at syrene kan lage stygge etsende brennmerker og at de slik sett har en virkning som er beslektet med flammens (forbrenningens). Om vi drypper noen dråper konsentrert saltsyre på en kobbersulfatkrystall, vil vi se en liknende effekt som hvis vi brenner saltet! Det vil løse seg opp; noe vil stige til værs (ikke-metalloksidet) og noe vil bli liggende som base i bånn (metalloksidet). Det er viktig at denne tilbakereisen ikke er en ny lang historie, men bekrefter og besegler det vi allerede har avrundet; et ekstranummer ved forestillingens slutt. Slutten kan godt bringe oss helt tilbake til utgangspunktet: Når saltsyre dryppes på kalk eller på sneglehus (kasiumkarbonat) ser vi en tilsvarende fresereaksjon. Nå er det imidlertid ikke svoveldioksid som stiger til værs, men en gass vi skulle kjenne godt fra før, nemlig karbondioksid. 20

19 Temafordypning kalk og karbondioksid Vi er tilbake ved karbondioksidet, og ser at det har noe med kalk å gjøre. Skal vi senere kunne vise karbonets kretsløp i naturen, hører faktisk denne kalkhistorien med. Dette poenget er det imidlertid mulig for læreren å holde tilbake, til det viser seg mer av seg selv. Når nå det lange draget - fra stearinlyset frem til syrene, basene og saltene - er tilbakelagt, er det velgjørende å stå over for noe helt nytt - en ny historie. Og dekker vi opp med et visst øyenslyst-utbud av skjell- og sneglehusformer, er vi straks midt oppe i den nye historien: kalk. Det er bløtdyrenes hus vi ser; hus som faktisk kan vokse og likevel beholde samme form! Om vi legger dem ved siden av hverandre, ser vi at det er en usymmetrisk dreining om midtaksen i snegle-spiralformene og en (mer eller mindre) symmetrisk dreining i skjellene. Formspråket det bør gå an å bruke det begrepet om arkitekturen vi ser - kan minne om vekstformer slik vi kjenner dem fra planteriket (karbonets hjemmebane). Bemerkelsesverdig er det også hvordan vannets to bevegelsesformer; bølgebevegelser og spiralbevegelser, er som frosset fast i disse vanndyr-skapte formene. Korallrevene og kalkalgene (forameniferene) er jo historier for seg, som det er mulig å gå videre i dybden på i biologien. Fra jordbruket kjenner vi sure og mer basiske jordarter. Spør vi igjen om dannelsehistorien, fører sporene tilbake til løsmassene (mineralandelen i jorden). Mineralmateriale som stammer fra kalkbergarter gir mer basisk jordsmonn,, mens sure gneis- og granittbergarter (kiselholdig) vil gi sure jordarter. Igjen er vi tilbake til samspillet mellom jordsmonnsdannelse og plantevekst i landskapshistorien. 21

20 Uansett om vi går i dybden eller feier over med noen korte glimt; med havet som arena, kan vi pensle ut kalkdannelsen og følge historien videre over i kalksteindannelsen. Det som de fleste vet, er at olje- og gassfeltene er resultater av levende prosesser (planter). At alt kalkfjellet som vi ser og kan ha som fast grunn under føttene også er vokst ut av bløte dyr slik negler vokser ut av fingrene våre det er underlig og litt ufattelig å tenke på. Det hjelper da å se det for seg i en bildeserie som viser veien og overgangene. Kunsten er å lage rekken, slik at den viser det vesentlige trinn for trinn. Rekken i bildet over får frem de viktigste overgangene langs en lang omdanningshistorie fra skjell til fossil, fra fossil til kalkstein, så en kalkstein som også har et sjikt marmoromdanning (i en og samme stein), dernest marmor med tydelig blinkende krystall-lignende strukturer og til slutt et rendyrket saltkrystall (kalkspat). Rekken gir samtidig en bro fra biologien, og dens kalkformer (skjellkalk), tilbake dit vi var i den uorganiske kjemien (krystallinsk kalk). Vi har bygget opp et mer eller mindre rikt bilde av kalken og dens mange ansikter i naturen. Kalkballansen i menneskets kropp er det også mulig å knytte an til her igjen kanskje bare i form av å henvise til noe vi vil komme tilbake til i biologien. To sykdommer er jo forbundet med ubalanse i kroppens kalkbalanse: benskjørhet (osteoporose) og åreforkalkning. Dette gir oss et bilde av dynamikken i knokkelbyggingen i vår egen kropp. Også her er det faktisk slik at formene de er jo mye mer komplekse enn bølgen og spiralen - beholdes samtidig som de vokser med oss! 22

21 Vi lager sement Når vi bygger våre hus med sement, er det ikke alltid like avansert arkitektur og formspråk i husbyggingen. Men i prinsippet er det den samme prosessen som sneglehusene er bygget på. Og hva er sement? Hvordan lager vi den? Historisk var det brenning av kalkstein som ga oss sementen, bindemiddelet for å mure og støpe. Kan vi brenne stein? Så veldig brennbar er nok ikke kalksteinen, men med høy nok temperatur brytes den ned slik vi så saltene gjorde det i et tidligere forsøk. Det er en tidkrevende prosess, hvor det handler om å tilføre mye varme i tillegg til å ha god tid. Det er som vi skal se (til forskjell fra brenning av stearin!) en endoterm reaksjon. Vi må tilføre varme for å få dannet oksidet (brent kalk, CaO). Brent kalk Om en bare har et brannsikkert underlag (en helle eller en plate med glave under) er det fullt mulig å lage en liten kalkovn i klasserommet eller på labben ved hjelp av 6 ildfaste mursteiner to i bunnen, to som vegger i en spiss V-form og to på tvers som tak. Selv bruker jeg knust marmor (mindre stykker tar kortere tid) og en kraftig gassbrenner. I Mackensen (1987) finnes det flere oppskrifter, mye stoff om kalkforsøket og en god redegjørelse om gamle kalkovner. Når kalkstenen begynner å gløde, er prosessen i gang først bare svakt på hjørner og kanter men etter hvert dypere og dypere inn i steinen. Jeg har erfart elever som det gjør godt å få stå en god stund i heten mens rødgløden sakte, sakte griper dypere og dypere inn i den steinen de har lagt inn. En urolig guttesjel på ungdomstrinnet kan det gjøre godt å få være helt dradd inn i en slik varmeprosess hvor det ikke er noe annet enn bråket fra brenneren og lyset fra steinen å se i et kvarters tid. Er jobben gjort skikkelig, vil vi se at steinen har mistet strukturene og det som binder den sammen. Et hvitt stoff er igjen, som kan pulveriseres. Dette er brent kalk. Det var dette man hadde som sement i gamle dager uten noen tilsetningsstoffer. Lesket kalk Så kommer neste trinn, nemlig å leske kalken dvs. å forbinde den med vann. Hva skjer når vi heller vann i den brente kalken. Forsiktig! Det bruser voldsomt og utvikles varme. Ja her er det en eksoterm reaksjon. Det kalde vannet vi tilfører blir glovarmt nokså underlige greier. Og om vi filtrerer den hvite grøten vi da har fått, er det ikke slik at vi får vann. Det er nemlig en løsning vi har såkalt lesket kalk (Ca(OH) 2 ). Om vi tilsetter lakmusløsning, ser vi at det er en base! Det blir nokså mørkeblått. Joda, det stemmer jo med fasiten vår. Vi kan sjekke ph om vi vil, også, med et ph-papir. Om vi damper ut vannet vil vi sitte igjen med nok et hvitt pulver vi trenger ikke å gjøre det. Det er altså et annet stoff enn brent kalk nemlig lesket kalk eller kalkvann. Kalkdannelse Vi kjenner fra kjemien at blakking av kalkvann er en vanlig måte å påvise karbondioksid på. Vi har ikke gjort dette før nå, for å spare fenomenet slik at det kunne gi mest mulig - på rett sted til rett tid. Nå er tiden inne. Og lar vi en elev få en gummislange eller et sugerør og blåse noen minutter, skjer dette lille mirakel. Vannet blakkes eller sagt mer presist, det blir dannet kalk! Om vi setter opp de tre prosessene i en trekant, får vi frem en viss estetikk i prosessbildet med enn forskjøvet symmetri hele veien i forhold til hva som går inn og hva som går ut av prosessen. Det vi ikke har påvist, er at det kommer noe ut av prosessen hvor vi varmer opp kalken. Det er faktisk slik at det lar seg gjøre å påvise karbondioksid omkring kalkovnen. I underkant av ovnen vil gassen renne ned når brenningsprosessen er godt i gang og det vil, med litt hell, la seg gjøre å påvise at stearinlysflammer ikke trives der. Det er ellers naturligvis ulike måter å få hele trekanten frem på med ulik grad av elevdeltagelse. Poenget er at det gir både klarhet og en følelse av noe tiltalende når det stemmer slik som det gjør i kretsen her. 23

22 Ca(OH) 2 - lesket kalk CO 2 varme H 2 O - vann H 2 O - vann CaCO 3 - kalk varme CO 2 CaO brent kalk På skolen ble vi spurt om karbondioksidet er organisk eller uorganisk. Saken er at det er midt imellom; det er som formidler mellom de to verdenene at det opererer: Fra luften inn i planten og tilbake igjen (fotosyntese) fra luften og inn i pusten og tilbake (ånding) - fra pusten inn i steinen og tilbake igjen (kalkdannelse)! Dette endepunktet er det vi når når vi ser hvordan vi kan blakke kalkvann og lage stein igjen. Den steindannelsen som murere og sneglehusbyggere har felles avsluttes med denne forsteiningsprosessen. Gjennom de tre trinnene har vi fått et dynamisk bilde av en prosess som må være analog til den som ligger bak dannelsen av alle de vakre skjellene og muslingene vi har på bordet. Legg merke til at denne innhentingen av karbondioksid har tre ikke like, men analoge former i naturen. I kalkorganismene er det kalk som dannes (med vann som medium) og i fotosyntesen er det sukker. Når vi kommer over til den avanserte biokjemien knyttet til åndingsprosessene i dyrecellen og Krebs syklus (sitronsyresyklusen), er det faktisk en tilsvarende prosess hvor det hentes inn og skilles ut karbondioksid i en kretsprosess som danner et avsluttet hele. Uten at vi trenger å gå inn på dette, ser vi allerede et bilde av karbonets mangslungne kretsløp hvor vi kan favne alle prosessene vi har berørt. Om vi tar med olje og kull i bildet, er det en fin oppgave for elevene å tegne inn de prosesser vi har vært gjennom i sitt eget bilde. Det blir slik sett mulig å finne en naturlig bro fra kjernen av kjemien over til kjernestoff i økologien. De fenomenale fenomenene Kjemien kan som kjent fenge gjennom spektakulære fargeforsøk og knalleffekter. Det er ikke noe galt i dette, tvert imot. Jeg vet av erfaring at elevene elsker det spektakulære. Eksempelvis kan noe så enkelt som løselighets-fenomenet gjøres til noe stort bare ved å slukke lyset, velge en stor nok kolbe, riktig belysning (helst nedenfra) og rett valg av salt som løses: Benytter du kaliumpermanganat, er det nok med noen ørsmå korn til en stor rund kolbe. Du trenger ikke å si noe som helst, bare la fenomenet utfolde seg med voldsom fiolett farge i dansende vakre slør av spiralbevegelser, og merke hvordan elevenes oppmerksomhet suges inn i undring over det som skjer, eller i ren nytelse av langsomheten og skjønnheten i den fargede bevegelsen. 24