Název: Aplikace ICT pomůcek v přírodovědných předmětech na ZŠ - Chemie

Transkript

1

2 Název: Aplikace ICT pomůcek v přírodovědných předmětech na ZŠ - Chemie Autor: Mgr. Jan Veřmiřovský Vydání: 1. vydání, 2010 Počet stran: 54 Určeno pro projekt: Nové přístupy k využití ICT ve výuce přírodovědných předmětů na základních školách Číslo projektu: CZ.1.07/1.1.07/ Vydavatel: Ostravská univerzita v Ostravě Tisk: REPRONIS s.r.o. Mgr. Jan Veřmiřovský Ostravská univerzita v Ostravě

3 Obsah Úvod Měřicí systém EdLaB Průběh měření v reálném čase Více měření současně Výhody použití měřicího systému ve výuce Charakteristika měřicího systému Popis softwaru HiScope Editor senzorů Postup připojení nového čidla se systémem EdLaB v programu eprolab Kalibrace nového čidla Postup spuštění experimentu Pro jedno čidlo Pro více čidel Seznam dodaných čidel Citovaná a doporučená literatura Technický popis čidel Vernier CO2 senzor Kyslíkové čidlo Čidlo kyselosti ph elektroda Konduktometr (vodivostní čidlo) Senzor relativní vlhkosti Termočlánek Ampérmetr Voltmetr Teplotní čidlo Typové úlohy s využitím měřicích sad v chemii Shrnutí kapitoly Citovaná a doporučená literatura... 51

4 Závěr Citovaná a doporučená literatura... 53

5 Úvod V dnešní době zájem žáků o přírodovědné obory klesá, což dokazují výzkumy i počet žáků zajímajících se o soutěže a olympiády v přírodovědných předmětech. Mládež vnímá přírodní vědy jako něco odtrženého od reálného života, jako obory, které nejsou aplikovatelné v praxi a pokud provádí jakékoliv měření v laboratorních podmínkách, vnímá výsledky pouze jako závěr svého cvičení, avšak chybí uvědomělost, že jde například o jevy, se kterými se setkávají dnes a denně, a to jak v přírodě, tak i v domácnosti. Obecně můžeme říci, že se lidé s ICT setkávají v současnosti skoro permanentně, stačí jen vzpomenout dnešní mobilní telefony a jejich funkce, kdy se již nejedná pouze o přístroje sloužící k telefonování, ale o přístroje vykonávající rozličné funkce. Jelikož žáci s ICT pracují velice rádi, je jejich implementace do výuky nejen zpestřením, ale plní také funkci motivační, nehledě k přínosu při posilování kompetencí (zejména kompetence k učení, kompetence k řešení problémů a kompetence pracovní). V kurzu, který je zaměřen na měřicí sady a jejich využití, získáváte dvě studijní opory. První s názvem: Nové přístupy k výuce přírodovědných předmětů s využitím ICT pomůcek na ZŠ, ta je určena přímo pro využití ve výuce, jelikož obsahuje celé řešené úlohy, ať již ve formě metodických materiálů pro učitele, tak i pracovních listů pro žáky. Studijní opora, kterou právě pročítáte, obsahuje spíše teoretickou rovinu problematiky měřicích sad a návrhy možných zakomponování měřicích sad do výuky chemie na základních školách. Opora se skládá ze čtyř částí, které by vám měly co nejvíce přiblížit možnosti využití čidel ve výuce. První kapitola je věnována měřicímu systému EdLaB, včetně jeho technických parametrů. Druhá kapitola popisuje software, jeho princip fungování a ovládání.. Ve třetí kapitole se seznámíte s technickým popisem čidel a kalibraci čidel využitelných v chemii. Čtvrtá kapitola již obsahuje možnosti využití měřicích čidel v chemii. Pro lepší orientaci je řazení prováděno dle tematických celků, následně úloh a využitých měřicích čidel. Všechny kapitoly jsou koncipovány tak, aby směřovaly k jedinému cíli přímému poznávání chemických dějů využitím měřicích sad. Autor Po prostudování textu budete znát: popis čidel měřicí sady, základní využití měřicích sad ve výuce chemie. Budete schopni implementovat měřicí sady do výuky chemie, navrhnout další využití měřicích sad ve výuce chemie. Získáte: základní orientaci v měřicích sadách a možnostech jejich využití ve výuce chemie.

6

7 Měřicí systém EdLaB 7 1 Měřicí systém EdLaB Educational Laboratory Board je univerzální měřicí vzdělávací zařízení. Lze propojit s počítačem a sledovat průběh experimentů v přírodních vědách. Ve školách najde uplatnění při podpoře aktivní experimentální činnosti žáků v hodinách fyziky, biologie, chemie nebo environmentální výchovy, s využitím specializovaných sad měřicích sond, senzorů a příslušenství. Žáci mohou řešit úlohy ve formě laboratorních prací nebo problémových úloh formulovaných v souladu se školními vzdělávacími programy. Měřicí systém EdLaB se připojuje k počítači přes USB rozhraní. Na počítači se naměřená data zobrazují na přehledných grafech, na kterých je zobrazen průběh měření. 1.1 Průběh měření v reálném čase Oproti klasickým měřidlům (teploměr, voltmetr, vlhkoměr, atd.) dokáže rozhraní EdLaB zaznamenávat jak velmi rychlé děje trvající jen několik milisekund, tak naopak pomalé děje trvající i několik dní. Naměřené hodnoty se zaznamenávají do paměti, a ty mohou být uloženy a zpracovány ve formě tabulek, grafů a dalších přehledů. Výsledek průběhu měření je díky EdLaB přesnější a s vyšší citlivostí než u běžných měřidel. Žáci pak nemusejí hodnoty neustále odečítat a průběh měření vidí přehledně na počítači. 1.2 Více měření současně Zdlouhavé měření jedné veličiny ručně je časově velice náročné, obtížné a pro žáky nezábavné. Co potom může být měření více veličin současně (například tlaku a teploty nebo proudu a napětí). Systém EdLaB umí pohodlně měřit až 6 veličin současně. Po připojení čidel a senzorů zobrazuje naměřená data na přehledných grafech, kde je vidět vzájemný vztah mezi všemi měřenými veličinami.

8 8 Měřicí systém EdLaB 1.3 Výhody použití měřicího systému ve výuce Podporuje efektivnější využití času výuky. Podporuje aktivitu žáků ve vyučovací hodině. Lze srovnat měřené předpoklady s reálnými výsledky. Díky okamžitému zobrazení naměřených hodnot jsou veličiny pochopitelnější. Měřicí metody simulují postupy v reálném výzkumu či laboratoři. Je možné uchovat data a hodnoty pro pozdější využití. Díky EdLaB můžete měřit a současně vyhodnocovat data v terénu. 1.4 Charakteristika měřicího systému Název Rozhraní pro připojení Rozlišení převodníku Vzorkovací frekvence Analogové vstupy pro připojení senzorů Digitální vstupy pro připojení senzorů Analogový výstup Sběrnice s digitálními vstupy a výstupy Popis otevřeného komunikačního protokolu Příklady pro komunikaci Educational laboratory board USB, maximální napájecí proud je 0,5 A 10 bitů 50 khz 6 vstupů s ochranou proti přepětí 1 vstup + 1 servisní 1 analogový + 1 PWM 1 x 12 bitů + 1 x 4 bity ano Delphi, Visual Basic, C/C++

9 Popis softwaru 9 2 Popis softwaru Jak již bylo uvedeno výše, čidla jsou připojována k systému EdLaB, se kterým byl použit program eprolab. Program eprolab podporuje experimenty běžící v reálném čase. Využívá data získaná ze systému EdLaB. Obrázek 2-1 Prostředí eprolab Jak je vidět z obrázku, program eprolab obsahuje několik modulů, z nichž jsou pro použití ve třídě podstatné především HiScope a Editor senzorů. 2.1 HiScope HiScope je obsáhlý modul v balíku modulů eprolab. Je navržen pro použití analogových čidel jako ultrazvukový dálkoměr, senzor EKG, spirometr, apod. HiScope nabízí několik možností, jak zobrazovat číselná data (graf závislý na čase, graf s Fourierovou transformací, graf závislý na jedné proměnné, ). Obrázek 2-2 Nástrojová lišta modulu HiScope

10 10 Popis softwaru 1: Vybrat připojená čidla 2: Vymezit proměnné 3: Graf y(t) 2.2 Editor senzorů Modul Sensor Editor usnadňuje práci s analogovými senzory. Umožňuje jejich přidávání a odebírání z programu eprolab a kalibraci čidel. Data uložená tímto modulem pro jednotlivá čidla následně využívají moduly jako HiScope. 1 2 Obrázek 2-3 Modul Editor senzorů 1: Směrnice k 1 2: Počátek k Postup připojení nového čidla se systémem EdLaB v programu eprolab - Nejprve připojíme čidlo k portu vin0 systému EdLaB. - Pokud má čidlo spouštěcí spínač, zapneme ho. - Na počítači spustíme program eprolab a zapneme Sensor Editor. - Klikneme na Insert new. - V levé liště s výběrem čidel se zobrazí nové čidlo (New sensor). - Klikneme na New sensor a zadáme jeho parametry (viz obrázek 2.3).

11 Popis softwaru Kalibrace nového čidla Kalibraci nového čidla můžeme provést dvěma způsoby: a) Zadání známých kalibračních hodnot. Například pro siloměr známe kalibrační hodnoty Směrnice k 1 : 175,416; Počátek k 0 : 19,295. Po přidání siloměru do Sensor Editoru vepíšeme tyto kalibrační hodnoty do příslušných kolonek (viz obrázek 2.3). Poté zavřeme Sensor Editor. Při zavírání se na monitoru objeví výzva k uložení změněných dat. Po potvrzení této výzvy máme čidlo přidáno a nakalibrováno, takže již bude přístupné v ostatních modulech. b) Kalibrace čidla podle dvou známých hladin měřené veličiny. Například pro infrateploměr připravíme v jedné kádince ledovou tříšť s vodou a ve druhé vodu, kterou přivedeme do varu. Připojíme infrateploměr a zapneme Sensor Editor (viz výše). Spustíme kalibraci calibrate a poté namíříme čidlo do kádinky se směsí ledové tříště a vody. Pro ujištění, že snímáme teplo z vody v kádince, zapneme laserový značkovač (viz Infrateploměr). Do kolonky se snímanou teplotou (pole bude označeno podle popisu jednotky, jaký jste zvolili při připojení čidla v poli Variable, obrázek 2.3) vepíšeme 0 a stiskneme enter. Vpravo se nám hodnota vyznačí v grafu. Poté postup zopakujeme pro kádinku s vařící vodou a vepíšeme 100. Po potvrzení entrem se vpravo vyznačí druhý bod a spojnice obou bodů vyjadřující lineární závislost napětí na teplotě. Poté ukončíme Sensor Editor a při ukončování potvrdíme výzvu k uložení nových dat. Poznámka: Uvedený postup s infrateploměrem slouží pouze jako příklad, protože infrateploměr je kalibrován sám o sobě a může díky displeji fungovat i jako samostatné čidlo a není ho většinou potřeba kalibrovat. Takový postup kalibrace můžeme provést se kterýmkoliv čidlem s lineární závislostí proměnných. Obrázek 2-4 Kalibrace b) 1 1: Pole pro vepsání známé hodnoty měřené veličiny.

12 12 Popis softwaru 2.5 Postup spuštění experimentu Pro jedno čidlo - Nejprve připojíme čidlo k portu systému EdLaB. - Pokud má čidlo spouštěcí spínač, zapneme ho. - Na počítači spustíme program eprolab a zapneme modul HiScope. - Spustíme Vybrat připojená čidla. - Ve sloupci Dostupná čidla označíme čidlo kurzorem a klikneme na pole Přidat, vše potvrdíme kliknutím na pole Ano. - Spustíme Vymezit proměnné. - Klikneme na pole Vybrat jednu a potvrdíme kliknutím na pole Ano. - Spustíme Graf y(t). - Pod označením Vodorovná osa klikneme na pole Přidat a potvrdíme kliknutím na pole Ano. - Zobrazí se pole grafu, v horní liště zaškrtneme kolonky Zobrazit hodnoty, Spojit čára a Symboly. - Spustíme Vzorkovací čas a spouštění. - V oddíle Vzorkovací čas ve sloupci Vzorkovací perioda a ve sloupci Počet vzorků nastavíme vhodné hodnoty pro daný experiment. - V oddíle Spouštění zaškrtneme Jednotlivý a vše potvrdíme kliknutím na pole Ano. - V oknu grafu zahájíme měření kliknutím na šipku Start měření Pro více čidel - Nejprve připojíme čidla k portům systému EdLaB. - Pokud mají čidla spouštěcí spínač, zapneme ho. - Na počítači spustíme program eprolab a zapneme modul HiScope. - Spustíme Vybrat připojená čidla. - Ve sloupci Dostupná čidla označíme čidlo kurzorem a klikneme na pole Přidat, takto postupně přidáme všechna čidla. - Po přidání čidla nesmíme zapomenout zvolit vedle pole Vin, které označuje kanál, správné číslo kanálu. A to podle toho, ke kterému portu systému EdLaB jsme čidla připojili (např. Vin0, Vin1, Vin2, ). - Vše potvrdíme kliknutím na pole Ano. - Spustíme Vymezit proměnné. - Klikneme na pole Vybrat vše a potvrdíme kliknutím na pole Ano. - Spustíme Graf y(t). - Pod označením y(t):1 Vodorovná osa klikneme na pole Přidat, přepneme na y(t):2 a opakujeme postup pro další čidlo. Tímto způsobem přidáme všechna čidla a potvrdíme kliknutím na pole Ano. - Zobrazí se pole grafu, v horní liště zaškrtneme kolonky Zobrazit hodnoty, Spojit čára a Symboly. - Spustíme Vzorkovací čas a spouštění. - V oddíle Vzorkovací čas ve sloupci Vzorkovací perioda a ve sloupci Počet vzorků nastavíme vhodné hodnoty pro daný experiment.

13 Popis softwaru 13 - V oddíle Spouštění zaškrtneme Jednotlivý a vše potvrdíme kliknutím na pole Ano. - V oknu grafu zahájíme měření kliknutím na šipku Start měření. 2.6 Seznam dodaných čidel Pro využití na základních školách jsou k dispozici následující čidla a jejich parametry: Čidlo oxidu uhličitého měření koncentrace plynného oxidu uhličitého Kyslíkové čidlo měření koncentrace plynného kyslíku 2 rozsahy: 0 až ppm a 0 až ppm Minimální rozsah 0 až 27 % Čidlo kyselosti ph metr Rozsah 0 až 14 Konduktometr měření elektrické vodivosti kapalin Barometr měření atmosférického tlaku Hygrometr čidlo relativní vlhkosti vzduchu Luxmetr čidlo intenzity světla Spirometr měření průtoku vzduchu, určení vitílní kapacity plic Siloměr se 2 rozsahy Infrateploměr infračervené (bezdotykové) teplotní čidlo Termočlánkový teploměr Minimální rozsahy měření: µs/cm, µs/cm a µs/cm Minimální rozsah 80 kpa až 120 kpa Minimální rozsah 0 až 95 % Minimální rozsahy 0 až 600 luxů, 0 až 6000 luxů nebo 0 až 150 tisíc luxů Rozsah ±10 litrů/s Rozsahy ±10 N a ±50 N Minimální rozsah -20 C až 400 C Minimální rozsah: -200 C až 1400 C Teploměry 12 ks Minimální rozsah -20 C až 120 C Čidlo polohy a pohybu Ampérmetr Voltmetr Minimální rozsah 15 cm až 6 m Rozsah ±600 ma Rozsah ±10 V Pro využití ve výuce, resp. pro sběr dat slouží program eprolab. U některých čidel je nutné provést kalibraci, jelikož používáním se mění přesnost čidla.

14 14 Popis softwaru Kontrolní otázky a úkoly: 1. Vyberte z předchozí tabulky čidla, která budete využívat ve výuce chemie na základní škole: Z výše uvedených čidel vyberte ta, u kterých budete muset provádět kalibraci: Napište roztoky, kterými budete provádět kalibrace vybraných čidel: Korespondenční úkoly 1. Napište alespoň tři klady a tři zápory měřicích sad, popř. kalibrace. Své zhodnocení odešlete na ovou adresu: janvermirovsky@seznam.cz.

15 Popis softwaru Citovaná a doporučená literatura

16

17 Technický popis čidel 17 3 Technický popis čidel V této kapitole se dozvíte: jaké jsou technické parametry čidel měřicích sad, jak se orientovat v programu eprolab, jak provést kalibraci vybraných čidel. Po jejím prostudování byste měli být schopni: popsat čidla v měřicí sadě, vysvětlit, která čidla je nutno kalibrovat, provést kalibraci čidel. Klíčová slova kapitoly: měřicí sada, eprolab, kalibrace. V následující kapitole byste si měli ujasnit, jaké jsou parametry čidel, které můžete v chemii využít. U některých čidel je nutné provést kalibraci, jelikož jejich využíváním v roztocích chemikálií dochází ke změnám parametrů. U některých čidel kalibrační roztoky chybí, proto si je budete muset sami vytvořit, typickým příkladem je konduktometr. Klíčové je také si osvojit, jak pracovat s programem eprolab, který slouží ke sběru dat při měření. Záměrně je v této kapitole pro přehlednost popsáno spíše materiální vybavení, praktické využití vybraných čidel, které jsou v následujících pasážích popsány, naleznete v další kapitole. Na zvládnutí této kapitoly budete potřebovat asi 5 hodin. U této kapitoly vám doporučuji pročítat oporu a zároveň před sebe rozložit čidla, zapnout počítač, otevřít program eprolab a vše si pořádně prohlédnout, jelikož jak přísloví říká: Těžce na cvičišti, lehce na bojišti!. Přeji Vám hodně úspěchu při studiu této klíčové kapitoly! Autor

18 18 Technický popis čidel 3.1 Vernier CO2 senzor CO 2 senzor funguje na principu sledování množství infračerveného záření absorbovaného molekulami oxidu uhličitého. Klíčové je, že nesmíte pracovat s tímto čidlem přímo v kapalinách! Senzor je určen pouze pro snímání plynné koncentrace CO 2! Čidlo má dva rozsahy nízký rozsah ( ppm) a vysoký rozsah ( ppm). Čidlo lze ve výuce využít např. na zjišťování: - uvolňování CO 2 cvrčky, červy nebo pro klíčení semene, - studium fotosyntézy u akvarijních rostlin, - absorpce CO 2 látkami, které s ním reagují např. NaOH nebo KOH, - při reakci kyseliny chlorovodíkové s hydrogenuhličitanem sodným, - CO 2 uvolňovaný při kvašení, - lidské dýchání a uvolňování CO 2. Balení senzoru obsahuje: - CO 2 senzor, ml odběrové láhve s uzavíratelným víčkem, - návod na použití čidla. Použití CO 2 čidla: Obecně platí, že návod na použití je následující: 1) připojte CO 2 čidlo k měřicímu rozhraní, 2) spusťte software pro sběr dat, 3) vyberte z nabídky CO 2 čidlo a připravte grafické rozhraní, nyní jste již připraveni ke sběru dat. Další důležité informace - před vlastním měřením nechte čidlo temperovat přibližně 90 sekund, - ke sběru dat dochází každou sekundu, ale výrobcem je doporučena vzorkovací frekvence 4 sekundy nebo pomalejší, plyn se musí přes měřicí štěrbinu šířit rovnoměrně, vzhledem k pomalosti šíření plynů je zde i určité zpoždění ve sběru dat, - nastavení rozsahu měření by mělo odpovídat koncentraci CO 2 v daném prostředí, jestliže je hodnota v blízkosti ppm, resp ppm je nutné upravit rozsah maximální hodnoty nastavení, - ke sběru dat v kontrolovaném prostředí je vhodné použít 250 ml láhev, která je dodávána s čidlem, - jelikož senzor funguje na principu načítání koncentrace CO 2 absorbujícího infračervené záření, je doporučeno nepoužívat čidlo na

19 Technický popis čidel 19 přímém slunci i když je čidlo stíněno, jelikož může dojít k ovlivnění výsledku vlivem odraženého světla. - Velmi důležité: nedávejte čidlo přímo do kapalin! Senzor je určen pouze ke snímání plynného CO 2! Technická specifikace Rozsah měření Nízký rozsah Vysoký rozsah Přesnost při standardním tlaku 1 atm: Nízký rozsah Vysoký rozsah Typické rozlišení: 13-bitové (Senzor DAQ) ppm CO ppm CO 2 12-bitové (LabPro, LabQuest, Go!Link, SBI) ppm CO ppm CO 2 10-bitové (CBL 2) ppm CO ppm CO 2 Doba odezvy Příprava na měření (vyrovnávání teploty s okolím) Účinek tlaku ppm CO ppm CO 2 ± 100 ppm nebo ± 10 % z hodnoty ± 100 ppm nebo ± 20 % z hodnoty 1,5 ppm 15 ppm 3 ppm 30 ppm 12 ppm 120 ppm 120 sekund 90 sekund 0,19 % ze zjištěné hodnoty/mm Hg oproti standardnímu tlaku) Vstupní potenciál 5 V (± 0,25 V) Normální provozní teplota Provozní vlhkost 25 C (± 5 C) 5 95 % (bez kondenzačních změn vlhkosti) Teplotní rozsah skladování -40 až 65 C

20 20 Technický popis čidel Jak senzor CO 2 funguje? Senzor slouží k měření koncentrace CO 2 v rozmezí ppm (nízký rozsah nastavení) nebo ppm (vysoký rozsah nastavení). Princip souvisí se sledováním pohlcení infračerveného záření molekulami CO 2. Senzor využívá LED jako zdroje pro generování IR. IR zdroj je umístěn na jednom konci senzoru hřídele. Na druhém konci hřídele je infračervený senzor, který měří, jak velká hodnota záření projde přes vzorek bez absorpce CO 2. Detektor funguje při vlnové délce se střední hodnotou 4260 nm. Čím větší je koncentrace CO 2, tím méně záření projde k detektoru IR. Zvýšení teploty v IR senzoru produkuje napětí, které je zesíleno a detekováno rozhraními Vernier resp. CBL 2. Molekuly oxidu uhličitého se pohybují dovnitř a ven čidla difúzí přes dvacet větracích otvůrků ve trubici čidla. Senzor na měření CO 2 zjišťuje koncentraci v jednotkách ppm, tj. 1 objemový díl oxidu uhličitého na milion objemových dílů směsi. Tudíž např. koncentrace 600 ppm znamená 600 litrů CO 2 na každých litrů vzduchu nebo 0,6 ml CO 2 na 1 litr vzduchu). Jen pro srovnání v zemské troposféře se zvýšila koncentrace CO 2 z 317 ppm v roce 1960 na 380 ppm dnes. Ve vydechovaném vzduchu člověka je asi ppm CO 2. Potřebuji kalibrovat CO 2 čidlo? Kalibraci provádět nemusíte, čidlo bylo již kalibrováno při továrním nastavení. Jestliže zjistíte nepřesnosti v koncentraci CO 2, můžete využít tzv. jednobodovou kalibraci známého vzorku CO 2, tj. vzduchu, který standardně v otevřených prostorách obsahuje 380 ppm. Varianty kalibrace jsou buď umístění vzduchu do 250 ml láhve, která je součástí balení nebo nechat čidlo dostatečně dlouhou dobu v otevřených prostorách (pozn. čidlo nesmí přijít do kontaktu s vodou!). Vlastní kalibraci proveďte následovně: - připojte senzor CO 2 k měřicímu rozhraní a vyčkejte cca 90 sekund, - následně se přesuňte v měřicím rozhraní k editoru senzorů a v něm konkrétně k čidlu CO 2, zde zvolte kalibraci, která by měla být 380 ppm, - kalibraci uložte. Vliv teploty Senzor pro zjištění koncentrace CO 2 je velice citlivý na změny teploty, rozdíly v důsledku změn teploty mohou být <100 ppm u nižšího, resp. <1000 ppm u vyššího rozhraní. Při běžné práci by nemělo dojít k ovlivnění koncentrace CO 2, optimální teplota pro zjišťování obsahu CO 2 je C. Toto čidlo samozřejmě může být používáno i mimo tento rozsah, ale může dojít k odchylce od měření oproti standardní provozní teplotě. Více o koncentraci CO 2 Vzrůst koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře je velice dobře zdokumentován. Za cca 40 let se koncentrace zvýšila z 317 ppm na 380 ppm! Místně jde spíš o městské oblasti v důsledku spalování fosilních paliv. CO 2

21 Technický popis čidel 21 patří mezi tzv. skleníkové plyny, jelikož absorbuje stále větší množství infračerveného záření a tím poškozuje životní prostředí. Použitím měřicího čidla můžete zjistit rozdíly mezi místnostmi a otevřenou plochou. Jestliže je několik lidí v uzavřené místnosti, může se koncentrace CO 2 pohybovat až k hodnotě ppm! 3.2 Kyslíkové čidlo Kyslíkové čidlo je využitelné v mnoha biologických i chemických experimentech. Podobně jako u čidla měřícího koncentraci oxidu uhličitého platí, že měří pouze vzdušný podíl, ne podíl v roztoku, proto se prosím vyvarujte kontaktu s tekutinami. Mezi typické experimenty patří: - sledování koncentrace kyslíku při lidském dýchání, - měření koncentrace kyslíku vznikajícího při rozkladu peroxidu vodíku katalázou, - sledování koncentrace kyslíku při fotosyntéze, - pozorování dýchání zvířat, hmyzu nebo klíčících semen, - sledování oxidace kovů, - sledování spotřeby kyslíku při kvašení účinkem kvasinek. Seznam částí v balení čidla pro měření obsahu kyslíku - kyslíkové čidlo, ml odběrová láhev, - brožura pro měření s O 2 čidlem. Jak pracovat s O 2 čidlem? 1) připojte senzor k měřicímu rozhraní, 2) spusťte měřicí software, 3) vyberete O 2 senzor, 4) zahajte sběr dat. Jak O 2 senzor funguje? O 2 čidlo měří v rozsahu 0 27 % pomocí tzv. elektrochemických buněk. Každá buňka obsahuje olověnou anodu a zlatou katodu, kdy obě jsou ponořené do roztoku elektrolytu. Molekuly vstupující do buňky elektrochemicky reagují se zlatou katodou. Tato elektrochemická reakce generuje proud, který je úměrný koncentraci kyslíku mezi elektrodami. Výstup senzoru je úměrný aktuální reakci.

22 22 Technický popis čidel Důležité! O 2 senzor je nutné skladovat ve vzpřímené poloze, pokud není používán, v opačném případě dojde ke zkracování životnosti. Technická specifikace Rozsah měření Přesnost při standardním tlaku 1 atm: Typické rozlišení: 13-bitové (Senzor DAQ) 12-bitové (LabPro, LabQuest, Go!Link, SBI) 10-bitové (CBL 2) Doba odezvy Příprava na měření (vyrovnávání teploty s okolím) Účinek tlaku Výstupní signál Výstupní impedance Vstupní signál 0 27 % (0 270 ppt) ± 1 obj.% kyslíku 0.005% 0.01% 0.04% 12 sekund 5 sekund Vout = Vout (standard) x (P/1013) Pressure range: 0.5 atm to 1.5 atm 0 to 4.8 VDC; 2.7 to % O2 1 KΩ 5 VDC (± 0,25 VDC) Normální provozní teplota 5 40 C Teplotní rozsah skladování -20 až 60 C Je nutné provádět kalibraci O 2 senzoru? Pro většinu měření není kalibrace potřeba. Pro přesnější měření, zejména z hlediska koncentrace kyslíku v ovzduší, je kalibrace nutná. Postupuje se tzv. dvoubodovou kalibrací. Pro první bod stiskněte a držte nulové tlačítko např. sponkou na papíry. Tlačítko je umístěné na boku senzoru vedle CAL. Zadejte hodnotu 0 pro toto čtení. Uvolněte tlačítko a proveďte další načítání hodnoty. Zadejte hodnotu 20,9 % (pokud je nastavení na tisíc částic, je nutné vynásobit hodnotu desíti, tj. 209). Postupem času dojde u senzoru k poklesu hodnot, toto je normální, protože látky v elektrochemické buňce budou postupně vyčerpané. Toto neznamená, že by senzor nebyl funkční, ale spíše je potřeba opakovat častěji kalibraci. Pokud jsou měřené hodnoty pod 12 %, měli byste čidlo vyměnit za nové.

23 Technický popis čidel 23 Vliv vlhkosti Koncentrace kyslíku se mění s množstvím vodní páry v ovzduší, bude nutné provést úpravu kalibrační hodnoty senzoru. 20,9 % kyslíku je v ovzduší, jestliže je 0 % vlhkosti. Hodnoty pro kalibraci se zohledněním relativní vlhkosti jsou následující: 0 % vlhkosti = 20,9 % koncentrace kyslíku 25 % vlhkosti = 20,7 % koncentrace kyslíku 50 % vlhkosti = 20,5 % koncentrace kyslíku 75 % vlhkosti = 20,3 % koncentrace kyslíku 100 % vlhkosti = 20,1 % koncentrace kyslíku 3.3 Čidlo kyselosti ph elektroda Čidlo ph může být použito v jakémkoliv úkolu, který je určený pro tradiční ph metr. Tento senzor umožňuje automatický sběr dat. Mezi typická témata patří pozorování reakcí kyselin a zásad a jejich ph, acidobazické titrace, sledování změn ph v průběhu chemických reakcí, acidobazické reakce látek, změny v průběhu fotosyntézy vodních rostlin, kyselé deště a ph reakce vodních toků. Sběr dat s použitím ph senzoru 1) připojte ph senzor k měřicímu rozhraní, 2) spusťte měřicí software a v editoru senzorů vyberte ph elektrodu, 3) začněte se sběrem dat.

24 24 Technický popis čidel Technická specifikace Typ elektrody Doba odezvy Těsnící s gelovou náplní a epoxidovým tělem, Ag/AgCl 90 % za 1 sekundu Teplotní rozsah 5 80 C Typické rozlišení: 13-bitové (Senzor DAQ) 12-bitové (LabPro, LabQuest, Go!Link, SBI) 10-bitové (CBL 2) Isopotenciál 0,0025 jednotek ph 0,005 ph jednotek 0,02 ph jednotek ph 7 (bod, při kterém teplota nemá vliv na výstupu) Výkon 59,2 mv/ ph při teplotě 25 C Hodnoty kalibrace: k 0 = 13,720 k 1 = -3,838 Jak funguje ph senzor? ph zesilovač je umístěn v těle čidla, na konci čidla je umístěn připojovací zástrčka BTA. Při ph 7 vytváří senzor napětí 1,75 voltů. Pro každý stupeň ph se zvyšuje nebo snižuje ph cca o 0,25. Toto čidlo je navrženo tak, aby měřilo ph v rozmezí Tělo je z polykarbonátu a je do poloviny naplněno referenčním gelem. Příprava k použití Pro přípravu elektrody k měření postupujte následovně: - vyjměte elektrodu z nádobky, ve které je umístěná odšroubováním krytu, důkladně elektrodu opláchněte, zejména spodní část, destilovanou nebo neionizovanou vodou, - pokud není elektroda uložena ve skladovací nádobě, můžete ji vložit (max. po dobu 24 hodin) do roztoku pufru o ph = 4 nebo ph = 7. Nikdy by neměla být skladována v destilované vodě, - připojte ph senzor k měřicímu rozhraní a proveďte jeho kalibraci (viz dále). Poznámka: neponořujte celý senzor, není vodotěsný. Po ukončení měření opláchněte měřicí část destilovanou vodou. Posuňte kryt na tělo elektrody, pak zašroubujte uzávěr na elektrodu. Jestliže je nádobka na uložení elektrody prázdná, lze nádobku naplnit pitnou vodou (ale jen krátkodobě!). Lepším

25 Technický popis čidel 25 řešením je připravit ph pufr o ph = 4 s roztokem chloridu draselného (viz dále). Je nutné ph elektrodu kalibrovat? ph elektrodu není nutné kalibrovat, jelikož tovární nastavení postačuje k měření ve školních podmínkách. Přesnost ph je cca 0,02. Pokud je nutné provést kalibraci, lze ji provést po spuštění programu eprolab v editoru senzorů. Používejte dvoubodovou kalibraci při zadání kalibračních hodnot k 0 a k 1. Umístěte elektrodu do prvního tlumivého roztoku o ph = 4, po stabilizaci hodnot vložte elektrodu do druhého pufru o ph = 7 a opět počkejte na stabilizaci hodnot a zadejte ph hodnotu 7. Opláchněte elektrodu destilovanou vodou a umístěte elektrodu do měřeného roztoku. Tlumivé roztoky Pro správnou kalibraci je nutné mít připravené ph pufry (tlumivé roztoky) tak, aby bylo zaručeno ph = 4, 7 nebo 10. Tyto roztoky se vyrábí komerčně a jsou prodejné i na našem trhu u dodavatelů laboratorního příslušenství a chemikálií, nebo si je může připravit sami dle následujících návodů: ph = 4,00 (přidejte 2 ml 0,1 M HCl k 1000 ml 0,1 M roztoku ftalátu draselného) ph = 7,00 (přidejte 582 ml 0,1 M NaOH k 1000 ml 0,1 M roztoku dihydrogenfosforečnanu draselného) ph = 10,00 (přidejte 214 ml 0,1 M NaOH k 1000 ml 0,05 M roztoku uhličitanu sodného). Údržba a skladování ph elektrody Krátkodobé skladování (do 24 hodin) lze řešit v roztocích pufrů o ph = 4 nebo ph = 7. Dlouhodobé skladování (více než 24 hodin) uchovejte elektrody ve vyrovnávacím roztoku ph = 4/KCl v nádobce, ve které je elektroda uložena. Náhradní roztok lze přiobjednat přes firmu Vernier nebo si jej připravit přidáním 10 gramů pevného chloridu draselného ke 100 ml pufru o ph = 4. Je nutné, aby byla elektroda stále v roztoku, jestliže v roztoku není, dochází k jejímu poškození. Před vlastním měřením si můžete ověřit správnost funkce elektrody ponořením do pufru o známém ph (např. do pufru ph = 7). Dle výrobce je doporučeno nevkládat čidlo do destilované vody, jelikož její ph může být v rozmezí 5,5 a 7,0 vzhledem k proměnlivému množství oxidu uhličitého rozpuštěného ze vzduchu. Pokud bude při ponoření do pufru ukazovat ph metr příliš velkou odchylku (např. při ponoření do pufru o ph = 7,0 ukazuje hodnotu 6,7), proveďte jeho kalibraci. Kalibraci je vhodné provést dvoubodově využitím dvou ph pufrů. Pokud senzor ukazuje velké výchylky, můžete provést tzv. šokovou terapii k oživení funkcí elektrody, a to následujícím způsobem: 1) nechte elektrodu namočenou cca 4 8 hodin v roztoku kyseliny chlorovodíkové o koncentraci v rozmezí 0,1 1,0 M, 2) opláchněte elektrodu a nechte ji hodinu nebo déle v pufru o ph = 7,

26 26 Technický popis čidel 3) opláchněte elektrodu a znovu vyzkoušejte. V obvodu elektrody se může objevovat růst plísní, které ovlivňují měřené ph, mj. proto se elektroda vkládá do roztoku ph = 4/KCl. Senzor je určen pro měření ph ve vodných roztocích, polykarbonátové tělo elektrody může být poškozeno vlivem organických rozpouštědel, proto buďte při práci s elektrodou a organickými rozpouštědly opatrní. Čidlo také nepoužívejte v roztocích obsahujících: chloristany, ionty stříbra, sulfidy a přírodní vzorky s vysokým obsahem bílkovin. Nevkládejte čidlo ani do kyseliny fluorovodíkové nebo kyselých roztoků s koncentraci vyšší než 1molární. Použití elektrody v roztoku hydroxidu sodného o koncentraci blízké 1molární je možné, avšak je doporučeno ponechávat čidlo v tomto roztoku maximálně 5 minut. Neopravitelné škody může také způsobit nízká teplota (kolem 0 C). 3.4 Konduktometr (vodivostní čidlo) Vodivostní elektroda se využívá u roztoků s částečnou nebo úplnou disociaci iontů. Vodivost roztoků patří mezi nejobvyklejší environmentální ukazatele. I přesto, že nejde o konkrétní analýzu vybraných iontů, lze stanovit obecně přítomnost iontů ve vzorku, které předchází dalším experimentům stanovujícím vybrané ionty nebo salinitu roztoku. Příkladem experimentů mohou být: - stanovení podstaty rozdílu mezi iontovou a molekulovou strukturou molekul, to může zahrnovat mj. sílu silných a slabých kyselin a zásad nebo množství iontů, na které sloučenina disociuje, - potvrzení vlivu koncentrace roztoku na vodivost roztoku, - měření změny vodivosti při fotosyntéze, - sledování rychlosti chemické reakce vlivem rozpuštěných iontů, - titrační stanovení se stechiometrickým určením složení látek, - sledování vodivosti v akváriu. Používání konduktometru Opláchněte konec vodivostní elektrody destilovanou vodou. Vložte konec konduktometru do testovaného vzorku tak, že celá buňka je ponořena v měřené kapalině. Nepoužívejte zcela ponořenou elektrodu, jelikož není vodotěsná! Stabilizace elektrody trvá cca 5 10 sekund. Před dalším měřením opláchněte konec elektrody destilovanou vodou. Jestliže měření provádíte pod 15 C, resp. nad 30 C, bude déle trvat ustálení hodnot. Důležité nikdy nevkládejte elektrodu do viskozních, organických kapalin, acetonu, olejů, glycerolu, etylenglykolu popř. nepolárních rozpouštědel jako jsou pentan nebo hexan.

27 Technický popis čidel 27 Skladování a údržba konduktometru Po ukončení práce s konduktometrem jej opláchněte destilovanou vodou a otřete papírovým ubrouskem nebo filtračním papírem. Je nutné, aby byl senzor uchováván v suchu, je li povrch senzoru znečištěn, ponořte jej po dobu 15 minut do zředěného roztoku 0,1M kyseliny chlorovodíkové nebo 0,5M kyseliny octové, následně elektrodu důkladně omyjte destilovanou vodou. Vyvarujte se poškrábání uvnitř elektrody! Technická specifikace Rozmezí měření Nízké Střední Vysoké Typické rozlišení: 13-bitové Nízké Střední Vysoké 12-bitové Nízké Střední vysoké 10-bitové Nízké Střední vysoké Přesnost Čas stabilizace µs/cm µs/cm µs/cm 0,05 µs/cm 0,5 µs/cm 5 µs/cm 0,1 µs/cm 1 µs/cm 10 µs/cm 0,4 µs/cm 4 µs/cm 40 µs/cm ± 1 % od celkové hodnoty 5 sekund při 98% zatížení elektrody 15 sekund při 100% zatížení elektrody Provozní teplota 5 35 C Teplotní rozmezí uložení elektrody Konstanta buňky 0 80 C 1 cm-1

28 28 Technický popis čidel Popis Ponorný typ elektrody s grafitovou elektrodou Rozměry Šířka 12 mm, délka 150 mm Musím provádět kalibraci konduktometru? U nové elektrody kalibraci provádět nemusíte, jelikož výrobní nastavení je zárukou kalibrace. Popř. můžete využít kalibrační soubor vložený do programu eprolab. Pokud provádíte konduktometrii pro stanovení kvality vody, můžete provést kalibraci. Jak provést kalibraci? - vyberte vodivostní nastavení na elektrodě nízká, střední nebo vysoká, pokud si nejste jisti použitím, můžete určit nejprve předběžnou hodnotu a z ní vycházet při kalibraci, - kalibrační bod nula stačí, aby byl konduktometr mimo kapalinu, tj. umístění elektrody ve vzduchu, - následně využijte roztok, který si připravíte a který má standardizovanou vodivost vložíte konduktometr až po zcela zaplněný otvor do roztoku chloridu sodného (viz dále) a využijte tuto hodnotu jako druhou kalibrační hodnotu. Udržování a kalibrace Pro kalibraci lze objednat přímo kalibrační roztoky chloridu sodného nebo vytvořit vlastní kalibrační roztoky, a to následujícím způsobem: Pro vodivost 100 µs/cm 47,4 mg/l NaCl Pro vodivost 1000 µs/cm 491 mg/l NaCl Pro vodivost 2000 µs/cm 1005 mg/l NaCl Pro vodivost µs/cm 5566 mg/l NaCl 3.5 Senzor relativní vlhkosti Senzor pro zjištění relativní vlhkosti vzduchu je součástí meteorologických stanic, mezi vybraná měření s hygrometrem patří např.:

29 Technický popis čidel 29 - měření vlhkosti se vztahem k lidskému zdraví, - optimalizace podmínek ve skleníku nebo v teráriu, - studium odpařování vody u rostlin v souvislosti se zvýšením relativní vlhkosti. Sběr dat 1) připojte čidlo k měřicímu rozhraní, 2) spusťte software eprolab, 3) vyhledejte senzor v editoru senzorů, 4) začněte sběr dat. Technická specifikace Rozmezí měření 0 % - 95 % Napětí 200 µa Doba odezvy V bezvětří S intenzivním pohybem vzduchu Typické rozlišení: 13-bitové 12-bitové 10-bitové Uložené kalibrace: Sklon Intercept Pro čidlo IH-3602-L platí následující specifikace (při 25 C): Celková přesnost Celková přesnost při standardní kalibraci Rozsah provozních teplot 60 minut 40 sekund 0,02 % relativní vlhkosti 0,04 % relativní vlhkosti 0,16 % relativní vlhkosti Sklon 30,43%/V -25,81 % ± 2 % relativní vlhkosti ± 10 % relativní vlhkosti 0 85 C Jak pracuje čidlo vlhkosti? Základem vlhkostního senzoru Hy-Cal Engeneering IH-3602 L je čidlo založené na polymerním základu vnímání vlhkosti. Integrovaný obvod produkuje výstupní napětí, které se mění s relativní vlhkostí. Doba odezvy jednotky v proudícím vzduchu je mnohem kratší než v nehybném vzduchu. V některých případech je vhodné využít ventilátory k přihánění vzduchu

30 30 Technický popis čidel k čidlu tak, aby byla odezva urychlená. Snímač je mírně citlivý na světlo, proto měření i uchování senzoru provádějte mimo přímé sluneční záření. Kalibrace senzoru je ovlivněná teplotou. Tento efekt je zanedbatelný při nízké vlhkosti, ale s rostoucí vlhkosti se zvyšuje. Jestliže chcete opravit relativní vlhkost, připravte si různé kalibrační soubory pro různé teploty, avšak většinou je to zbytečné. Musím provádět kalibraci? Ne, kalibraci není potřeba stále opakovat. Tovární nastavení bohatě dostačuje, popř. můžete využít kalibrační soubor, který načtete při kalibraci čidla. Kalibrace lze provést srovnáním s jiným přístrojem, který měří relativní vlhkost vzduchu. Dalším způsobem je využití soli při dvoubodové kalibraci. Solné roztoky se využívají k udržení prostředí s různými hodnotami relativní vlhkosti vzduchu. Máte-li vlhkou sůl v hermeticky uzavřené nádobě, můžete provést dvoubodovou kalibraci. Postup je následující: - dejte na dno sklenice hrst soli, - přidejte trochu vody do sklenice tak, aby byla sůl mokrá (ne rozpuštěná!), - umístěte čidlo vlhkosti vzduchu do sklenice, ale sůl se nesmí dotýkat senzoru! - utěsněte nádobu obvykle pomocí plastových folií a gumiček, - spusťte program po dobu cca 2 6 hodin, zadejte relativní vlhkost vzduchu soli, kterou jste použili, dle tabulky.

31 Technický popis čidel Termočlánek Termočlánek je jednoduchý a robustní snímač teploty v rozmezí -200 C až 1400 C. Tento snímač lze využít jako jednoduché teplotní čidlo. Čidlo lze využít např. pro následující experimenty: - teplota plamene, - porovnání teploty plamene vs. plamene svíčky, - kalibrace pece, - stanovení teploty tání mědi, bizmutu nebo pevných látek, - změření teploty suchého ledu nebo kapalného vzduchu. Sběr dat 1) zapojte termočlánek k měřicímu rozhraní, 2) spusťte program eprolab, 3) spusťte sběr dat. Technická specifikace Odchylky měření dle teploty 0 C 900 C -200 C 0 C 900 C 1400 C Typické rozlišení: 13-bitové 12-bitové 10-bitové Napětí ± 2,2 C ± 5 C ± 15 C 0,2 C 0,4 C 1,6 C 11 ma

32 32 Technický popis čidel Jak funguje termočlánek? Základem termočlánku jsou dva rozdílné kovy, které jsou na koncích spojené. Jestliže se jeden z připojených konců ohřívá, vytváří se termoelektrický obvod. Malé změny napětí tohoto obvodu jsou funkcí změny teploty a složení dvou kovů. Jelikož jsou tyto dva kovy na konci připojeny, lze vypočítat rozdíl v teplotě obou kovů. Pro připojení k voltmetru jsou vedeny termočlánkové dráty. Toto nové připojení vytváří další termočlánek. Musím provádět kalibraci? Nyní si uvedeme některé podmínky, které mohou hrát roli při rozhodování, zda provést kalibraci: 1) většinou kalibrovat senzor nemusíte, protože již byl kalibrován pro tovární nastavení (tovární nastavení lze provést např. auto-id), 2) pokud budete potřebovat přesnější kalibraci, proveďte dvoubodovou kalibraci, a to následujícím způsobem: a. pro první kalibrační bod vyberte kapalinu o známé teplotě, po stabilizaci zadejte známou teplotu (např. 0 C), b. pro druhý kalibrační bod zvolte opět roztok o známé teplotě a kalibrační hodnotu zvolte po stabilizaci teploty (např. 100 C). 3.7 Ampérmetr Ampermetrická sonda patří mezi základní senzor pro zjištění elektrické vodivosti. Ampérmetr využijte v nízkonapěťových obvodech díky rozsahu ± 0,6 A. Čidlo je vhodné pro většinu baterií a obvodů. Použijte voltmetr s diferenciální sondou ke zjištění Ohmova zákona, fázových rovnováh, elektrochemii i paralelních obvodech. Sběr dat 1) zapojte ampérmetr k měřicímu rozhraní, 2) spusťte program eprolab, 3) spusťte sběr dat.

33 Technický popis čidel 33 Technická specifikace Rozmezí měření Maximální vstupní napětí Vstupní odpor (mezi vstupy) Vstupní odpor (základ) ± 0,6 A ± 10 V 0,1 Ω 10 MΩ Linearinta 0,01 % Typické rozlišení: 13-bitové 12-bitové 10-bitové Napájecí napětí Napájecí proud (typický) Výstupní napětí 0,16 ma 0,31 ma 1,25 ma 5 V (DC) 9 ma 5 V Přenosová funkce Vout Vout = 4(l) + 2,5 Proud v ampérech 0,25 A Intercept 0,625 Jak funguje ampérmetr? Ampérmetr obsahuje zesilovač signálu, kdy snímací prvek o odporu 0,1 ohm je připojen mezi červený a černý výstup. Vzhledem k tomu, že dochází k rozdílu potenciálů mezi výstupy, je toto měřeno přes odporové čidlo. Tento potenciální rozdíl je zesilován zesilovačem. Konečné napětí je měřeno v laboratoři. Proudové sondy byly navrženy tak, aby byly zapojeny v sérii do obvodu. Proud se šíří oběma směry, jako pozitivní teče ve směru šipky na malou krabičku (od červené k černé části). Rozsah je ± 0,6 A (± 600 ma). Musí se ampérmetr kalibrovat? Nově zakoupený ampérmetr není třeba kalibrovat, jelikož je továrně přednastaven. Výstupní signál by měl být lineární, kdy napětí může být v rozsahu 0 5 voltů; 2,5 voltů je v případě, že je výstup 0 A. Opět, podobně jako u ostatních senzorů, lze provést jednobodovou nebo dvoubodovou kalibraci.

34 Technický popis čidel Voltmetr Voltmetr slouží k měření stejnosměrného napětí. Červená část slouží k připojení k napětí, které je v rozmezí ± 6 voltů. Černý slouží jako uzemnění. Jestliže by byly použity dvě napěťové elektrody současně, pamatujte, že musí být připojeny černé konektory na společné uzemnění. Technická specifikace Rozsah čidla ±6 V Maximální hodnota napětí ±10 V 12-bitové rozlišení 3,1 mv 10-bitové rozlišení 12,5 mv Napájecí napětí 5V Napájecí proud 9 ma Výstupní n napětí 5V Kalibrační data Směrnice k1 = - 2,5 V/V Počátek k0 = 6,25 V 3.9 Teplotní čidlo Toto teplotní čidlo s relativně malou dobou odezvy je určeno ke měření teploty vzduchu a kapalin. Sběr dat Pro sběr dat z tohoto čidla teploty je určen interface EdLaB v1.1 a výš

35 Technický popis čidel 35 Jak čidlo pracuje? Čidlo je vybaveno polovodičovým prvkem, který převádí teplotu na napětí v poměru 1 K = 10mV Technická specifikace Rozmezí měření 40 až 125 C Maximální rozsah teplot bez poškození senzoru Teplotní čidlo 60 až 150 C Polovodičový prvek Přesnost ±1,5 C at 0 C, ±2 C at 100 C Doba odezvy (doba pro dosažení 90% změny měřené hodnoty): Hodnoty pro kalibraci v programu eprolab - 2 sekundy ve vířivé tekutině sekund v nepohybujícím se vzduchu - 30 sekund v pohybujícím se vzduchu Pro hodnoty zobrazené ve C k0 = -273,16 k1 = 100 Pro hodnoty zobrazené ve K k0 = 0 k1 = 100 Pro hodnoty zobrazené ve F k0 = -459,67 k1 = 180

36

37 Typové úlohy s využitím měřicích sad v chemii 37 4 Typové úlohy s využitím měřicích sad v chemii V této kapitole se dozvíte: jak využít měřicí sady v konkrétních tematických celcích v chemii. Po jejím prostudování byste měli být schopni: vysvětlit použití vybraných čidel v chemii, využívat efektivně měřicí sadu v chemii. Klíčová slova kapitoly: chemie, měřicí sady. Následující kapitolu berte zejména jako možnou inspiraci využití konkrétních částí měřicí sady v praxi. Pro lepší přehlednost a názornost jsem zvolil následující členění vždy najdete tematický celek, název úlohy, použité čidlo, resp. použitá čidla a konkrétní typ úlohy, kde jej můžete využít. Většina příkladů vychází ze současných učebnic chemie pro základní školy a nižší ročníky víceletých gymnázií. Samozřejmě můžete nalézt modifikace úloh, popř. další, toto již nechám na vás. Takže, jste připraveni na 5 hodin pročítání a také možného vyzkoušení v praxi? Pokud ano, tak doufám, že pro vás bude kapitola přínosná.

38 38 Typové úlohy s využitím měřicích sad v chemii Název tematického celku: Vlastnosti látek Název úlohy: teplota tání a teplota varu Použité čidlo: teplotní čidlo Příklad využití: zjištění teploty tání másla, kdy do zkumavky přesuneme malé množství másla, do kterého vložíme teplotní čidlo, zkumavku zahříváme a měření zastavíme ve chvíli, kdy dochází k rozpuštění másla. Název tematického celku: Vlastnosti látek Název úlohy: teplota tání thiosíranu sodného Použité čidlo: teplotní čidlo Příklad využití: do zkumavky nasypeme cca 4 cm vrstvu thiosíranu sodného. Zkumavku zahříváme na vodní lázni a zaznamenáme teplotu, při které došlo k rozpuštění tání thiosíranu. Název tematického celku: Vlastnosti látek Název úlohy: vodivost látek Použité čidlo: konduktometr Příklad využití: zjištění vodivosti vybraných látek, např. glukózy, roztoku chloridu sodného, pevného chloridu sodného, etanolu, pitné vody, destilované vody, vaječného bílku. Název tematického celku: Vlastnosti látek Název úlohy: destilace Použité čidlo: teplotní čidlo Příklad využití: destilace roztoku etanolu (např. roztoku vína), sledování růstu teploty. Název tematického celku: Vlastnosti látek Název úlohy: částicové složení látek Použité čidlo: teplotní čidlo, kyslíkové čidlo Příklad využití: katalytický a nekatalytický rozklad peroxidu vodíku. Název tematického celku: Vlastnosti látek Název úlohy: vnímání teploty Použité čidlo: teplotní čidlo Příklad využití: před vlastním pokusem zjistíme teplotu vody ve všech třech nádobách se studenou vodou, vlažnou i teplou vodou. Vložíme obě ruce do vlažné vody, následně jednu do teplé vody a druhou do studené vody, poté opět obě ruce do vlažné vody pozorujeme pocit tepla v obou rukou. Název tematického celku: Vlastnosti látek Název úlohy: rozpouštění látek ve vodě při různé teplotě Použité čidlo: teplotní čidlo Příklad využití: zjistíme rozpustnost směsi 3 ml destilované vody a 2 g, 4 g, 6 g a 8 g dusičnanu draselného. Název tematického celku: Vlastnosti látek Název úlohy: změny teploty a ph při rozpouštění hydroxidu sodného Použité čidlo: teplotní čidlo, ph metr

39 Typové úlohy s využitím měřicích sad v chemii 39 Příklad využití: do destilované vody postupně přidáváme pevný hydroxid sodný po jedné pecičce a zjistíme změny teploty a ph. Název tematického celku: Vlastnosti látek Název úlohy: změny vodivosti vlivem koncentrace roztoku Použité čidlo: konduktometr Příklad využití: do destilované vody přidáváme postupně po jedné kapce vybraný 1 M roztok (NaCl, CaCl 2, AlCl 3 ), po dosažení 10ti kapek měření ukončíme a zhodnotíme pozorování všech tří roztoků. Název tematického celku: Vlastnosti látek Název úlohy: rozpustnost oxidu uhličitého ve vodě Použité čidlo: CO 2 čidlo, teplotní čidlo Příklad využití: při pokusu zjistíme obsah oxidu uhličitého v sodovce při různých teplotách: 1) ve studené sodovce vytažené z ledničky, 2) v sodovce při běžné teplotě, 3) v sodovce při teplotě 50. Název tematického celku: Vlastnosti látek Název úlohy: teplota plamene Použité čidlo: termočlánkový teploměr Příklad využití: do různých oblastí plamene vkládáme termočlánkový teploměr a pozorujeme změny teploty, které se v plameni objevují. Název tematického celku: Směsi, roztoky, vlastnosti látek Název úlohy: určení teploty varu roztoku Použité čidlo: teplotní čidlo Příklad využití: zahřívání baňky se směsi 100 g cukru a 40 ml destilované vody s vloženým teplotním čidlem. Při varu směsi odečteme teplotu varu. Název tematického celku: Vzduch Název úlohy: složení vzduchu Použité čidlo: kyslíkové čidlo, čidlo oxidu uhličitého Příklad využití: zjištění obsahu kyslíku a oxidu uhličitého ve vzduchu a následně při spalování svíčky v uzavřeném prostoru (např. v obrácené kádince nebo v uzavřeném zvonu). Název tematického celku: Vzduch Název úlohy: plyny, které člověk vydechuje Použité čidlo: kyslíkové čidlo, čidlo oxidu uhličitého, hygrometr Příklad využití: ve vydechovaném vzduchu zjistíme obsah vybraných plynů pomocí čidel Název tematického celku: Vzduch Název úlohy: vzduch, ve kterém žijeme vznik kyselých dešťů Použité čidlo: ph metr Příklad využití: v laboratoři připravíme oxid uhličitý, oxid dusičitý a oxid siřičitý. Každý z těchto plynů zavádíme do vody v kádince s vloženým ph metrem. Pozorujeme změnu ph

40 40 Typové úlohy s využitím měřicích sad v chemii Název tematického celku: Vzduch Název úlohy: vzduch, ve kterém žijeme vznik smogu Použité čidlo: teplotní čidlo Příklad využití: připravíme si dva odměrné válce, každý válec postavíme do jedné skleněné vany. Do okolí prvního válce dáme led a studenou vodu. Do druhého dáme vodu pokojové teploty. Cca po dvou minutách do obou válců vhodíme zapálenou cigaretu a vložíme teplotní čidlo, které zavádíme do různé hloubky ve válcích. Z výsledků je zřejmé, že pokud je válec ve studené vodě nebo v ledu, dochází k usazování dýmu smogu ve spodní části válce, oproti válci ponořeném ve vodě s teplotou místnosti, ve kterém dochází ke vzlínání dýmu. Název tematického celku: Voda Název úlohy: analýza vod Použité čidlo: ph metr, vodivost, teplotní čidlo, O 2 čidlo, CO 2 čidlo Příklad využití: v různých vodách zjišťujeme vybrané parametry. Jako vody můžeme využít vodu destilovanou, pitnou, minerálku, studniční vodu, vodu z řeky, minerálky bez obsahu sladidel a ochucovadel. Název tematického celku: Voda Název úlohy: voda vázaná v hydrátech Použité čidlo: hygrometr Příklad využití: hygrometr vložíme k modré skalici umístěné pod zvonem, pozvolna zahříváme a pozorujeme změnu zbarvení skalice a zároveň změny zaznamenávající hygrometr. Název tematického celku: Voda Název úlohy: voda a její zamrzání I. Použité čidlo: teplotní čidlo Příklad využití: ponoříme teplotní čidlo do zkumavky s vodou. Zkumavku vložíme do ledové lázně v kádince. 5 minut odečítáme teplotu, následně do kádinky nasypeme chlorid sodný a opět dalších 5 minut odečítáme teplotu. Název tematického celku: Voda Název úlohy: voda a její zamrzání II. Použité čidlo: teplotní čidlo Příklad využití: do vody v odměrném válci vložíme teplotní čidlo, kolem válce vytvoříme ledovou lázeň. Teplotní čidlo umísťujeme do různé výšky v odměrném válci. Pozorujeme, že zatímco v horní části je teplota cca 0 C, ve spodní části je teplota stále cca 4 C. Název tematického celku: Chemické reakce Název úlohy: exotermické a endotermické reakce I. Použité čidlo: teplotní čidlo Příklad využití: ovlivnění průběhu chemické reakce změnou teploty okolního prostředí. Připravíme si dvě zkumavky s 10% kyselinou chlorovodíkovou, jednu vložíme do kádinky se studenou vodou a druhou do kádinky s teplou vodou. Teplotní čidlo vložíme do zkumavky s kyselinou chlorovodíkovou a přidáme zinek, pozorujeme průběh reakce a teplotní změny.

41 Typové úlohy s využitím měřicích sad v chemii 41 Název tematického celku: Chemické reakce Název úlohy: exotermické a endotermické reakce II. Použité čidlo: teplotní čidlo Příklad využití: 2 lžičky peciček hydroxidu sodného nasypeme do kádinky s vodou a mícháme do rozpuštění (zvýšení teploty). 2 lžičky dusičnanu sodného nasypeme do kádinky s vodou a mícháme do rozpuštění (snížení teploty). K 50 ml 10% roztoku síranu měďnatého přidáme 3 gramy práškového zinku (zvýšení teploty). Ke 20 g uhličitanu sodného přidáme 1,5 g chloridu amonného (snížení teploty). Název tematického celku: Chemické reakce Název úlohy: změny teploty a ph při chemických reakcích Použité čidlo: ph metr, teplotní čidlo Příklad využití: K 50 ml 10% hydroxidu sodného v kádince s teplotním čidlem a ph metrem postupně přidáváme 50 ml 10% kyseliny chlorovodíkové a zjišťujeme změny ph a teploty při chemické reakci. Název tematického celku: Chemické reakce Název úlohy: rychlost chemických reakcí Použité čidlo: teplotní čidlo Příklad využití: K měděným hoblinám ve zkumavce umístěné ve skleněné vaně obsahující vodu a led, nalijeme 20% kyselinu dusičnou. Teplotu lázně měříme teplotním čidlem. Pozorujeme reakci mědi s kyselinou dusičnou. K měděným hoblinám ve zkumavce umístěné ve skleněné vaně obsahující vodu zahřátou na 80 C, nalijeme 20% kyselinu dusičnou. Teplotu lázně měříme teplotním čidlem. Pozorujeme reakci mědi s kyselinou dusičnou. Název tematického celku: Chemické reakce Název úlohy: redoxní reakce Použité čidlo: ampérmetr, voltmetr Příklad využití: do roztoku 10% chloridu měďnatého vložíme 2 uhlíkové elektrody připojené k ampérmetru a voltmetru. Název tematického celku: Chemické reakce Název úlohy: průchod elektrického proudu přes ovoce Použité čidlo: voltmetr Příklad využití: pro pokus potřebujete různé druhy ovoce (citrón, banán) a různé druhy elektrod plíšky z různých kovů (Zn, Cu, Fe, Pb). Vybrané dvě elektrody vložíme do ovoce a druhým koncem je připojíme k voltmetru, zjistíme, zda ovocem prochází elektrický proud. Pokud lze modifikovat rozkrojením banánu proud procházet nebude. Název tematického celku: Chemické reakce Název úlohy: redoxní reakce II. Použité čidlo: voltmetr Příklad využití: pro pokus jsou zapotřebí dvě kádinky a U-trubice. Do první kádinky nalijeme roztok síranu zinečnatého a do roztoku vložíme zinkový plech. Do druhé kádinky nalijeme roztok síranu měďnatého a vložíme měděnou elektrodu. Obě kádinky propojíme U-trubicí obsahující nasycený