SENZORY VERNIER V CHEMICKÝCH EXPERIMENTECH NA ZÁKLADNÍ ŠKOLE Mgr. Radoslav Jirásek Projekt Badatelem za poznáním vědy, techniky a přírody CZ.1.07/1.1.16/02.0012 Velké Bílovice 2014
S tím, jak se rozšiřuje využívání ICT technologií do běžného života, zvyšuje se i nasazení rozličných senzorů pro jejich interakci s reálným světem. Ceny těchto cenzorů klesají a stávají se dostupnějšími. Tento trend bude nadále pokračovat a má tedy smysl žákům tuto techniku představit, i když principy jejího fungování jim budou ještě po nějakou dobu jejich vzdělávání skryty. Tento materiál má sloužit jako námět pro využití senzorů v chemii na základní škole. Je zaměřen na použití digitálního teploměru, ph-metru, konduktometru, senzoru plynného CO 2, senzoru plynného O 2 a spektrofotometru pro viditelnou oblast. OBSAH: 1. Laboratorní práce č.1: Destilace vína................... 3 2. Laboratorní práce č.2: Titrace s ph-metrem................ 7 3. Laboratorní práce č.3: Titrace s konduktometrem............... 12 4. Laboratorní práce č.4: Měření spekter barviv................ 17 5. Spektrofotometr........................... 22 6. Dlouhodobý experiment: Měření koncentrace CO 2 a O 2 při fotosyntéze....... 26 2
Protokol laboratorní práce č. 1 Pracoval: Spolupracovali: Datum pozorování: Teplota: Tlak vzduchu: Třída: Název úlohy: Destilace vína Úkoly: Oddělit ethanol z vína destilací. Provést záznam průběhu teploty destilačních par do PC senzorem pro měření teploty. Pomůcky: frakční baňka, zátka s otvorem, digitální USB teploměr, zkumavka, kádinka nízká, kádinka nízká široká, varný kruh malý, kovová síťka, lihový kahan (50ml), laboratorní stojan, křížová svorka 2x, držák na baňky, porcelánový střep, notebook, software Loger Pro 3, varná konvice Vlastnosti senzoru digitální teploměr: Rozsah měření Jednotka od do Přesnost měření C -20 115 ± 0,5 Maximální vzorkovací frekvence Obrázek senzoru: 3
Použité chemikálie: Název Vzorec Teplota varu [ C] Bezpečnost voda H 2 O 100 - ethanol (líh) C 2 H 5 OH 78,3 hořlavý methanol CH 3 OH 64,7 hořlavý, toxický Schéma a popis destilační aparatury: (viz.pomůcky) Pracovní postup: Krok Chemická část ICT část Bezpečnost 1 Do varné konvice si dáme ohřát vodu na vodní lázeň. 2 Sestavíme destilační aparaturu dle schématu. 3 Do baňky vložíme porcelánový střep. Spustíme program pro záznam dat. Nastavíme dobu měření na 20 minut. 4 Do baňky vlejeme 40 ml vína. Nastavíme vzorkovací frekvenci na 10 měření za 1 sekundu. Provede vyučující! Zkontroluj utažení svorek a tyče stojanu. Zkontroluj nepoškození skleněných dílů. 5 Zátkou prostrčíme teplotní senzor tak, Připojíme USB Nezapíchni si senzor do 4
6 7 aby vyčníval asi 2-3 cm. Zkumavku na jímání destilátu částečně ponoříme do vody. Zkontrolujeme utažení svorek a závitů aparatury. konektor teploměru k notebooku. 8 Zahájíme měření. 9 10 11 Kádinku pro vodní lázeň naplníme zhruba do poloviny horkou vodou. Zapálíme lihový kahan a zahajíme ohřev vodní lázně. Po uvedení vína do varu regulujeme intenzitu zahřívání částečným odstavením kahanu. 12 Předestilujeme několik ml destilátu. Ukončíme měření. 13 Zhasneme kahan. Odpojíme USB teploměr. dlaně! Pozor na opaření! Hlídej plamen, destilaci sleduj z bezpečné vzdálenosti. Pozor na výpary! 14 Necháme aparaturu vychladnout. Pozor na popálení! Popis průběhu destilace: Jev, látka Vzhled, vlastnosti vína (barva, vůně, průhlednost, hořlavost) Pozorování Změny teploty v čase (použij graf) Vznik bublinek Činnost vzdušného chladiče (vyjádři se k jeho účinnosti a vhodnosti použití) Vzhled, vlastnosti destilátu (barva, vůně, průhlednost, hořlavost) 5
Graf: (Vložte obrázek z počítače.) Zhodnocení: 6
Protokol laboratorní práce č. 2 Pracoval: Spolupracovali: Datum pozorování: Teplota: Tlak vzduchu: Třída: Název úlohy: Neutralizační titrace s ph metrem Úkoly: Proveďte titraci NaOH kyselinou indikátor fenolftalein. Provést záznam průběhu ph do PC senzorem ph metr. Pomůcky: byreta, držák, svorka, laboratorní stojan, titrační baňka, pipeta, notebook, software Loger Pro 3, senzor ph metr, zásobní roztok NaOH, HCl, indikátor fenolftalein Vlastnosti senzoru digitální ph metr: Rozsah měření Jednotka Citlivost od do ph 0 14 0,01 Maximální vzorkovací frekvence Obrázek senzoru: 7
Adaptér Go!Link: Použité chemikálie: Název Vzorec Koncentrace Bezpečnost kyselina chlorovodíková HCl 0,1 mol/l žíravina hydroxid sodný NaOH 0,1 mol/l žíravina fenolftalein - - zdraví škodlivý Schéma a popis titrační aparatury: (viz.pomůcky) 8
Pracovní postup: Krok Chemická část ICT část Bezpečnost 1 Do varné konvice si dáme ohřát vodu na vodní lázeň. Provede vyučující! 2 Sestavíme destilační aparaturu dle schématu. Spustíme program pro záznam dat. Zkontroluj utažení svorek a tyče stojanu. 3 Do baňky vložíme porcelánový střep. 4 Do baňky vlejeme 40 ml vína. Nastavíme dobu měření na 20 minut. Nastavíme vzorkovací frekvenci na 10 měření za 1 sekundu. Zkontroluj nepoškození skleněných dílů. 5 Zátkou prostrčíme teplotní senzor tak, aby vyčníval asi 2-3 cm. Připojíme USB konektor teploměru k notebooku. Nezapíchni si senzor do dlaně! 6 Zkumavku na jímání destilátu částečně ponoříme do vody. 7 Zkontrolujeme utažení svorek a závitů aparatury. 8 Zahájíme měření. 9 10 11 Kádinku pro vodní lázeň naplníme zhruba do poloviny horkou vodou. Zapálíme lihový kahan a zahajíme ohřev vodní lázně. Po uvedení vína do varu regulujeme intenzitu zahřívání částečným odstavením kahanu. Pozor na opaření! Hlídej plamen, destilaci sleduj z bezpečné vzdálenosti. Pozor na výpary! 12 Předestilujeme několik ml destilátu. Ukončíme měření. 13 Zhasneme kahan. Odpojíme USB teploměr. 14 Necháme aparaturu vychladnout. Pozor na popálení! Popis průběhu titrace: Jev, látka Pozorování Vzhled, vlastnosti vína (barva, vůně, průhlednost, hořlavost) Změny teploty v čase (použij graf) 9
Vznik bublinek Činnost vzdušného chladiče (vyjádři se k jeho účinnosti a vhodnosti použití) Vzhled, vlastnosti destilátu (barva, vůně, průhlednost, hořlavost) Graf: (Vložte obrázek z počítače.) 10
Zhodnocení: (Pokus se vysvětlit průběh grafu.) 11
Protokol laboratorní práce č. 3 Pracoval: Spolupracovali: Datum pozorování: Teplota: Tlak vzduchu: Třída: Název úlohy: Konduktometrická titrace Úkoly:. Provést záznam průběhu vodivosti při neutralizační titraci. Pomůcky: byreta, držák, svorka, laboratorní stojan, kádinka 200 ml, pipeta, notebook, software Loger Pro 3, rozhraní Vernier Go!Link, senzor konduktometr Vernier CON-BTA, magnetická míchačka, zásobní roztok NaOH, HCl, destilovaná voda, indikátor fenolftalein Vlastnosti senzoru digitální konduktometr: Rozsah měření Přesnost Maximální vzorkovací Teplota roztoku v C Jednotka od do měření frekvence od do μs/cm Senzor vodivosti: 0 200 ± 2 0 2000 ±20 0 20000 ±200 5 35 12
Přepínač rozsahů: Použité chemikálie: Název Vzorec Koncentrace Množství (2 titrace) Bezpečnost kyselina chlorovodíková HCl 1:10 (HCl:dest.voda) 50 ml žíravina hydroxid sodný NaOH 0,1 mol/l 30 ml žíravina destilovaná voda H 2 O - 200 ml fenolftalein - - zdraví škodlivý Schéma a popis titrační aparatury: (viz.pomůcky) 13
Zápis rovnice neutralizace: HCl + NaOH ---> H 2 O + NaCl... Pracovní postup: Krok Chemická část ICT část Bezpečnost 1 2 3 4 5 6 Sestavíme titrační aparaturu. Zkontrolujeme uzavření kohoutu byrety a naplníme ji roztokem kyseliny. Do kádinky pod byretou odměříme pipetou 10 ml hydroxidu. Objem doplníme destilovanou vodou na 50 ml. Do roztoku hydroxidu vložíme michadýlko, senzor vodivosti a spustíme míchačku. Necháme odkapat 10 kapek kyseliny z byrety a zavřeme její kohout. 7 Krok 6 opakujeme. 8 9 V notebooku spustíme program pro záznam dat Logger Pro 3. Propojíme zohraní Go! Link se senzorem na měření vodivosti. Připojíme Go!Link do USB portu notebooku. V nabídce vybereme Experiment Sběr dat. Otevře se okno a v něm zvolíme režim Události se vstupy. Sloupec pojmenujeme Počet kapek. Spustíme měření tlačítkem <Sběr dat> Stiskneme tlačítko <Zachovat> a do vyvolaného dialogového okna zadáme počet odkapaných kapek (10). Zadávaný počet kapek zyšujeme o 10 tj. 20, 30, 40,.. Pozorujeme vykreslovanou křivku grafu. Pokud se nám vykreslila její podstatná část, ukončíme měření. Zkontroluje vyučující. Používáme ochranné brýle. 14
Popis průběhu titrace: Počátek titrace. Jev, látka Pozorování (titrovaný roztok, graf) Fenoltfatein se odbarvuje v místě dopadu kapek kyseliny. Graf pozvolna klesá. Bod ekvivalence Fenolftalein se odbarvil. Graf prudce klesá, lomí se a prudce roste. Překyselení titrovaného roztoku. Roztok je odbarvený. Graf pozvolna roste. Graf: (Vložte obrázek z počítače.) 15
Zhodnocení: (Zkus vysvětlit průběh grafu.) 16
Protokol laboratorní práce č. 4 Pracoval: Spolupracovali: Datum pozorování: Teplota: Tlak vzduchu: Třída: Název úlohy: Měření absorbčních spekter barviv Úkoly: Změřit VIS absorbční spektra potravinářských barviv. Pomůcky: sada potravinářských barviv, destilovaná voda, 5 kádinek 50 ml, injekční stříkačka 10 ml, sada kyvet, spektrofotometr Vernier Spectrometer, USB kabel, nůžky Vlastnosti spektrofotometru: Rozsah měření Jednotka od do Přesnost měření nm 380 950 ± 2 Obrázek přístroje: 17
Použité chemikálie: Název E značení Barva Absobční max. 1 Absobční max. 2 tartrazin E102 žlutá 426 brilantní modř E133 modrá 629 ponceau 4R E124 červená 505 žluť SY (sunset yellow) E110 oranžová 480 směs E102, E133 zelená Obrázky barviv: 18
Foto měřícího stanoviště: (viz.pomůcky) Pracovní postup: Krok Chemická část ICT část Bezpečnost 1 Do kádinek si odměříme po 10 ml destilované vody. 2 3 4 5 Odstřihneme rožek u sáčku s barvivem a přisypeme opatrně co možná nejmenší množství barviva do kádinky s destilovanou vodou. Obsah kádinky promícháme. Do kyvety odměříme 2,5 ml barevného roztoku a kyvetu uzavřeme. Dbáme na to, abychom nepotřísnili vnější stěny kyvety. Případné znečistění otřeme ubrouskem. Postup 2-3 opakujeme pro ostatní barviva. Vložíme kyvetu do spektrofotometru hladkou stranou ke zdroji světla. USB kabelem propojíme notebook a spektofotometr. Počkáme, až operační systém vyhledá USB zařízení. V notebooku spustíme program pro záznam dat Logger Pro 3. Spustíme měření tlačítkem <Sběr dat> Barviva nekonzumujeme, i když jsou potravinářská. Používáme ochranný plášť. 19
6 7 8 Po vykreslení grafu měření zastavíme tlačítkem <Stop>. Naměřená data uložíme do souboru volbou z nabídky <Soubor><Uložit jako> a zvolíme název souboru podle barvy barviva. Zobrazíme dva grafy. V jednom bude spektrum pro červené, žluté a oranžové barvivo. Ve druhém grafu bude spektrum pro modré, žluté a zelené barvivo. Grafy vložíme do protokolu. Graf 1: Absopce červeného, žlutého a oranžového barviva (vložte printscreen grafu) Zhodnocení: (Zkus vysvětlit průběh grafu.) Z grafu je dobře patrné, že oranžová barva vzniká složením červené a žluté barvy. Graf absorpce oranžového barviva vytváří pěknou obalovou křivku absorpcí červeného a žlutého barviva. Dále je na grafu vidět, že barviva neabsorbují záření své vlastní barvy. 20
Graf 2: Absopce zeleného, žlutého a modrého barviva (vložte printscreen grafu) (Zkus vysvětlit průběh grafu.) Z grafu je dobře patrné, že zelená vzniká složením modré a žluté barvy. Graf absorpce zeleného barviva vytváří pěknou obalovou křivku absorpcí modrého a žlutého barviva. Dále je na grafu vidět, že barviva neabsorbují záření své vlastní barvy. 21
Informace o spektrofotometru Absorpční spektroskopie je jednoduchou nedestruktivní metodou, která umožňuje měřit koncentraci látek v roztoku. Látky obsažené ve vzorku absorbují určité vlnové délky z přicházejícího spektra záření. Pokud tedy zkoumaným vzorkem necháme procházet co nejširší spektrum vlnových délek a spektrálně analyzujeme jím prošlé světlo, můžeme za absorbčních píků určit nejen složení vzorku, ale také koncentraci jednotlivých látek. Spektrometr s držákem kyvet spektrometr USB2000 kyveta se vzorkem USB integrovaný vzorkovací systém 22
V našem případě bylo použito zařízení USB2000 + VIS NIR firmy Ocean Optics. Je to modifikace pro měření ve viditelné oblasti (VIS) a blízké infračervené (NIR) oblasti spektra. vstup světla (optický kabel nebo kyveta) konektor pro držák kyvet Parametry přístroje USB2000 Rozměry Napájení Rozsah vlnových délek Rozlišení 10 cm x 8,7 cm x 3 cm USB kabel 380 nm 950 nm 2 nm 23
Vnitřní uspořádání spektrometru (pohled zdola) 4 8 6 7 9 10 3 5 2 1 1 Vysvětlivky Konektor SMA 905 pro upevnění světelného vlákna. Konektorem rovněž přichází světlo procházející kyvetou se vzorkem. Světlo je směřováno na optickou lavici k dalšímu zpracování. 2 Štěrbina regulující množství světla procházejícího do optické lavice. 3 Filtr vybírá jen ty vlnové délky světla vhodné ke zpracování. 4 Kolimační zrcadlo zaostřuje světelný paprsek na mřížku spektrometru. 5 Mřížka ohýbem rozloží světlo z kolimačního zrcadla na zaměřovací zrcadlo. 6 Zaměřovací zrcadlo odráží rozložené světlo na detektor. 7 Zaostřovací čočka detektoru. 8 Detektor viditelného světla převádí optický signál na digitální (UV volitelné). 9 OFLV filtry blokují spektra vyšších řádů (volitelné). 10 Krystalové okno pro UV oblast (volitelné). 24
Komplementarita barev λ (nm) Barva absorbovaného světla Barva absorbujíci látky 400-435 fialová žlutozelená 435-480 modrá žlutá 480-490 zelenomodrá oranžová 490-500 modrozelená červenooranžová 500-560 zelená purpurová 560-580 zelenožlutá fialová 580-595 žlutooranžová modrá 595-620 červenooranžová zelenomodrá 620-760 červená modrozelená www.lao.cz: aplikace. Lasery a optika [online]. 2014. vyd. [cit. 2014-12-14]. Dostupné z: http://www.lao.cz/aplikace-79/mereni-spektralnich-charakteristik-98/absorbance-roztoku-112 Ocean Optics: USB2000+VIS-NIR. [online]. [cit. 2014-12-14]. Dostupné z: http://oceanoptics.com/product/usb2000vis-nir/ 25
Experiment: Měření CO 2 a O 2 při fotosyntéze Úkoly: Provést záznam změn koncentrací CO 2 a O 2 nad hladinou v uzavřeném akvariu v průběhu několika dní. Práce s grafy naměřených hodnot. Pomůcky: třílitrová zavařovací sklenice, plastové víko s dvěma otvory o průměru senzorů, senzor plynného CO 2 (Vernier CO2-BTA), senzor plynného O2 (Verier O2-BTA), 2 adaptéry pro připojení senzorů k počítači přes USB (Vernier Go!Link), notebook, software Loger Pro 3 Vybrané vlastnosti senzoru CO 2 : Dva rozsahy: 0 až 10 000 ppm a 0 až 100 000 ppm (přepínač je na senzoru) Čas potřebný k 95% přiblížení ke konečné hodnotě: cca 120 sekund Čas na zahřátí elektrody na začátku měření: asi 90 sekund Relativní vlhkost, při které přístroj může pracovat: 5 % až 95 % Obrázek senzoru: 26
Vybrané vlastnosti senzoru O 2 : Rozsah: 0 % až 27 % kyslíku ve vzduchu Přesnost při normálním tlaku: ±1 % Rozlišení: 0,01 % Čas potřebný k 90% přiblížení ke konečné hodnotě: cca 12 sekund (měření probíhá na principu difúze, proto se měřená hodnota asymptoticky blíží k hodnotě skutečné) Provozní teplota: 5 C až 40 C Relativní vlhkost, při které přístroj může pracovat: 0% až 95 % Provozujte ve svislé poloze. Obrázek senzoru: Vybrané vlastnosti adaptéru Go!Link : připojuje se do USB portu vzorkovací frekvence až 200 Hz rozlišení 12 bitů součástí je software Logger Lite pro Windows a Macintosh 27
Obrázek adaptéru: Obrázek experimentu: Láhev umístíme na slunné místo u okna Zapojení kabeláže: senzor CO2 <----> adaptér Go!Link č.1<----> USB port notebooku nebo PC senzor O2 <----> adaptér Go!Link č.2 <----> USB port notebooku nebo PC Pracovní postup: Krok 1 Akce Obrázek Spustíme program pro záznam dat. 28
2 Vyvoláme dialog Sběr dat pro nastavení měření (CTRL+D) 3 V přednastaveném režimu (módu) časová závislost nastavíme dobu měření na 5 dní tj.120 hodin. Vzorkovací frekvenci volíme např. po 5 minutách tj. 12 vzorků za hodinu. Obdržíme celkem 1441 naměřených hodnot, což bude pro grafické znázornění dostačující. 4 5 Jakmile budeme chtít zahájit měření, klikneme na tlačítko sběr dat. Přesný čas zahájení měření si zaznamenáme pro případné budoucí přepočty časových údajů např. v tabulkovém kalkulátoru. Doporučuji rovněž zahájit měření v celou hodinu kvůli jednodušší orientaci v časových údajích v grafu naměřených hodnot. Za 5 dní měření skončí a naměřená data uložíme do souboru k dalšímu zpracování. 29
Ukázka grafů naměřených hodnot (3 dny měření): Náměty k otázkám a úkolům: 1) Jaké jsou reaktanty a produkty fotosyntézy? 2) Za jakých podmínek probíhá fotosyntéza? 3) Napiš rovnici fotosyntézy. 4) Jaká byla nejnižší a nejvyšší naměřená koncentrace CO 2 v %? 5) Vysvětli, proč hodnoty koncentace CO 2 vždy po ránu prudce klesají. 6) Vysvětli, proč se maximální hodnoty koncentrací CO 2 ve dne i v noci snižují. 7) Vysvětli, čím mohlo být způsobeno lokální zvýšení koncetrace CO 2 v 51. hodině měření. 8) Jestliže měření začalo v 10:00, kterým časům odpovídají minimální hodnoty koncenatrací CO 2? (zaokrouhlete na celé hodiny) 30