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

Název: Autor: Vydání: Počet stran: Určeno pro projekt: Číslo projektu: Vydavatel: Tisk:

Aplikace ICT pomůcek v přírodovědných předmětech na ZŠ Chemie Mgr. Jan Veřmiřovský 1. vydání, 2010 54 Nové přístupy k využití ICT ve výuce přírodovědných předmětů na základních školách CZ.1.07/1.1.07/02.0047 Ostravská univerzita v Ostravě REPRONIS s.r.o.

© Mgr. Jan Veřmiřovský © Ostravská univerzita v Ostravě

Obsah Úvod ........................................................................................................................................... 5 1

2

3

4

Měřicí systém EdLaB ....................................................................................................... 7 1.1

Průběh měření v reálném čase .................................................................................... 7

1.2

Více měření současně ................................................................................................. 7

1.3

Výhody použití měřicího systému ve výuce .............................................................. 8

1.4

Charakteristika měřicího systému .............................................................................. 8

Popis softwaru .................................................................................................................. 9 2.1

HiScope ...................................................................................................................... 9

2.2

Editor senzorů .......................................................................................................... 10

2.3

Postup připojení nového čidla se systémem EdLaB v programu eProLab .............. 10

2.4

Kalibrace nového čidla ............................................................................................. 11

2.5

Postup spuštění experimentu .................................................................................... 12

2.5.1

Pro jedno čidlo ..................................................................................................... 12

2.5.2

Pro více čidel ........................................................................................................ 12

2.6

Seznam dodaných čidel ............................................................................................ 13

2.7

Citovaná a doporučená literatura.............................................................................. 15

Technický popis čidel ..................................................................................................... 17 3.1

Vernier CO2 senzor .................................................................................................. 18

3.2

Kyslíkové čidlo ........................................................................................................ 21

3.3

Čidlo kyselosti – pH elektroda ................................................................................. 23

3.4

Konduktometr (vodivostní čidlo) ............................................................................. 26

3.5

Senzor relativní vlhkosti........................................................................................... 28

3.6

Termočlánek ............................................................................................................. 31

3.7

Ampérmetr ............................................................................................................... 32

3.8

Voltmetr ................................................................................................................... 34

3.9

Teplotní čidlo ........................................................................................................... 34

Typové úlohy s využitím měřicích sad v chemii .......................................................... 37 4.1

Shrnutí kapitoly ........................................................................................................ 50

4.2

Citovaná a doporučená literatura.............................................................................. 51

Závěr ........................................................................................................................................ 52 Citovaná a doporučená literatura ......................................................................................... 53

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.

Měřicí systém EdLaB

7

1 Měřicí systém EdLaB Educational Laboratory Board je vzdělávací univerzální měřicí 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.

Měřicí systém EdLaB

8

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

Educational laboratory board

Rozhraní pro připojení

USB, maximální napájecí proud je 0,5 A

Rozlišení převodníku

10 bitů

Vzorkovací frekvence

50 kHz

Analogové vstupy pro připojení senzorů

6 vstupů s ochranou proti přepětí

Digitální vstupy pro připojení senzorů

1 vstup + 1 servisní

Analogový výstup

1 analogový + 1 PWM

Sběrnice s digitálními vstupy a výstupy

1 x 12 bitů + 1 x 4 bity

Popis otevřeného komunikačního protokolu

ano

Příklady pro komunikaci

Delphi, Visual Basic, C/C++

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

Popis softwaru

10 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 k1 2: Počátek k0

2.3 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).

Popis softwaru

11

2.4 Kalibrace nového čidla Kalibraci nového čidla můžeme provést dvěma způsoby: a) Zadání známých kalibračních hodnot. Například pro siloměr známe kalibrační hodnoty Směrnice k1: 175,416; Počátek k0: –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.

Popis softwaru

12

2.5 Postup spuštění experimentu 2.5.1 2.5.2 -

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.

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 2 rozsahy: 0 až 10000 ppm a 0 až koncentrace plynného oxidu uhličitého 100 000 ppm Kyslíkové čidlo – měření koncentrace Minimální rozsah 0 až 27 % plynného kyslíku Čidlo kyselosti – pH metr

Rozsah 0 až 14

Konduktometr – měření elektrické vodivosti kapalin

Minimální rozsahy měření: 0-200 µS/cm, 0-1000 µS/cm a 0-10000 µS/cm

Barometr – měření atmosférického tlaku Hygrometr – čidlo relativní vlhkosti vzduchu

Minimální rozsah 80 kPa až 120 kPa Minimální rozsah 0 až 95 %

Luxmetr – čidlo intenzity světla

Minimální rozsahy 0 až 600 luxů, 0 až 6000 luxů nebo 0 až 150 tisíc luxů

Spirometr – měření průtoku vzduchu, určení vitílní kapacity plic

Rozsah ±10 litrů/s

Siloměr se 2 rozsahy

Rozsahy ±10 N a ±50 N

Infrateploměr – infračervené (bezdotykové) teplotní čidlo

Minimální rozsah -20 °C až 400 °C

Termočlánkový teploměr

Minimální rozsah: -200 °C až 1400 °C

Teploměry 12 ks

Minimální rozsah -20 °C až 120 °C

Čidlo polohy a pohybu

Minimální rozsah 15 cm až 6 m

Ampérmetr

Rozsah ±600 mA

Voltmetr

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.

Popis softwaru

14 Kontrolní otázky a úkoly: 1.

Vyberte z předchozí tabulky čidla, která budete využívat ve výuce chemie na základní škole: ……………………………………………………………………....……… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………..………..……… …………………………………………………………………...….………

2.

……………………………………………………………………................ Z výše uvedených čidel vyberte ta, u kterých budete muset provádět kalibraci: …………………………………………………………………………….... ………………………………………………………………………….…... ……………………………………………………………………….……... …………………………………………………………………….………...

3.

………………………………………………………………….................... 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 e-mailovou adresu: [email protected] .

Popis softwaru

2.7 Citovaná a doporučená literatura www.EdLaB.cz/dokumenty/popis-softwaru.doc http://www.vernier.cz/produkty/senzory

15

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

3.1 Vernier CO2 senzor

CO2 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 CO2! Čidlo má dva rozsahy – nízký rozsah (0 – 10 000 ppm) a vysoký rozsah (0 – 100 000 ppm). Čidlo lze ve výuce využít např. na zjišťování: -

uvolňování CO2 cvrčky, červy nebo pro klíčení semene, studium fotosyntézy u akvarijních rostlin, absorpce CO2 látkami, které s ním reagují – např. NaOH nebo KOH, při reakci kyseliny chlorovodíkové s hydrogenuhličitanem sodným, CO2 uvolňovaný při kvašení, lidské dýchání a uvolňování CO2.

Balení senzoru obsahuje: -

CO2 senzor, 250 ml odběrové láhve s uzavíratelným víčkem, návod na použití čidla.

Použití CO2 čidla: Obecně platí, že návod na použití je následující: 1) připojte CO2 čidlo k měřicímu rozhraní, 2) spusťte software pro sběr dat, 3) vyberte z nabídky CO2 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 CO2 v daném prostředí, jestliže je hodnota v blízkosti 10 000 ppm, resp. 100 000 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 CO2 absorbujícího infračervené záření, je doporučeno nepoužívat čidlo na


-

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 CO2!

Technická specifikace Rozsah měření Nízký rozsah

0 – 10 000 ppm CO2

Vysoký rozsah

0 – 100 000 ppm CO2

Přesnost při standardním tlaku 1 atm: Nízký rozsah

± 100 ppm nebo ± 10 % z hodnoty

Vysoký rozsah

± 100 ppm nebo ± 20 % z hodnoty

Typické rozlišení: 13-bitové (Senzor DAQ) 0 – 10000 ppm CO2

1,5 ppm

0 – 100000 ppm CO2

15 ppm

12-bitové (LabPro, LabQuest, Go!Link, SBI) 0 – 10000 ppm CO2

3 ppm

0 – 100000 ppm CO2

30 ppm

10-bitové (CBL 2) 0 – 10000 ppm CO2

12 ppm

0 – 100000 ppm CO2

120 ppm

Doba odezvy

120 sekund

Příprava na měření (vyrovnávání teploty s okolím)

90 sekund

Účinek tlaku

0,19 % ze zjištěné hodnoty/mm Hg oproti standardnímu tlaku)

Vstupní potenciál

5 V (± 0,25 V)

Normální provozní teplota

25°C (± 5°C)

Provozní vlhkost

5 – 95 % (bez kondenzačních změn vlhkosti)

Teplotní rozsah skladování

-40 až 65°C


20 Jak senzor CO2 funguje?

Senzor slouží k měření koncentrace CO2 v rozmezí 0 – 10000 ppm (nízký rozsah nastavení) nebo 0 – 100000 ppm (vysoký rozsah nastavení). Princip souvisí se sledováním pohlcení infračerveného záření molekulami CO2. 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 CO2. Detektor funguje při vlnové délce se střední hodnotou 4260 nm. Čím větší je koncentrace CO2, 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 CO2 zjišťuje koncentraci v jednotkách ppm, tj. 1 objemový díl oxidu uhličitého na milion objemových dílů směsi. Tudíž např. koncentrace 600 ppm znamená 600 litrů CO2 na každých 1000000 litrů vzduchu nebo 0,6 ml CO2 na 1 litr vzduchu). Jen pro srovnání – v zemské troposféře se zvýšila koncentrace CO2 z 317 ppm v roce 1960 na 380 ppm dnes. Ve vydechovaném vzduchu člověka je asi 50 000 ppm CO2. Potřebuji kalibrovat CO2 čidlo? Kalibraci provádět nemusíte, čidlo bylo již kalibrováno při továrním nastavení. Jestliže zjistíte nepřesnosti v koncentraci CO2, můžete využít tzv. jednobodovou kalibraci známého vzorku CO2, 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 CO2 k měřicímu rozhraní a vyčkejte cca 90 sekund, následně se přesuňte v měřicím rozhraní k editoru senzorů a v něm konkrétně k čidlu CO2, zde zvolte kalibraci, která by měla být 380 ppm, kalibraci uložte.

Vliv teploty Senzor pro zjištění koncentrace CO2 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 CO2, optimální teplota pro zjišťování obsahu CO2 je 20 – 30°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 CO2 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. CO2


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 CO2 pohybovat až k hodnotě 1000 – 1200 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, 250 ml odběrová láhev, brožura pro měření s O2 čidlem.

Jak pracovat s O2 čidlem? 1) 2) 3) 4)

připojte senzor k měřicímu rozhraní, spusťte měřicí software, vyberete O2 senzor, zahajte sběr dat.

Jak O2 senzor funguje? O2 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

Důležité! O2 senzor je nutné skladovat ve vzpřímené poloze, pokud není používán, v opačném případě dojde ke zkracování životnosti. Technická specifikace Rozsah měření

0 – 27 % (0 – 270 ppt)

Přesnost při standardním tlaku 1 atm:

± 1 obj.% kyslíku

Typické rozlišení: 13-bitové (Senzor DAQ)

0.005%

12-bitové (LabPro, LabQuest, Go!Link, 0.01% SBI) 0.04% 10-bitové (CBL 2) Doba odezvy

12 sekund

Příprava na měření (vyrovnávání teploty s okolím)

5 sekund

Účinek tlaku

Vout = Vout (standard) x (P/1013) Pressure range: 0.5 atm to 1.5 atm

Výstupní signál

0 to 4.8 VDC; 2.7 to 3.8 VDC @ 21% O2

Výstupní impedance

1 KΩ

Vstupní signál

5 VDC (± 0,25 VDC)

Normální provozní teplota

5 – 40°C

Teplotní rozsah skladování

-20 až 60°C

Je nutné provádět kalibraci O2 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

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 Technická specifikace Typ elektrody

Těsnící s gelovou náplní a epoxidovým tělem, Ag/AgCl

Doba odezvy

90 % za 1 sekundu

Teplotní rozsah

5 – 80°C

Typické rozlišení: 13-bitové (Senzor DAQ)

0,0025 jednotek pH

12-bitové (LabPro, LabQuest, Go!Link, SBI)

0,005 pH jednotek

10-bitové (CBL 2)

0,02 pH jednotek

Isopotenciál

pH 7 (bod, při kterém teplota nemá vliv na výstupu)

Výkon

59,2 mV/ pH při teplotě 25°C

Hodnoty kalibrace:

k0 = 13,720 k1 = -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 0 – 14. 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

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 k0 a k1. 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 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

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

0 – 200 µS/cm

Střední

0 – 2000 µS/cm

Vysoké

0 – 20000 µS/cm

Typické rozlišení: 13-bitové Nízké

0,05 µS/cm

Střední

0,5 µS/cm

Vysoké

5 µS/cm

12-bitové Nízké

0,1 µS/cm

Střední

1 µS/cm

vysoké

10 µS/cm

10-bitové Nízké

0,4 µS/cm

Střední

4 µS/cm

vysoké

40 µS/cm

Přesnost

± 1 % od celkové hodnoty

Čas stabilizace

5 sekund při 98% zatížení elektrody 15 sekund při 100% zatížení elektrody

Provozní teplota

5 – 35°C

Teplotní rozmezí uložení elektrody

0 – 80°C

Konstanta buňky

1 cm-1


28

Popis

Ponorný typ elektrodou

elektrody

Rozměry

Šířka 12 mm, délka 150 mm

s grafitovou

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 10000 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

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) 2) 3) 4)

připojte čidlo k měřicímu rozhraní, spusťte software eProLab, vyhledejte senzor v editoru senzorů, začněte sběr dat.

Technická specifikace Rozmezí měření

0 % - 95 %

Napětí

200 µA

Doba odezvy V bezvětří

60 minut

S intenzivním pohybem vzduchu

40 sekund

Typické rozlišení: 13-bitové

0,02 % relativní vlhkosti

12-bitové


10-bitové


Uložené kalibrace: Sklon

Sklon 30,43%/V

Intercept

-25,81 %

Pro čidlo IH-3602-L platí následující specifikace (při 25 °C): Celková přesnost Celková přesnost při standardní kalibraci Rozsah provozních teplot

± 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

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

3.6 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

± 2,2°C

-200°C – 0°C

± 5°C

900°C – 1400°C

± 15°C


0,2°C

12-bitové

0,4°C

10-bitové

1,6°C

Napětí

11 mA


32 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


± 0,6 A

Maximální vstupní napětí

± 10 V

Vstupní odpor (mezi vstupy)

0,1 Ω

Vstupní odpor (základ)

10 MΩ

Linearinta

0,01 %


0,16 mA

12-bitové

0,31 mA

10-bitové

1,25 mA

Napájecí napětí

5 V (DC)

Napájecí proud (typický)

9 mA

Výstupní napětí

5V

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

3.8 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

Jak čidlo pracuje? Čidlo je vybaveno polovodičovým prvkem, který převádí teplotu na napětí v poměru 1°K = 10mV


–40 až 125°C

Maximální rozsah teplot bez poškození senzoru

–60 až 150°C

Teplotní čidlo

Polovodičový prvek

Přesnost

±1,5°C at 0°C, ±2°C at 100°C

Doba odezvy (doba pro dosažení 90% změny měřené hodnoty):

- 2 sekundy ve vířivé tekutině - 120 sekund v nepohybujícím se vzduchu - 30 sekund v pohybujícím se vzduchu Pro hodnoty zobrazené ve °C Hodnoty pro kalibraci v programu eProLab k0 = -273,16 k1 = 100 Pro hodnoty zobrazené ve °K k0 = 0 k1 = 100 Pro hodnoty zobrazené ve °F k0 = -459,67 k1 = 180

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


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

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, CaCl2, AlCl3), 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: CO2 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


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, O2 čidlo, CO2 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

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

42


roztok dusičnanu draselného uzavřeného na koncích smotkem vaty. Zinkovou a měděnou elektrodu připojíme k voltmetru a sledujeme změny napětí. Název tematického celku: Chemické reakce Název úlohy: exotermické děje „sloní zubní pasty“ Použité čidlo: teplotní čidlo Příklad využití: do 500 ml kuželové baňky nalijeme 50 ml koncentrovaného peroxidu vodíku a 20 ml saponátu, do směsi vložíme teplotní čidlo. Směs promícháme a urychleně přidáme 10 ml nasyceného roztoku jodidu draselného. Název tematického celku: Chemické reakce Název úlohy: vlastní galvanický článek Použité čidlo: voltmetr Příklad využití: ze zinkového plechu vytvoříme váleček, který bude přiléhat na vnitřní stěny malé zkumavky a vložíme tento váleček do zkumavky. Jeden z vodičů připojíme k voltmetru. Smícháme stejné díly chloridu amonného a oxidu manganičitého – následně směs nasypeme do zkumavky. Do vsypané směsi vložíme uhlíkovou tyčinku tak, aby se nedotýkala zinkového plechu. Připojíme druhý vodič k uhlíkové elektrodě a z druhé strany k voltmetru. Sledujeme změny voltmetru. Přidáme malé množství vody ke směsi chloridu amonného a oxidu manganičitého, opět pozorujeme změny napětí. Název tematického celku: Chemické reakce Název úlohy: elektrochemie Použité čidlo: voltmetr Příklad využití: mezi dvě mince z různých kovů vložíme kolečko filtračního papíru namočeného v nasyceném roztoku dusičnanu sodného nebo chloridu draselného. Mince připojíme k voltmetru a pozorujeme reakci. Název tematického celku: Chemické reakce Název úlohy: elektrochemie v půdě Použité čidlo: voltmetr Příklad využití: do vlhké zeminy např. v květináči ve vzdálenosti 30 – 60 mm od sebe zanořte měděný a zinkový plíšek, které připojte k voltmetru. Zeminu zvlhčete např. roztokem chloridu sodného nebo chloridu draselného. Název tematického celku: Kyseliny a zásady Název úlohy: pH látek kolem nás Použité čidlo: pH metr Příklad využití: zjištění pH látek vyskytujících se např. v domácnosti (např. SAVO, čistič WC, jedlá soda, bublinková limonáda) Název tematického celku: Kyseliny a zásady Název úlohy: ředění kyselin Použité čidlo: pH metr, teplotní čidlo Příklad využití: provedeme dva pokusy: 1) nejprve naléváme koncentrovanou kyselinu sírovou do vody, 2) následně vodu do koncentrované kyseliny sírové (reakci provádějte pouze v malém množství a opatrně!).


43

Název tematického celku: Kyseliny a zásady Název úlohy: reakce mědi s kyselinou dusičnou a pH plynného produktu reakce Použité čidlo: pH metr Příklad využití: k cca 3 ml koncentrované kyseliny dusičné přidáme ¼ laboratorní lžičky měděných hoblin, pozorujeme reakci a injekční stříkačkou odebereme vzniklý hnědý plyn, který zavedeme do pitné vody v kádince, ve které je vložen pH metr. Název tematického celku: Kyseliny a zásady Název úlohy: změny pH při neutralizaci Použité čidlo: pH metr Příklad využití: k roztoku kyseliny chlorovodíkové přidáváme po kapkách roztok hydroxidu sodného. Název tematického celku: Kyseliny a zásady Název úlohy: elektrická vodivost hydroxidů Použité čidlo: konduktometr, pH metr Příklad využití: připravíme 1M roztoky vybraných hydroxidů – NaOH, KOH, Ca(OH)2, Al(OH)3, NH3, změříme jejich vodivost a pH. Název tematického celku: Kyseliny a zásady Název úlohy: kyseliny vedou elektrický proud Použité čidlo: konduktometr, pH metr, voltmetr, ampérmetr Příklad využití: do 1M roztoku H2SO4, HCl, HNO3, H3BO3 vložíme konduktometr, pH metr, voltmetr a ampérmetr – pozorujeme změny ve vybraných parametrech. Název tematického celku: Prvky, kovy a nekovy Název úlohy: elektrická vodivost prvků Použité čidlo: ampérmetr, voltmetr Příklad využití: do elektrického obvodu se zapojeným voltmetrem a ampérmetrem postupně vkládáme ocelový drátek, síru, hřebík, dřevěné uhlí, zinek, měď. Název tematického celku: Prvky, kovy a nekovy Název úlohy: spalování uhlíku Použité čidlo: pH metr, CO2 čidlo Příklad využití: do zkumavky s kouskem uhlí vložíme CO2 čidlo a zahříváme, pozorujeme změnu v koncentraci CO2. Následně odebereme do injekční stříkačky 20 ml CO2 a vypustíme jej do 100 ml vody v kádince, ve které je vložen pH metr, pozorujeme změnu pH. Název tematického celku: Prvky, kovy a nekovy Název úlohy: důkaz kyslíku Použité čidlo: O2 čidlo, teplotní čidlo Příklad využití: do zkumavky nalijeme 3% roztok peroxidu vodíku, vložíme kyslíkové a teplotní čidlo, pozorujeme, zda dochází k chemické reakci. Stejný pokus zopakujeme s přidaným oxidem manganičitým.

44


Název tematického celku: Alkalické kovy Název úlohy: reakce sodíku s vodou Použité čidlo: pH metr Příklad využití: vhodíme malý kousek sodíku do vody, do které je vloženo pH čidlo, pozorujeme změny pH. Název tematického celku: Kovy Název úlohy: měď Použité čidlo: pH metr Příklad využití: k cca 3 ml koncentrované kyseliny dusičné přidáme ¼ laboratorní lžičky měděných hoblin, pozorujeme reakci a injekční stříkačkou odebereme vzniklý hnědý plyn, který zavedeme do pitné vody v kádince, ve které je vložen pH metr. Název tematického celku: Halogenidy Název úlohy: vodivost chloridu sodného Použité čidlo: konduktometr Příklad využití: zjištění vodivosti ponořením konduktometru do pevného chloridu sodného a roztoku chloridu sodného. Název tematického celku: Oxidy Název úlohy: oxid uhličitý Použité čidlo: čidlo oxidu uhličitého Příklad využití: jímáme plynný oxid uhličitý (např. z reakce kyseliny chlorovodíkové s uhličitanem vápenatým) do dvou odměrných válců – jeden je obrácen dnem nahoru, druhý je obrácen dnem dolů. Čidlem pro měření CO2 zjistíme obsah oxidu uhličitého v obou válcích. Název tematického celku: Oxidy Název úlohy: oxid siřičitý Použité čidlo: pH metr Příklad využití: reakcí hydrogensiřičitanu sodného s kyselinou sírovou připravíme oxid siřičitý, který najímáme do injekční stříkačky a vypustíme do kádinky s vodou a pH metrem – pozorujeme změny pH roztoku. Název tematického celku: Oxidy Název úlohy: oxid vápenatý Použité čidlo: pH metr, teplotní čidlo Příklad využití: oxid vápenatý přidáváme pozvolna do kádinky s vodou a ponořenými čidly pro měření pH a teploty. Pozorujeme změny. Název tematického celku: Oxidy Název úlohy: acidobazické vlastnosti různých oxidů Použité čidlo: pH metr, teplotní čidlo Příklad využití: na vybraných oxidech – např. CO2, CaO, SiO2 při rozpouštění nebo vytváření vodné suspenze demonstrujeme kyselinotvorné a zásadotvorné vlastnosti vybraných oxidů. Název tematického celku: Oxidy Název úlohy: Je oxid uhličitý lehčí nebo těžší než vzduch?


45

Použité čidlo: CO2 čidlo Příklad využití: do skleněné vany, ve které jsou 3 svíčky různé velikosti vpouštíme vytvářený oxid uhličitý (např. reakci CaCO3 s HCl), do vany také umístíme čidlo pro měření CO2, nejprve k nejmenší svíčce, následně ke střední a pak také k nejvyšší – pozorujeme vzrůstající koncentraci CO2 a zároveň zhášení svíčky. Název tematického celku: Soli Název úlohy: změny teploty během chemické reakce soli Použité čidlo: pH metr, teplotní čidlo Příklad využití: k 8% roztoku kyseliny octové (k octu) přidáváme práškový hydrogenuhličitan sodný a pozorujeme změny pH a teploty. Název tematického celku: Soli Název úlohy: změny pH při vytváření solí Použité čidlo: pH metr Příklad využití: provedeme titraci 1M hydroxidu sodného k 1M kyselině chlorovodíkové, jako indikátor využijeme fenolftalein. Pozorujeme změny pH během titrace využitím měřicí sady i změnou zbarvení indikátoru. Název tematického celku: Soli Název úlohy: „pálení žáhy“ aneb jak působí antacida Použité čidlo: pH metr Příklad využití: ke kyselině chlorovodíkové o pH = 1 – 2 postupně přidáváme nasycený roztok „jedlé sody“. Pokus opakujeme s roztokem hydroxidu hořečnatého. Pozorujeme změny pH i celkové změny reakční směsi. Název tematického celku: Soli Název úlohy: soli a jejich rozklad Použité čidlo: CO2 čidlo, hygrometr, pH metr Příklad využití: v širší zkumavce zahříváme uhličitan amonný, do zkumavky jsou vloženy čidla pro zjištění CO2, vlhkosti a čidlo pH. Pozorujeme změny indikované čidlem. Název tematického celku: Uhlovodíky Název úlohy: vypařování vybraných uhlovodíků Použité čidlo: teplotní čidlo Příklad využití: zjištění teplotních změn při vložení a následném vytažení teplotního čidla z roztoku vybraného uhlovodíku. Název tematického celku: Uhlovodíky Název úlohy: produkty spalování uhlovodíků Použité čidlo: O2 čidlo, CO2 čidlo, hygrometr Příklad využití: svíčku postavíme do kádinky, zapálíme, během hoření jsou čidla umístěna v kádince a provádí analýzu stavu. S umístěnými čidly kádinku uzavřeme a pozorujeme, k čemu dochází a jak se mění koncentrace produktů s využitím čidel. Název tematického celku: Uhlovodíky Název úlohy: vodivost kapalných uhlovodíků

46


Použité čidlo: konduktometr Příklad využití: ponořením do roztoku kapalných uhlovodíků zjistíme jejich vodivost. Název tematického celku: Uhlovodíky Název úlohy: měření teploty vzplanutí petroleje Použité čidlo: termočlánkový teploměr Příklad využití: do petroleje na železné misce vložíme termočlánkový teploměr, následně: 1) pokusíme se zapálit petrolej zapálenou špejlí, k zapálení nedojde, 2) postupně zahříváme petrolej – dojde k zapálení, 3) ochlazujeme petrolej, dojde ke zhasnutí plamene. Název tematického celku: Uhlovodíky a deriváty uhlovodíků Název úlohy: změny teploty při vypařování vybraných uhlovodíků a derivátů uhlovodíků Použité čidlo: teplotní čidlo Příklad využití: porovnáme změny teplot vypařování vybraných uhlovodíků a derivátů uhlovodíků – např. směs propan-butanu, toluenu, alkoholů, etherů, aldehydů, ketonů, karboxylových kyselin. Výsledky srovnáme a zhodnotíme pozorování. Název tematického celku: Halogenderiváty Název úlohy: vlastnosti halogenderivátů Použité čidlo: konduktometr Příklad využití: ponořením konduktometru do roztoků halogenderivátů zjistíme jejich vodivost. Název tematického celku: Alkoholy a fenoly Název úlohy: vlastnosti alkoholů a fenolů Použité čidlo: pH metr, konduktometr, teplotní čidlo Příklad využití: zjištění pH, vodivosti a teploty vypařování vybraných alkoholů a fenolů (např. metanol, etanol, glycerol, etylenglykol, fenol). Název tematického celku: Ethery Název úlohy: vlastnosti etheru Použité čidlo: teplotní čidlo Příklad využití: zjištění změn teploty po ponoření a následném vytažení teplotního čidla z roztoku etheru. Název tematického celku: Aldehydy a ketony Název úlohy: vlastnosti aldehydů a ketonů Použité čidlo: pH metr, konduktometr, teplotní čidlo Příklad využití: zjištění pH, vodivosti a teploty vypařování vybraných alkoholů a fenolů (např. formaldehyd, acetaldehyd, aceton). Název tematického celku: Karboxylové kyseliny Název úlohy: vlastnosti karboxylových kyselin Použité čidlo: pH metr, konduktometr, teplotní čidlo Příklad využití: zjištění pH, vodivosti a teploty vypařování vybraných


47

alkoholů a fenolů (např. kyselina mravenčí, kyselina octová, propionová, máselná, kyselina palmitová, kyselina stearová, kyselina olejová). Název tematického celku: Deriváty karboxylových kyselin Název úlohy: vodivost ovoce s obsahem kyseliny citrónové Použité čidlo: voltmetr Příklad využití: do vybraných druhů ovoce (citron, grep, banán) vkládáme kousky kovů (mědi a zinku), propojením k voltmetru zjistíme a vyhodnotíme vodivost daných druhů ovoce, u banánu můžeme provést také rozkrojení a opakovaně změřit průchod elektrického proudu. Název tematického celku: Soli karboxylových kyselin Název úlohy: mýdla a jejich pH Použité čidlo: pH metr Příklad využití: zjištění pH vybraných mýdel – ihned po vytvoření roztoku, po 5ti minutách Název tematického celku: Lipidy Název úlohy: teplota tání pevných vzorků tuků Použité čidlo: teplotní čidlo Příklad využití: do vzorku tuku ve zkumavce vložíme teplotní čidlo, následně vzorek zahříváme na vodní lázni do roztátí. Určíme teplotu tání. Název tematického celku: Lipidy Název úlohy: vodivost vzorků tuků Použité čidlo: konduktometr Příklad využití: do vzorku kapalného tuku vložíme vodivostní čidlo, odečteme hodnotu vodivosti tuku. Název tematického celku: Sacharidy Název úlohy: vodivost roztoků sacharidů Použité čidlo: konduktometr Příklad využití: do roztoku vybraných sacharidů vložíme vodivostní čidlo, pozorujeme vodivost roztoků. Název tematického celku: Sacharidy Název úlohy: rozklad sacharózy vlivem kyselého prostředí Použité čidlo: pH metr Příklad využití: k 10 ml roztoku sacharózy v širší zkumavce s vloženým pH metrem přidáme 3 ml kyseliny chlorovodíkové, pozorujeme snížení pH. Poté přidáme Fehlingův roztok a směs zahříváme – pozorujeme oranžové zbarvení dokazující redukující monosacharidy. Název tematického celku: Sacharidy Název úlohy: fotosyntéza Použité čidlo: O2 čidlo, CO2 čidlo Příklad využití: do větší kádinky s vodou umístíme kus vodní rostliny tak, aby byla rostlina ponořena ve vodě. Do vody přisypeme trochu jedlé sody, následně rostlinu osvětlíme silným zdrojem světla, po chvíli jsou pozorovatelné bublinky plynu unikajících z listů rostliny. Abychom mohli využít měřicí čidla,

48


odizolujeme kádinku igelitovým sáčkem staženým kolem kádinky gumičkou a proděravělým uprostřed tak, aby jim procházela měřicí čidla. Název tematického celku: Sacharidy Název úlohy: aktivita kvasinek Použité čidlo: CO2 čidlo Příklad využití: při reakci měříme přeměnu glukózy na oxid uhličitý a etanol. Připravíme si dvě Erlenmayerovy baňky, do první nalijeme 100 ml studené vody, do druhé 100 ml vlažné vody a přidáme 3 lžičky glukózy. Roztok promícháme a následně do něj rozdrobíme kvasnice. Zazátkujeme smotkem vaty, kterou prochází CO2 čidlo. Měříme přibližně 15 – 20 minut. Název tematického celku: Bílkoviny Název úlohy: vodivost roztoků bílkovin Použité čidlo: konduktometr Příklad využití: do kádinek si připravíme roztoky aminokyselin nebo vybraných bílkovin. Pokud je nemáme k dispozici, postačí vaječný bílek. Pozorujeme vodivost roztoku. Název tematického celku: Vitamíny Název úlohy: stanovení účinnosti vitamínu C s okamžitým uvolňováním a postupným uvolňováním Použité čidlo: pH metr Příklad využití: do první kádinky s vodou a vloženým pH metrem vhodíme vitamín C s okamžitým uvolňováním a mícháme 12 minut, zaznamenáváme změny pH vznikajícího roztoku, totéž provedeme i u vitamínu C s postupným uvolňováním. Porovnáme výsledky. Název tematického celku: Enzymy Název úlohy: rozklad peroxidu vodíku Použité čidlo: O2 čidlo Příklad využití: 1) Rozklad 5 ml 3% roztoku peroxidu vodíku bez oxidu manganičitého. 2) Rozklad 5 ml 3% roztoku peroxidu vodíku s přidáním oxidu manganičitého. 3) Rozklad 5 ml 3% roztoku peroxidu vodíku s přidáním malého množství rozemletého masa. Název tematického celku: Chemie ve službách člověka Název úlohy: půda a její vlastnosti Použité čidlo: pH metr, vodivost, teplota, vlhkost Příklad využití: vytvoříme suspenzi 50 gramů půdy a 100 ml destilované vody. Následně přefiltrujeme suspenzi půdy a z výluhu provedeme stanovení vybraných indikátorů. Název tematického celku: Chemie ve službách člověka Název úlohy: stanovení přibližné potřeby vápnění půdy Použité čidlo: pH metr Příklad využití: odebereme tři vzorky půd, u kterých zjistíme pH pomocí pH metru. Následně ke 20 g půdy přidáme 50 ml 1M roztoku chloridu draselného a


49

směs promícháváme cca 10 minut. Suspenzi následně přefiltrujeme, přidáme fenolftalein a titrujeme odměrným roztokem 0,12 M hydroxidu sodného. Ze tří titrací zjistíme průměrnou spotřebu. Z výsledků vyplývá, že 1 ml hydroxidu sodného při navážce 20 gramů půdy vyjadřuje potřebu 0,5 tun/ha CaO resp. 0,9 tun/ha CaCO3 Název tematického celku: Chemie ve službách člověka Název úlohy: léčiva a jejich pH Použité čidlo: pH metr Příklad využití: vytvoříme roztoky vybraných léčiv a provedeme stanovení pH. Z léčiv lze použít např. acylpyrin, Rennie, Anacid, Ibalgin, Celaskon, Panadol, Paralen. Název tematického celku: Plasty Název úlohy: pH produktů spalování plastů Použité čidlo: pH metr Příklad využití: v uzavřené zkumavce zahříváme kousek PVC, skrz zkumavku prochází skleněná trubička do kádinky s vodou, do které je vložen pH metr. Pozorujeme změny pH při probublávání produktů spalování.

50


4.1 Shrnutí kapitoly Předchozí kapitola byla zaměřena na různé pokusy s využitím měřicích sad tak, aby postihla celé spektrum tematických celků dle Rámcových vzdělávacích programů, resp. Školních vzdělávacích programů.

Úkoly k textu 1. Prostudujte si ještě jednou všechny úlohy a pokuste se vybrat pět úloh, které by dle Vašeho názoru, měly představovat úlohy demonstrační: ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………

2.

………………………………………………………… Prostudujte si ještě jednou všechny úlohy a pokuste se vybrat pět úloh, které by dle Vašeho názoru, měly představovat úlohy pro vlastní praktické činnosti žáků: ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ………………………………………………………………........................

Korespondenční úkoly 1. Vyberte si buď jeden z výše uvedených pokusů nebo se pokuste realizovat jiný pokus s využitím alespoň jednoho čidla z měřicí sady, kterou máte ve škole a vytvořte vlastní metodický materiál pro učitele a pracovní list pro žáka obdobný jako naleznete v opoře: „Nové přístupy k výuce přírodovědných předmětů s využitím ICT pomůcek na ZŠ chemie“. Po vytvoření jej odešlete k hodnocení na e-mailovou adresu: [email protected].


51

4.2 Citovaná a doporučená literatura 1. BENEŠ, Pavel, et al. Základy chemie 1. 3.vyd. Praha : Fortuna, 2005. 143 s. 2. BENEŠ, Pavel; PUMPR, Václav; BANÝR, Jiří. Základy chemie 2 : pro 2.stupeň ZŠ, nižší ročníky víceletých gymnázií a SŠ. Praha : FORTUNA, 1995. 96 s. 3. BÍLEK, Martin; RYCHTERA, Jiří. Chemie na každém kroku. Praha : Moby dick, 2000. 192 s. 4. BÍLEK, Martin; RYCHTERA, Jiří. Laboratorní cvičení k učebnici Chemie na každém kroku. Praha : Moby dick, 2000. 64 s 5. BÍLEK, Martin; RYCHTERA, Jiří. Chemie krok za krokem. Praha : Moby dick, 1999. 200 s. 6. BÍLEK, Martin; RYCHTERA, Jiří. Laboratorní cvičení k učebnici Chemie krok za krokem. Praha : Moby dick, 1999. 44 s. 7. DOULÍK, Pavel, et al. Chemie 8 : příručka učitele pro základní školy a víceletá gymnázia. Plzeň : Fraus, 2006. 212 s. 8. DOULÍK, Pavel, et al. Chemie 9 : příručka učitele pro základní školy a víceletá gymnázia. Plzeň : Fraus, 2007. 227 s. 9. MACH, Josef; PLUCKOVÁ, Irena; ŠIBOR, Jiří. Chemie : Úvod do obecné a anorganické chemie. Brno : Nová škola, s.r.o., 2010. 110 s. 10. PÁNEK, Jan; DOULÍK, Pavel; ŠKODA, Jiří. Chemie 8 : pracovní sešit pro základní školy a víceletá gymnázia. Plzeň : Fraus, 2006. 64 s. 11. PUMPR, Václav, et al. Metodická příručka k řadě učebnic Základy praktické chemie (pro 8. a 9.ročník ZŠ). Praha : Fortuna, 2005. 62 s. 12. ŠKODA, Jiří; DOULÍK, Pavel. Chemie 8 : učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia. Plzeň : Fraus, 2006. 136 s. 13. ŠKODA, Jiří; DOULÍK, Pavel. Chemie 9 : učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia. Plzeň : Fraus, 2007. 128 s. 14. ŠMÍDL, Milan; DOULÍK, Pavel; ŠKODA, Jiří. Chemie 9 : pracovní sešit pro základní školy a víceletá gymnázia. Plzeň : Fraus, 2007. 64 s. 15. Vernier [online]. 2010 [cit. 2010-08-31]. Vernier. Dostupné z WWW: .

Závěr

52

Závěr Vážení studující, touto kapitolou se spolu rozloučíme, právě jste ukončili studijní oporu „Aplikace ICT pomůcek v přírodovědných předmětech na ZŠ – Chemie“. Tato opora je určena zejména pro partnerské subjekty v projektu „Nové přístupy k využití ICT ve výuce přírodovědných předmětů na základních školách“. Mou snahou bylo vám přiblížit možnosti měřicích sad a jejich zakomponování do výuky tematických celků chemie na základních školách a nižších ročnících víceletého gymnázia a snad se mi tento cíl i podařil. Přeji Vám úspěšnou práci se žáky a samozřejmě i s měřicími sadami!

Autor

Citovaná a doporučená literatura

53

Citovaná a doporučená literatura 1. BANÝR, Jiří, et al. Chemie : pro střední školy. Praha : SPN, 1995. 160 s. 2. BENEŠ, Pavel, et al. Základy chemie 1. 3.vyd. Praha : Fortuna, 2005. 143 s. 3. BENEŠ, Pavel; PUMPR, Václav; BANÝR, Jiří. Základy chemie 2 : pro 2.stupeň ZŠ, nižší ročníky víceletých gymnázií a SŠ. Praha : FORTUNA, 1995. 96 s. 4. BÍLEK, Martin, et al. Výuka chemie s počítačem. Hradec Králové : Gaudeamus, 1997. 134 s. 5. BÍLEK, Martin; RYCHTERA, Jiří. Chemie na každém kroku. Praha : Moby dick, 2000. 192 s. 6. BÍLEK, Martin; RYCHTERA, Jiří. Laboratorní cvičení k učebnici Chemie na každém kroku. Praha : Moby dick, 2000. 64 s 7. BÍLEK, Martin; RYCHTERA, Jiří. Chemie krok za krokem. Praha : Moby dick, 1999. 200 s. 8. BÍLEK, Martin; RYCHTERA, Jiří. Laboratorní cvičení k učebnici Chemie krok za krokem. Praha : Moby dick, 1999. 44 s. 9. DOULÍK, Pavel, et al. Chemie 8 : příručka učitele pro základní školy a víceletá gymnázia. Plzeň : Fraus, 2006. 212 s. 10. DOULÍK, Pavel, et al. Chemie 9 : příručka učitele pro základní školy a víceletá gymnázia. Plzeň : Fraus, 2007. 227 s. 11. EISNER, Werner, et al. Chemie : pro střední školy 1a. Praha : Scientia, 1996. 165 s. 12. KALHOUS, Zdeněk; OBST, Otto. Školní didaktika. Praha : Portál, 2002. 447 s. 13. MACH, Josef; PLUCKOVÁ, Irena; ŠIBOR, Jiří. Chemie : Úvod do obecné a anorganické chemie. Brno : Nová škola, s.r.o., 2010. 110 s. 14. MAREČEK, Aleš; HONZA, Jaroslav. Chemie 1. 3.oprav.vyd. Olomouc : Nakladatelství Olomouc, 2005. 240 s. 15. MAREČEK, Aleš; HONZA, Jaroslav. Chemie 1. 2.přeprac.vyd. Olomouc : Nakladatelství Olomouc, 2005. 231 s. 16. PÁNEK, Jan; DOULÍK, Pavel; ŠKODA, Jiří. Chemie 8 : pracovní sešit pro základní školy a víceletá gymnázia. Plzeň : Fraus, 2006. 64 s. 17. PUMPR, Václav, et al. Metodická příručka k řadě učebnic Základy praktické chemie (pro 8. a 9.ročník ZŠ). Praha : Fortuna, 2005. 62 s. 18. ŠKODA, Jiří; DOULÍK, Pavel. Chemie 8 : učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia. Plzeň : Fraus, 2006. 136 s. 19. ŠKODA, Jiří; DOULÍK, Pavel. Chemie 9 : učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia. Plzeň : Fraus, 2007. 128 s. 20. ŠMÍDL, Milan; DOULÍK, Pavel; ŠKODA, Jiří. Chemie 9 : pracovní sešit pro základní školy a víceletá gymnázia. Plzeň : Fraus, 2007. 64 s. 21. ŠULCOVÁ, R., ZÁKOSTELNÁ, B.: Plody tvořivosti a aktivní práce s učiteli chemie. Súčasnosť a perpektívy didaktiky chemie II. Banská Bystrica: UMB, FPV 2009, s. 46-50. ISBN 978-80-8083-751-8. 22. ŠULCOVÁ, Renata, et al. Aktivizace v chemickém vzdělávání : pomůcky a hry, školní projekty, netradiční experimenty. Praha : Univerzita Karlova, 2007. 38 s.

54

Citovaná a doporučená literatura

23. VURM, Vladimír. Pracovní příručka z chemie na střední škole. Praha : SPN, 1975. 326 s. 24. Vernier [online]. 2010 [cit. 2010-08-31]. Vernier. Dostupné z WWW: . 25. Vernier - popis software [online]. 2008 [cit. 2010-09-13]. Dostupný z WWW: < www.edlab.cz/dokumenty/popis-softwaru.doc >.

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

Recommend Documents