SENZORY VERNIER V CHEMICKÝCH EXPERIMENTECH NA ZÁKLADNÍ ŠKOLE. Mgr. Radoslav Jirásek

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 CO2, senzoru plynného O2 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 CO2 a O2 při fotosyntéze . . . . . . . 26

2

Protokol laboratorní práce č. 1 Pracoval:

Datum pozorování:

Spolupracovali:

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 °C

-20

Přesnost měření

115

± 0,5

Obrázek senzoru:

3

Maximální vzorkovací frekvence

Použité chemikálie: Název

Vzorec

Teplota varu [°C]

Bezpečnost

voda

H2O

100

-

ethanol (líh)

C2H5OH

78,3

hořlavý

methanol

CH3OH

64,7

hořlavý, toxický

Schéma a popis destilační aparatury: (viz.pomůcky)

Pracovní postup: Krok 1

Chemická část

ICT část

Do varné konvice si dáme ohřát vodu na vodní lázeň.

Bezpečnost Provede vyučující!

2

Sestavíme destilační aparaturu dle schématu.

Spustíme program pro záznam dat.

3

Do baňky vložíme porcelánový střep.

Nastavíme dobu měření Zkontroluj nepoškození na 20 minut. skleněných dílů.

4

Do baňky vlejeme 40 ml vína.

Nastavíme vzorkovací frekvenci na 10 měření za 1 sekundu.

5

Zátkou prostrčíme teplotní senzor tak,

Připojíme USB 4

Zkontroluj utažení svorek a tyče stojanu.

Nezapíchni si senzor do

konektor teploměru k notebooku.

aby vyčníval asi 2-3 cm. 6

Zkumavku na jímání destilátu částečně ponoříme do vody.

7

Zkontrolujeme utažení svorek a závitů aparatury.

8

dlaně!

Zahájíme měření.

9

Kádinku pro vodní lázeň naplníme zhruba do poloviny horkou vodou.

Pozor na opaření!

10

Zapálíme lihový kahan a zahajíme ohřev vodní lázně.

Hlídej plamen, destilaci sleduj z bezpečné vzdálenosti.

11

Po uvedení vína do varu regulujeme intenzitu zahřívání částečným odstavením kahanu.

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 destilace: Jev, látka

Pozorování

Vzhled, vlastnosti vína (barva, vůně, průhlednost, hořlavost)

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:

Datum pozorování:

Spolupracovali:

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 od do pH

0

Citlivost

14

0,01

Obrázek senzoru:

7

Maximální vzorkovací frekvence

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 1

Chemická část

ICT část

Bezpečnost

Do varné konvice si dáme ohřát vodu na vodní lázeň.

Provede vyučující!

2

Sestavíme destilační aparaturu dle schématu.

Spustíme program pro záznam dat.

3

Do baňky vložíme porcelánový střep.

Nastavíme dobu měření Zkontroluj nepoškození na 20 minut. skleněných dílů.

4

Do baňky vlejeme 40 ml vína.

Nastavíme vzorkovací frekvenci na 10 měření za 1 sekundu.

5

Zátkou prostrčíme teplotní senzor tak, aby vyčníval asi 2-3 cm.

Připojíme USB konektor teploměru k notebooku.

6

Zkumavku na jímání destilátu částečně ponoříme do vody.

7

Zkontrolujeme utažení svorek a závitů aparatury.

8

Zkontroluj utažení svorek a tyče stojanu.

Nezapíchni si senzor do dlaně!

Zahájíme měření.

9

Kádinku pro vodní lázeň naplníme zhruba do poloviny horkou vodou.

Pozor na opaření!

10

Zapálíme lihový kahan a zahajíme ohřev vodní lázně.

Hlídej plamen, destilaci sleduj z bezpečné vzdálenosti.

11

Po uvedení vína do varu regulujeme intenzitu zahřívání částečným odstavením kahanu.

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:

Datum pozorování:

Spolupracovali:

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 Jednotka měření od do μS/cm

0

200

±2

0

2000

±20

0

20000

±200

Maximální vzorkovací frekvence

Senzor vodivosti:

12

Teplota roztoku v °C od

do

5

35

Přepínač rozsahů:

Použité chemikálie: Název

Vzorec

Koncentrace

kyselina chlorovodíková

HCl

hydroxid sodný destilovaná voda fenolftalein

Množství (2 titrace)

Bezpečnost

1:10 (HCl:dest.voda)

50 ml

žíravina

NaOH

0,1 mol/l

30 ml

žíravina

H2O

-

200 ml

-

-

Schéma a popis titrační aparatury: (viz.pomůcky)

13

zdraví škodlivý

Zápis rovnice neutralizace: HCl + NaOH ---> H2O + NaCl …............................................................................................................

Pracovní postup: Krok 1

Chemická část

Sestavíme titrační aparaturu.

ICT část V notebooku spustíme program pro záznam dat Logger Pro 3.

Bezpečnost Zkontroluje vyučující.

2

Propojíme zohraní Go! Zkontrolujeme uzavření kohoutu byrety Používáme ochranné Link se senzorem na a naplníme ji roztokem kyseliny. brýle. měření vodivosti.

3

Do kádinky pod byretou odměříme Připojíme Go!Link do pipetou 10 ml hydroxidu. Objem USB portu notebooku. doplníme destilovanou vodou na 50 ml.

4

Do roztoku hydroxidu vložíme michadýlko, senzor vodivosti a spustíme míchačku.

V nabídce vybereme Experiment – Sběr dat. Otevře se okno a v něm zvolíme režim Události se vstupy. Sloupec pojmenujeme Počet kapek.

5

Spustíme měření tlačítkem <Sběr dat>

6

Necháme odkapat 10 kapek kyseliny z byrety a zavřeme její kohout.

Stiskneme tlačítko a do vyvolaného dialogového okna zadáme počet odkapaných kapek (10).

7

Krok 6 opakujeme.

Zadávaný počet kapek zyšujeme o 10 tj. 20, 30, 40, ..

8

Pozorujeme vykreslovanou křivku grafu.

9

Pokud se nám vykreslila její podstatná část, ukončíme měření.

14

Popis průběhu titrace: Jev, látka

Pozorování (titrovaný roztok, graf)

Počátek titrace.

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:

Datum pozorování:

Spolupracovali:

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 nm

380

Přesnost měření

950

±2

Obrázek přístroje:

17

Použité chemikálie: Název

E značení

Barva

Absobční max. 1

tartrazin

E102

žlutá

426

brilantní modř

E133

modrá

629

ponceau 4R

E124

červená

505

žluť SY (sunset yellow)

E110

oranžová

480

E102, E133

zelená

směs Obrázky barviv:

18

Absobční max. 2

Foto měřícího stanoviště: (viz.pomůcky)

Pracovní postup: Krok 1

Chemická část

Do kádinek si odměříme po 10 ml destilované vody.

ICT část USB kabelem propojíme notebook a spektofotometr.

2

Odstřihneme rožek u sáčku s barvivem Počkáme, až operační a přisypeme opatrně co možná systém vyhledá USB nejmenší množství barviva do kádinky zařízení. s destilovanou vodou. Obsah kádinky promícháme.

3

Do kyvety odměříme 2,5 ml barevného V notebooku spustíme roztoku a kyvetu uzavřeme. Dbáme na program pro záznam to, abychom nepotřísnili vnější stěny dat Logger Pro 3. kyvety. Případné znečistění otřeme ubrouskem.

4

Postup 2-3 opakujeme pro ostatní barviva.

5

Vložíme kyvetu do spektrofotometru hladkou stranou ke zdroji světla.

Spustíme měření tlačítkem <Sběr dat>

19

Bezpečnost Barviva nekonzumujeme, i když jsou potravinářská.

Používáme ochranný plášť.

6

Po vykreslení grafu měření zastavíme tlačítkem <Stop>. Naměřená data uložíme do souboru volbou z nabídky <Soubor> a zvolíme název souboru podle barvy barviva.

7

Zobrazíme dva grafy. V jednom bude spektrum pro červené, žluté a oranžové barvivo. Ve druhém grafu bude spektrum pro modré, žluté a zelené barvivo.

8

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

kyveta se vzorkem

spektrometr USB2000

integrovaný vzorkovací systém

USB

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

10 cm x 8,7 cm x 3 cm

Napájení

USB kabel

Rozsah vlnových délek

380 nm – 950 nm

Rozlišení

2 nm

23

Vnitřní uspořádání spektrometru (pohled zdola)

4 8

7 6 9

10

5 3 2 1

Vysvětlivky 1

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 CO2 a O2 při fotosyntéze Úkoly: • •

Provést záznam změn koncentrací CO2 a O2 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 CO2 (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 CO2 : • • • •

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 O2:

• 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

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.

5

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) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8)

Jaké jsou reaktanty a produkty fotosyntézy? Za jakých podmínek probíhá fotosyntéza? Napiš rovnici fotosyntézy. Jaká byla nejnižší a nejvyšší naměřená koncentrace CO2 v % ? Vysvětli, proč hodnoty koncentace CO2 vždy po ránu prudce klesají. Vysvětli, proč se maximální hodnoty koncentrací CO2 ve dne i v noci snižují. Vysvětli, čím mohlo být způsobeno lokální zvýšení koncetrace CO2 v 51. hodině měření. Jestliže měření začalo v 10:00, kterým časům odpovídají minimální hodnoty koncenatrací CO2 ? (zaokrouhlete na celé hodiny)

30