Transcript Lærerveiledning Kolorimeteret

INSPIRIA science center: Bjørnstadveien 16, 1712 GRÅLUM | Telefon: 03245/ 69 13 93 00 | E-post: [email protected] www.inspiria.no
Lærerveiledning
Kolorimeteret
Passer for:
Varighet:
Vg1-Vg3
90 minutter
Kolorimeteret er et program der elevene lærer om kolorimetri som analyseprogram.
Elevene skal bruke et kolorimeter basert på enkle prinsipper og kalibrerer det før de
måler konsentrasjonen av et fargestoff i en ukjent løsning. Programmet passer både
for elever som skal lære om kjemiske analysemetoder og elever som skal lære om
stråling og absorbsjonsspektra.
Det beste er at elever og lærere er forberedt når de kommer på INSPIRIA science
center. Lærerveiledningen inneholder viktig informasjon om skoleprogrammet, og det
er derfor fint om den blir lest i god tid før besøket.
Vi ønsker at lærerne skal få en best mulig opplevelse og læringsutbytte av å ta med
klasser til senteret. Vi oppfordrer til aktivt å ta del i opplegget sammen med elevene.
Skoletilbudet til INSPIRIA science center er ment å være en integrert del av
opplæringen. Ved å utføre for- og etterarbeid til programmet vil elevenes
læringsutbytte økes, og lærerne vil kunne benytte aktivitetene som et verktøy til å nå
konkrete mål i kunnskapsløftet.
1
INSPIRIA science center: Bjørnstadveien 16, 1712 GRÅLUM | Telefon: 03245/ 69 13 93 00 | E-post: [email protected] www.inspiria.no
Hovedområder og kompetansemål fra kunnskapsløftet:
VG1 Naturfag:


Forskerspiren:
Mål for opplæringen er at eleven skal kunne
Planlegge og gjennomføre ulike typer undersøkelser i samarbeid med andre der en
identifiserer variabler, anslår måleusikkerhet og vurderer mulige feilkilder
Forklare og vurdere hva som kan gjøres for å redusere måleusikkerhet og unngå
mulige feilkilder i målinger og resultater
Fysikk 1:

Klassisk fysikk:
Mål for opplæringen er at eleven skal kunne
Definere og regne med begrepene frekvens, periode, bølgelengde og bølgefart, og
forklare kvalitativt bøynings- og interferensfenomener

Moderne fysikk
Mål for opplæringen er at eleven skal kunne
Beskrive Bohrs atommodell og beregne frekvenser og bølgelengder til spektrallinjer i
emisjons- og absorpsjonsspektre ut fra den






Den unge forskeren
Mål for opplæringen er at eleven skal kunne
Planlegge og gjennomføre egne undersøkelser, og foreta relevante forsøk innen de
forskjellige hovedområdene i faget
Samle inn og bearbeide data og presentere og vurdere resultater og konklusjoner av
forsøk og undersøkelser, med og uten digitale verktøy
Fysikk og teknologi
Mål for opplæringen er at eleven skal kunne
Gjøre rede for forskjellen mellom ledere, halvledere og isolatorer ut fra dagens
atommodell, og forklare doping av halvleder
Sammenligne oppbygningen og forklare virkemåten til en diode og en transistor, og
gi eksempler på bruken av dem
Gjøre rede for virkemåten til lysdetektorer i digital fotografering eller digital video
Gjøre rede for hvordan moderne sensorer karakteriseres, og hvordan sensorenes
egenskaper setter begrensninger for målinger
2
INSPIRIA science center: Bjørnstadveien 16, 1712 GRÅLUM | Telefon: 03245/ 69 13 93 00 | E-post: [email protected] www.inspiria.no
Fysikk 2:



Den unge forskeren
Mål for opplæringen er at eleven skal kunne
Gjennomføre relevante forsøk innen de forskjellige hovedområdene, med og uten
digitale verktøy
Anslå usikkerhet i innsamlede måledata og regne ut usikkerheten i det endelige
resultatet
Vurdere begrensninger i valgt metode og utstyr, og foreslå forbedringer og
videreutvikling av forsøk
Kjemi 1:





Metoder og forsøk
Mål for opplæringen er at eleven skal kunne
Planlegge og gjennomføre forsøk og vurdere risiko, feilkilder og resultater
Skrive rapport fra forsøk og presentere prosess, metode og resultater med og uten
digitale hjelpemidler
Vannkjemi
Mål for opplæringen er at eleven skal kunne
Gjøre rede for vannets egenskaper
Gjøre rede for vann som løsemiddel for polare og upolare stoffer
Lage løsninger med ulike konsentrasjoner ved hjelp av innveiing og fortynning
Kjemi 2:

Analyse
Mål for opplæringen er at eleven skal kunne
Utføre analyser med kolorimetri og tolke enkle massespektra og 1H-NMR-spektra
3
INSPIRIA science center: Bjørnstadveien 16, 1712 GRÅLUM | Telefon: 03245/ 69 13 93 00 | E-post: [email protected] www.inspiria.no
Forarbeid
Før besøket på INSPIRIA science center skal elevene ha utført enkelte aktiviteter og
ha kjennskap til en del begreper knyttet til skoleprogrammet. Nedenfor følger
aktivitetene og begrepene.
Aktiviteter
1. Spektroskop og emisjonsspektre
Dersom skolen mangler spektroskop, kan enkle men funksjonelle spektroskoper
lages av deler av CD-plater og fyrstikkesker eller tilsvarende.
Utstyr:
1 fyrstikkeske pr. spektroskop
1 CD-plate pr. 8 spektroskoper
Saks
Papirkniv eller skarp kniv
Tape eller lim til å feste CD-fragmentet til fyrstikkesken
Fremgangsmåte:
Del CD-platene i 8 like sektorer med saks eller liknende.
Skjær en klaff i fyrstikkeskens ytre hylse som vist på figuren (bilde fra naturfag.no):
For å bruke spektroskopet, åpnes esken litt, slik at en smal lysstripe slippes inn. Se
inn gjennom klaffevinduet til du kan se spekteret reflektert i CD-platen. Dette kan
kreve litt justering og eksperimentering med vinkler og klaffeåpninger. Det kan være
lurt å begynne med å se på fullspekteret fra et vindu. Da er det lettere å skjønne hva
som er emisjonsspektre fra kunstige lyskilder etterpå.
Undersøk spektra fra forskjellige lyskilder og sammenlign spektrene. Man kan
kanskje ikke forvente å se Fraunhoferlinjer i disse spektroskopene, men man ser fint
forskjell på spektrene fra sollys og lysrør.
Noe bedre spektroskoper kan kjøpes fra f.eks. kptkomet.no. Priser varierer fra 175,eks. mva. for veldig enkle i plast til 685,- eks. mva. for enkle, men solide, i metall.
4
INSPIRIA science center: Bjørnstadveien 16, 1712 GRÅLUM | Telefon: 03245/ 69 13 93 00 | E-post: [email protected] www.inspiria.no
2. Molvekten til briljantblå, og fortynning
For å kunne lage nøyaktige konsentrasjoner av brilliantblått er man nødt til å kjenne
til stoffets molare masse og vite hvordan man foretar utveiing og fortynning av stoffer.
Den praktiske delen av dette skjer på INSPIRIA. Den teoretiske delen gjør elevene
på skolen før turen til INSPIRIA. Dette gjelder spesielt elever som tar KJEMI 1, der
utveiing og fortynning er et av målene i læreplanen.
En av oppgavene for elevene blir å finne molvekten til briljantblå ved å bruke den
kjemiske formelen:
C37H34N2Na2O9S3
Briljantblå er et natriumsalt i fast form. Molekylstrukturen for den organiske delen av
saltet ser slik ut:
Etter organisk nomenklatur har molekylet navnet (lett fornorsket) «etyl - [4 - [ [4 - [etyl
-[(3 - sulfofenyl) metyl] amino] fenyl] - (2 - sulfofenyl) metylidene] - 1 - cyclohexa - 2, 5
- dienylidene] - [(3 - sulfofenyl) metyl] azanium»
(Azanium er et derivativ av ammonium, der alle hydrogenatomene er erstattet med
hydrokarbongrupper. Nitrogenatomet er positivt ladet. Klarer elevene å gjenkjenne
gruppen?).
Her er ikke de positivt ladede Na+-ionene tatt med, siden de ikke strengt tatt inngår i
denne molekylærstrukturen, men er en del av et ionegitter.
Fasiten på regnestykket for molvekten til C37H34N2Na2O9S3 kan se slik ut:
5
INSPIRIA science center: Bjørnstadveien 16, 1712 GRÅLUM | Telefon: 03245/ 69 13 93 00 | E-post: [email protected] www.inspiria.no
Stoff
Molvekt
Antall
Sum
C
12,011 g/mol
37
444,407
H
1,008 g/mol
34
34,272
N
14,007 g/mol
2
28,014
Na
22,9898 g/mol
2
45,9796
O
15,999 g/mol
9
143,991
S
32,06 g/mol
3
96,18
Totalt:
792,8436
Molvekten elevene skal fram til er altså ca. 792,84 g/mol
Det er verken praktisk eller ønskelig å bruke 1 molare løsninger. Fargepulveret vi
bruker kommer i forpakninger på 4 g til kr 50,- pr. stk. 1 liter 1 molar løsning kommer
da på ca. kr 9910,-. Dermed sier det seg selv at vi må operere med små mengder
fortynnede løsninger, slik det ofte er tilfelle ellers på et laboratorium. Briljantblå er
også et så kraftig fargestoff at selv lave konsentrasjoner er tilstrekkelig til å oppnå
sterke blåfarger.
Drøft gjerne med elevene hva som kan være praktiske mengder av kjemikalier, både
med hensyn på økonomi og praktisk gjennomføring. Kyvettene vi bruker rommer ca.
4 ml væske, og konsentrasjonene av fargestoffer som brukes i næringsmidler er
relativt lav, gjerne av størrelsesordener under 1 %. Drøft også gjerne hva slags
usikkerhet som kan forventes og er akseptabel innenfor denne typen analyser.
Et par eksempler:
Usikkerhet man må regne med på grunn av utveiing dersom man bruker en gramvekt
med 2 desimaler (forutsetter ellers nøyaktighet):
Ved utveiing av 1 mol:
Maksimum vekt ved 2 desimaler:
792,8449
Minimum vekt ved 2 desimaler:
792,8350
Differanse: 0,0099
Prosentvis unøyaktighet med 792,84 som utgangspunkt: 0,0012 % eller +/- 0,0006 %
av totalvekten
Ved utveiing av 0,1 mol:
Avrunding til 79,28:
Differanse fra 79,284 er 0,004, hvilket utgjør en unøyaktighet på 0,005 % i forhold til
ønsket nøyaktig vekt; 79,284 g
Maksimum vekt ved 2 desimaler:
79,2849 g
Minimum vekt ved 2 desimaler:
79,2750 g
Differanse: 0,0099 g, dvs. tilnærmet +/- 0,005 g
Prosentvis unøyaktighet med 79,284 som utgangspunkt: 0,012 %, eller +/- 0,006 %
av ønsket nøyaktig vekt.
6
INSPIRIA science center: Bjørnstadveien 16, 1712 GRÅLUM | Telefon: 03245/ 69 13 93 00 | E-post: [email protected] www.inspiria.no
Ved utveiing av 0,01 mol:
Avrunding til 7,93:
Differanse fra 7,9284 er 0,0016, hvilket utgjør en unøyaktighet på 0,020 % i forhold til
ønsket nøyaktig vekt; 7,9284 g
Maksimum vekt ved 2 desimaler:
7,9349
Minimum vekt ved 2 desimaler:
7,9250
Differanse: 0,0099, dvs. tilnærmet +/- 0,005 g
Prosentvis unøyaktighet med 7,9284 som utgangspunkt: 0,12 %, eller +/- 0,06 % av
ønsket nøyaktig vekt.
Mønsteret som trer fram viser at unøyaktigheten øker tilnærmet proporsjonalt med
reduksjonen i mengde stoff til utveiing, og at vektens begrensninger etter hvert blir
viktigere enn unøyaktighetene som oppstår på grunn av avrundinger.
På samme måte kan man se på unøyaktigheter ved fortynning. Utstyret som brukes
til fortynning på INSPIRIA varierer fra engangspipetter og mikropipetter til
målesylindre og målekolber.
Ytterligere en faktor spiller inn ved bruk av kolorimeteret. Vi bruker et multimeter til å
måle motstand gjennom en fotoresistor. Gjennom å foreta flere målinger av samme
testløsning kan man tilnærme seg en metode for å beregne usikkerheten til oppsettet
av kolorimeteret også.
Bakgrunnsinformasjon og begreper
Absorbsjonsspekter – Når lys passerer gjennom eller reflekteres av et stoff, vil
stoffet absorbere bånd fra bestemte bølgelengder av lyset. Atomet absorberer
fotoner med bestemte energinivåer/bølgelengder. Dette skjer fordi atomets
energitilstand går fra grunntilstanden, der den interne energien er på sitt laveste, til
bestemte høyere energinivåer når det kolliderer med fotoner med korresponderende
energinivå. De høyere energinivåene har en levetid av størrelsesorden 10 -8 sekund,
dermed er sannsynligheten for at et allerede eksitert atom tar opp et foton
forsvinnende liten. Det resulterer i at emisjonsspekteret (se under) til et stoff
inneholder flere bølgelengder enn absorbsjonsspekteret. Forskjellige stoffer
absorberer fotoner med forskjellige bølgelengder, og disse absorberte
bølgelengdene vil utgjøre svarte linjer (Fraunhoferlinjer) i spekteret om man
observerer lyset gjennom et spektroskop etter at lys er reflektert av, eller har passert
gjennom stoffet. Disse linjene utgjør stoffets absorbsjonsspekter, og kan brukes til
kvalitativ og kvantitativ analyse av stoffer og løsninger.
Emisjonsspekter – Alle atomer har en «nulltilstand», eller grunntilstand der den
interne energien er på sitt laveste. Når et atom tilføres energi, fører det til at atomets
energitilstand øker. Økningen i energitilstand kan kun skje gjennom diskrete «hopp»
til bestemte energinivåer som er unike for de enkelte grunnstoffene. Disse økte
energitilstandene varer kun ekstremt kort tid, størrelsesorden rundt 10 -8 sekund. Når
atomet går tilbake til et lavere energinivå eller til grunntilstanden, avgis energi i form
av lys med bestemte bølgelengder som korresponderer med hopp mellom bestemte
energinivåer. Disse bølgelengdene utgjør stoffets emisjonsspekter.
7
INSPIRIA science center: Bjørnstadveien 16, 1712 GRÅLUM | Telefon: 03245/ 69 13 93 00 | E-post: [email protected] www.inspiria.no
Emisjonsspekteret vil alltid bestå av bølgelengder som finnes i absorbsjonsspekteret
(se figur), men har gjerne noen flere bølgelengder på grunn av overganger mellom
forskjellige energinivåer som ligger over grunntilstanden. Eksempel: Natrium avgir lys
med bølgelengder på 589,0 og 589,6 nm ved oppvarming (de to laveste
energinivåene over grunntilstanden), og natriumdamp absorberer fotoner med
samme bølgelengde.
Fraunhoferlinjer – Svarte linjer i et absorbsjonsspekter som tilsvarer bånd av
fotoner med bestemte bølgelengder som blir absorbert av et grunnstoff. Linjene
representerer diskrete endringer (eller «hopp») mellom atomenes energitilstander og
er unike for hvert grunnstoff. Fraunhoferlinjene utgjør stoffets absorbsjonsspekter.
Bildet (fra Wikipedia, Public domain) viser de synlige Fraunhoferlinjene i solens
spektrum. Linjene skyldes kjølige gasser (grunnstoffer i gassform, kjølig er her et
relativt begrep) rundt solen som absorberer sollys med bestemte bølgelengder. Dette
spekteret er derfor sammensatt av absorbsjonsspektrene til mange grunnstoffer. Med
moderne metoder for sollysobservasjon kan man finne tusenvis av slike linjer.
Linjene har fått navn etter den tyske optikeren og fysikeren Joseph von Fraunhofer
(1787-1826) som var den første til å oppdage dem.
Mol – Måleenhet, en av basisenhetene i SI. Kan veldig forenklet sies å være det
antall protoner som utgjør et gram: 6,022 ∙ 1023. Definisjonen på en mol er «antall
atomer i 12 gram rent karbon 12». Tallet som utgjør en mol kalles også Avogadros
tall. Enheten forenkler beregning og utveiing av kjemikalier betydelig. En mol av et
stoff regnes som det antall gram som tilsvarer stoffets gjennomsnittlige
molekylærvekt. Molekylærvekten til vann, H2O, er ca. 18,05. En mol vann er da 18,05
gram vann.
Molaritet – Måleenhet for konsentrasjonen til en løsning. Antall mol (se over) av det
løste stoffet i en liter løsning.
Kolorimetri – Metode for å måle konsentrasjonen av fargede stoffer i en løsning.
Kolorimeteret måler hvor mye lys av en bestemt bølgelengde som absorberes av en
løsning. For å oppnå gode resultater kan man bruke filtre som fjerner uinteressante
bølgelengder og kalibrere kolorimeteret mot kjente løsninger av det aktuelle
fargestoffet.
8
INSPIRIA science center: Bjørnstadveien 16, 1712 GRÅLUM | Telefon: 03245/ 69 13 93 00 | E-post: [email protected] www.inspiria.no
Fotoresistor – Elektronisk komponent. Lysavhengig motstand som gir økt elektrisk
motstand når lystilgangen minker.
Kyvette – (Cuvette) Liten, rund eller kvadratisk beholder i klart glass eller plast som
brukes som testbeholder for prøveløsninger til spektroskopi eller kolorimetri. Kyvetten
har klare sider for lysgjennomstråling. De vanligste kyvettene i bruk er kvadratiske
med sider på 1 cm for enklest mulig beregning av absorbsjonskoeffisienter ved bruk
av SI-enheter.
LED – Light Emitting Diode, eller lysdiode. Elektronisk komponent. Lysdioden avgir
lys i bestemte bølgelengder når det går strøm gjennom den. Bølgelengden, og
dermed fargen, på lyset er avhengig av hvilke stoffer som står for lysemisjonen. Hvite
lysdioder har en sammensetning av stoffer som gjør at de avgir lys i mange
bølgelengder. Vi oppfatter da lyset som hvitt. Fargede lysdioder har gjerne farget
innkapsling for at man lett skal kunne se hvilken farge lyset de avgir har. Det er ikke
innkapslingen som gjør lyset farget, men stoffene i dioden som avgir lyset. Noen
lysdioder har klar, gjennomsiktig innkapsling, men avgir farget lys.
Motstand – Elektronisk komponent. Brukes for å senke strømmen gjennom en del
av en elektronisk krets, ofte for å beskytte sensitive komponenter. I kolorimeteret vårt
brukes en motstand for å beskytte lysdioden. Lysdioden tåler ikke å få 9 volt koblet
direkte over seg. Motstanden som er koblet i serie med lysdioden forårsaker et
spenningsfall som igjen gjør at strømmen gjennom kretsen avtar. Dermed blir ikke
lysdioden ødelagt.
Etterarbeid
Aktiviteter
1.
Rapport
Etter at klassen har vært på INSPIRIA science center og gjennomført
skoleprogrammet Kolorimeteret skal elevene skrive rapport fra forsøkene.
Rapportskriving skaper rom for refleksjon og bevisstgjøring rundt det man har jobbet
med. Læringsutbyttet vil garantert øke hos den enkelte elev ved føring av rapport.
Lenger bak i lærerveiledningen følger hovedpunkter som rapporten bør inneholde.
2.
Gelegodteri, laserpekere, absorbsjon og refleksjon
Man kan se hvordan absorbsjon og refleksjon foregår ved å bruke gelegodteri og
laserpekere i forskjellige farger.
Utstyr:
Rød laserpeker
Grønn laserpeker
9
INSPIRIA science center: Bjørnstadveien 16, 1712 GRÅLUM | Telefon: 03245/ 69 13 93 00 | E-post: [email protected] www.inspiria.no
Lommelykt (små, hvite «ultra bright» LEDlykter av typen som gjerne er montert på
nøkkelringer fungerer veldig bra)
Gelegodteri (Gelebjørner fungerer veldig bra, men man kan også bruke gelefrukter,
seigmenn e.l. med forskjellig farge) Her er poenget at noe av godteriet må være
grønt og noe rødt, for det er disse fargene vi ønsker å undersøke.
.
Dersom man ønsker å bruke noe mer permanent enn gelegodteri (som man må
regne med svinn på, etter den svært upresise og generelle formelen «elever +
godteri = svinn») kan man med litt flaks finne gjennomsiktige, fargede viskelær som
etter behov kan kuttes i passelige biter.
Hvitt papir til å legge godteriet på ved gjennomlysning
Fremgangsmåte:
Legg 2-3 grønne gelegodteri tett sammen etter hverandre på et papirark. Legg 2-3
røde gelegodteri parallelt med de grønne, et lite stykke unna.
Lys med den grønne laseren inn fra siden på de grønne godteribitene. Observer
hvordan det ser ut.
Lys med den grønne laseren inn fra siden på de røde godteribitene. Observer
hvordan det ser ut.
Bytt laserpeker og gjennomfør forsøket på nytt med den røde laserpekeren.
Gjør så det samme med den hvite LEDlykten.
Elevene kan nå bruke det de vet om absorbsjon og refleksjon til å forklare det som
skjer. Forklaringen ligger selvsagt i at grønt gelegodteri absorberer lys i alle farger
bortsett fra grønt, mens grønt lys går gjennom (noe reflekteres og gjør at vi oppfatter
fargen til godteriet som grønn). Derfor går det grønne lyset gjennom godteriet mens
det røde absorberes og blir tilsynelatende borte.
10
INSPIRIA science center: Bjørnstadveien 16, 1712 GRÅLUM | Telefon: 03245/ 69 13 93 00 | E-post: [email protected] www.inspiria.no
Tilsvarende gjelder også for rødt godteri, men her absorberes alle andre farger enn
rød.
Den hvite lykten sender ut lys i alle farger, også rød og grønn, og vil derfor lyse opp
godteri av alle farger.
Om du vil se hvordan forsøket kan gjennomføres, finner du en fin gjennomgang av
forsøket, laget av studenter ved University of California, Center for Biophotonics
Science and Technology (CBST) her:
http://www.youtube.com/watch?v=DThUKDM_Wtk
Instruktiv video om emisjon og fluorescens:
http://www.youtube.com/watch?v=tItOOpyJP5k&feature=relmfu
11
INSPIRIA science center: Bjørnstadveien 16, 1712 GRÅLUM | Telefon: 03245/ 69 13 93 00 | E-post: [email protected] www.inspiria.no
Kopieringsmal Etterarbeid 1. Rapport
Rapport: Kolorimeteret
Skole, navn, gruppe, dato
1. Hensikt
Oppgavens hensikt skal beskrives kort og konsist.
2. Teori
Gjør rede for den teoretiske bakgrunnen.
3. Materialer og metoder
Beskriv reagenser, utstyr og fremgangsmåte.
4. Resultater
Beskriv resultater.
5. Diskusjon
Resultatene diskuteres. De viktigste feilkildene skal nevnes. Ta med eventuelle
forslag til forbedringer av metoder. Under gjennomføringen av laboratorieøvelsen ble
det brukt noen metoder for å minimere målefeil. Du kan henvise til disse også.
Resultatene kan også sammenliknes med publiserte resultater fra liknende forsøk.
6 Konklusjon
Konklusjon på oppgaven som ser tilbake på oppgavens ordlyd og hensikt.
Hvilket læringsutbytte har forsøket gitt?
Var forsøket vellykket?
Vedlegg
Dersom det er observasjoner eller beregninger som er for omfattende til å ta med i
resultatdelen skal disse legges ved som vedlegg.
Litteraturreferanser
Referanselisten skal angi all litteratur som er benyttet i forbindelse med
gjennomføring av forsøket og rapportskrivingen.
12