Byggebeskrivelse og bruk av. kolorimeter NTNU SKOLELABORATORIET FOR MATEMATIKK, NATURFAG OG TEKNOLOGI

Transkript

1 Byggebeskrivelse og bruk av kolorimeter NTNU SKOLELABORATORIET FOR MATEMATIKK, NATURFAG OG TEKNOLOGI

2 Skolelaboratoriet for Matematikk, Naturfag og Teknologi Byggebeskrivelse og bruk av kolorimeter Innhold og layout: Nils Kr. Rossing og Per-Odd Eggen Trykking: NTNU-trykk Utgave 1.0 Rev juni 2011 Byggesettet leveres komplett med kyvette, men uten batteri og voltmeter. En takk til Roy Even Aune som har lest korrektur og gitt verdifulle kommentarer til byggeveiledningen. Takk også til Sondre Knudsen og Magnus Lysø som har prøvebygget flere varianter av settet. 2

3 Innledning Hensikten med prosjektet har vært å utvikle et instrument som er så enkelt at elever selv kan bygge og forstå hvordan det fungerer. Så nøyaktig at det kan brukes til å gjøre pålitelige målinger av konsentrasjonen til oppløsninger, og så billig at skoler kan kjøpe inn klassesett. Et kolorimeter er et instrument som bestemmer konsentrasjonen i en oppløsning ved å måle relativ lysabsorbsjon i oppløsningen. Ved hjelp av noen få oppløsninger med kjent konsentrasjon, kan kolorimeteret kalibreres. Kalibreringskurven brukes deretter til å bestemme prøver med ukjent konsentrasjon. En kan velge mellom fargene rød (650 nm), grønn (520 nm) og blå (468 nm). Instrumentet blir mest følsomt ved å velge den fargen som gir høyest absorbans i oppløsningen. Dersom oppløsningen f.eks. er blå, vil det være best å velge rød som er nær komplementærfargen til blå. 3

4 4

5 Byggeveiledning

6 6

7 Bygg kyvettekammeret 7

8 1. Kyvettekammeret oppdeling Kammeret lages av sort kapa. Legg malen på kapaen og merk alle hjørner ved å stikke en nål gjennom malen og ned i kapaen. Fjern malen og trekk streker mellom punktene. Bruk linjal og skjær opp som vist på figuren. 32 mm 32 mm Vær nøyaktig 37 mm Sidestykke Skjæres bort Sidestykke Sort kartong 13 mm Indre endestykke Indre endestykke 28 mm Topp Yttre endestykke 28 mm Bunn Yttre endestykke Sort kartong 42 mm 37 mm Pass på at alle vinkler blir rette 8

9 2. Lag hull i endestykkene Bor et hull med et 4,5 mm bor, 7 mm fra nedkanten av de to indre endestykkene. Skjær et snitt gjennom de to ytre endestykkene. 7 mm A) Bor et 4,5 mm hull i de to indre endestykkene, ca. 7 mm fra nedkant. 7 mm B) Skjær et snitt gjennom de to ytre endestykkene ca. 7 mm fra nedkant. 9

10 3. Lag topp- og bunnstykke Skjær ut kvadratiske hull i topp- og bunnstykket. Klipp ut og lim på sort kartong som vist på figuren. A) Skjær ut et kvadratisk hull i topp- og bunnstykket. Topp Bunn B) Skjær ut og lim sort kartong på topp- og bunnstykket Topp Lim Lim Bunn Lim Lim 10

11 4. Monter fotodioden i kyvettens endestykke D 2 - SFH203 IR (fotodiode) Følg oppskriften på tegningen under fra A til C. A) Press fotodioden inn i B) Ta litt lim mellom Lim Press sammen hullet i det indre endestykket, og stikk beina gjennom spalten i det ytre endestykket. de to endestykkene og press dem sammen slik at fotodioden begraves mellom endestykkene. Lim Kort bein nærmest Kort bein C) Bøy beina på fotodioden i rett vinkel. Kort bein 11

12 5. Monter trefarget lysdiode i kyvettekammeret D 1 - L-154A4SURKPBAVGAW (trefarge lysdiode) Følg oppskriften på tegningen under fra A til C. Lim Press sammen A) Press lysdioden inn i B) Ta litt lim mellom hullet i det indre endestykket. Stikk de fire beina gjennom spalten i det ytre endestykket. Langt bein de to endestykkene og press dem sammen slik at lysdioden begraves mellom endestykkene C) Bøy beina på lysdioden i rett vinkel. Lim 12 Langt bein

13 6. Montering av kyvettekammeret Monter kyvettekammeret som vist på figuren. A) Lim de doble endestykkene til det ene sidestykket. Pass på at fotodioden monteres til høyre og lysdioden til venstre, begge vendt inn i kammeret. A) B) Lim Sidestykke C) Lim bunnstykket til Lim sideveggene i bunnen. Toppstykket brukes som lokk. C) Toppstykket Lim Sidestykke Endestykke Lim Endestykke Fotodiode Lysdiode B) Lim det andre sidestykket til de to doble endestykkene. Bunnstykket Lim 13

14 7. Det ferdige kyvettekammeret Figuren til høyre viser det ferdige kyvettekammeret. Lokket løftes av og kyvetten sette helt ned i kammeret. Når lokket settes på, gir uthulingen i lokket plass til toppen av kyvetten slik at kammeret blir helt lystett. La kyvettekammeret tørke til kretskortet er montert. Kammeret er det siste som monteres på kretskortet. 14

15 Monter kretskortet

16 8. Monter motstandene R 1, R 2 og R (rød, rød, sort, sort, brun) Bøy beina til motstandene og stikk dem inn fra komponentsida (siden med tekst) og bøy dem litt til siden slik at de ikke faller ut. Lodd dem til kobberbanene på loddesida (undersiden) og klipp av beina inntil loddingen. Komponentsida Komponentsiden R 1 R 2 R 3 Bøy beina litt ut til sidene på loddesiden 16

17 Loddekurs A Tørk av loddebolten på en våt klut. B C Ta litt loddetinn på spissen. Trykk inn komponenten. Bøy beina litt til siden. Varm opp loddested og beina i ca. 3 sek. DTilfør loddetinn til loddestedet, ikke loddebolten. E Ta bort loddebolten. God lodding Dårlig lodding 17

18 R 1 R 2 R 3 9. Monter bryter S1 og S2 S 1 - Batteribryter S 2 - Bryter for lysfarger Plasser bryterne som angitt på kortet og lodd. Komponentsida S 2 S 1 18

19 10. Monter koblingsplint på utgangen X1-2 koblingsplint, 2 polt Plasser koblingsplinten som vist på figuren. Lodd komponenten til kobberbanene på loddesida. Koblingsplint, utganger X1-2 Komponentsida S 2 S 1 R 1 R 2 R

20 11. Monter spenningsregulatoren Z 1 - LM78L05 (5V spenningsregulator) Spre beina på spenningsregulatoren og plasser den som vist på figuren. NB! Pass på at den flate sida vender riktig vei. Ikke press komponenten helt ned til monteringsplata. Koblingsplint utganger Flat side Komponentsida X1-2 Z 1 S 2 R 1 R 2 R S 1 20

21 12. Monter batterikontakten Rød ledning på pluss (+) og blå eller svart ledning på minus ( ) Figuren viser plasseringen av batterikontakten. Batterikontakt + Komponentsida Koblingsplint utganger X1-2 Z 1 S 2 S R 1 R 2 R 3 21

22 13. Monter motstandene: R 4, R 6 47 k (gul, fiolett, sort, rød, brun) R 5, R k (gul, fiolett, sort, orange, brun) R (blå, grå, sort, sort, brun) R 9 10 k (brun, sort, sort, rød, brun) NB! Strappen monteres ikke. Koblingsplint utganger Z 1 X1-2 R 7 R 6 R R 5 4 R 9 S 2 R R 1 R 2 R 3

23 14. Monter IC-sokkel og kondensator C 1 47nF (kondensator) IC-sokkel 8pin sokkel Pass på at hakket i sokkelen plasseres over hakket til omrisset på monteringsplata. Bøy beina til sokkelen ut til siden på loddesida. Hakk C 1 IC-sokkel Koblingsplint utganger X1-2 Z 1 S 2 + S 1 R 1 R 2 R

24 15. Monter trimpotensiometeret og integrert krets P (trimpotensiometer) IC1 - CA3130FZ (operasjonsforsterker) Pass på at prikken på den integrete kretsen skal være på samme side som hakket i sokkelen. IC1 Prikk X1-2 Z 1 S S 1 R 1 R 2 R

25 16. Montering av kyvettehus Pass på at lysdioden (fire bein) plasseres til venstre på kortet. X1-2 Z 1 S 2 S 1 R 1 R 2 R

26 17. Ferdig kolorimeter med nulljustering Figuren viser funksjonene til de ulike bryterne og potensiometeret. X1-2 Tilkobling voltmeter/ multimeter Av Av/På Z 1 S 1 R 1 R 2 R 3 S Fargevelger 1-rød 2-grønn 3-blå Nulljustering På + 26

27 Kolorimeterets koblingsskjema m/nulljustering R 9 10 k R k S + 1 9V Z 1 R R R D 1 P D 2 Ev. strap R 6 47 k R 4 47 k R C 1 47pF R k IC1 CA X1-2 Multimeter (mv) S 2 R D 3 27

28 28

29 Enkel fargelære Ved å blande rødt, blått og grønt lys kan vi i prinsippet frambringe en hvilken som helst farge. Vi kaller disse for primærfargene. Blander vi to og to av primærfargene får vi tre nye farger: Cyan, som er en blanding av blått og grønt, magenta, som er en blanding av rødt og blått, og gult, som er en blanding av rødt og grønt. Cyan, magenta og gult kalles sekundærfarger. Blanding av alle tre primærfargene gir hvitt dersom om fargene er mettet. Rød Gul Magenta Grønn Blå Hvit Cyan Additiv fargeblanding 29

30 Vi legger merke til at blandingen av magenta og grønt også gir hvitt lys. Disse kalles derfor komplementær farger. Av samme grunn er blått og gult, og rødt og cyan komplementære fargepar. Lys Oppl. Lys Oppl. Lys Oppl. Den ene av to komplementære farger har ikke spor av den andre, og omvendt. Det betyr at rødt lys vil bli stoppet helt av et cyanfarget filter om fargen er mettet. Tilsvarende stoppes grønt lys av et magentafarget filter, og blått lys stoppes av et gult filter. En farget oppløsning vil oppføre seg som et filter og absorbere farget lys. Jo sterkere oppløsningen er, jo mer mettet er fargen, og jo mer lys absorberes. Absorbsjonen vil øke jo nærmere lyset kommer komplementærfargen til oppløsningen. Har vi en cyanfarget oppløsning vil det lønne seg å velge rødt lys. 30

31 Følgende gir fornuftige fargevalg: Cyanfagert oppløsning -> Rødt lys Magentafarget oppløsning -> Grønt lys Gul oppløsning -> Blått lys Har vi derimot en rød oppløsning burde vi velge cyanfarget lys. I prinsippet fås dette ved å blande grønt og blått lys. Om dette er riktig kan vi undersøke ved å tenne to lysioder. Rød oppløsning -> Bland grønt og blått lys Grønn oppløsning -> Bland blått og rødt lys Gul oppløsning -> Bland rødt og grønt lys Vær oppmerksom på at blandet og rent lys ikke trenger å oppføre seg likt. 31

32 32

33 Kalibrering og bruk av kolorimeteret 0,2 mol 0,4 mol 0,6 mol 0,8 mol? mol 33

34 Bruk av kolorimeteret med nulljustering 1. Slå på kolorimeteret ved å skyve den røde Av/På bryteren (S 1 ) mot høyre. 2. Velg farge ved å skyve ned en av de fire bryterne R - Rød (650 nm) G - Grønn (520 nm) B- Blå (468 nm) 3. Sett en kyvette med rent vann ned i kammeret. Pass på at kyvettens blanke sider er vent i kammerets lengderetning 4. Koble til et multimeter på utgangen (X1-2) merket Multimeter. 5. Sett multimeteret på mv (f.eks. 200 eller 2000 mv). 6. Juster potensiometeret merket Nullstill slik at multimeteret viser ca. 10 mv. 7. Kolorimeteret er nå klart til å kalibreres. 34

35 X1-2 Tilkobling voltmeter/ multimeter Av/På S Nulljustering Av S 1 Fargevelger 1-rød 2-grønn 3-blå På + 35

36 Kalibrering av kolorimeteret 1. Lag kontrollerte oppløsninger med det stoffet som skal måles: 0,0 (rent vann) 0,1, 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 og 1,0 mol/liter. Konsentrasjon 0,0 mol 0,1 mol 0,2 mol 0,4 mol 0,6 mol 0,8 mol 1,0 mol X a Gram CuSO 4 i 100 ml vann Avlesning mv (Rødt lys) Avlesning mv (Blått lys) 0,00 2,50 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 2. Sett kyvettene ned i kammeret og les av verdiene på multimeteret for hver av oppløsningene. 36 a. Vanlig, blått kobbersulfat med krystallvann (CuSO 4 5H 2 O). 249,70 gram/mol.

37 [mv] 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 37

38 Måling av konsentrasjon med standardkurve 1. Nulljuster slik som beskrevet på side Les av verdiene for alle løsningene med rødt lys, og fyll inn i en tabell lik den på side Les av verdiene for alle løsningene med blått lys, og fyll inn i den samme tabellen. 4. Avgjør hvilket lys (hvilken bølgelengde) som er best egnet til å lage en standardkurve. 5. Avgjør hvilken del av kurven du anser som rettlinjet (bare den delen er egnet som standardkurve). 6. Mål den ukjente løsningen og finn konsentrasjonen ved å se på standardkurven. Hvis den ukjente løsningen er for konsentrert, kan man fortynne den (vær nøyaktig med fortynningen!) for å komme innenfor standardkurven. 38

39 Måling andre salter i vann Drikkevann i bolighus har man normalt flere metallioner i løsning. To eksempler kan være kobberioner og jernioner. Kobberioner kan komme fra kobberrør, jernionene fra jernrør eller fra jordsmonnet. Forsøket under belyser hvordan man kan måle konsentrasjonen av kobberioner, selv om vannet i tillegg inneholder jernioner. 1. Nulljuster slik som beskrevet på side Lag en standardkurve for kobberioner slik det er beskrevet på sidene Lag en tilsvarende kurve for jernioner. 4. Prøv å finne hvor stor feilkilde du får om du måler kobberioner, men har en prøve som er litt forurenset av jernioner. 39

40 5. Gjør samme vurdering for måling av jernioner i en løsning som er forurenset av kobberioner. 40

41 41

42 42

43

44 Byggeveiledning 3.fm juni nkr