Kolorimeteret Vg1-Vg3 90 minutter

Transkript

1 Lærerveiledning Passer for: Varighet: Kolorimeteret 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

2 Hovedområder og kompetansemål fra kunnskapsløftet: VG1 Naturfag: Forskerspiren: 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: Definere og regne med begrepene frekvens, periode, bølgelengde og bølgefart, og forklare kvalitativt bøynings- og interferensfenomener Moderne fysikk Beskrive Bohrs atommodell og beregne frekvenser og bølgelengder til spektrallinjer i emisjons- og absorpsjonsspektre ut fra den Den unge forskeren 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 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

3 Fysikk 2: Den unge forskeren 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 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 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 Utføre analyser med kolorimetri og tolke enkle massespektra og 1H-NMR-spektra 3

4 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

5 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: C 37 H 34 N 2 Na 2 O 9 S 3 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] 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 C 37 H 34 N 2 Na 2 O 9 S 3 kan se slik ut: 5

6 Stoff Molvekt Antall Sum C 12,011 g/mol ,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

7 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

8 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 ( ) 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, 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, H 2 O, 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

9 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

10 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

11 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: Instruktiv video om emisjon og fluorescens: 11

12 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