Spektrometria w szkole: uczenie przez eksperyment

Tłumaczenie Marek Kwiatkowski

Zdjęcie dzięki uprzejmości Maren Beßler / Pixelio

Nataša Gros, Tim Harrison, Irena Štrumbelj Drusany i Alma Kapun Dolinar przedstawiają wybrane doświadczenia wykorzystujące prosty spektrometr opracowany specjalnie dla szkół – i podają szczegółowe opisy jak przeprowadzić poszczególne doświadczenia.

W celu lepszego zmotywowania uczniów do uczenia się chemii przez eksperyment, wspólnie z partnerami naszego projektu opracowaliśmy zestaw doświadczeń wykorzystujących niewielki i niedrogi spektrometr skonstruowany przez jednego z partnerów (Nataša Gros). Spektrometr może być również wykorzystany jako element innych instrumentów analitycznych, np. chromatografu gazowego i cieczowego, co pozwala na dalsze rozszerzenie zakresu doświadczeń szkolnych (p. strona www projektu^w1). Zainteresowane szkoły mogą wypożyczyć pewną ilość spektrometrów na życzenie.

Jak działają spektrometry

W klasycznym spektrometrze, białe światło ze źródła światła (żarówka) pada na monochromator, którego zadaniem jest wyodrębnienie światła o żądanej długości fali. Wyselekcjonowana wiązka światła przechodzi następnie przez kiuwetę pomiarową (p. Rysunek 1). Wskutek absorpcji światła przez próbkę następuje zmniejszenie intensywności natężenia światła, które jest mierzone przez detektor (absorbancja). Im bardziej intensywna barwa roztworu, tym wyższa wartość zmierzonej absorbancji.

Rysunek 1: Najważniejsze części składowe klasycznego spektrometru
Zdjęcie dzięki uprzejmości Nicola Graf

Najczęściej stosowane kiuwety charakteryzują się długością drogi optycznej 1 cm i wymagają co najmniej 3 ml roztworu do przeprowadzenia pomiaru. Najważniejszym wymogiem stawianym przed klasycznym spektrometrem jest zapewnienie wysokiej dokładności i precyzji pomiarów absorbancji: wybór długości fali powinien być możliwie jak najbardziej dokładny, a wiązka światła możliwie jak najbardziej monochromatyczna (tzn. o wąskim zakresie długości fali). W rezultacie, budowa klasycznego spektrometru jest bardzo złożona i niezbyt oczywista dla przeciętnego użytkownika. Poza tym, takie urządzenie jest stosunkowo kosztowne.

Główny cel powstania spektrometru Spektra^TM był inny: chodziło o skonstruowanie niedrogiego, przenośnego i odpornego na uszkodzenia urządzenia o prostej, intuicyjnej budowie, które umożliwiałoby minimalne zużycie odczynników chemicznych oraz stosowanie uproszczonych procedur eksperymentalnych (Gros, 2004). Spektrometr ten jest przeznaczony przede wszystkim do zastosowań edukacyjnych, zwłaszcza do wprowadzania nowych koncepcji, chociaż można go również z powodzeniem wykorzystać do jakościowych i półilościowych analiz próbek w terenie.

W skład spektrometru Spektra wchodzą dwa elementy optyczne: dioda elektroluminescencyjna emitująca światło o trzech różnych barwach oraz czujnik światła. Światło o wybranej barwie: niebieskiej (430 nm), zielonej (565 nm) lub czerwonej (625 nm) przechodzi bezpośrednio przez warstwę roztworu i pada na czujnik światła (Rysunek 2). Najważniejsze elementy przyrządu (źródło światła, komora pomiarowa i czujnik) są dobrze widoczne. Ponieważ łatwo zrozumieć jego budowę i działanie, uczniowie nie postrzegają przyrządu jako "czarnej skrzynki" (p. Rysunek 3a and b).

Rysunek 2: Komora pomiarowa spektrometru Spektra
Zdjęcie dzięki uprzejmości Nataša Gros

	Rysunek 3a: Prototyp spektrometru Spektra. A: źródło światła (dioda elektroluminescencyjna); B:komora pomiarowa; C: miejsce pomiaru z czujnikiem światła na spodzie. Click to enlarge image Zdjęcie dzięki uprzejmości Nataša Gros
	Rysunek 3b: Ostateczna budowa spektrometru Spektra. Przyrząd jest bardziej zwarty, natomiast wszystkie trzy najważniejsze elementy są nadal dobrze widoczne (A: źródło światła; B:komora pomiarowa; C: czujnik światła Zdjęcie dzięki uprzejmości Nataša Gros

Aby wykonać pomiary, roztwory umieszcza się z zagłębieniach tzw. blistra (płytki z polimeru z wytłoczonymi wgłębieniami o kształcie soczewki). W rezultacie do pomiarów można stosować bardzo małe objętości roztworów (0,35 ml), co pozwala na minimalizację objętości niebezpiecznych odpadów, poza tym homogenizacja próbek jest bardzo szybka. Obsługa spektrometru Spektra jest prosta i bezpieczna, nie wymaga specjalnego przygotowania laboratoryjnego oraz aparatury szklanej. Objętości roztworów są bardzo małe, do odmierzania cieczy z powodzeniem można stosować metodę kroplową.

Spektrometry można zakupić przez Internet^w2. Ewentualnie, Uniwersytet w Bristolu^w3(Wielka Brytania) oferuje niewielką liczbę spektrometrów do wypożyczenia nauczycielom, którzy chcieliby wypróbować doświadczenia ze swoimi uczniami lub opracować nowe praktyczne zastosowania. Dla tych, którzy preferują klasyczne spektrometry, proponujemy kolorymetry Mystrica (wykorzystujące kiuwety o normalnej objętości) o dobrej cenie i jakości^w4.

Spektrometria – uczenie przez eksperyment

W ramach projektu opracowaliśmy cały szereg praktycznych ćwiczeń z zakresu spektrometrii, mając na celu pobudzić zainteresowania młodzieży naukami przyrodniczymi oraz zainspirować ewentualnych przyszłych naukowców wśród uczniów. Ćwiczenia dotyczą bardzo różnych zagadnień, np. analiza wody, fizyka światła i barwy, prawo Lamberta-Beera, równowagi chemiczne, analiza środowiska, kinetyka reakcji chemicznych i analiza żywności.

Ćwiczenia z zakresu analizy żywności dotyczą: spektrometrycznego oznaczania żelaza w próbkach suszonych ziół lub mąki; zawartości etanolu w napojach alkoholowych; zawartości glukozy w dżemach; indeksu barwy piwa; jakości sproszkowanej papryki; zawartości fosforanów w soku jabłkowym; zawartości fosforanów i azotynów w produktach mięsnych; stężenia kazeiny w serach. Inne ćwiczenia pozwala śledzić przebieg procesu fermentacji alkoholowej.

Poniżej podajemy dokładny opis procedury stosowanej do oznaczenia zawartości glukozy w dżemach. Szczegóły innych procedur analitycznych, z włączeniem ćwiczeń odpowiednich również dla szkół podstawowych, są przedstawione na stronie internetowej projektu^w1. W tym samym miejscu umieszczono również instrukcje jak wykorzystać spektrometr Spektra do budowy prostego chromatografu gazowego lub cieczowego, wraz z opisami ćwiczeń opracowanych dla tych przyrządów (p. również Gros & Vrtačnik, 2005).

Spektrometryczne oznaczanie glukozy w dżemach

Istnieje wiele reakcji chemicznych, w których cukry tworzą z reagentami zabarwione produkty. Intensywność barwy zależy od wyjściowego stężenia cukru. Dlatego pomiar absorbancji próbek i odniesienie do absorbancji roztworów wzorcowych może służyć do wyznaczania stężenia cukru. Tą metodą oznacza się przede wszystkim cukry proste (zwłaszcza cukry redukujące), dla których opisano wiele reakcji barwnych, ma ona mniejsze zastosowanie do oznaczania polisacharydów (see box).

Wybór glukozy był podyktowany przede wszystkim tym, że cukry są uczniom znane – ćwiczenie odnosi się do ich bezpośrednich doświadczeń z życia codziennego. Poza tym, oznaczanie zawartości cukrów w dżemach może mieć praktyczne zastosowanie w przemyśle, np. przy kontroli jakości.

Jedną z metod oznaczania cukrów w dżemie może być hydroliza nie-redukujących cukrów (głównie sacharozy) do glukozy przy pomocy kwasu siarkowego(VI) H₂SO₄, zobojętnieniu próbki wodorotlenkiem sodu NaOH i reakcji powstałych redukujących cukrów prostych (np. glukoza, fruktoza) z kwasem 3,5-dinitrosalilcylowym (DNSA, zwanym również kwasem 2-hydroksy-3,5-dinitrobenzoesowym). W wyniku tej reakcji, powstają czerwono-brązowe produkty. Dalsze informacje, p. Miller (1959).

Stężenie barwnych produktów określa się mierząc absorbancję roztworu za pomocą spektrometru używając niebieskiego światła diody (430 nm). Początkowe stężenie cukru w próbkach dżemu można odczytać z krzywej kalibracyjnej sporządzonej przy pomocy roztworów o znanym stężeniu glukozy.

Aparatura i odczynniki

Spektrometr Spektra (lub inny spektrometr)
Kiuwety lub blistry
Pipety
Kolby miarowe100 ml
Kolby stożkowe
Probówki
Waga
Łaźnia wodna
Lejek
Sączek bibułowy
Próbki dżemu
Odczynnik DNSA (kwas 3,5-dinitrosalicylowy)
Sulphuric acid (H₂SO₄) roztwór (ok. 2 mol/l)
Wodorotlenek sodu (NaOH), roztwór (ok. 10%)
Winian sodowo-potasowy (NaK(CH₂OH)₂(COO)₂.4H₂O)
Glukoza proszek (C₆H₁₂O₆)

Przygotowanie roztworów

Odczynnik DNSA: Odważ 10 g DNSA i rozpuść go w 200 ml roztworu wodorotlenku sodu NaOH o stężeniu 2 mol/l. Ogrzej roztwór intensywnie mieszając. Przygotuj roztwór 300 g winianu sodowo-potasowego w 500 ml wody destylowanej. Zmieszaj oba roztwory w kolbie miarowej o pojemności 1000 ml i dopełnij wodą destylowaną do kreski miarowej.

Dżem (cukry): Odważ 1 – 2 g dżemu w kolbie stożkowej. Dodaj 10 ml roztworu kwasu siarkowego (VI). Ogrzewaj zawartość kolby na wrzącej łaźni wodnej przez 20 minut, mieszając od czasu do czasu, aż do zakończenia hydrolizy. Ochłodź mieszaninę i ostrożnie dodaj12 ml roztworu wodorotlenku sodu. Wymieszaj i przesącz powstałą mieszaninę do kolby miarowej o pojemności 100 ml, dopełnij wodą destylowaną do kreski miarowej. Za pomocą pipety przenieś 10 ml powstałego roztworu do innej kolby miarowej 100 ml i dopełnij wodą destylowana do kreski miarowej. Wymieszaj dobrze zawartość.

Dżem (cukry redukujące): Odważ 3,0 g dżemu w kolbie stożkowej, dodaj 50 ml wody destylowanej, ogrzewaj i mieszaj przez 10 minut. Mieszaninę przesącz do kolby miarowej o pojemności 100 ml, dopełnij wodą destylowaną do kreski miarowej. Za pomocą pipety przenieś 10 ml powstałego roztworu do innej kolby miarowej 100 ml i dopełnij wodą destylowana do kreski miarowej. Wymieszaj dobrze zawartość.

Bazowy roztwór wzorcowy glukozy (15mg/ml): Odważ 1,5 g glukozy, przenieś do kolby miarowej 100 ml, dodaj wody destylowanej do kreski miarowej i wymieszaj.

Przygotowanie krzywej kalibracyjnej

Przygotuj 5 kolb miarowych o pojemności 100 ml i oznacz je lilterami A–E. Do każdej z nich odpowiednie objętości roztworu bazowego i wody destylowanej zgodnie z Tabelą 1.

Kolba	A	B	C	D	E
Objętość bazowego roztworu glukozy (ml)	2	3	6	8	10
Objętość wody destylowanej (ml)	98	97	94	92	90
Stężenie glukozy (mg/ml)	0.3	0.45	0.9	1.2	1.5

Tabela 1: Przygotowanie wzorcowych roztworów glukozy

Przygotuj sześć probówek i napełnij je zgodnie ze wskazówkami w Tabeli 2.

Numer próbki	Roztwór odniesienia	1	2	3	4	5
Wzorcowy roztwór glukozy (kolba)	Nie dotyczy	A	B	C	D	E
Objętość wzorcowego roztworu glukozy (ml)	0	1	1	1	1	1
Objętość odczynnika DNSA (ml)	1	1	1	1	1	1
Objętość wody destylowanej	3	2	2	2	2	2

Tabela 2: Przygotowanie roztworów do krzywej kalibracyjnej

Ogrzej probówki we wrzącej wodzie przez 5 minut, dzięki czemu zajdzie reakcja cukru z DNSA z utworzeniem czerwono-brązowego produktu.

Ochłodź probówki, dodaj do każdej z nich po 6 ml wody destylowanej i dobrze wytrząśnij.

Zmierz transmitancję powstałych roztworów używając niebieskiego światła diody (430nm).

Odczyty transmitancji z przyrządu Spektra, wyrażone w procentach, należy podzielić przez 100 aby otrzymać wartości transmitancji do dalszych obliczeń. Transmitancja jest związana z absorbancją równaniem: A = –logT. P. druga i trzecia kolumna w Tabeli 3.

Fotografia z prawej przedstawia roztwory kalibracyjne. Nawet roztwór odniesienia (woda i DNSA bez glukozy) jest intensywnie zabarwiony. Dlatego koniecznie należy mierzyć transmitancję wszystkich roztworów, również roztworu odniesienia, względem wody destylowanej. Absorbancję związaną z obecnością glukozy w próbce należy obliczyć odejmując zmierzoną wartość absorbancji próbki odniesienia od wartości absorbancji mierzonej próbki (p. kolumna czwarta Tabeli 3).

Rysunek 4: Roztwory kalibracyjne
Zdjęcie dzięki uprzejmości Irena Štrumbelj Drusany

Stężenie glukozy (mg/ml)	Transmitancja (odczyt ze Spektra, T%)	Absorbancja (A)	Absorbancja związana z obecnością glukozy (A – A_odn)
0 (Roztwór odniesienia)	27.54	0.56	0
0.3	23.44	0.63	0.07
0.45	20.04	0.69	0.13
0.9	18.21	0.74	0.18
1.2	15.13	0.82	0.26
1.5	14.45	0.84	0.28

Tabela 3: Krzywa kalibracyjna – pomiary absorbancji próbek o różnym stężeniu glukozy

Narysuj wykres zależności absorbancji związanej z obecnością glukozy względem stężenia, jak przedstawiono na Rysunek 5.

Rysunek 5: Krzywa kalibracyjna – absorbancja związana z obecnością glukozy względem stężenia glukozy

Pomiary dla próbek dżemu

Próbki dżemu należy przygotować podobnie jak roztwory glukozy wykorzystane do sporządzenia krzywej kalibracyjnej.

Dla każdego rodzaju dżemu, umieść 1 ml przygotowanego roztworu dżemu (p. "Przygotowanie roztworów") w probówce, dodaj 1 ml odczynnika DNSA i 2 ml wody destylowanej.

Ogrzewaj zawartość probówki we wrzącej łaźni wodnej przez 5 minut. DNSA przereaguje z cukrami zawartymi w próbce z utworzeniem czerwono-brunatnych produktów.

Ochłodź probówki, dodaj do każdej z nich po 6 ml wody destylowanej i dobrze wytrząśnij.

Zmierz transmitancję (T%) powstałych roztworów używając niebieskiego światła diody (430nm). Odczyty podziel przez 100 aby otrzymać T, przekształć T w A przy pomocy równania A = –logT. Oblicz absorbancję związaną z obecnością glukozy (A – A_odn).

Tabela 4 przedstawia przykładowe wartości zmierzonej transmitancji oraz absorbancję próbek.

Próbka	Transmitancja (odczyt ze Spektra, T%)	Absorbancja (A)	Absorbancja związana z obecnością glukozy (A – A_odn)
1	18.6	0.73	0.17
2	21.3	0.67	0.11

Tabela 4: Wyniki dla próbek dżemu

Przy pomocy krzywej kalibracyjnej przekształć wartości absorbancji (A) w wartości stężenia glukozy (mg/ml) w próbkach.

Dla przykładów w Tabeli 4, wartości stężenia glukozy odczytane z krzywej kalibracyjnej wynoszą:

Próbka 1: 0.8 mg/ml

Próbka 2: 0.5 mg/ml

Znając stężenia glukozy w próbkach, oblicz stężenie glukozy w dżemie za pomocą następującego równania:

Masa glukozy (na 1 g dżemu) = stężenie glukozy w próbce (mg/ml) x 10 x 100 ml

gdzie

stężenie glukozy w próbce jest wartością odczytaną z krzywej kalibracyjnej

10 oznacza rozcieńczenie (p. "Przygotowanie roztworów")

100 ml jest objętością roztworu zawierającego 1 g dżemu.

W naszym przykładzie,

Próbka 1: masa glukozy (g na 1 g dżemu) = 0,8 mg/ml x 10 x 100 ml = 0,8 g

Próbka 2: masa glukozy (g na 1 g dżemu) = 0,5 mg/ml x 10 x 100 ml = 0,5 g.

Powyższe obliczenia zakładają, że wyjściowa próbka dżemu miała masę 1 g. Jeżeli, np. próbka ważyła 2 g, liczby powyżej należy podzielić przez 2 aby otrzymać masę glukozy zawartej w 1 g próbki.

Cukry redukujące i nie-redukujące

Z chemicznego punktu widzenia, cukrami redukującymi nazywamy aldozy (np. glukozę), posiadające grupę aldehydową, która może być utleniona do grupy karboksylowej. Najpospolitszą próbą na obecność cukrów redukujących jest ogrzewanie próbki z roztworem Benedicta lub Fehlinga, zawierającym jony miedzi(II). Wytrącenie się ceglastego osadu tlenku miedzi(I) wskazuje, że zaszła redukcja.

Cukry nie-redukujące, np. sacharoza, posiadają grupy ketonowe, które nie są w stanie zredukować jonów miedzi(II).Takie cukry nie dają osadu tlenku miedzi(I) w wyniku ogrzewania z roztworem Benedicta lub Fehlinga.

Nataša Gros jest profesorem chemii analitycznej w University of Ljubljana, Wydział Chemii i Technologii Chemicznej, Słowenia.

Tim Harrison pełni funkcję schoolteacher fellow w Bristol ChemLabS w University of Bristol, UK. Jest również popularyzatorem nauk przyrodniczych, ze szczególną pasją dla promowania chemii wśród młodzieży.

Alma Kapun Dolinar i Irena Strumbeli są nauczycielami szkoły ponadgimnazjalnej w Biotehniški Izobraževalni Center Ljubljana (Centrum Edukacji i Praktyki Biotechnicznej w Lublanie) w Słowenia.

Podziękowania

Autorzy składają podziękowania Europejskiej Komisji, Wydziałowi Głównemu ds. Edukacji i Kultury, za finansowanie projektu "Chemia analityczna w szkołach zawodowych – uczenie przez eksperyment II" (AnalChemVoc II, LLP-LDV-TOI-2008-SI-15), program Leonardo da Vinci.

Referencje

Gros N (2004) Spectrometer with microreaction chamber and tri-colour light emitting diode as a light source. Talanta 62: 143-150. doi: 10.1016/S0039-9140(03)00420-X

Gros N, Vrtačnik M (2005) A small-scale low-cost gas chromatograph. Journal of Chemical Education 82: 291-293. doi: 10.1021/ed082p291

Miller GL (1959) Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar. Analytical Chemistry 31: 426-428.
This article is freely available from the website of the American Chemical Society. See: http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ac60147a030

Zasoby w Internecie

w1 – Aby uzyskać więcej informacji o projekcie, patrz: www.kii2.ntf.uni-lj.si/analchemvoc2/file.php/1/HTML/experiments.htm

w2 – Przyrząd Spektra można zakupić w Laboratorijska tehnika Burnik: www.lt-burnik.si/index.php?newlang=english

w3 – ChemLabS w University of Bristol (www.chemlabs.bris.ac.uk) oferuje pewną liczbę spektrometrów Spektra do wypożyczenia dla nauczycieli, którzy chcieliby wypróbować doświadczenia ze swoimi uczniami lub opracować nowe praktyczne zastosowania. Zainteresowane osoby powinny się skontaktować z Timem Harrisonem (t.g.harrison@bristol.ac.uk).

w4 – Więcej informacji na temat kolorymetrów Mystrica znajduje się na stronie: http://mystrica.com/Colorimeter.aspx. W tym miejscu znajdują się również opisy doświadczeń z wykorzystaniem kolorymetru. Doświadczenia z reakcjami enzymatycznymi wydają się szczególnie interesujące.

Zasoby

Jeżeli zainteresowało Cię to i inne ćwiczenia opisane w niniejszym wydaniu Science in School, tutaj znajdziesz link do naszej kolekcji opublikowanych wcześniej ćwiczeń edukacyjnych: www.scienceinschool.org/teaching

Przegląd

Chemia analityczna w dużym stopniu wykorzystuje anlizę spektrometryczną, jednak profesjonalne przyrządy są kosztowne i przez to mało dostępne dla przeciętnej szkoły w wielu krajach. Niniejsza praca przedstawia spektrometr skonstruowany przez jednego z autorów, który znacznie obniża koszt analiz spektrometrycznych, sprawiając że stają się one dostępne dla każdej szkoły ponadgimnazjalnej. Strona www projektu zawiera szczegółowe opisy doświadczeń szkolnych wykonywanych przy użyciu tego spektrometru, a niniejszy artykuł przedstawia jeden z nich.

Ten artykuł rekomendowałabym jako wprowadzenie do chemii analitycznej nie tylko na lekcjach chemii, ale również biologii i ochrony środowiska, zwłaszcza dla szkół ponadgimnazjalnych, które nie posiadają dobrze wyposażonego laboratorium szkolnego. Przedstawiona koncepcja jest prosta i na tyle przyjazna, aby zachęcić nauczycieli i uczniów do wypróbowania proponowanych doświadczeń oraz opracowania nowych.

Nauczyciele mogliby wykorzystać niniejszy artykuł w dyskusji na temat metodologii spektrometrii i teorii pomiarów spektrometrycznych. Analiza doświadczalna stwarza okazję do matematycznej obróbki danych, łącząc w ten sposób chemię ze statystyką.

Artykuł ten może być również wykorzystany w ćwiczeniach kontrolnych. Na przykład: