Smartfony w laboratorium: jak głęboki jest Twój odcień niebieskiego?

Kiedy miedź zostanie rozpuszczona w wodnym rozpuszczalniku kwasu azotowego, rozpuszczalnik zmienia kolor na niebieski. Im więcej dodamy miedzi, tym bardziej intensywny otrzymamy kolor. Ale w jaki sposób możemy dowiedzieć się ile miedzi zostało użytej patrząc tylko na kolor?

Ludzie wiedzą, że kiedy rozcieńczymy zabarwiony syrop, staje się on jaśniejszy. Dzieje się tak, ponieważ absorbcja światła, która wytwarza kolor jest proporcjonalna do stężenia rozpuszczonego barwnika (według prawa Lamberta-Beera). W tym ćwiczeniu uczniowie w wieku 13-18 lat badają powyższe prawo przy użyciu darmowej aplikacji na smartfony, która dopasowuje kolor.

Ćwiczenie to jest dostosowane do lekcji chemii, ale może być także zmodyfikowane pod lekcje matematyki. Ćwiczenie dostarcza studentom możliwość praktykowania różnych metod naukowych. Muszą odpowiedzieć na pytanie – ile miedzi rozpuścił nauczyciel? Następnie muszą zdecydować, którą metodę wybrać przed wykonaniem pomiarów, zebraniem danych, zorganizowaniem tych danych w tabeli i tworzeniem wykresu by oszacować ilość rozpuszczonej miedzi.

Tutaj proponujemy cztery różne protokoły:

• Klasyczny protokół w formie „książki kucharskiej”, który dostarcza szczegóły na temat sposobu realizacji.
• Protokół dla lekcji matematyki, w którym wszystkie roztwory zostały przygotowane z wyprzedzeniem; uczniowie tylko wykonują pomiary i przedstawiają analizy.
• Otwarty protokół, w którym uczniowie otrzymują niewielką ilość informacji i pytanie, na które muszą odpowiedzieć.
• Protokół współpracy, który sugeruje współpracę pomiędzy szkołami.

Protokół chemicznej „książki kucharskiej”

Nauczyciel lub technik musi przygotować roztwór miedzi o nieznanym stężeniu na co najmniej dzień z wyprzedzeniem (spójrz w ramkę). Po przygotowaniu, uczniowie pracują podczas ćwiczeń, które powinny trwać około 1.5 godziny.

Tworzenie roztworu miedzi o nieznanym stężeniu

Uwaga dotycząca bezpieczeństwa

Kwas azotowy (HNO₃) jest żrący, więc zaleca się używanie rękawiczek, okularów oraz wyciągu laboratoryjnego.  Podczas reakcji miedź wytwarza ogromną ilość gazów toksycznych, więc należy użyć wyciąg laboratoryjny na co najmniej dzień przed.

Materiały

• 1.5-3.5g czystej miedzi
• 7.5-17.5 cm³ 65% HNO₃
• Woda destylowana
• 50 cm³ zlewka
• 100 cm³ kolba

Procedury

1. Weź pomiędzy 1.5g a 3.5g czystej miedzi (zwróć uwagę na dokładną masę, m_(Cu)).
2. Wlej 5m_(Cu) cm³ 65% HNO₃ do zlewki o pojemności 50 cm³ (np. jeżeli weźmiesz 2g miedzi, użyj 5 x 2 = 10 cm³ kwasu azotowego).
3. Dodaj miedź (stopniowo jeżeli jest w formie proszku), zamknij wyciąg laboratoryjny i czekaj do momentu, gdy cała miedź zostanie rozpuszczona.
4. Po całkowitym rozpuszczeniu miedzi, dodawaj kroplami do 30 cm³ wody,  następnie przelej roztwór do kolby o pojemności 100 cm³, rozcieńcz z wodą do 100 cm³, zamknij  kolbę i starannie wymieszaj.

Stwórz skalę odniesienia

Materiały

• 30g uwodnionego azotanu miedzi (Cu(NO₃)₂∙3H₂O)
• Woda destylowana
• Trzy kolby o pojemności 100 cm³

Procedury

1. Oznacz kolby numerami 1, 2 i 3.
2. Weź kolby i dodaj odpowiednio 5, 10 i 15g Cu(NO₃)₂∙3H₂O. Oblicz dokładną masę miedzi w każdej kolbie m₁, m₂ i m_3.
3. Dodawaj wody, aż uzyskasz pojemność 100 cm³; zamknij kolby i starannie wymieszaj. W ten sposób stworzy się skalę 1, 2 i 3.

Uwaga: Możesz także zastąpić Cu(NO₃)₂∙3H₂O, który jest wrażliwy na wilgoć, uwodnionym siarczanem miedzi (CuSO₄·5H₂O – nie zmieniaj ilości) lub bezwodnym CuSO₄ (w tym przypadku użyj około 3.3 g, 6.6 g i 10 g).

Zmierz wartość H za pomocą smartfona

Materiały

• 

  Kolby 1-3 (z powyższej procedury „Stwórz skalę odniesienia”)
• Smartfon z zainstalowaną aplikacją Color Grab (na telefony z systemem android) lub ColorAssist Free Edition (na telefony z systemem iOS)
• Duży arkusz białego papieru
• Ołówek

Procedury

1. Połóż kolbę nr 1 na białym arkuszu papieru (papier powinien przylegać do pionowego wspornika tak, żeby tworzył białą bazę i tło) i użyj ołówka by zaznaczyć dokładną pozycję kolby na papierze.
2. Ustaw swój smartfon na stole tak, aby centralny punkt kamery wskazywał na najszerszą część kolby (kąt widzenia powinien być w poziomie).
   Dystans pomiędzy tłem, a kolbą powinien wynosić około 4 cm i pomiędzy smartfonem, a kolbą około 14 cm.
3. Użyj aplikacji na telefonie by odczytać wartość H (model barw HSV lub HSL, który jest wyjaśniony dalej w artykule) i zanotuj.
4. Powtórz czynności dla kolby nr 2 i 3 używając tej samej geometrii.

Rozpoznanie nieznanego roztworu

1. Użyj wartości m₁, m₂, i m₃ wyliczonych wcześniej by sporządzić wykres wartości H w zależności od masy miedzi. Wartość H jest proporcjonalna do stężenia substancji rozpuszczonej, więc wykres powinien być w linii prostej.
2. Używając powyższego protokołu, zmierz wartość H nieznanego roztworu.
3. Użyj wykresu by określić masę miedzi w nieznanym roztworze miedzi.

Protokół dla lekcji matematyki

Nauczyciel tworzy cztery roztwory z wyprzedzeniem jak powyżej i oznacza skalę odniesienia kolb z dokładną masą czystej miedzi na kolbach. Sprzęt, który studenci będą prawdopodobnie potrzebować lub o który poproszą by przeprowadzić uczciwy test powinien być przygotowany.

Procedura

1. Zainstaluj na telefonie jedną z aplikacji wcześniej wymienionych i znajdź najlepszy sposób by zmierzyć kolor. Spróbuj dowiedzieć się, jak wstrzymać pomiar i jak korzystać z lampy błyskowej smartfona by wspomóc się przy pomiarach.
2. Zmierz wartość H w roztworze we wszystkich trzech kolbach oznaczonych masą miedzi jaką zawierają.
3. Narysuj wykres zależności wartości H od masy miedzi. Im więcej miedzi zawiera roztwór tym ciemniejsza barwa.
4. Czwarta kolba zawiera nieznaną masę miedzi. Zmierz wartość H roztworu i użyj wykresu by wykazać masę miedzi w kolbie.

Otwarty protokół

Poproś uczniów by zainstalowali aplikację i powiedz jak działa. Daj uczniom trzy kolby z masą miedzi napisaną na kolbach i poproś by obmyślili uczciwy test by określić masę miedzi w czwartej kolbie używając wartości H.

Opcja współpracy

Uczniowie kontynuują eksperyment, a także używają smartfonów by nagrać film, który wyjaśnia jak go wykonać. Nagranie wysyłamy innej klasie (w tej samej szkole lub międzynarodowo), która powinna działać zgodnie z tym samym protokołem.

Jak działa aplikacja

Aplikacje rozpoznające kolory używają kamery by zmierzyć i wykazać wartość koloru w odniesieniu do określonych modelów (np. RGB, HSV, LAB). Może być także przydatna, gdy chcesz kupić  farbę o określonym kolorze: możesz zmierzyć wartość koloru używając do tego smartfona i poprosić o farbę o takim samym kolorze w sklepie.

Najczęściej używanym modelem jest RGB (na przykład w taki sposób kolory są wyrażane na ekranie komputera), jednak te wartości nie są powiązane z długością fali koloru. Zamiast tego system RGB wykorzystuje tylko jedną długość fali każdego podstawowego koloru. Wartość odcienia (H) w modelu HSV lub HSL rozróżnia odcienie niebieskiego (granatowy, niebieski denim, chabrowy, itp). Ta wartość może być stosowana zamiast absorpcji w pewnym zakresie stężeń.

Mimo, że nie wypróbowaliśmy tego, uważamy że procedury mogą być zastosowane z innymi barwionymi roztworami (np. nadmanganian potasu lub roztwór barwnika spożywczego). Należałoby określić zakres stężeń, dla których wartość H jest proporcjonalna do stężenia roztworu.

Próbowaliśmy wykorzystać tę procedurę w dobrze znanym eksperymencie dotyczącym barw czerwonej kapusty, ale niestety nie zadziałało, ponieważ długości fal różnych barw czerwonej kapusty nie zmieniają się liniowo z pH. Aplikacja nie była nawet w stanie rozróżnić barwy w zakresie pH od 3 do 10, a zatem była w stanie jedynie podać nam podstawowe barwy czerwonej kapusty (różowy, fioletowy, zielony lub żółty), z którego możemy wywnioskować zakres możliwych wartości pH. Zwykle wykonujemy to na oko, więc nie ma sensu używania smartfona w tym celu.

Podziękowanie

Ta działalność została opracowana przez Science on Stage i opublikowana w zbiorze artykułów na temat używania smartfonów w nauczaniu przedmiotów ścisłych, iStage 2^w1. Podczas warsztatów w Wiedniu, w Austrii - a później poprzez wiadomości e-mail i internetowe platformy służące do nauki - 20 nauczycieli z 14 krajów europejskich pracowało wspólnie w celu opracowania 11 jednostek dydaktycznych, które pokazują jak używać smartfonów i aplikacje w zakresie klas z matematyki, fizyki, chemii lub biologii.

iStage 2 dostarcza unikalne streszczenia praktycznych przykładów z całej Europy jak wprowadzać smartfony do codziennych zajęć. Prospekt jest drugą publikacją serii iStage, która dotyczy nowych mediów cyfrowych w zakresie edukacji w dziedzinie nauki, technologii, inżynierii i matematyki. Dostępne online lub w wersji papierowej w języku angielskim i niemieckim, finansowane przez SAP. Prospekt można również pobrać jako iBook czy to w wersji online czy papierowej.