Školní měřicí systémy – zkušenosti z výuky na SŠ Petr Šmejkal

Důvody užití instrumentální techniky reflexe stávajícího stavu v praxi i laboratoři použití přístrojů a senzorů ovládaných pomocí PC a podobných zařízení v praxi je běžné vyhodnocování výsledků měření pomocí PC a podobných zařízení je v praxi taktéž běžné

Důvody užití instrumentální techniky demonstrace jevů, které lze jinak demonstrovat obtížně (titrační křivka) a názornější demonstrace některých jevů on-line sledování experimentu, výsledky jsou často ihned dostupné, rychlejší zpracování dat (lepší propojení sledovaného děje a z něj vyplývajících poznatků)

Důvody užití instrumentální techniky motivace, atraktivita PC běžný/atraktivní u studentů setkávají se s podobnými metodami ve svých oblíbených seriálech a televizních programech

Realita „běžné“ SŠ laboratoře k dispozici je obvykle jediná laboratoř realizují se všechny druhy chemií časové problémy pracovního místa bývá nedostatek místa je třeba uklízet – „připravit“ na další hodinu „jiné chemie“ žáci se nechovají k laboratornímu vybavení „v rukavičkách“ chybí laborant žáci se musí s přístrojem naučit zacházet perioda osvojení práce může být dlouhá

Nevýhody běžných přístrojů velikost, nepřenosnost

Nevýhody běžných přístrojů křehkost, citlivost (na náraz, necitlivé zacházení apod.) složitější ovladatelnost složité ovládání přístroj citlivý na dopad

Požadavky pro pohodlné experimentování přiměřené prostorové nároky jednoduché ovládání přístroje jednoduchá údržba robustnost modulární

Vlastnosti těchto řešení malá, lehká, přenosná malé prostorové nároky robustní (tzn. studenti je zatím nerozbili) snadná obsluha (zejména zapojení) lze realizovat obrovské množství úloh (a demonstrovat velké množství jevů) z chemie, fyziky, biologie a dalších předmětů

Princip řešení „datalogger“ nebo počítač, k němu se připojují senzory

Princip řešení připojení přímo k PC

Dotčené obory a možnosti obvykle desítky čidel (50 – 100) fyzika chemie biologie matematika geologie a geografie (zeměpis) a další. lze realizovat a demonstrovat obrovské množství úloh a jevů demonstračně i laboratorně

Čidla Více než 50 senzorů (dle způsobu počítání) Ceník má cca 16 stránek, katalog je „tlustá bichle“ Chemie – cca 15 - 20 vhodných senzorů pH tlak vodivost napětí teplota ISE elektrody (dusičnany, amonné ionty, vápenaté, …) oxid uhličitý kyslík plynný kyslík rozpuštěný Kolorimetr termočlánek turbidimetr čítač kapek, světlo, senzor magnetického pole, Geiger-Müllerův čítač

Zkrácený rozbor vody stanovení obsahu chloridů (ISE, srážecí titrace) kyselinová neutralizační kapacita (pH titrace) zásadová neutralizační kapacita (pH titrace) stanovení obsahu dusitanů (fotometrie) chemická spotřeba kyslíku (redox titrace) pH (pH elektroda) vodivost (vodivostní elektroda) stanovení některých kovů (ISE, redox titrace)

Další možné úlohy: úlohy s teplotním čidlem stanovení tepelné kapacity kalorimetru určení teploty měděného drátu sledování tepelných změn při katalytickém rozkladu peroxidu vodíku

Tlakové čidlo Chemická kinetika Rychlost reakce v závislosti na koncentraci reaktantu Rychlost reakce v závislosti na teplotě Rychlost reakce v závislosti na stavu reaktantu Sledování podstaty chemického děje, vznik plynu při reakci Chemická rovnováha – nalezení rovnovážného stavu a sledování faktorů, které jej ovlivňují Sledování vlivu tlaku na chemické reakce Stavové chování plynů

Úlohy s pH elektrodou závislost pH na přítomnosti CO2 acidobazická titrace silné kyseliny silnou zásadou s potenciometrickou indikací bodu ekvivalence acidobazická titrace slabé trojsytné kyseliny silnou zásadou s potenciometrickou indikací bodu ekvivalence pH barevného přechodu acidobazických indikátorů: thymolová modř bromfenolová modř methylová oranž fenolftalein

pH barevného přechodu indikátoru Bromfenolová modř – oblast přechodu: pH 3,0 – 4,6 provedení: vypracování tabulky přídavků kyseliny v programu MS Excel příprava roztoků podle tabulky, přídavek indikátoru změření pH roztoků porovnání s publikovanými hodnotami

Úlohy s konduktometrickým čidlem vodivost destilované, vodovodní a minerální vody vodivost roztoků NaCl, HCl, NaOH a sacharosy o různých koncentracích sledování kvality vod disociace elektrolytů v roztocích porovnání vodivosti vod a roztoků NaCl, KCl, HCl a NaOH srážecí titrace NaCl s konduktometrickou indikací bodu ekvivalence acidobazická titrace silné kyseliny silnou zásadou s konduktometrickou indikací bodu ekvivalence

Úlohy s fotometrickým čidlem stanovení neznámé koncentrace vzorku metodou kalibrační přímky: Ni(NO3)2 NiSO4 CoCl2 Co(NO3)2 K3[Fe(CN)6] Allura červeň a brilantní modř (potravinářská barviva) Absorbce světla v různě barevných vzorcích

Senzor oxidu uhličitého, kyslíku (plynného i rozpuštěného), ISE elektrody Sledování podstaty chemického děje Sledování přítomnosti plynů i iontů v životním prostředí (Sledování kvality vody) Sledování skleníkového efektu Biochemické pochody organismů – kvašení, dýchání rostlin, savců, …, fotosyntéza Cyklus uhlíku Důkaz plynů a iontů

Úlohy s několika čidly závislost pH na teplotě acidobazická titrace silné kyseliny silnou zásadou s potenciometrickou a konduktometrickou indikací bodu ekvivalence acidobazická titrace slabé dvojsytné kyseliny silnou zásadou s potenciometrickou a konduktometrickou indikací bodu ekvivalence pH a vodivost minerálních vod

Některé zkušenosti žáci nemají problém s ovládáním dataloggeru, zvláště pokud jej ovládají přímo pomocí PC, ovládání samotného dataloggeru již pro některé problémem je (obava, aby jej nerozbili; nechuť hledat něco v menu; snaha příliš nemyslet) Obvykle snadná a nenáročná příprava experimentu Obvykle minimální množství použitých chemikálií Rychlá či okamžitá odezva, obvykle snadná interpretace Žáci se učí číst grafy a lépe je chápou Snadná údržba a obsluha Lze vizualizovat jevy, které lze jinak vizualizovat nelze, a nebo jen obtížně (titrační křivka, koncentrace iontů, …) Obvykle nejsou používány jedovaté látky a chemikálie a nebo v netoxickém množství

Některé zkušenosti pro samostatnou práci – žáci neznají některé fyzikálně-chemické principy a jevy, nemají matematické znalosti a dovednosti, někdy chybí znalosti z chemie („co je to stechiometrie?“, obecně výpočty, ...) a základní dovednosti práce s výpočetní technikou Perioda zvládnutí ovládání software laboratorní cvičení jsou náročná na organizaci – řada problémů nesouvisející s probíraným tématem (technické problémy, konverze dat, příprava roztoků apod.)