Ohjeita opettajille ja odotetut tulokset SIVU 1 Aktiviteetti alkaa toimintaan johdattelulla. Tarkoituksena on luoda konteksti oppilaiden tutkimukselle ja tutkimusta ohjaavalle kysymykselle (Boldattuna oppilaiden työohjeessa), johon oppilaat voivat yrittää vastata aktiviteetin päätteeksi Kontekstin tarjoamisen jälkeen esitellään spektroskopian peruskäsitteet. Aloitusvaihe toiminnasta (sivut 1-4) voidaan antaa myös kotitehtävänä ennen laboratoriotyöskentelyä.
SIVU 2 Oppilaat tutustutetaan spektroskopian tuottamiin kuvaajiin. Aallonpituuksien värit on jätetty kuvaan nesteen värin ja absorboidun valon välisen yhteyden ymmärtämisen helpottamiseksi. Ensimmäisessä kysymyksessä oppilaiden tulisi huomata, että koska punaiset aallonpituudet eivät absorboidu, niin nesteen väri on punainen. Opettajan tulee varmistaa, että oppilaat ymmärtävät miten punaisen aallonpituudet heijastuvat silmiimme ja muut aallonpituudet absorboituvat nesteeseen.
SIVU 3 Oppilaiden ymmärryksen arvioimiseksi heitä pyydetään ennustamaan, miltä sinisen nesteen absorbanssi vs. aallonpituus - kuvaaja näyttäisi. Kuvaajan tarkka muoto riippuu kemikaalista, jolla sininen väri on saatu aikaiseksi, mutta oppilaiden tulisi tuottaa suuntaa- antava kuvaaja, jossa absorbanssia ei ole sinisellä aallonpituus alueella. (436-490 nm). Oppilaille voi antaa seuraavia vihjeitä, jos he tarvitsevat apua. Tarjoa vihjeitä yksi kerrallaan, joko annetussa järjestyksessä tai valitsemalla ne, jotka sopivat heidän ongelmiinsa. VIHJEET: Mikä on värin ja valon aallonpituuden välinen yhteys? Mitä kuvaajassa tapahtuu kun valo, jonka aallon pituus on n. 400 nm, kulkee näytteen läpi?
Mustat kappaleet absorboivat kaiken valon ja valkoiset kappaleet heijastavat kaiken valon. Jos kyseinen neste absorboi sinisen valon (n. 400 nm alue), niin minkä se heijastaa ja me näemme? Seuraavaksi oppilailla on mahdollisuus harjoitella asiaa käyttämällä spektrometriä. Oppilaiden työohjeen lopussa on ohjeet Vernier spektrometrin kalibrointiin. Vastaavat ohjeet löytyvät myös muiden spektrometrien manuaaleista. Huom! Opettajan voi olla järkevää tehdä kalibrointi etukäteen, koska spektrometrin lämpiämisessä voi kestää kauankin.
SIVU 4 Oppilaat piirtävät mittausten perusteella saadun todellisen kuvaaja. Opettaja voi painottaa, että vaikka spektrin muoto saattaa olla poikkeava, niin tärkeintä on absorbanssin puuttuminen siniseltä aallonpituusalueelta. Esimerkki kuvaajasta, joka on saatu sinisellä elintarvikevärillä: Huomaa: Jos nesteen väri on liian tumma saattaa se absorboida myös sinisen valon aallonpituuksia. Absorbanssi on kuitenkin merkittävästi pienempi kuin muilla aallonpituuksilla. Oppilaille voidaan kertoa, että kun väri on riittävän tumma, kaikki aallonpituudet absorboituvat. Kyseessä olisi silloin mustan aineen spektri. Seuraavaksi oppilaat tutustutetaan spektrometrian käyttöön kemiallisessa analyysissä alkaen värikkäistä kompleksiyhdisteistä. Esimerkkinä käytetään tetra- ammiinikupari(ii) - ionin kompleksia, koska samaa kompleksia käytetään myös kokeellisessa osiossa. Opettajan tulee varmistaa, että oppilaat ymmärtävät, miten värin intensiteettiä voidaan hyödyntää nesteessä olevan värikkään kompleksiyhdisteen konsentraation selvittämiseen ja miten tätä tietoa voidaan hyödyntää romumetallinäytteen kuparipitoisuuden selvittämiseen.
SIVU 5 Mallinnettaessa todellisia tilanteita laboratoriossa oppilaiden huomio ohjataan takaisin johdatteluvaiheen kysymykseen. Oppilaille esitellään menetelmä, jolla näytteestä voidaan liuottaa kupari ja miten kupari muodostaa värillisen kompleksiyhdisteen ammoniakin kanssa. Ennen työskentelyn aloittamista opettajan tulisi varmistaa, että jokainen ryhmä ymmärtää, miksi koe tehdään. Muistuta oppilaita työskentelyn kontekstista ja kysy, miksi kuparimetallista halutaan tehdä värillinen yhdiste. (Vastaus: värin intensiteettiä voidaan hyödyntää kuparin konsentraation määrittämiseksi liuoksessa. Tämän perusteella voidaan laskea romumetallipalan kuparipitoisuus Ohjeet näyteliuoksen valmistamiseksi: Laboratoriotyöskentelyssä opettajan tulee kiinnittää huomiota työturvallisuuteen. Oppilaiden tulee käyttää suojalaseja ja laboratoriotakkia. Opettaja mittaa väkevän typpihapon, jotta vaihe 2 suoritettaisiin turvallisesti vetokaapissa.
Opettajan tulisi huolehtia syntyneestä jätteestä paikallisten säädösten mukaisesti. Romumetallin sijasta työssä voidaan käyttää messinkistä naulaa. Messinkisen naulan ideaalinen paino on 0,1 g ja sitä voidaan käyttää näytteenä hajottamatta sitä pienempiin osiin. Opettajan tulee valmistaa vaadittava 5%- ammoniakkiliuos etukäteen. Oppilaita tulee ohjeistaa olemaan täsmällisiä mittauksissaan. Tämä vaihe työskentelystä tulee määrittämään miten hyvin kuparin konsentraatio valmistellussa näytteessä kuvaa kuparin määrää romumetallissa. Jos väri ei muutu siniseksi lisää 5% NH 3 ennen liuoksen laimentamista 100ml. Ammoniakkia tulee olla riittävästi, jotta kaikki kupari- ionit voivat muodostaa komplekseja.
SIVU 6 Kokeen suunnitteleminen: Ensimmäisen osan viimeinen vaihe on sellaisen koejärjestelyn suunnitteleminen, jolla voidaan määrittää kuparin määrä romumetallinäytteestä. Tämä tehtävä voidaan antaa myös kotitehtävänä, jolloin osa 2 voidaan toteuttaa seuraavalla tunnilla. Jos koejärjestelyn suunnitteleminen annetaan kotitehtäväksi, voidaan sivulla 5 esitetty työskentely myös jättää seuraavalle tunnille. Tällöin opettajan ei tarvitse säilöä oppilaiden valmistamia nesteitä. Koejärjestelyn suunnitteleminen: Oppilaiden tulisi suunnitellessaan huomata, että näytteiden absorbanssi vs. konsentraatio kuvaajan selvittäminen on hyödyllistä. Oppilaiden tulisi myös ymmärtää, että tarvitaan joitakin näytteitä joiden kupari konsentraatio tunnetaan. Tämä askel saattaa tuottaa hankaluuksia oppilaille. Voit kiinnittää heidän huomionsa Beerin lakiin ja absorbanssin ja konsentraation lineaariseen riippuvuuteen. Älä
kuitenkaan anna tätä tietoa oppilaille antamatta heidän aluksi itsenäisesti pohtia asiaa. Tällöin lahjakkaammilla oppilailla on mahdollisuus keksiä ratkaisu ilman apua Jos oppilaat keksivät, että näytteiden, joiden konsentraatio on tunnettu, avulla voidaan piirtää lineerinen absorbanssin ja konsentraation kuvaaja, johon tuntemattoman konsentraation omaavaa näytettä voidaan verrata, voit kertoa, että tämä on oikea tapa kuparin pitoisuuden selvittämiseksi. Tässä tapauksessa oppilailla on kuitenkin käytössä LoggerPro ohjelma, jonka avulla kuvaaja saadaan selville piirtämättä sitä käsin. Osiossa 2 annetaan ohjeet tämän ohjelman hyödyntämiseksi. Lopulta oppilaiden tulee päättää kuinka monta vertailukohtaa (tetra- ammiinikupari(ii)- ionin kompleksia eri määriä sisältäviä liuoksia) tarvitaan. Mitä enemmän vertailunäytteitä sitä tarkempi kuvaaja. Näitä vinkkejä voit hyödyntää auttaessasi oppilaita koejärjestelyn suunnittelemisessa: Beerin laissa absorbanssin ja konsentraation yhteys on lineaarinen. Jos teette kuvaajan, jossa on absorbanssi ja konsentraatio, niin Ɛ b tulee olemaan saamanne suoran kaltevuus (kulmakerroin)
Voitte käyttää liuoksia joiden kuparipitoisuus tunnetaan absorbanssi- konsentraatio kuvaajan piirtämiseksi. Opettajallanne on teille kaksi liuosta: yksi jonka kuparipitoisuus on 200 mg/l ja toinen jonka pitoisuus 1000 mg/l Tulosten tarkkuus on parempi mitä enemmän tunnetun konsentraation omaamia näytteitä käytetään vertailusuoran määrittämisesksi. Ainakin kahta opettajan antamaa liuosta tulisi käyttää. Huom! Liuoksen vahvuutta on helppo muuttaa lisäämällä vettä. Ohjeet tarvittavien liuosten valmistamiseksi: Oppilaille annettavien vertailuliuosten, joiden tetra- ammiinikupari(ii)- ionin pitoisuudet tunnetaan, valmistaminen ennen oppituntia: Valmista Cu 2+ - liuos ( Liuoksen massakonsentraatio Cu 2+ :lle on 4 g/l) 1. Mittaa 3,143 grammaa CuSO 4 5H 2 O 2. Käytä mittapulloa (200ml) ja liuota kupari(ii)sulfaatti tislattuun veteen, jolloin liuos on valmis.
Voit käyttää yllä olevaa liuosta ja valmistaakseni kaksi vertailuliuosta oppilaille annettavaksi. Vahva kupariliuos (1000 mg/l) 1. Mittaa 25 ml:aa 5% NH 3 - liuosta 100 ml mittapulloon. 2. Mittaa 2 ml of väkevää typpihappoa samaan mittapulloon. 3. Mittaa 25 ml:aa Cu 2+ - liuosta (4 g/l) samaan pulloon. 4. Täytä mittapullo 100ml:n merkkiin asti tislatulla vedellä Heikko kupariliuos (200 mg/l) 1. Mittaa 25 ml:aa 5% NH 3 liuosta 100 ml:an mittapulloon 2. Mittaa 2 ml:aa väkevää typpihappoa samaan pulloon 3. Mittaa 5 ml:aa Cu 2+ - liuosta (4 g/l) samaan pulloon 4. Täytä mittapullo 100ml merkkiin asti tislatulla vedellä Riippuen siitä, kuinka monta vertailuliuosta oppilaat haluavat tehdä voit helposti laimentaa vahvempaa kupariliuosta. Esimerkiksi 500 mg/l:n massakonsentraatiolla varustettu vertailuliuos valmistettaisiin seuraavasti: 1. Mittaa 25 ml:aa vahvempaa kupariliuosta (1000 mg/l) 50 ml:an mittapulloon.
2. Täytä mittapullo 50ml:n merkkiin asti tislatulla vedellä. Jokainen ryhmä tarvitsee vain Yhden kyvetillisen vertailuliuoksia)