Jedes experimentelle Ergebnis beginnt mit der Wahl des Geräts. Auf einer Laborbank stehen Glaswaren, die austauschbar aussehen, es aber nicht sind: Ein Becherglas und ein Messkolben fassen zwar beide 100 ml, aber das eine hat Skalierungen aus Gründen der Bequemlichkeit, während das andere auf ein einziges Volumen auf ein Zehntel Milliliter genau kalibriert ist. Zu wissen, was was ist, und jedes richtig zu handhaben, macht den Unterschied aus zwischen einer Messung und einer Schätzung. In einem funktionierenden Labor ist es zudem der Unterschied zwischen einer routinemäßigen Sitzung und einer zerbrochenen Bürette, einem verschütteten Reagenz oder einer Verätzung, weshalb die berufliche Praxis die Vertrautheit mit den Geräten vor jede Prozedur stellt.
Das Prinzip hinter der Unterscheidung ist einfach und quantitativ: Jedes Instrument hat eine Toleranz, und die Toleranz des ungenauesten Instruments, das in einem Verfahren verwendet wird, bestimmt die Präzision des Endergebnisses. Instrumente sortieren sich auch von Natur aus eher nach Zweck als nach Aussehen – einige messen eine Menge, einige enthalten nur eine Flüssigkeit, einige übertragen sie, einige halten andere Geräte fest und einige erfassen eine physikalische Eigenschaft elektronisch. Sie nach ihrer Funktion zu lernen ist weitaus nützlicher als das Auswendiglernen einer Liste von Namen, da es die Funktion ist, die entscheidet, welches Instrument ein bestimmtes Experiment erfordert.
Dieses Labor hat keine Reaktion durchzuführen und keine Daten zu erheben. Sie arbeiten den Arbeitstisch systematisch ab, indem Sie nacheinander jeden Gegenstand lokalisieren und aufnehmen: die Spritzflasche, den Messzylinder, das Becherglas, den Erlenmeyerkolben, den Messkolben, das Reagenzglas, die Tropfpipette, den Spatel, die Tiegelzange, das Thermometer, das pH-Meter, den Glasstab, die Universalmuffe, das Lineal, den Geodreieck, den Säurebehälter, die Stoppuhr, die Pipette, das Wägeschiffchen, die Bürette und den Trichter, und schließen ab, indem Sie einen Magnetrührstab in das Becherglas und den Deckel auf das Kalorimeter legen. Das Ziel ist das Erkennen und die korrekte Handhabung, damit es in jedem folgenden Labor um die Wissenschaft statt um die Ausrüstung gehen kann.
Bildungsziele
- Erkennung des Standard-Bankinventars — benennen Sie jedes der zweiundzwanzig in dieser Session verwendeten Instrumente beim Anblick und geben Sie, sofern vorhanden, dessen Kapazität oder Tonumfang an.
- Klassifizierung nach Funktion — Ordnen Sie jeden Gegenstand einer der folgenden fünf Gruppen zu: Messinstrumente, Behälter, die lediglich zur Aufnahme dienen, Vorrichtungen zur Übertragung, Halterungen für andere Geräte und elektronische Sensoren.
- Präzision und Toleranz verstehen — erklären Sie, warum ein 100-ml-Becherglas und ein 100-ml-Messkolben nicht austauschbar sind, ordnen Sie die volumetrischen Geräte nach relativer Toleranz und identifizieren Sie, welches Gerät die Präzision eines gegebenen Verfahrens bestimmt.
- Korrekter Umgang mit empfindlichen und präzisen Geräten — fassen Sie Glasgeräte am Körper statt am Hals oder an der Spitze an, halten Sie eine Bürette in ihrer Klemmeinrichtung senkrecht, vermeiden Sie es, das Thermometergefäß oder die Glasmembran einer pH-Elektrode zu berühren, und legen Sie Instrumente so ab, dass sie nicht wegrollen können.
- Sicherer Umgang mit einem korrosiven Reagenz — tragen Sie durchgehend einen Klabormantel, eine Schutzbrille und Nitrilhandschuhe, tragen Sie einen Säurebehälter mit beiden Händen und nahe an der Werkbank, und wissen Sie, wo sich die Notfallausrüstung befindet, bevor Sie diese berühren.
- Organisation des Arbeitsplatzes — legen Sie die Ausrüstung in der Reihenfolge aus, in der sie verwendet wird, halten Sie die Werkbank frei von allem, was für den Ablauf nicht erforderlich ist, und legen Sie jeden Gegenstand an seinen Platz zurück.
Protokoll
- Ort die Waschflasche, dann nimm sie in die Hand.
- Suchen Sie den 25-ml-Messzylinder, nehmen Sie ihn dann in die Hand.
- Den 100-ml-Becher lokalisieren und dann in die Hand nehmen.
- Lokalisieren Sie den 100-ml-Erlenmeyerkolben und nehmen Sie ihn dann in die Hand.
- Suchen Sie den 100-mL-Messkolben und nehmen Sie ihn dann in die Hand.
- Finde das Reagenzglas, dann nimm es in die Hand.
- Finde den Tropfer und nimm ihn in die Hand.
- Suchen Sie den 5-ml-Spatel, nehmen Sie ihn dann in die Hand.
- Finden Sie die Zange, dann nehmen Sie sie zur Hand.
- Finden Sie das Thermometer und nehmen Sie es dann in die Hand.
- Finde das pH-Messgerät, dann nimm es in die Hand.
- Finde den Glasstab und nimm ihn dann in die Hand.
- Lokalisiere die Universalhalterung, dann nimm sie in die Hand.
- Lokalisieren Sie das 50-cm-Lineal und nehmen Sie es dann in die Hand.
- Finden Sie das Geodreieck, dann nehmen Sie es in die Hand.
- Identifizieren Sie den Behälter mit 1N Salzsäure, nehmen Sie ihn dann in die Hand
- Finde die Stoppuhr und starte sie.
- Finden Sie die Pipette und nehmen Sie sie dann in die Hand.
- Suchen Sie die Wägeschale, nehmen Sie sie dann in die Hand.
- Suchen Sie die Bürette, nehmen Sie sie dann in die Hand.
- Finde den Trichter, dann nimm ihn in die Hand.
- Ort den Magnetrührfisch, nimm ihn in die Hand und setze ihn in den 100 ml Becher ein.
- Setzen Sie den Deckel auf den Kalorimeter.
Erwartete Ergebnisse
In diesem Labor werden keine Messungen durchgeführt. Das Ziel ist es vielmehr, dass die Studierenden jeden Gegenstand auf dem Labortisch benennen, dessen Zweck erklären und angeben können, inwieweit man sich auf ihn verlassen kann. Die beiden folgenden Tabellen stellen dieses Ergebnis in einer Form dar, die von Lehrkräften bewertet werden kann.
| Instrument (Reihenfolge im Protokoll) | Gruppe | Funktion und der entscheidende Handhabungspunkt |
|---|---|---|
| Waschflasche | Überweisung | Gibt einen gerichteten Strahl destillierten Wassers ab, um Glasgeräte zu spülen und Rückstände in ein Gefäß zu spülen. Drücken Sie den Körper zusammen, niemals die Düse. |
| Messzylinder (25 ml) | Messen | Misst einen Volumenbereich bis etwa 1 %. Lesen Sie den unteren Rand des Meniskus auf Augenhöhe auf einer ebenen Arbeitsfläche ab. |
| Becherglas (100 mL) | Enthalten | Hält, mischt und erhitzt Flüssigkeiten. Seine Skalierung ist nominal und darf nicht als Messung verwendet werden. |
| Erlenmeyerkolben (100 ml) | Enthalten | Der konische Körper ermöglicht das Verwirbeln ohne Verschütten, weshalb Titrationen darin durchgeführt werden. Es handelt sich nicht um ein Messgefäß. |
| Messkolben (100 ml) | Messen | Kalibriert auf ein Volumen von etwa 0,1 %. Bis zur Markierung füllen, verschließen und anschließend durch Umdrehen mischen; niemals erhitzen. |
| Reagenzglas | Enthalten | Fasst wenige Milliliter für einen qualitativen Test oder einen Farbvergleich. Unkalibriert. |
| Tropfen | Überweisung | Gibt pro Tropfen etwa 0,05 ml ab, das sind etwa zwanzig Tropfen pro Milliliter. Halten Sie die Pipette senkrecht und achten Sie darauf, dass die Spitze niemals die Flüssigkeit berührt, in die sie entnimmt. |
| Spatel | Überweisung | Verlegt einen Feststoff aus seinem Behälter in eine Waagschale. Halten Sie den Spatel trocken und verwenden Sie für jedes Reagenz einen eigenen Spatel. |
| Zange | Überweisung | Hebt heiße oder verunreinigte Gegenstände berührungslos an. Greifen Sie den Gegenstand nahe der Basis und heben Sie ihn senkrecht an. |
| Thermometer (digital) | Sinn | Misst die Temperatur, in der Regel auf 0,1 °C genau, mit einer Genauigkeit von etwa 0,5 °C. Tauchen Sie die Sonde vollständig in die Flüssigkeit ein, ohne sie an die Wand des Behälters anzulegen. |
| pH-Messgerät | Sinn | Nach einer Zweipunktkalibrierung misst das Gerät den pH-Wert auf etwa 0,01 Einheiten genau. Spülen Sie die Elektrode zwischen den Proben und lassen Sie die Glasmembran niemals austrocknen. |
| Glasstab | Überweisung | Rührt um und leitet eine eingegossene Flüssigkeit so, dass sie an der Stange herunterläuft statt über den Rand. Es handelt sich weder um ein Thermometer noch um einen Hebel. |
| Universalklemme | Unterstützung | Dient zur Befestigung einer Bürette, eines Thermometers oder eines Kolbens auf einem Ständer. Festziehen, bis die Verbindung fest sitzt, aber nicht weiter; zu festes Anziehen führt zum Zerbrechen des Glases. |
| Lineal (50 cm) | Messen | Liest die Länge mit Millimeter-Teilungen auf etwa 0,5 mm ab. Rechtwinklig zur Skala ablesen, um Parallaxe zu vermeiden. |
| Winkelmesser | Messen | Liest einen Winkel auf etwa 0,5° genau ab. Richten Sie die Grundlinie an einem Arm und die Mittelmarkierung am Scheitelpunkt aus. |
| Säurebehälter (HCl 1 N) | Enthalten | Enthält das korrosive Reagenz. Tragen Sie es mit beiden Händen, halten Sie es unter Schulterhöhe und öffnen Sie es nur über der Werkbank. |
| Stoppuhr | Messen | Löst in 0,01 s auf, aber die menschliche Reaktion beschränkt ein handgestopptes Intervall auf etwa 0,2 s. Starten und stoppen Sie es bei einem definierten Ereignis. |
| Pipette | Messen | Eine Volumenpipette gibt ein Volumen von etwa 0,2 % ab. Füllen Sie die Pipette mit einem Saugball oder einem Pipettierer – niemals mit dem Mund – und streichen Sie die Spitze an der Gefäßwand ab. |
| Wägeschale | Enthalten | Hält einen Feststoff auf der Waagschale. Tarieren Sie sie, bevor Sie etwas hinzufügen, und verwenden Sie für jedes Reagenz eine neue. |
| Bürette (50 mL) | Messen | Liefert ein variables Volumen, ablesbar auf 0,05 ml. Senkrecht halten, den Meniskus in Augenhöhe ablesen und den Hahn mit der Hand dahinter öffnen. |
| Trichter | Überweisung | Leiten Sie einen Feststoff oder eine Flüssigkeit ohne Verlust in einen engen Hals. Stützen Sie ihn im Hals ab, anstatt ihn in der Luft zu halten. |
| Magnetrührstab | Überweisung | Es befindet sich im Gefäß und wird von dem darunterliegenden Magnetrührer angetrieben, was ein berührungsloses Mischen ermöglicht. Entnehmen Sie es mit einem Magneten, nicht durch Ausgießen der Flüssigkeit. |
| Kalorimeter und Deckel | Enthalten | Ein isoliertes Gefäß, das den Wärmeaustausch mit dem Raum begrenzt, sodass eine Temperaturänderung dem Prozess im Inneren zugeschrieben werden kann. Der Deckel ist Teil der Isolierung, keine Abdeckung für die Ordnung. |
Welches Instrument misst ein Volumen und wie gut
| Instrument | Nennvolumen | Typische Toleranz | Relative Toleranz | Kalibrierung |
|---|---|---|---|---|
| Messkolben | 100 ml | ±0,10 mL | 0.1 % | enthalten (E) |
| Vollpipette | 10 ml | ±0,02 ml | 0.2 % | liefern |
| Bürette | 50 ml | ±0,05 mL pro Ablesung | 0,2 % eines vollen Titers | liefern |
| Messzylinder | 25 mL | ±0,25 ml | 1 % | liefern, ungefähr |
| Becher | 100 ml | etwa ±5 mL | 5 % | kein — kein Messgefäß |
| Erlenmeyerkolben | 100 ml | etwa ±5 mL | 5 % | kein — kein Messgefäß |
| Tropfen | ca. 0,05 ml pro Tropfen | unkalibriert | — | keiner |
Aus der Tabelle ergeben sich zwei Unterscheidungen. Die erste ist enthalten gegen liefernEin Messkolben ist für das Volumen zertifiziert, das er enthält, wenn er bis zu seiner Markierung gefüllt ist, sodass in ihm eine Lösung angesetzt wird, während eine Pipette und eine Bürette für das Volumen zertifiziert sind, das sie abgeben, wobei der auf dem Glas zurückbleibende Film bereits berücksichtigt ist. Die Verwendung des einen als das andere führt zu einem Fehler von etwa derselben Größe wie die beanspruchte Toleranz. Der zweite Punkt ist, dass Graduierungen keine Kalibrierung bedeuten. Die Markierungen eines Becherglases sind dazu da, dass ein Techniker ungefähr sehen kann, wie viel sich darin befindet; sie als Messung zu betrachten, verschenkt einen Faktor von fünfzig an Präzision und ist der häufigste Einzelfeldsfehler in einem Anfängerlabor.
Die elektronischen Instrumente haben ihre eigenen Grenzen, und diese sind nicht dasselbe wie ihre Anzeigeauflösung. Ein digitales Thermometer, das 0,1 °C anzeigt, ist typischerweise auf etwa 0,5 °C genau, sodass die letzte Ziffer nützlich ist, um eine Änderung zu verfolgen, aber nicht, um eine absolute Temperatur anzugeben. Ein pH-Meter zeigt zwar 0,01 pH an, ist aber nur so gut wie seine jüngste Zwei-Punkt-Kalibrierung und driftet innerhalb eines Tages um einige Hundertstel ab. Eine Stoppuhr löst 0,01 s auf, dennoch birgt ein handgestopptes Intervall etwa 0,2 s menschliche Reaktionszeit, was dem Zwanzigfachen ihrer Auflösung entspricht – der Grund, warum bei Zeitmessungs-Experimenten Lichtschranken oder lange Intervalle anstelle einer schnelleren Stoppuhr verwendet werden. In jedem Fall wird der verlässliche Messwert durch die Genauigkeit begrenzt und nicht durch die Anzahl der Ziffern auf dem Display.
Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen
9. bis 10. Klasse
- Fokus Erkennung, Wortschatz und sicherer Umgang.
- Aktivitäten: Lokalisieren und nehmen Sie jedes Instrument im Protokoll auf und benennen Sie jedes einzelne laut; nennen Sie das Volumen jedes Glaswarenstücks; sortieren Sie den gesamten Tisch in die fünf Funktionsgruppen; identifizieren Sie die drei zerbrechlichen Gegenstände und sagen Sie, wie jeder gehalten werden sollte; weisen Sie vor Beginn auf die Notfallausrüstung im Raum hin.
11. Klasse
- Fokus Begründung der Instrumentenwahl und Vergleich der Präzision.
- Aktivitäten: Ein Messkolben wird anstelle eines Becherglases zur Herstellung einer Lösung mit einer bestimmten Konzentration verwendet, da er ein einziges, exakt definiertes Volumen bei einer bestimmten Temperatur (in der Regel 20 °C) mit sehr hoher Genauigkeit misst, während Bechergläser nur grobe Schätzungen des Volumens ermöglichen. Eine Titration wird in einem Erlenmeyerkolben (Erlenmeyerkolben) statt in einem Becherglas durchgeführt, da die konische Form des Kolbens das kräftige Schwenken der Mischung ohne Verschütten der Flüssigkeit ermöglicht, wodurch der Indikatorverlust minimiert wird. Rangfolge der volumetrischen Instrumente von der geringsten zur höchsten Präzision (ungefähre relative Toleranzen in Klammern): 1. Becherglas (ca. ± 5 % bis 10 %) 2. Messzylinder (ca. ± 1 % bis 2 %) 3. Messkolben (ca. ± 0,05 % bis 0,2 %) 4. Vollpipette / Bürette (ca. ± 0,02 % bis 0,1 %) [Geräteauswahl für beschriebene Experimente und deren Begründung entfällt, da keine Experimente beschrieben wurden.] Der Unterschied zwischen einem Gerät, das zum Enthalten kalibriert ist (TC = "to contain", z. B. Messkolben), und einem Gerät, das zum Abgeben kalibriert ist (TD = "to deliver", z. B. Vollpipette oder Bürette), liegt darin, dass ein TC-Gerät das genaue Volumen enthält, das sich im Inneren befindet (wobei der an den Wänden verbleibende Restfilm berücksichtigt ist), während ein TD-Gerät so kalibriert ist, dass es das genaue Volumen abgibt, das aus ihm herausfließt (wobei der natürliche, minimale Restfilm in der Spitze bereits einkalkuliert ist).
12. Klasse / College-Niveau
- Fokus Instrumententoleranzen und professionelle Laborstandards.
- Aktivitäten: Für ein gegebenes mehrstufiges Verfahren ist zu ermitteln, welches Instrument die Präzision des Endergebnisses bestimmt; die Auflösung ist von der Genauigkeit für das Thermometer, das pH-Meter und die Stoppuhr zu unterscheiden, und es ist zu erklären, warum zusätzliche Ziffern keine der beiden verbessern; es ist zu beschreiben, was eine Klass-A-Zertifizierung bedeutet und wann sie erforderlich ist; es ist anzugeben, welche Kalibrierung jedes elektronische Instrument benötigt und wie oft; es ist eine Ausrüstungsliste mit Toleranzen für ein selbst entworfenes Experiment vorzuschlagen und jeder Eintrag ist zu rechtfertigen.
Labor-Grundausstattung
Instrumente
- Waschflasche
- Messzylinder (25 ml)
- Becherglas (100 mL)
- Erlenmeyerkolben (100 ml)
- Messkolben (100 ml)
- Reagenzglas (50 mL)
- Pipette (1 ml)
- Spatel (5 ml)
- Zange
- Digitalthermometer
- pH-Messgerät
- Glasstab
- Universalklemme
- Lineal (50 cm)
- Winkelmesser
- Stoppuhr
- Pipette
- Wägeschale
- Bürette (50 mL)
- Trichter
- Magnetrührstab
- Kalorimeter mit Deckel
- Labormantel, Schutzbrille und Nitrilhandschuhe
Produkte
- Salzsäure HCl 1 N (entspricht 1,0 mol/L), in ihrem Behälter
- Destilliertes Wasser (in der Spritzflasche)