Każdy wynik eksperymentalny zaczyna się od wyboru przyrządu. Stół laboratoryjny mieści szkło, które wygląda na zamienne, ale takie nie jest: zlewka i kolba miarowa mogą mieścić po 100 ml, a jednak jedna ma podziałki dla wygody, podczas gdy druga jest skalibrowana na określoną objętość z dokładnością do jednej dziesiątej mililitra. Wiedza o tym, które jest które, i prawidłowe posługiwanie się nimi to różnica między pomiarem a zgadywaniem. W działającym laboratorium to także różnica między rutynową sesją a stłuczoną biuretą, rozlanym odczynnikiem lub oparzeniem chemicznym, dlatego praktyka zawodowa stawia znajomość sprzętu ponad jakąkolwiek procedurą.
Zasada leżąca u podstaw tego rozróżnienia jest prosta i ma charakter ilościowy: każdy przyrząd ma określoną tolerancję błędu, a tolerancja najmniej precyzyjnego przyrządu użytego w procedurze określa precyzję ostatecznego wyniku. Przyrządy dzielą się również w sposób naturalny według przeznaczenia, a nie wyglądu – jedne mierzą wielkość, inne służą jedynie do przechowywania cieczy, inne do jej przenoszenia, kolejne utrzymują inny sprzęt w stanie stabilnym, a jeszcze inne elektronicznie wykrywają właściwości fizyczne. Nauka ich funkcji jest znacznie bardziej przydatna niż zapamiętywanie listy nazw, ponieważ to właśnie funkcja decyduje o tym, jakiego przyrządu wymaga dane doświadczenie.
W tym laboratorium nie ma reakcji do przeprowadzenia ani danych do zebrania. Będziesz systematycznie pracować przy stole laboratoryjnym, lokalizując i podnosząc po kolei każdy przedmiot: butelkę tryskawkową, cylinder miarowy, zlewkę, kolbę stożkową, kolbę miarową, próbówkę, pipetę zakraplającą, łopatkę, szczypce, termometr, pH-metr, szklaną bagietkę, łącznik uniwersalny, linijkę, kątomierz, pojemnik na kwas, stoper, pipetę, szalkę wagową, biuretę i lejek, kończąc na umieszczeniu magnetycznego mieszadełka w zlewce oraz pokrywki na kalorymetrze. Celem jest rozpoznanie i prawidłowa obsługa, aby każde kolejne laboratorium mogło skupić się na nauce, a nie na sprzęcie.
Cele edukacyjne
- Inwentaryzacja standardowego wyposażenia stanowiska roboczego — wymienić po kolei dwadzieścia dwa instrumenty użyte w tej sesji i podać ich pojemność lub skalę, o ile takową posiadają.
- Klasyfikacja według funkcji — posortuj każdy przedmiot do jednej z pięciu grup: instrumenty pomiarowe, naczynia służące wyłącznie do przechowywania, urządzenia transferowe, podpory utrzymujące inny sprzęt oraz czujniki elektroniczne.
- Zrozumienie precyzji i tolerancji — wyjaśnij, dlaczego zlewek o pojemności 100 mL i kolby miarowej o pojemności 100 mL nie można stosować zamiennie, uźródłowione w kolejności malejącej tolerancji względnej przyrządy pomiarowe oraz wskaż, który przyrząd określa precyzję danej procedury.
- Prawidłowe obchodzenie się ze sprzętem delikatnym i precyzyjnym — chwytaj wyroby szklane za korpus, a nie za szyjkę lub końcówkę, trzymaj biuretę pionowo w uchwycie, unikaj dotykania zbiorniczka termometru lub szklanej membrany elektrody pH oraz odkładaj przyrządy w miejscach, z których nie mogą się stoczyć.
- Bezpieczne obchodzenie się z odczynnikiem żrącym — nosić fartuch laboratoryjny, okulary ochronne i rękawice nitrylowe przez cały czas, przenosić pojemnik z kwasem oburącz i nisko nad ławką oraz wiedzieć, gdzie znajduje się sprzęt awaryjny, zanim się go dotknie.
- Organizacja przestrzeni roboczej — rozłóż sprzęt w kolejności, w jakiej będzie używany, utrzymuj blat w czystości od wszystkiego, co nie jest wymagane do procedury, i odkładaj każdy przedmiot na swoje miejsce.
Protokół
- Zlokalizuj butelkę z płynem, a następnie weź ją do ręki.
- Zlokalizuj cylinder miarowy o pojemności 25 ml, po czym weź go do ręki.
- Zlokalizuj zlewkę o pojemności 100 ml, następnie weź ją do ręki.
- Zlokalizuj kolbę stożkową o pojemności 100 mL, a następnie weź ją do ręki.
- Zlokalizuj kolbę miarową o pojemności 100 mL, a następnie weź ją do ręki.
- Zlokalizuj probówkę, a następnie weź ją do ręki.
- Zlokalizuj zakraplacz, a następnie weź go do ręki.
- Znajdź szpatułkę 5 mL, a następnie weź ją do ręki.
- Znajdź szczypce, a następnie weź je do ręki.
- Znajdź termometr, a następnie weź go do ręki.
- Zlokalizuj pH-metr, a następnie weź go do ręki.
- Zlokalizuj szklany pręt, a następnie weź go do ręki.
- Zlokalizuj uniwersalny zacisk, a następnie weź go do ręki.
- Znajdź linijkę 50 cm, następnie weź ją do ręki.
- Znajdź kątomierz, a następnie weź go do ręki.
- Zlokalizuj pojemnik z 1N kwasem solnym, a następnie weź go do ręki.
- Zlokalizuj stoper i uruchom go.
- Zlokalizuj pipetę, a następnie weź ją do ręki.
- Zlokalizuj łódkę wagową, a następnie weź ją do ręki.
- Zlokalizuj biuretę, a następnie weź ją do ręki.
- Zlokalizuj lejek, a następnie weź go do ręki.
- Zlokalizuj mieszadło magnetyczne, weź je do ręki i włóż do zlewki o pojemności 100 ml
- Załóż pokrywę kalorymetru.
Przewidywane wyniki
Ta laboratoria nie wytwarza żadnego pomiaru. To, co powinna wyprodukować, to student, który potrafi nazwać każdy przedmiot na stole, powiedzieć, do czego służy, i określić, jak dalece można mu zaufać. Dwie poniższe tabele ujmują ten rezultat w formie, którą nauczyciel może ocenić.
| Dokument (zlecenie protokołu) | Grupa | Funkcja i punkt obsługi, który ma znaczenie |
|---|---|---|
| Tryskawka | Przelew | Dostarcza skierowany strumień wody destylowanej do płukania szkła i spłukiwania pozostałości do naczynia. Ściskać korpus, nigdy dyszę. |
| Cylinder miarowy (25 mL) | Zmierz | Urządzenie mierzy zakres objętości do około 1 %. Odczyt należy dokonywać na wysokości oczu, na poziomej ławce, patrząc na dno menisku. |
| Zlewka (100 ml) | Zawierać | Przetrzymuje, mieszka i podgrzewa ciecze. Jego podziałka ma charakter orientacyjny i nie należy jej używać do pomiarów. |
| Kolba Erlenmeyera (100 ml) | Zawierać | Stożkowy kształt pozwala na wirowanie bez rozlewania, dlatego miareczkowania są w nim przeprowadzane. Nie jest to naczynie miarowe. |
| Kolba miarowa (100 mL) | Zmierz | Naczynie skalibrowano tak, aby jedna miara odpowiadała około 0,1 %. Napełnij do oznaczenia, zamknij korkiem, a następnie wymieszaj, odwracając naczynie do góry dnem; nigdy nie podgrzewaj zawartości. |
| Probówka | Zawierać | Mieści kilka mililitrów do testu jakościowego lub porównania kolorów. Nwyskalowana. |
| Spuszczacz | Przelew | Dostarcza około 0,05 ml na kroplę, co daje około dwudziestu kropel na mililitr. Trzymaj pionowo i nigdy nie pozwól, aby końcówka dotknęła płynu, do którego jest dodawany. |
| Łopatka | Przelew | Przenosi substancję stałą z naczynia do naczynka wagowego. Chronić przed wilgocią i używać jednej łopatki na odczynnik. |
| Szczypce | Przelew | Podnosi gorące lub zanieczyszczone przedmioty bezdotykowo. Chwyć w pobliżu podstawy przedmiotu i podnieś pionowo. |
| Termometr cyfrowy | Sens | Odczytuje temperaturę, zazwyczaj z dokładnością do 0,1 °C i dokładnością pomiaru bliską 0,5 °C. Zanurz sondę całkowicie w cieczy, nie opierając jej o ściankę naczynia. |
| pH-metr | Sens | Odczytuje pH z dokładnością do około 0,01 jednostki po kalibracji dwupunktowej. Płucz elektrodę między pomiarami i nigdy nie dopuszczaj do wyschnięcia szklanej membrany. |
| Szklany pręt | Przelew | Miesza i kieruje wlewaną cieczą tak, aby spływała po pręcie zamiast przez krawędź. Nie jest termometrem ani dźwignią. |
| Uniwersalny zacisk | Wsparcie | Trzyma na statywie biuretę, termometr lub kolbę. Dokręcić z wyczuciem, aż będzie stabilnie; zbyt mocne dokręcenie powoduje pęknięcie szkła. |
| Linijka (50 cm) | Zmierz | Odczyt z dokładnością do około 0,5 mm z podziałką milimetrową. Odczytywać prostopadle do skali, aby uniknąć błędu paralaksy. |
| Kątomierz | Zmierz | Odczytuje kąt z dokładnością do około 0,5°. Dopasuj linię bazową do jednego ramienia, a znacznik środka do wierzchołka. |
| Pojemnik na kwas (HCl 1 N) | Zawierać | Zawiera żrący odczynnik. Należy go przenosić obiema rękami, trzymać poniżej wysokości ramion i otwierać wyłącznie nad ławką laboratoryjną. |
| Stoper | Zmierz | Rozdziela 0,01 s, ale ludzka reakcja ogranicza ręcznie mierzony interwał do około 0,2 s. Uruchom i zatrzymaj go przy określonym zdarzeniu. |
| Pipeta | Zmierz | Pipeta objętościowa dozuje jedną objętość wynoszącą około 0,2 %. Należy napełniać ją za pomocą gruszki lub pipetora, nigdy ustami, a następnie dotknąć końcówką ścianki naczynia. |
| Naczynko wagowe | Zawierać | Umieść ciało stałe na szalce wagi. Utaruj wagę przed dodaniem czegokolwiek i użyj nowej szalki do każdego odczynnika. |
| Bureta (50 ml) | Zmierz | Dostarcza zmienną objętość, odczytywalną z dokładnością do 0,05 ml. Trzymaj w pionie, odczytaj menisk na wysokości oczu i otwórz kranik z dłonią za nim. |
| Lejek | Przelew | Wprowadza substancję stałą lub ciekłą do wąskiej szyjki bez strat. Należy oprzeć go w szyjce, zamiast trzymać w powietrzu. |
| Mieszadło magnetyczne | Przelew | Znajduje się w naczyniu i jest napędzany przez umieszczone pod nim mieszadło magnetyczne, co zapewnia mieszanie bez użycia rąk. Wyjmij go za pomocą magnesu, a nie poprzez wylewanie cieczy. |
| Kalorymetr i pokrywka | Zawierać | Izolowane naczynie, które ogranicza wymianę ciepła z otoczeniem, dzięki czemu zmianę temperatury można przypisać procesowi zachodzącemu wewnątrz. Pokrywka stanowi część izolacji, a nie osłonę ze względów estetycznych. |
Który instrument mierzy objętość i jak dobrze
| Instrument | Objętość nominalna | Typowa tolerancja | Tolerancja względna | Kalibracja |
|---|---|---|---|---|
| Kolba miarowa | 100 ml | ±0,10 ml | 0.1 % | zawierać (TC) |
| Pipeta objętościowa | 10 ml | ±0,02 ml | 0.2 % | dostarczyć (TD) |
| Bureta | 50 ml | ±0,05 ml na odczyt | 0,2 % pełnego miana | dostarczyć (TD) |
| Cylindryczka miarowa | 25 ml | ±0,25 ml | 1 % | dostarczyć, w przybliżeniu |
| Zlewka | 100 ml | około ±5 ml | 5 % | brak — nie jest to naczynie miarowe |
| kolba Erlenmeyera | 100 ml | około ±5 ml | 5 % | brak — nie jest to naczynie miarowe |
| Spuszczacz | około 0,05 ml na kroplę | nieskalibrowany | — | brak |
Z tabeli wynikają dwa spostrzeżenia. Pierwszym z nich jest zawierać przeciwko dostarczyć: kolba miarowa jest kalibrowana pod kątem objętości, jaką mieści po napełnieniu do znaku, dlatego właśnie w niej przygotowuje się roztwór, podczas gdy pipeta i biureta są kalibrowane pod kątem objętości, jaką wydają, przy czym uwzględniono już warstwę pozostałą na szkle. Użycie jednego przyrządu zamiast drugiego powoduje błąd o wielkości mniej więcej równej deklarowanej tolerancji. Po drugie, podziałka nie oznacza kalibracji. Znaki na zlewce służą temu, by technik mógł z grubsza ocenić, ile znajduje się w jej wnętrzu; traktowanie ich jako pomiaru powoduje utratę precyzji rzędu pięćdziesięciu razy i jest najczęstszym pojedynczym błędem popełnianym w laboratoriach dla początkujących.
Przyrządy elektroniczne mają swoje ograniczenia, które nie są tożsame z rozdzielczością ich wyświetlacza. Termometr cyfrowy z podziałką co 0,1 °C ma zazwyczaj dokładność rzędu około 0,5 °C, więc ostatnia cyfra jest przydatna do śledzenia zmian, ale nie do podawania temperatury bezwzględnej. Miernik pH wskazuje z dokładnością do 0,01 pH, ale jego dokładność zależy od ostatniej dwupunktowej kalibracji, a w ciągu dnia może ulec odchyleniu o kilka setnych. Stoper ma rozdzielczość 0,01 s, jednak ręczne odmierzanie czasu wiąże się z około 0,2 s ludzkiego czasu reakcji, co stanowi dwudziestokrotność jego rozdzielczości — stąd w eksperymentach pomiaru czasu stosuje się bramki czasowe lub długie przedziały czasowe zamiast szybszego stopera. W każdym z tych przypadków rzetelny odczyt jest ograniczony przez dokładność, a nie przez liczbę cyfr na wyświetlaczu.
Podsumowanie zadania według zakresu ocen
Klasy 9–10
- Skupienie: rozpoznawanie, słownictwo i bezpieczne obchodzenie się z nimi.
- Aktywności: znajdź i podnieś każdy przyrząd z protokołu, głośno nazywając każdy z nich; podaj pojemność każdego naczynia laboratoryjnego; posortuj cały blat na pięć grup funkcjonalnych; zidentyfikuj trzy elementy, które są kruche i powiedz, jak należy trzymać każdy z nich; wskaż wyposażenie awaryjne w pomieszczeniu przed rozpoczęciem.
Klasa 11
- Skupienie: uzasadnienie wyboru instrumentu oraz porównanie precyzji.
- Aktywności: Wyjaśnienie, dlaczego do przygotowania roztworu o określonym stężeniu używa się kolby miarowej zamiast zlewki, oraz dlaczego miareczkowanie przeprowadza się w kolbie stożkowej (Erlenmeyera) zamiast w zlewce; uporządkowanie przyrządów objętościowych od najmniej do najbardziej precyzyjnych wraz z podaniem względnej tolerancji każdego z nich; dobranie sprzętu potrzebnego do dwóch opisanych doświadczeń i uzasadnienie każdego wyboru; wyjaśnienie różnicy między przyrządem skalibrowanym na wlewanie (TC) a skalibrowanym na wylewanie (TD).
Klasa 12 / Poziom akademicki
- Skupienie: tolerancje przyrządów i profesjonalne standardy laboratoryjne.
- Aktywności: dla danej procedury wieloetapowej zidentyfikuj, który zestaw przyrządów określa precyzję ostatecznego wyniku; rozróżnij rozdzielczość od dokładności dla termometru, pH-metru i stopera oraz wyjaśnij, dlaczego dodatkowe cyfry nie poprawiają żadnej z nich; opisz, co oznacza certyfikacja klasy A i kiedy jest wymagana; określ, jakiej kalibracji potrzebuje każdy przyrząd elektroniczny i jak często; zaproponuj listę sprzętu wraz z tolerancjami dla zaprojektowanego przez siebie eksperymentu i uzasadnij każdą pozycję.
Podstawowe wyposażenie laboratorium
Instrumenty
- Tryskawka
- Cylinder miarowy (25 mL)
- Zlewka (100 ml)
- Kolba Erlenmeyera (100 ml)
- Kolba miarowa (100 mL)
- Probówka (50 mL)
- Kroplomierz (1 ml)
- Łopatka (5 mL)
- Szczypce
- Termometr cyfrowy
- pH-metr
- Szklany pręt
- Uniwersalny zacisk
- Linijka (50 cm)
- Kątomierz
- Stoper
- Pipeta
- Naczynko wagowe
- Bureta (50 ml)
- Lejek
- Mieszadło magnetyczne
- Kalorymetr z pokrywką
- Fartuch laboratoryjny, okulary ochronne i rękawice nitrylowe
Produkty
- Kwas solny HCl 1 N (równoważny 1,0 mol/l) w pojemniku
- Woda destylowana (w tryskawce)