Oznaczenie stężenia niebieskiego barwnika spożywczego przy pomocy spektrometru i krzywej kalibracyjnej

Informacje dla osób przygotowujących zajęcia laboratoryjne dla szkół.

1. Prezentowane ćwiczenie zostało sprawdzone zarówno w laboratoriach szkolnych jaki w laboratoriach uniwersyteckich z dobrym wynikiem.
2. Ramy czasowe: Na wykonanie trzeba przeznaczyć co najmniej 60 minut (tylko uzdolnieni uczniowie, którzy wcześniej mieli do czynienia z biuretą, lub studenci pierwszych lat). Optymalny czas dla uczniów (11-16 lat), którzy potrafią już posługiwać się wykresami wynosi 90 minut, a dla pozostałych uczniów 120 minut (dłuższy czas niezbędny na zapoznanie się z zasadami pracy z kolbami miarowymi i biuretami oraz przygotowywaniem wykresów).
3. W przypadku młodszych uczniów, lub uczniów mających trudności w przygotowywaniu wykresów, wskazane byłaby praca z gotową, przygotowaną wcześniej, krzywą kalibracyjną. Na jej podstawie uczniowie mogliby przygotować własną krzywą, lub użyć jej bezpośrednio do wyznaczenia nieznanego stężenia.
4. Uczniów najlepiej zapoznać z obsługą spektrometru podczas pracy w niewielkich grupach nad przygotowaniem ich pierwszego roztworu. Nie należy przeciążać ich tymi informacjami na początku.
5. W razie dysponowania odpowiednio długim czasem, można przedstawić uczniom 'reakcję zegarową', aby zademonstrować intensywność barwy. Za naczyniem reakcyjnym należy umieścić latarkę, aby podkreślić zmiany absorbancji wynikające ze zmiany stężenia.
6. Jeżeli czas na to pozwala, wskazane jest również przedyskutowanie błędów związanych z pracą eksperymentalną.
   

Reakcja zegarowa

Do wykorzystania jako ćwiczenie wprowadzające

Zachowaj właściwe środki bezpieczeństwa, używaj fartucha laboratoryjnego i okularów ochronnych.

Odmierz/odważ:

• 800 cm³ 2,0 M kwasu siarkowego(VI), (szkodliwy, żrący),
• 9g kwasu malonowego (kwasu propanodiowego), (szkodliwy),
• 8g bromianu(V) potasu, (trujący, utleniacz),
• 1,6g uwodnionego siarczanu(VI) manganu(II), (szkodliwy)

• cylindryczna butelka na odczynniki z zakrętką (Schott)
• mieszadło magnetyczne
• mieszadełko
• latarka lub ine źródło światła

Sposób postępowania
Wlej roztwór kwasu do butelki, wrzuć mieszadełko, umieść butelkę na mieszadle magnetycznym. Dodaj kwas malonowy i bromian(V) potasu, mieszaj do rozpuszczenia. To zazwyczaj zabiera trochę czasu, dlatego dobrze jest przygotować ten roztwór wcześniej. Dodaj siarczanu(VI) manganu(II) i poczekaj do rozpoczęcia reakcji, co zazwyczaj trwa około 5 minut. Oscylacje można obserwować przez około 60 minut.

Postępowanie z odpadami
Wylej zawartość do zlewu pod wyciągiem, spłucz obficie wodą.

Pomoc laboratoryjna
Jeden laborant dla grupy 20 uczniów (oraz nauczyciel)

Sprzęt laboratoryjny

• cztery spektrometry Spektra^TM
• 20 blistrów (i kilka zapasowych)
• opakowanie pipet Pasteura
• 40 gumek na pipety Pasteura
• 20 biuret 50ml
• 20 lejków do biuret
• 20 zlewek 100ml
• 20 łap i statywów
• 4 zlewki 250 ml (na zużyte pipety)
• 20 kolb miarowych 50ml z korkami
• 2 rolki ręczników papierowych
• 3 opakowania rękawiczek jednorazowych (różne rozmiary)
• fartuchy laboratoryjne (różne rozmiary)
• 25 par okularów ochronnych (również okulary zakładane na okulary korekcyjne)
• 20 arkuszy papieru milimetrowego
• 20 ołówków
• 20 linijek
• Zmiotka i kosz na śmieci (w razie stłuczki)

Odczynniki

• 6 butelek 250cm³ oznaczonych "Roztwór bazowy"
• 6 butelek 50 cm³ (Schott) oznaczonych "Próbka do analizy"
• butla 2,5 l z roztworem bazowym
• dostęp do wody z kranu (nie ma potrzeby użycia wody destylowanej)

Roztwór bazowy

Roztwór zawierający 20 g barwnika niebieskiego do żywności na 100 cm³ wody. Przykładowo, rozpuść 200 g barwnika w 2 litrach wody.

Próbka do analizy

30% rozcieńczenie roztworu bazowego.

Ocena ryzyka

Niebieskie barwnik do żywności nie stanowi zagrożenia chemicznego zgodnie z informacją na etykiecie.
Zagrożenie może wynikać jedynie z możliwości stłuczenia szkła.

Informacje dla osób prezentujących obsługę spektrometru Spektra^TM

Pisemna instrukcja dla uczniów nie została jeszcze przygotowana, wszystkie instrukcje są przekazywane ustnie. Instrukcje powinny być dawane przez doświadczonego eksperymentatora, lub najlepiej dwóch.

Sposób postępowania

Omówienie zagrożeń i zasady bezpieczeństwa → Zdefiniowanie problemuv → Przedstawienie sposobu użycia kolb miarowych → Sporządzenie kilku rozcieńczeń → Instrukcja obsługi spektrometru w małych grupachr → Wykonanie ćwiczenia i rozwiązanie problemu → Informacja zwrotna

Wskaż uczniom 'Roztwór bazowy' oraz 'Próbkę do analizy', zorganizuj miejsce pracy.

Wyjaśnij, że nieznane stężenie można wyznaczyć z krzywej kalibracyjnej. Aby sporządzić taką krzywą, należy wykonać serię pomiarów intensywności barwy dla różnego stężenia barwnika. Uczniowie przygotowują roztwory o stężeniu 80%, 60%, 40% i 30% przez rozcieńczanie roztworu bazowego. Zdolniejsi uczniowie nie wymagają pomocy przy obliczaniu objętości roztworu bazowego odmierzanych za pomocą biurety. Dla pozostałych należy przygotować tabelę wskazującą odmierzane objętości roztworu bazowego, które następnie są rozcieńczane do 50 cm³ za pomocą wody.

Uczniowie pracują w parach, co sprzyja ich ośmieleniu do samodzielnej pracy. Uczniowie mogą pracować indywidualnie, wówczas jednak należy przeznaczyć więcej czasu na ćwiczenie.

Uczniom należy pokazać jak posługiwać się biuretą i kolbami miarowymi (jeżeli dotychczas nie mieli do czynienia z takim sprzętem), po czym przystępują oni do sporządzania pierwszego rozcieńczenia. Po wykonaniu pierwszego rozcieńczenia, należy w niewielkich grupach wyjaśnić im zasady obsługi spektrometru. Nie należy tego robić na początku ćwiczenia, gdyż spowoduje to nadmiar nowych informacji trudny do zaabsorbowania na raz. Pokaż uczniom zasadę kalibracji przyrządu na próbkę wody, a następnie pomiar dla roztworu bazowego. Wytłumacz uczniom, dlaczego zachowanie takiej samej objętości (grubości warstwy) roztworu jest bardzo ważne. Uczniowie powinni odmierzać 8 – 10 kropli roztworu do każdego zagłębienia w blistrze.

Następnie uczniowie samodzielnie wykonują pomiary rozcieńczeń roztworu bazowego. Ponieważ nie wszyscy o tym pamiętają, należy im przypomnieć również o wykonaniu pomiarów dla próbki do analizy!

Jeżeli uczniowie nie posiadają jeszcze wystarczających umiejętności do posługiwania się wykresami, przygotuj dla nich kompletną krzywą kalibracyjną jako przykład.

Wiek uczniów

Ćwiczenie było testowane (październik 2009) z udziałem uczniów w wieku 14 – 18 lat.

Karta pracy do Badania

Opracowanie:  Bristol ChemLabS, Bristol University, United Kingdom