Prawo Beera

Zagadnienia

• Prawo Beera
• Roztwory
• Stężenie
• Stężenie molowe
• Światło
• Absorbancja
• Przepuszczalność
• Spektrofotometria

Opis

Im grubsze szkło, im większe stężenie, tym mniej światła, które przechodzi. Stwórz kolorowe roztwory o różnym stężeniu i zbadaj, za pomocą wirtualnego spektrofotometru, ile światła pochłaniają, a ile przepuszczają!

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Hanson i Rouinfar, styczeń 2023)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Opisz zależności między objętością a ilością substancji rozpuszczonej w stosunku do stężenia roztworu.
• Wyjaśnij jakościowo zależność między kolorem roztworu a stężeniem.
• Przewiduj i wyjaśnij, jak zmieni się stężenie roztworu po dodaniu lub usunięciu: wody, substancji rozpuszczonej i/lub roztworu.
• Oblicz stężenie roztworów w jednostkach molowych (mol/l).
• Zaprojektuj procedurę tworzenia roztworu o zadanym stężeniu.
• Określ, kiedy roztwór jest nasycony i przewiduj, jak zmieni się stężenie po dodaniu lub usunięciu: wody, substancji rozpuszczonej i/lub roztworu.
• Opisz zależność między stężeniem roztworu a natężeniem światła, które jest pochłaniane/przepuszczane.
• Opisz zależność między absorbancją, absorpcją molową, długością toru i stężeniem w prawie Beera.
• Przewiduj, jak zmieni się intensywność pochłanianego/przepuszczanego światła wraz ze zmianami typu roztworu, stężenia roztworu, szerokości pojemnika lub źródła światła i wyjaśnij dlaczego.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Prawo Lamberta-Beera (Wikipedia)
• Oddziaływania światła z materią (ZPE)

Sterowanie symulacją

Ekran Stężenie molowe (link bezpośredni)

Na tym ekranie uczniowie badają, jak zmienia się stężenie roztworu poprzez zmianę ilości substancji rozpuszczonej, rozpuszczalnika lub całkowitej ilości roztworu.

Ekran Prawo Beera (link bezpośredni)

Uczniowie badają, jak natężenie światła pochłanianego lub przepuszczanego przez kolorowy roztwór zmienia się w zależności od rodzaju roztworu, stężenia roztworu, szerokości pojemnika (długości toru) lub źródła światła.

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w aplikacji Prawo Beera chcesz pokazać ilość substancji rozpuszczonej (showSoluteAmount), z domyślnie otwartym drugim ekranem (initialScreen=2), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/beers-law-lab_all.html_?showSoluteAmount&initialScreen=2

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/tik_edukator/beers-law-lab_all.html?locale=pl&showSoluteAmount&initialScreen=2

Wskazuje, że dostęp do tego dostosowania można uzyskać też z menu Preferencje w symulacji.

Parametr query i opis	Przykłady
showSoluteAmount - wyświetla pod zlewką ilość substancji rozpuszczonej (w gramach).	showSoluteAmount
showSolutionVolume - wyświetla wewnątrz zlewki objętość roztworu. Jednostki będą zgodne z jednostkami zlewki.	showSolutionVolume
beakerUnits - określa jednostki używane do oznaczania znaczników zlewki, mililitry: milliliters lub litry: liters (domyślnie).	beakerUnits=milliliters
concentrationMeterUnits - określa jednostki używane do pomiaru stężenia, procent: percent lub mole/litr: molesPerLiter (domyślnie).	concentrationMeterUnits=percent
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=1 screens=2,1
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false
supportsPanAndZoom - gdy true, umożliwia przesuwanie i powiększanie symulacji za pomocą pinch-to-zoom lub elementów sterujących zoomem przeglądarki. Domyślnie jest true.	supportsPanAndZoom=false

Menu Preferencje

Po kliknięciu ikony menu Preferencje otworzy się okno, w którym w sekcji Symulacja możemy zaznaczyć żądane opcje:

Gdy adres URL symulacji kończy się na "_all.html", dodatkowo pojawia się sekcja Lokalizacja, w której możemy dokonać wyboru języka:

Ułatwienia dostępu

Tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

• Detektor miernika przepuszczalności/absorbancji musi przechwycić całą wiązkę światła, aby pokazać wartość przepuszczalności lub absorbancji.
• Uczniowie, którzy nie zapoznali się z prawem Beera, byli w stanie wyciągnąć dokładne wnioski jakościowe na temat wpływu długości toru, stężenia i długości fali na absorpcję światła.
• Żółte i niebieskie roztwory mogą być łatwiejsze dla niektórych uczniów z daltonizmem, ale inne rodzaje daltonizmu mogą sprawić, że poszczególne roztwory będą trudniejsze do zobaczenia dla różnych uczniów.

Uproszczenia / założenia modelu

• Maksymalna ilość substancji rozpuszczonej, jaką można dodać, wynosi 7 moli. Maksymalna objętość zlewki wynosi 1 l.
• Stężenie jest obliczane jako ilość substancji rozpuszczonej podzielona przez objętość wody (M = mol/l). Objętość rozpuszczonej substancji rozpuszczonej ma tylko niewielki wpływ na objętość, a różne zmiany objętości dla każdej substancji rozpuszczonej mogą być dezorientujące dla uczniów.
• Stężenie przedstawiane w procentach jest obliczane jako procent masy, masa substancji rozpuszczonej/masa roztworu, gdzie masa roztworu = masa substancji rozpuszczonej + masa wody.
• Wartości użyte do obliczenia rozpuszczalności dla każdej substancji rozpuszczonej zostały zaczerpnięte z CRC Handbook of Chemistry and Physics 91^st edition (https://www.chemnetbase.com). Założono, że Napój ma taką samą rozpuszczalność jak sacharoza.
• Chlorek sodu nie jest uwzględniany na ekranie prawa Beera, ponieważ roztwór jest przezroczysty i bezbarwny i nie absorbuje światła widzialnego w znaczącym stopniu.
• Intensywność koloru roztworu jest używana do wskazania jego stężenia. Intensywność koloru roztworu została zoptymalizowana w celu podkreślenia zmian stężenia w zakresie dozwolonym na każdym ekranie, ale intensywność koloru nie jest taka sama na ekranach Stężenie molowe i Prawo Beera. Na przykład zakres dla Napój wynosi 0-5,960 M na ekranie Stężenie, ale 0-0,400 M na ekranie Prawo Beera.
• Wartości molowego współczynnika absorpcji użyte w symulacji zostały obliczone na podstawie danych eksperymentalnych; powtórzenie eksperymentu może dać nieco inne wartości.

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Przykładowe polecenia

• Opisz zależności między ilością substancji rozpuszczonej, objętością roztworu, kolorem roztworu i stężeniem roztworu.
• Co dzieje się ze stężeniem roztworu, gdy zmniejsza się jego objętość?
• Przewiduj, co stanie się z absorbancją roztworu, gdy jego stężenie wzrośnie.
• Opisz zależność między szerokością pojemnika z roztworem (długością drogi) a absorbancją światła.
• Wyjaśnij różnicę między przepuszczalnością a absorbancją światła.
• Jak myślisz, w jaki sposób wybrano wstępnie ustawioną długość fali dla danego roztworu? Czy jest to najlepsza długość fali dla danego roztworu? Dlaczego tak lub dlaczego nie?
• Opisz związek między kolorem źródła światła, kolorem roztworu i absorbancją roztworu.
• Skorzystaj z prawa Beera (A = elC), aby określić molowy współczynnik absorpcji (e) dla danego roztworu.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Prawo Beera tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).