Использование цифровой лаборатории "Архимед" в школьном химическом эксперименте

2.2 Анкетирование

Для реализации цели работы - исследования возможностей цифровой лаборатории «Архимед» для применения в урочной и внеурочной деятельности по химии нами был применен метод анкетирования. Анкетирование - метод сбора первичного материала в виде письменного опроса респондентов с целью сбора информации с помощью анкеты о состоянии тех или иных сторон воспитательного процесса, отношения к тем или другим явлениям [12].

Мы использовали сплошное (опрос всех представителей выборки) анкетирование. По числу респондентов и типов контактов респондентов анкетирование‚ проводимое нами следует отнести к групповому (несколько респондентов) и очному (в присутствии исследователя-анкетёра) соответственно. Вопросы, предложенные учащимся были составлены в закрытой (содержит полный набор возможных ответов) и открытой (ответ целиком и полностью формулирует сам респондент) форме (Приложение 7, 8). В закрытых вопросах респонденту предлагалось выбрать один или несколько из данных ему вариантов (количество выборов оговаривалось после формулировки вопроса). В наших анкетах для закрытых вопросов предъявлялись поливариантная (предусматривает список ответов) или шкальная (с ранжированием степени убеждения, отношения, впечатления и т.д.) форма вариантов ответов.

Глава 3. Результаты и их обсуждение

Проект «Информатизация системы образования» (2004-2009 гг.), подготавливаемый сегодня Министерством образования РФ, направлен на реализацию принятой Правительством РФ «Концепции модернизации российского образования».

Анализ состояния дел в области информатизации, проведенный в ходе подготовки проекта, выявил острую нехватку специалистов, способных грамотно и эффективно использовать цифровые образовательные ресурсы на практике.

В связи с этим в рамках проекта планируется: создание новых моделей подготовки будущих учителей и переподготовка уже практикующих.

Результатом такой масштабной подготовки должен стать специалист - учитель, которой сможет эффективно применять возможности цифровых учебно-методических материалов, в частности, цифровой лаборатории «Архимед» в урочной и внеурочной деятельности.

Целью нашей работы было исследование возможностей цифровой лаборатории «Архимед» для применения в урочной и внеурочной деятельности по химии. В последующих частях работы мы предлагаем разработанные нами или модифицированные с пособия разработчика опыты для учителей, использующих в своей работе (планирующих использование) цифровую лабораторию «Архимед».

3.1 Методические разработки опытов, с использованием цифровой лаборатории «Архимед», для урочной деятельности

В предлагаемых работах используется, входящие в состав цифровой лаборатории «Архимед» карманный компьютер (КПК), устройство NOVA5000, TriLink, датчик рН и датчик температуры.

Тема: Растворение как физико-химический процесс. Растворимость.

Типы растворов

Тема «Растворение как физико-химический процесс. Растворимость. Типы растворов» изучается учащимися, обучающимися по УМК О. С. Габриеляна в 8 классе, в разделе 7. «Растворение. Растворы. Свойства растворов электролитов» (Приложение 1,2). Одним из элементов физико-химического аспекта процесса растворения является поглощение или выделение тепла при растворении.

Опыт № 1. Экзотермические реакции. Растворение гидроксида натрия и безводного сульфата меди в воде [26, 38]

Цель работы: Проследить за изменением температуры при растворении твёрдого гидроксида натрия и безводного сульфата меди в воде.

Форма работы: фронтальная (демонстрационный эксперимент).

Оборудование и реактивы: химический стакан на 250 мл, магнитная мешалка, ёмкость из пенопласта (без дна), крышка к стакану из пенопласта, едкий натр (10 г), датчик температуры, цифровая лаборатория «Архимед».

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 500

Ход опыта: Налейте в химический стакан, погружённый в емкость (без дна) из пенопласта, 25 мл воды и поставьте на магнитную мешалку. Закройте ёмкость крышкой, с вставленной воронкой и датчиком температуры

Включите магнитную мешалку. Опустите в химический стакан, через воронку 10 г едкого натра (или 10 г безводного сульфата меди). Начните измерения. Повторите опыт 3 раза.

Результаты измерений: зарисовать полученные графики зависимости температуры от времени при растворении гидроксида натрия и безводного сульфата меди в воде в тетрадь.

Опыт № 2. Эндотермические реакции. Растворение нитрата аммония в воде [38]

Цель работы: Проследить за изменением температуры в процессе растворения кристаллов нитрата аммония в воде.

Форма работы: фронтальная (демонстрационный эксперимент).

Оборудование и реактивы: химический стакан на 250 мл, магнитная мешалка, ёмкость из пенопласта (без дна), крышка к стакану из пенопласта, 2,5 г твёрдого нитрата аммония, 25 мл водопроводной воды, датчик температуры, цифровая лаборатория «Архимед».

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 500

Ход опыта: Налейте в химический стакан, погружённый в емкость (без дна) из пенопласта 25 мл воды и поставьте на магнитную мешалку. Закройте ёмкость крышкой, с вставленной воронкой и датчиком температуры (рис. 2). Включите магнитную мешалку. Начинайте регистрацию данных. Опустите в химический стакан 2,5 г нитрата аммония при включённой мешалке. Следите за изменением температуры. Повторите опыт 3 раза.

Результаты измерений: зарисовать полученный график зависимости температуры от времени при растворении нитрата аммония в воде в тетрадь (рис. 3).

Тема: Тепловой эффект химической реакции

Тема «Тепловой эффект химической реакции» изучается учащимися, обучающимися по УМК О. С. Габриеляна в 11 классе, в разделе 2. «Строение веществ и их свойства» (Приложение 3).

Опыт № 1. Эндотермические реакции. Понижение температуры раствора при растворении некоторых солей в воде [39]

Цель работы: Проследить за изменением температуры при растворении ряда солей в воде. Отметить, какая соль даст наибольшее понижение температуры.

Форма работы: фронтальная (демонстрационный эксперимент).

Оборудование и реактивы: химический стакан на 250 мл, ёмкость из пенопласта (без дна), крышка к стакану из пенопласта, нитрат калия, нитрат аммония, тиосульфат натрия, дистиллированная вода, датчик температуры, цифровая лаборатория «Архимед».

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 500

Ход опыта: Налейте в химический стакан, погружённый в емкость (без дна) из пенопласта 50 мл воды и поставьте на магнитную мешалку. Закройте ёмкость крышкой, с вставленной воронкой и датчиком температуры (рис.2). Включите магнитную мешалку, начинайте растворять в воде 20-25 г соли, включив при этом регистратор данных. Опыт с каждой солью повторяют 3 раза. Отметьте, какая соль даст наибольшее понижение температуры.

Результаты измерений: зарисовать полученные графики зависимости температуры от времени при растворении нитрата аммония в воде в тетрадь.

Опыт № 2. Аддитивность теплоты реакции. Закон Гесса [38]

Цель работы: Проверить на практике выполнение закона Гесса (Формулировка закона: сумма энтальпий отдельных этапов реакции должна равняться полному изменению энтальпии всей реакции), используя возможности цифровой лаборатории «Архимед».

Форма работы: фронтальная (демонстрационный эксперимент).

Оборудование и реактивы: химический стакан на 250 мл, ёмкость из пенопласта (без дна), крышка к стакану из пенопласта, магнитная мешалка, 1 М раствор едкого натра, 1 М раствор соляной кислоты, 0,5 М раствор соляной кислоты, дистиллированная вода, датчик температуры, цифровая лаборатория «Архимед».

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 500

Ход опыта: Налейте в химический стакан, погружённый в емкость (без дна) из пенопласта 100 мл воды и поставьте на магнитную мешалку. Закройте ёмкость крышкой, с вставленной воронкой и датчиком температуры (рис. 2). Включите магнитную мешалку и перемешивайте воду до тех пор, пока во всём объёме химического стакана не установится температура, приблизительно равная комнатной. Начинайте регистрацию данных.

Реакция №1. Добавьте в химический стакан 2 г кристаллического гидроксида натрия и сразу закройте крышкой. Включите магнитную мешалку. Следите на экране за температурой до прекращения её изменения. Остановите регистрацию, нажав кнопку «Стоп» на панели инструментов. Повторите эксперимент 3 раза. Высчитайте среднее. Полученный результат (температура в конце опыта) занесите в тетрадь.

Реакция №2. Повторите реакция растворения, используя вместо воды 100 мл 0,5 М раствора соляной кислоты. Повторите эксперимент 3 раза. Высчитайте среднее. Полученный результат (температура в конце опыта) занесите в тетрадь.

Реакция №3. Налейте в химический стакан, погружённый в емкость (без дна) из пенопласта 50 мл 1 М раствора соляной кислоты и поставьте на магнитную мешалку. Закройте ёмкость крышкой, с вставленной воронкой и датчиком температуры (рис.2). Включите мешалку и перемешивайте 1 М раствор соляной кислоты до тех пор, пока во всём объёме химического стакана не установится температура, приблизительно равная комнатной. Начинайте регистрацию данных. Добавьте в химический стакан 50 мл 1 М раствора едкого натра. Включите магнитную мешалку. Следите на экране за температурой до прекращения её изменения. Остановите регистрацию, нажав кнопку «Стоп» на панели инструментов. Повторите эксперимент 3 раза. Высчитайте среднее. Полученный результат (температура в конце опыта) занесите в тетрадь.

Результаты измерений: высчитайте тепловой эффект каждой из трёх реакций и проверьте соответствие полученного вами результата закону Гесса (сумма энтальпий отдельных этапов реакции должна равняться полному изменению энтальпии всей реакции)

Опыт № 3. Теплота сгорания [38]

Цель работы: Определить теплоту сгорания магниевой стружки.

Форма работы: фронтальная (демонстрационный эксперимент).

Оборудование и реактивы: химический стакан на 250 мл, ёмкость из пенопласта (без дна), крышка к стакану из пенопласта, магниевая стружка (1,5 г), оксид магния (3 г), 1М раствор соляной кислоты (500 мл ), магнитная мешалка, датчик температуры, цифровая лаборатория «Архимед».

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 500

Ход опыта: Налейте в химический стакан, погружённый в емкость (без дна) из пенопласта 100 мл 1 М раствора соляной кислоты и поставьте на магнитную мешалку. Закройте ёмкость крышкой, с вставленной воронкой и датчиком температуры (рис. 2). Начинайте регистрацию данных.

Реакция №1: начните перемешивать в чашке раствор соляной кислоты (до достижения постоянной температуры). Добавьте в химический стакан 1 г порошка оксида магния. Следите по графику за температурой до прекращения её изменения. Остановите регистрацию, нажав кнопку «Стоп», на панели инструментов. Повторите эксперимент 3 раза. Высчитайте среднее. Полученный результат (температура в конце опыта) занесите в тетрадь.

Реакция №2: повторите предыдущее исследование, используя 0,5 г магниевой стружки вместо порошка оксида магния. Повторите эксперимент 3 раза. Высчитайте среднее. Полученный результат (температура в конце опыта) занесите в тетрадь.

Опыт № 4. Тепловой эффект сгорания топлива [38]

Цель работы: Определить и сравнить между собой тепловые эффекты сгорания различных видов топлива: парафин и этанол, используя возможности цифровой лаборатории «Архимед».

Форма работы: фронтальная (демонстрационный эксперимент).

Оборудование и реактивы: химический стакан из термостойкого стекла, весы, мерный цилиндр, вода, стеклянная палочка для перемешивания, свеча, спиртовка, спички, датчик температуры, цифровая лаборатория «Архимед».

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 200

Ход опыта: Определите массу химического стакана для воды. Добавьте в него 100 мл воды. Определите массу свечи до начала эксперимента. Закрепите сосуд с водой в кольцевом кронштейне. Поместите температурный датчик в воду так, чтобы он не касался дна сосуда. Перемешайте воду в сосуде и добейтесь постоянной температуры во всём объёме сосуда. Начинайте регистрацию данных. Зажгите свечу. В процессе нагревания воды продолжайте её перемешивать. Погасите свечу, когда температура достигнет 40 ⁰С. После того, как температура перестанет расти, остановите регистрацию. По окончании эксперимента определите массу свечи. Замените свечу спиртовкой и повторите эксперимент с 200 мл воды. Не забудьте определить массу спиртовки до её заполнения этанолом. Закройте спиртовку металлической пластинкой перед тем, как потушить её, и остудите её до комнатной температуры. Определите массу горелки с остатками этанола. Эксперимент повторяют 3 раза.

Тема: Среда водных растворов. Водородный показатель

Тема «Среда водных растворов. Водородный показатель» изучается учащимися, обучающимися по УМК О. С. Габриеляна в 11 классе, в разделе 2. «Строение веществ и их свойства» (Приложение 3).

Опыт № 1. Растворение гидроксида натрия в воде [38]

Цель работы: Проследить за изменением изменением рН при растворении твёрдого гидроксида натрия в воде.

Форма работы: фронтальная (демонстрационный эксперимент).

Оборудование и реактивы: химический стакан на 250 мл, магнитная мешалка, крышка к стакану из пенопласта, едкий натр (10 г), датчик рН, цифровая лаборатория «Архимед».

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 500

Ход опыта: Налейте в химический стакан, погружённый в емкость (без дна) из пенопласта, 25 мл воды и поставьте на магнитную мешалку. Закройте ёмкость крышкой, с вставленной воронкой и датчиком рН (рис.2). Включите магнитную мешалку. Опустите в химический стакан, через воронку 10 г едкого натра. Начните измерения рН. Повторите опыт 3 раза.

Результаты измерений: зарисовать полученный график зависимости рН от времени при растворении гидроксида натрия в воде в тетрадь( рис. 4).

Рис. 4 - Пример графика зависимости рН от времени при растворении гидроксида натрия в воде

Тема: Реакции ионного обмена

Тема «Реакции ионного обмена» изучается учащимися, обучающимися по УМК О. С. Габриеляна в 11 классе, в разделе 2. «Строение веществ и их свойства» (Приложение 3).

Опыт № 1. Реакции нейтрализации. Взаимодействие гидроксида натрия с соляной кислотой [38]

Цель работы: проследить за изменением рН и температуры при прохождении реакции нейтрализации, используя возможности цифровой лаборатории «Архимед».

Форма работы: фронтальная (демонстрационный эксперимент).

Оборудование и реактивы: химический стакан на 250 мл, бюретка на 25 мл, магнитная мешалка, штатив, крышка к стакану из пенопласта, цифровая лаборатория «Архимед»; раствор фенолфталеина, 0,1 М раствор едкого натра, 0,1 М раствор соляной кислоты, датчик температуры, датчик рН.

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 500

Ход опыта: В химический стакан наливают 25 мл 0,1н. раствора соляной кислоты, добавляют 2-3 капли раствора фенолфталеина. Закрывают стакан крышкой из пенопласта. В стакан, через отверстие в крышке, помещают рН- метр и датчик температур, а также носик бюретки, предварительно заправленной 0,1 М раствором едкого натра. Стакан помещают на магнитную мешалку

Далее одновременно начинают добавлять по каплям 0,1 М раствор едкого натра и включают магнитную мешалку. Отмечаем момент изменения окраски раствора в стакане (до розовой). Опыт повторяют 3 раза.

Результаты: зарисовать график зависимости рН и температуры от времени при прохождении реакции нейтрализации в тетрадь

Тема: Окислительно-восстановительные реакции

Тема «Окислительно-восстановительные реакции» изучается учащимися, обучающимися по УМК О. С. Габриеляна в 11 классе, в разделе 2. «Строение веществ и их свойства» (Приложение 3).

Опыт №1. Изменение температуры при окислительно-восстановительных реакциях. Взаимодействие хлорида меди с алюминием [38]

Цель работы: Проследить за изменением температуры в процессе окислительно-восстановительной реакции, используя возможности цифровой лаборатории «Архимед».

Форма работы: фронтальная (демонстрационный эксперимент).

Оборудование и реактивы: химический стакан на 250 мл, магнитная мешалка, крышка к стакану из пенопласта, хлорид меди (крист.) массой 2,5г, алюминиевая фольга, 25 мл водопроводной воды, датчик температуры, цифровая лаборатория «Архимед».

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 500

Ход опыта: Налейте в химический стакан, погружённый в емкость (без дна) из пенопласта, 25 мл воды и поставьте на магнитную мешалку. Закройте ёмкость крышкой, с вставленной воронкой и датчиком температуры (рис.2).

Включите магнитную мешалку Опустите в химический стакан 2,5 г. хлорида меди. Добавьте алюминиевой фольги. Начинайте регистрацию данных. Повторите опыт 3 раза.

Результаты измерений: зарисовать график зависимости температуры от времени при окислительно-восстановительной реакции в тетрадь.

Тема: Гидролиз неорганических веществ

Тема «Гидролиз. Гидролиз неорганических веществ» изучается учащимися, обучающимися по УМК О. С. Габриеляна в 11 классе, в разделе 2. «Строение веществ и их свойства» (Приложение 3).

Опыт № 1. Влияние температуры на степень гидролиза ацетата натрия [26]

Цель работы: Проследить за изменением степени гидролиза ацетата натрия и реакции среды в зависимости от изменения температуры, используя возможности цифровой лаборатории «Архимед».

Форма работы: фронтальная (демонстрационный эксперимент).

Оборудование и реактивы: химический стакан на 250 мл, ёмкость для стакана из пенопласта (без дна), крышка к стакану из пенопласта, раствор фенолфталеина, 0,1 н. раствор ацетата натрия, электроплитка, датчик температуры, датчик рН, цифровая лаборатория «Архимед».

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 1500

Ход опыта: В химический стакан налейте 25 мл 0,1 М раствора ацетата натрия и добавьте несколько капель раствора фенолфталеина (из расчёта, что на 1-2 мл раствора ацетата натрия необходимо 1-2 капли фенолфталеина). Закройте химический стакан крышкой с вставленными датчиками температуры и рН. Поставьте химический стакан на электроплитку. Начинайте регистрацию данных и наблюдайте за изменением окраски раствора. Раствор будет становиться малиновым (рН будет расти) по мере повышения температуры, так как при нагревании гидролиз усиливается. Опыт повторяется 3 раза.

Результаты измерений: построить график зависимости рН и температуры от времени при прохождении реакции гидролиза. Сделать вывод об изменении степени гидролиза ацетата натрия в зависимости от температуры.

3.2 Методические разработки опытов, с использованием цифровой лаборатории «Архимед», для элективных курсов и исследовательской работы учащихся

3.2.1 Методические разработки опытов, с использованием цифровой лаборатории «Архимед», для элективного курса «Химия и медицина»

Элективный курс «Химия и медицина» рассматривает, в частности, вопросы здорового питания (занятие № 2, см. Приложение 4).

Анализ качества пищевых продуктов.

Цель работы: познакомиться с методами анализа качества продуктов питания и сырья для производства продуктов питания, используя возможности цифровой лаборатории «Архимед».

Форма работы: фронтальная (демонстрационный опыт)

Оборудование и реактивы: молоко, хлеб, мука, 0,1 М раствор едкого натра, 2% спиртовой раствор фенолфталеина, дистиллированная вода; конические колбы для титрования, датчик рН, цифровая лаборатория «Архимед».

Опыт №1. Процесс скисания молока [38]

Цель опыта: Проследить за изменением рН молока, находящегося в термосе около 30 часов.

Форма работы: фронтальная (демонстрационный эксперимент).

Оборудование и реактивы: термос ёмкостью 1 литр (с пробкой, позволяющей хорошо загерметизировать провод рН- метра, датчик рН, соединительный провод для датчика, молоко коровье цельное непастеризованное и молоко пастеризованное, цифровая лаборатория «Архимед».

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую минуту;

2) число замеров - 2000

Ход работы: Залейте 750 мл не пастеризованного молока комнатной температуры в термос. Погрузите в не пастеризованное молоко электрод датчика рН-метра и закройте термос крышкой так, чтобы не повредить проходящий через пробку кабель электрода. Начинайте регистрацию данных. Через 30 часов остановите регистрацию данных. Повторите опыт с пастеризованным молоком.

Результаты измерений: постройте график зависимости рН от времени при скисании пастеризованного и не пастеризованного молока. Проанализируйте динамику и выделите критические точки понижения рН.

Опыт № 2. Определение кислотности молока [19]

Цель опыта: определить свежесть пастеризованного и не пастеризованного молока, находившегося разное время (0,5, 2, 5, 7, 15, 20 часов) при комнатной температуре (20⁰С), проследив за изменением рН.

Форма работы: индивидуальная (в группах).

Оборудование и реактивы: молоко пастеризованное и не пастеризованное, 0,1 М раствор гидроксида натрия, бюретка, воронка, колбы для титрованиия, мешалка, фенолфталеин, датчик рН, соединительный провод для датчика, цифровая лаборатория « Архимед».

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 1000

Ход опыта: В колбу для титрования наливают 10 мл молока, 20 мл дистиллированной воды, 5 капель 2% раствора фенолфталеина. Смесь хорошо перемешивают при помощи магнитной мешалки. Затем опускают датчик рН и начинают по каплям из бюретки прибавлять 0,1 М раствор едкого натра, при включённой мешалке, до рН 8,2 (по показаниям прибора), фиксируя при этом цвет индикатора (появление розоватой окраски). Полученные данные занести в таблицу 1. Опыт повторяют 3 раза.

Таблица 1 - Кислотность молока

Образец молока	Объём молока, мл	Объём, прилитого раствора NaOH, мл	Среднее значение объёма, прилитого раствора NaOH, мл	Кислотность молока, град
Пастеризованное молоко
Пастеризованное молоко, образец 1
Пастеризованное молоко, образец 2
Пастеризованное молоко, образец 3
Не пастеризованное молоко
Не пастеризованное молоко, образец 1
Не пастеризованное молоко, образец 2
Не пастеризованное молоко, образец 3

Результаты измерений: вычислить кислотность пастеризованного и не пастеризованного молока в условных градусах Тёрнера по формуле [19]:

Кислотность молока = V_р(NaOH) · 10

Свежее молоко имеет 16-18 градусов кислотности по Тёрнеру. Предельная кислотность свежего молока 20 градусов.

Задание.

1. Сделать вывод о свежести использованного молока

2. Чем вызвана кислотность молока, какая кислота образуется при скисании молока? Напишите уравнения реакции образования этой кислоты и её нейтрализацию гидроксидом натрия.

Опыт № 3. Определение кислотности хлеба [19]

Цель опыта: определить кислотность разных видов хлебобулочной продукции, проследив за изменением рН при титровании.

Форма работы: индивидуальная (в группах).

Оборудование и реактивы: хлебобулочная продукция (хлеб Дарницкий, хлеб пшеничный из сортовой муки, батон, хлеб пшеничный, приготовленном на жидких дрожжах, хлеб пшеничный обойный, хлеб ржаной из сеяной муки), 0,1 М раствор гидроксида натрия, бюретка, воронка, колбы для титрованиия, мешалка, фенолфталеин, датчик рН, соединительный провод для датчика, цифровая лаборатория «Архимед».

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 1000

Ход опыта:

Подготовка к анализу. Образцы разрезают пополам по ширине и от одной половины отрезают кусок (ломоть) массой около 70 г, у которого срезают корки и подкорочный слой общей толщиной 1 см. Для изделий массой менее 200 г берут целые булки, с которых срезают корки слоем приблизительно 1 см. Из кусков приготовленных изделий удаляют все включения (повидло, варенье,, изюм и т.п.), затем их быстро измельчают и перемешивают.

25 г измельченного мякиша отвешивают с погрешностью до 0,05 г. Навеску помещают в сухую бутылку (типа молочной) вместимостью 500 см³, с хорошо пригнанной пробкой. Мерную колбу вместимостью 250 см³ наполняют до метки дистиллированной водой, подогретой до температуры 60 °С. Около 1/4 взятой дистиллированной воды переливают в бутылку с хлебом, который после этого быстро растирают деревянной лопаточкой до получения однородной массы, без заметных комочков нерастертого хлеба.

К полученной смеси прибавляют из мерной колбы всю оставшуюся дистиллированную воду. Бутылку закрывают пробкой и энергично встряхивают в течение 3 мин. После встряхивания дают смеси отстояться в течение 1 мин и отстоявшийся жидкий слой осторожно сливают в сухой стакан через чистое сито или марлю.

Из стакана отбирают пипеткой по 50 см³ раствора в три конические колбы вместимостью по 100-150 см³ каждая. Затем опускают датчик рН и начинают по каплям из бюретки прибавлять 0,1 М раствор едкого натра, при включённой мешалке, до рН 8,2 (по показаниям прибора), фиксируя при этом цвет индикатора (появление розоватой окраски). Полученные данные занести в таблицу 2. Опыт повторяют 3 раза.

Таблица 2 - Кислотность хлеба

Образец хлеба	Объём хлебной вытяжки, мл	Объём, прилитого раствора NaOH, мл	Среднее значение объёма, прилитого раствора NaOH, мл	Кислотность хлеба, град
Хлеб пшеничный из сортовой муки
Образец 1
Образец 2
Образец 3
Хлеб пшеничный, приготовленном на жидких дрожжах
Образец 1
Образец 2
Образец 3
Хлеб пшеничный обойный
Образец 1
Образец 2
Образец 3
Хлеб ржаной из обойной муки
Образец 1
Образец 2
Образец 3
Хлеб ржаной из обдирной муки
Образец 1
Образец 2
Образец 3
Хлеб ржаной из сеяной муки
Образец 1
Образец 2
Образец 3

Результаты измерений: вычислить кислотность образцов хлеба по формуле [29]:

Кислотность хлеба = 25·50·4·V/(250·10),

где V - объем 0,1 моль/дм³ раствора гидроксида натрия, см³; 1/10 - приведение 0,1 моль/дм³ раствора гидроксида натрия или гидроксида калия к 1 моль/дм³; 4 - коэффициент, приводящий к 100 г навески; 25 - масса навески испытуемого продукта, г; 250 - объем воды, взятый для извлечения кислот, см³; 50 - объем испытуемого раствора, взятый для титрования, см³.

Проведённое нами испытание с образцом хлеба «Сеянный», показало следующий результат: (таблица 3)

Таблица 3 - Кислотность хлеба «Сеяный»

Образец хлеба	Объём хлебной вытяжки, мл	Объём, прилитого раствора NaOH, мл	Среднее значение объёма, прилитого раствора NaOH, мл	Кислотность хлеба, град
Хлеб ржаной из сеяной муки
Образец 1	50	4,95	5	6,25
Образец 2	50	5,0
Образец 3	50	5,05

По нашему мнению использование цифровой лаборатории «Архимед» для исследования кислотности хлеба помогает в определении, поскольку слабо-розового окрашивания фенолфталеина не появляется, даже при приливании большого избытка гидроксида натрия.

Опыт №4. Определение кислотности муки [19]

Цель опыта: определить кислотность разных сортов и видов муки, проследив за изменением рН при титровании.

Форма работы: индивидуальная (в группах).

Оборудование и реактивы: разные сорта и/или виды (пшеничная, ржаная, кукурузная) муки, 0,1 М раствор гидроксида натрия, бюретка, воронка, колбы для титрованиия, мешалка, фенолфталеин, датчик рН, соединительный провод для датчика, цифровая лаборатория «Архимед».

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 1000

Ход опыта: В колбу для титрования помещают 5 г муки, затем прибавляют 40 мл воды, 5-6 капель фенолфталеина. Затем опускают датчик рН, начинают регистрацию данных и приливание (по каплям) 0,1 М раствор едкого натра при включённой мешалки до рН 8,2. Опыт повторяют 3 раза. Полученные данные занести в таблицу 4.

Таблица 4 - Кислотность муки

Образец муки	Масса муки в образце, г	Объём, прилитого раствора NaOH, мл	Среднее значение объёма, прилитого раствора NaOH, мл	Кислотность муки, град
Мука пшеничная
Образец 1
Образец 2
Образец 3
Мука ржаная
Образец 1
Образец 2
Образец 3
Мука кукурузная
Образец 1
Образец 2
Образец 3

Результаты измерений: вычислить кислотность образцов муки по формуле:

Кислотность муки = V (NaOH) · 20 / 10

Опыт №4. Определение свежести творога [19]

Цель опыта: определить кислотность разных видов творога, проследив за изменением рН при титровании.

Форма работы: индивидуальная (в группах).

Оборудование и реактивы: разные виды творога, 0,1 М раствор гидроксида натрия, бюретка, воронка, колбы для титрованиия, мешалка, фенолфталеин, датчик рН, соединительный провод для датчика, цифровая лаборатория «Архимед».

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 1000

Ход опыта: В колбу для титрования помещают 10 г творога (очистить от изюма и др. включений) и небольшими порциями приливают 20 мл воды, нагретой до 30-40 ⁰С. Творог тщательно перемешивают стеклянной палочкой. Прибавляют 5 капель спиртового раствора фенолфталеина. Помещают в раствор датчик рН, начинают регистрацию данных, одновременно прибавляя 0,1 н. раствор гидроксида натрия до рН 8,2 (появления розовой окраски). Опыт повторяют 3 раза. Полученные данные занести в таблицу 5.

Таблица 5 - Кислотность творога

Образец творога	Масса творога в образце, г	Объём, прилитого раствора NaOH, мл	Среднее значение объёма, прилитого раствора NaOH, мл	Кислотность творога, град
Образец творога 1
1
2
3
Образец творога 2
1
2
3
Образец творога 3
1
2
3

Результаты измерений: вычислить кислотность образцов творога по формуле:

Кислотность творога = V (NaOH) · 20

Анализ качества фармацевтических препаратов

Опыт №1. Анализ кислоты борной [21]

Кислота борная - Н₃ВО_3, в промышленности получают из борсодержащих минералов действием концентрированной серной кислотой:

Mg₂B₂O₅·H₂O + 2H₂SO₄ > 2MgSO₄ + 2 Н₃ВО₃

Чистая кислота борная представляет собой жирные на ощупь, бесцветные, прозрачные чешуйчатые кристаллы или мелкий белый кристаллический порошок без запаха. В холодной воде растворяется плохо, в горячей хорошо. Растворима в спирте (1:25) и медленно (1:7) в глицерине.

Применение:

- в виде 2-3% растворов для полоскания горла;

- в мазях и присыпках;

- 1-2% водные растворы в глазной практике.

Кислота борная принадлежит к очень слабым кислотам: константа диссоциации её 5,75·10^-10. Соли, образующиеся при титровании кислоты борной щёлочью, очень сильно гидролизуются, и раствор становится щёлочным значительно ранее достижения эквивалентной точки.

Известные методы определения кислоты борной основаны большей частью на том, что она реагирует с многоатомными спиртами, образуя более сильные комплексные кислоты, которые можно точно титровать, используя индикатор фенолфталеин. Для этой цели было предложено добавлять нейтральный глицерин. Кроме глицерина, можно применять и другие многоатомные спирты, например, манит.

Предлагаемый опыт используется на занятии «Неорганические вещества как лекарства» элективного курса «Химия и медицина».

Цель работы: провести идентификацию и количественный анализ кислоты борной, используя возможности цифровой лаборатории «Архимед».

Форма работы: фронтальная (демонстрационный опыт )

Оборудование и реактивы: 2 М раствор хлороводородной кислоты, кислота борная, глицерин, фенолфталеин, 0,1 М раствор гидроксида натрия; колба для титрования, магнитная мешалка, датчик рН.

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 500

Ход опыта: Количественное определение борной кислоты

Массу навески борной кислоты в 0,05 г перенесите в колбу для титрования, растворите при небольшом нагревании в 20 мл воды, охладите, добавьте 5 мл глицерина, 5 капель фенолфталеина. Опустите в стакан датчик рН и начинайте регистрацию данных при одновременном добавлении 0,1 М раствора гидроксида натрия до рН 8,2. Опыт повторите 3 раза.

Примечание:

- навеску можно растворять или в горячей воде, или при слабом нагревании;

- перед добавлением фенолфталеина и глицерина раствор обязательно охладить (под струёй холодной воды);

- титровать медленно по каплям и обязательно на белом фоне.

Определение содержания кислоты борной в процентах [21]

Содержание кислоты борной в процентах (Х) вычислите по формуле:

X= V·K·T·100 / a = V·K· 0,00618 ·100 / 0,05,

где V - объём 0,1 М раствора гидроксида натрия, мл; К - поправочный коэффициент; Т - 0,00618 г/мл; а - масса навески борной кислоты, взятая для определения, г. По требованиям ГФ Х содержание Н₃ВО₃ должно быть не менее 99,5%.

Задания:

1. Выполнив работу, напишите уравнения реакций количественного определения, сделайте вывод, что анализировалась действительно борная кислота.

2. Сравните процентное содержание исследуемой кислоты борной с требованиями ГФ Х. Сделайте заключение можно ли готовить из неё лекарственные формы.

Опыт №2. Анализ кислоты ацетилсалициловой [21]

Предлагаемый опыт используется на занятии «Экскурсия в домашнюю аптечку» элективного курса «Химия и медицина».

Цель работы: провести идентификацию и количественный анализ ацетилсалициловой кислоты, используя возможности цифровой лаборатории «Архимед».

Форма работы: фронтальная (демонстрационный опыт)

Оборудование и реактивы: препарат ацетилсалициловой кислоты, вода, раствор гидроксида калия, серная кислота, спирт, раствор фенолфталеина, 0,1 н. раствор гидроксида натрия; колба для титрования, датчик рН.

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 500

Реакция №1. Идентификация кислоты ацетилсалициловой

Около 0,1 г препарата растворите в 5 мл раствора гидроксида калия, кипятите в течение 3 мин., после охлаждения подкислите серной кислотой; выпадает белый кристаллический осадок и ощущается запах уксусной кислоты.

Реакция №2. Анализ кислоты ацетилсалициловой

Массу препарата в 0,05 г поместите в колбу для титрования и растворите навеску в 3 мл спирта, добавьте 5 мл воды, 3 капли индикатора фенолфталеина. Опустите в химический стакан датчик рН и начинайте регистрацию данных, одновременно прибавляя 0,1 н. раствор гидроксида натрия до рН 8,2 (появления розового окрашивания). Опыт повторите 3 раза.

Определение содержания кислоты ацетилсалициловой в процентах.

Содержание кислоты ацетилсалициловой в процентах (Х) вычислите по формуле:

X= V·K·T·100 / a = V·K· 0,018 ·100 / 0,05,

где V - объём 0,1н раствора гидроксида натрия, мл; К - поправочный коэффициент; Т- 0,018г/мл; а - масса навески ацетилсалициловой кислоты, взятая для определения, г.

По требованиям ГФ Х содержание кислоты ацетилсалициловой должно быть не менее 99,5%.

Задание:

1.Сравните процентное содержание исследуемой кислоты ацетилсалициловой с требованиями ГФ Х. Сделайте заключение можно ли готовить из неё лекарственные формы.

Опыт №3. Анализ кислоты аскорбиновой [1]

Кислота аскорбиновая - витамин С, С₆Н₈О₆. Белый кристаллический порошок кислого вкуса; легко растворим в воде, спирте, нерастворим в эфире, бензоле и хлороформе.

Предлагаемый опыт используется на занятии «Витамины» элективного курса «Химия и медицина».

Цель работы: провести идентификацию и количественный анализ аскорбиновой кислоты, используя возможности цифровой лаборатории «Архимед».

Форма работы: фронтальная (демонстрационный опыт)

Оборудование и реактивы: препарат аскорбиновой кислоты, вода, раствор фенолфталеина, 0,1 н. раствор гидроксида натрия; колба для титрования, датчик рН.

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 500

Ход работы: Около 0,3 г препарата помещают в колбу для титрования и растворяют в 25 мл воды, опускают датчик рН и титруют 0,1 н. раствором натрия гидроксида до рН 8,2 (появления розового окрашивания). Опыт повторяют 3 раза.

3.2.2 Методические разработки опытов, с использованием цифровой лаборатории «Архимед», для элективного курса «Химия и экология»

Элективный курс «Химия и экология» рассматривает, в частности, вопросы мониторинга почв ( Приложение 5). В практикум к элективному курсу «Химия и экология» [37] включено занятие «Мониторинг почвы», на котором учащиеся проводят опыты по определению структуры почвы, определению окраски почвы и водопрочности структурных агрегатов, определению обменной кислотности в почвенной вытяжке, определению карбонат-иона, хлорид-иона, сульфат-иона, ионов натрия, железа (II) и (III) в почвенной вытяжке. Экологический аспект анализа почвы включает также исследование кислотности почв. Мы несколько модернизировали опыт, предлагаемый в «Тетради для лабораторных опытов и практических работ к учебнику О.С. Габриеляна «Химия. 8 класс» [8], адаптировав его к возможностям цифровой лаборатории «Архимед»

Опыт № 1. Анализ почвы [8]

Цель работы: Определить характер среды (кислая, щелочная, нейтральная) различных видов почв и сделать вывод об их пригодности для выращивания различных с/х растений.

Форма работы: фронтальная (демонстрационный эксперимент).

Оборудование и реактивы: лабораторный штатив с муфтой и кольцом, воронка, фильтровальная бумага, пробирка, стеклянная палочка, 2 химических стакана, датчик рН, цифровая лаборатория «Архимед».

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 500

Приготовление почвенного раствора. В химический стакан поместите почву. Прилейте дистиллированную воду, объём которой должен быть в 3 раза больше объёма почвы. Хорошенько перемешайте стеклянной палочкой.

Приготовьте лабораторный штатив. Наденьте муфту на стержень штатива так, чтобы винт, закрепляющий её, был справа от стержня штатива. Закрепите в муфту кольцо так, чтобы стержень кольца поддерживал не только винт, но и муфта. Поместите в кольцо воронку.

Приготовьте бумажный фильтр. Смочите фильтр водой, чтобы он плотнее прилегал к стенкам воронки и чтобы сухой фильтр не впитывал фильтруемую жидкость. При фильтровании жидкость наливайте на фильтр по палочке тонкой струёй, направляя её на стенку воронки, а не на непрочный центр фильтра, чтобы его не разорвать. Подставьте под воронку химический стакан и профильтруйте подготовленную смесь почвы и воды. Почва останется на фильтре, а собранный в пробирке фильтрат представляет собой почвенную вытяжку (почвенный раствор).

В почвенную вытяжку поместите датчик рН и начинайте регистрацию данных. Эксперимент проделайте не менее 3-х раз.

Результаты измерений: занесите полученные данные в таблицу 6 «Кислотность почв» и сделайте вывод об их пригодности для выращивания различных с/х растений.

Таблица 6 - Кислотность почв

Образец почвы	рН
Образец почвы № 1
Образец почвы № 2
Образец почвы № 3

Опыт 2. Коррозия металлов

Данный эксперимент может быть проведён на элективном курсе «Химия и экология», в рамках подготовки к ученическим конференциям и в урочной деятельности в 9 классе при изучении темы «Металлы» на уроке № 13 «Общие понятия о коррозии металлов» (Приложение 1).

Цель работы: изучить влияние продуктов коррозии на развитие водных растений, используя при этом возможности цифровой лаборатории «Архимед» (насадка рН-метр).

Форма работы: фронтальная (демонстрационный эксперимент).

Опыт 1. Влияние продуктов коррозии металлов на развитие водных растений

Опыт закладывают за 4 дня до урока (можно на предыдущем уроке). Значения рН регистрируют в одно и тоже время один раз в день. Полученные по водородному показателю данные представляют учащимся в виде графика. А сами опытные образцы демонстрируют на уроке.

Реактивы и оборудование: вода, железный гвоздь, кусочек меди (цинка, олова), водоросли; 3 химических стакана.

Ход работы: Три химических стакана вместимостью 100 мл наполняют водой и помещают в них водоросли. Во 2-й стакан опускают гвоздь, в 3-й - гвоздь и кусочек меди (цинка, олова), а 1-й стакан оставляют в качестве контрольного. В течение 4 дней делают контрольные замеры pН воды во всех стаканах, проводят обнаружение ионов металлов (Fe²⁺, Fe³⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, Sn²⁺).

Наблюдения:

Через 5 дней можно наблюдать резкое изменение pН воды во 2-м и 3-м стаканах по сравнению с контрольным, а также внешнего вида растений: они буреют, сильно ослизняются, отмирает корневая система.

Ход опыта: Четыре химических стакана вместимостью 50 мл наполняют водой и:

В стакан № 1: помещают водоросли - контрольный образец

В стакан №2: помещают водоросли и железный гвоздь

В стакан № 3: помещают водоросли и железный гвоздь, с медной проволокой

В стакан № 4: помещают водоросли и железный гвоздь, с цинковой стружкой

· В течение 4 дней делают контрольные замеры pН воды во всех стаканах

· Значения рН регистрируют в одно и тоже время один раз в день.

· Полученные по водородному показателю данные представляются учащимся в виде графика.

· Сами опытные образцы растений демонстрируют на последнем элективе.

Наблюдения:

Через 5 дней можно наблюдать изменение pН воды во 2-м, 3-м,4-м стаканах по сравнению с контрольным, а также внешнего вида растений: они буреют, сильно ослизняются. ( таблица 7)

Таблица 7 - Водородный показатель при прохождении процессов коррозии металлов в воде

Дата измерения	Стакан №1	Стакан №2	Стакан №3	Стакан №4
Первый день	8,38	8,37	8,30	8,33
Второй день	9,07	9,26	8,95	8,43
Третий день	9,10	9,68	9,15	8,58
Четвёртый день	9,14	9,75	9,20	8,63
Пятый день	9,15	9,75	9,47	8,68

Теоретическое обоснование процесса

Коррозия - это самопроизвольное разрушение металлических материалов, происходящее под химическим воздействием окружающей среды [42].

В результате электрохимической коррозии окисление металла может приводить как к образованию нерастворимых продуктов (например ржавчины), так и к переходу металла в раствор в виде иона. Ржавчина представляет собой гидратированный оксид железа - Fe₂O₃· xH₂O. Ржавление протекает под воздействием воды и кислорода. Это электрохимический процесс, при котором одни частицы железа играют роль катода, а другие - анода.

Важнейшими окислителями, вызывающими электрохимическую коррозию являются кислород и ионы водорода.

О₂ + 2Н⁺ + 4e = 2Н₂О

2Н⁺ + 2e = Н₂

Образец в стакане № 2:

В анодной области:

Fe_(тв) - 2е > Fe²⁺_(водн),

В катодной области:

О_2(водн) + 2Н₂О_(ж.) + 4е > 4ОН^-_(водн)

При контакте катодной и анодной областей происходит осаждение Fe(OH)₂. Воздух окисляет его и образуется ржавчина:

Fe(OH)_2(тв.) + 0,5О₂ + Н₂О > Fe₂O₃· xH₂O

Образец в стакане № 3 (катодное покрытие): металл включения (Cu) имеет больший потенциал, чем основной металл (Fe)

В анодной области:

Fe_(тв) - 2е > Fe²⁺_(водн)

В катодной области:

2Н⁺ + 2e > Н₂

О_2(водн) + 2Н₂О_(ж.) + 4е > 4ОН^-_(водн)

При контакте катодной и анодной областей происходит осаждение Fe(OH)₂. Воздух окисляет его и образуется ржавчина:

Fe(OH)_2(тв.) + 0,5О₂ + Н₂О > Fe₂O₃· xH₂O

Поток электронов от железа направляется к меди и разряжает ионы водорода, а железо разрушается быстрее, чем без меди.

Образец в стакане № 4 (анодное покрытие): металл включения (Zn) имеет меньший потенциал, чем основной металл (Fe)

В анодной области:

Zn_(тв) - 2е > Zn²⁺_(водн)

В катодной области:

2Н⁺ + 2e > Н₂

2Н₂ + О_2(водн) > 2 Н₂О

О_2(водн) + 2Н₂О_(ж.) + 4е > 4ОН^-_(водн)

При контакте катодной и анодной областей происходит осаждение Zn(OH)₂(осадок белого цвета)

Значения электродных потенциалов металлов подтверждают предложенное выше объяснение процесса:

Fe³⁺ + 3e = Fe, Е⁰ = - 0,036 В

Сu²⁺ + 2e = Cu, Е⁰ = 0,337 В

Zn²⁺ + 2e = Zn, Е⁰ = - 0,763 В

Таким образом, медь будет увеличивать скорость электрохимической коррозии. Это подтверждают результаты эксперимента, а именно в 3-м стакане изменение значения рН более интенсивно по сравнению с 4-м стаканом.

Опыт № 3. Определение рН (водородного показателя) питьевой неминерализованной воды, минеральной воды, газированных окрашенных напитков

Активная реакция среды, является одним из параметров качества питьевой воды, наряду с такими характеристиками как температура, мутность, цветность, запах и привкус, прозрачность, общая жёсткость, содержание ионов, окисляемость.

На величину рН воды влияет содержание карбонатов, гидроокисей, солей, подверженных гидролизу, гуминовых веществ и т. п. Данный показатель является индикатором загрязнения открытых водоемов при выпуске в них кислых или щелочных сточных вод, а также питьевой воды. В результате происходящих в воде химических и биологических процессов и потерь углекислоты рН воды открытых водоемов может быстро изменяться, и этот показатель следует определять сразу же после отбора пробы, желательно на месте отбора. Измерение рН цветных растворов и суспензий индикаторным способом невозможно.

Цель работы: Определить характер среды (кислая, щелочная, нейтральная) различных пробы воды (хозяйственно-питьевая вода, вода из водоёма, вода из родника) и напитков (Кока-кола, Фанта) и сделать вывод об их пригодности для потребления в качестве питьевой воды.

Форма работы: фронтальная (демонстрационный эксперимент).

Оборудование и реактивы: пробы воды и напитков (хозяйственно-питьевая вода, вода из водоёма, вода из родника, Кока-кола, Фанта); химические стаканы, лабораторный штатив, датчик рН, цифровая лаборатория «Архимед».

Настройка параметров измерения:

1) частота измерений - каждую секунду;

2) число замеров - 50

Ход работы: каждую из предложенных для анализа вод прилить в химический стакан. Погрузить датчик рН, начать измерение.

Результаты работы: представить полученные результаты в форме таблицы (Таблица 8)

Таблица 8 - Активная реакция среды рН проб воды и напитков

Пробы воды и напитков	Объём пробы воды и напитков	Активная реакция среды, рН	Среднее значение рН
Хозяйственно-питьевая вода
Проба 1
Проба 2
Проба 3
Вода из водоёма
Проба 1
Проба 2
Проба 3
Вода из родника
Проба 1
Проба 2
Проба 3
«Кока-кола»
Проба 1
Проба 2
Проба 3
«Фанта»
Проба 1
Проба 2
Проба 3

Вывод: Сделайте вывод о пригодности исследуемых вод по показателю рН, если согласно требованиям ГОСТ активная реакция (рН) питьевой воды должна составлять 6,5-9,5.

Апробация методических разработок опытов с использованием цифровой лаборатории «Архимед» в урочной деятельности и на элективных курсах

Апробацию всех предлагаемых опытов мы проводили на базе МОУ Лицей информационных систем и технологий № 73 г. Пензы.

В ходе проведения нашей работы мы рассматривали возможности применения данной лаборатории в различных видах учебной деятельности: на уроках и на элективных курсах.

Апробацию возможностей этой лаборатории в процессе обучения мы проводили при изучении следующих тем: