| Записки практикуючого вчителя. Ідеї застосування датчика електропровідності в навчальному процесі сучасної школи

Використання даного вимірювального пристрою не обмежується лише хімією, його успішно можна застосовувати у всьому циклі природничих наук та уроках STEM-освіти. У цій нотатці я спробую Вам це довести. 
Фізика/хімія: 1. Датчик електропровідності розчинів (ДЕПР) перш за все є незамінним інструментом для ґрунтовного освоєння теми «Електролітична дисоціація». Учням необхідно продемонструвати показник провідності дистильованої води (за відсутності дистильованої можливо використати і водопровідну, але необхідно попередньо виставити значення її провідності за нуль, після наступного включення реєстратор даних автоматично повернеться до заводських налаштувань), сухої кухонної солі (це не зовсім коректно з точки зору методології, тому що датчик розрахований на вимірювання рідин, але це дуже допомагає учням зрозуміти і запам’ятати, що дистильована вода і сіль окремо є діелектриками). Далі варто розділити воду на два стаканчики, і в один додати цукор як приклад молекулярного розчину, а в інший - порційно кухонну сіль. Тут можна спостерігати залежність провідності від кількості доданої солі, поки вона розчинається. 
Фізика: 2. В темі «Опір» можна продемонструвати подібний попередньому дослід, але пояснивши учням залежність між провідністю (См) та опором (Ом), після чого перерахувати отримані значення провідності на опір розчину електричному струму.
Хімія: 3. Доповнюючи тему «Слабкі та сильні електроліти», доречною буде практична робота, де учні мають самостійно виміряти провідність різних розчинів речовин, керуючись отриманими даними розташувати їх в ряд від сильних до слабких електролітів.
4. Продемонструвати залежність розчинності речовин (іонної будови) від температури можна застосувавши водночас ДЕПР та термометр (програмне забезпечення Vernier дозволяє будувати графіки не лише за часом, а і як залежність між показниками, отриманими з двох датчиків). Наочніше використати саме малорозчинні речовини (наприклад, хлорид арґентуму), взявши їх у надлишку, поступово нагріваючи розчин (максимум допустимої температури для датчика провідності 80°C). Для демонстрації здатності температури знижувати розчинність можна використати гідроксид кальцію.
5. Дуже вдалою практичною роботою для факультативу або спецкурсу з хімії є кондуктометричне титрування. Можна відтитрувати розчин барій гідроксиду розбавленою сульфатною кислотою, де точкою еквівалентності буде провідність дистильованої води, яку використовували для приготування розчину. Ця робота є гарною практикою для учня в кількісній аналітиці, тому що гарно розкриває суть методу титрування та показує важливість не перетитровувати. Титрувати розчин можна як класичною бюреткою, так і сучасними засобами, такими як DropCounterVernier.
6. Під час вивчення теми «рН» можна застосувати датчик провідності наступним чином: побудувати графік залежності електропровідності від рН розчину (графік по даним двох датчиків). Для цього необхідно помістити датчик провідності та рН в розчин сильної кислоти і по краплям додавати луг (наприклад розчини 0.02М гідроксиду натрію та хлоридної кислоти), або навпаки. Цей дослід бажано проводити за допомогою магнітної мішалки для отримання більш плавних графіків. У точці еквівалентності, коли повністю пройшла реакція нейтралізації, провідність буде найменша, що буде відповідати нейтральним значенням рН. Цей дослід гарно демонструє, чому водневий показник 7,0 відповідає нейтральному значенню.
7. У попередньому досліді, замінивши рН-датчик на DropCounter (лічильник крапель) можна продемонструвати реакцію нейтралізації або провести кондуктометричне титрування (отриманий графік приведено на фото).
8. Додаючи розчин різних речовин (однакової молярної концентрації, наприклад, 1М натрію, кальцію і алюмінію хлориди), можна дослідити вплив їх концентрації на провідність розчину. Для цього необхідно за допомогою DropCounter додавати досліджувані розчини у склянку з дистильованою водою і ДЕПР (побудова графіку за двома показниками). Програмне забезпечення Vernier дозволяє всі отримані графіки за одних умов накладати на одну систему координат для їх порівняння. 
9. Порівняти силу кислот та порахувати їх констант дисоціації (слабких кислот) за допомогою наступного досліду. Необхідно в склянку з 100 мл дистильованої води на магнітній мішалці з зануреним датчиком провідності додавати по 0,5 мл (потрібний точний об’єм) кислоти. Як представники сильних і слабких кислот підійдуть 0.1М розчин хлорної та мурашиної кислоти. У цьому досліді необхідно скористатись методом побудови графіку за заданими точками, де на одній осі будуть відкладені значення доданої кислоти в мілілітрах, а на іншій показники провідності. Відклавши по 10 точок, можна порівняти отримані графіки різних кислот. За законом розведення Освальда, з отриманих даних для слабких кислот можна порахувати їх константу дисоціації.
10. Цікавою лабораторною роботою для спецкурсу з хімії буде визначення учнями невідомої їм концентрації солі (лугу,кислоти) в зразку розчину за допомогою вимірювання його електропровідності. Для того, щоб визначити, якій концентрації відомої солі відповідає визначена провідність, вони мають отримати калібрувальний графік відношення провідності до концентрації обраної речовини (учні можуть побудувати його в зошиті ,міліметрівці або скористатись побудовою в цифровому інтерфейсі: побудова графіку за заданими точками по кількості внесеної солі). При такій формі роботи учням легко зрозуміти, що таке калібрувальний графік, але варто наголосити, що цей спосіб працює лише у випадку, коли в розчині знаходиться лише одна речовина. 
11. Показати відмінність між тимчасовою і постійною жорсткістю води можна порівнявши провідність водопровідної та кип’яченої води, а також продемонструвати значення кип’ятіння як основного методу позбавлення від тимчасової твердості води. 
Основи здоров’я: 12. Продемонструвати учням відмінності властивостей різної жорсткості води можна наступним чином: приготувавти зразки різної жорсткості води та порівняти їх можливість утворювати піну з милом та змивати її, а за допомогою датчика провідності розділити зразки води за жорсткістю (підтвердити їх жорсткість). Також жорсткість води є одним з головних показників якості води, а отже, можна провести міні-дослідження води з різних джерел у своєму регіоні.
Географія/природознавство: 13. Солоність води, як і жорсткість, корелює з провідністю струму. А отже, за допомогою ДЕПР можна встановити солоність води. Датчик від Vernier дозволяє отримувати дані не лише в мікро Сіменсах на сантиметр, а і в міліграмах TDS (загальна кількість розчинених частин) на літр, тобто можна визначити загальну мінералізацію води. Для перерахунку отриманих значень на натрій хлорид в комплекті є зразок його розчину з точною концентрацією.
Біологія: 14. Явище осмосу гарно демонструє дослід з дистильованою водою, в яку занурено шматочок очищеної картоплі. Найбільш вдалою тут є демонстрація побудови графіка за часом, де провідність води (бажано попередньо обнулити значення провідності по дистильованій воді) з часом зростає. Міні-дослідженням може бути порівняння швидкості осмосу в дистильованій воді очищеної та неочищеної картоплини.
15. Цікавою ілюстрацією впливу площі поверхні на властивості клітин може бути демонстрація різної швидкості осмосу (як і в попередньому досліді), залежно від форми кубиків агар-агару (желатину) ,приготованих із насиченого розчину кухонної солі. Форма прямокутного паралелепіпеду дозволяє легко порахувати площу його поверхні. Для порівняння варто вирізати однакові за масою прямокутні зразки, але в другому варіанті для збільшення площі розрізати його навпіл. 
16. Класичним способом демонстрації властивостей напівпроникних мембран є дослід, де в дистильовану воду занурюють целофановий пакет з перенасиченим розчином кухонної солі. Свідченням того, що між рідинами буде відбуватись осмос, є поступове зростання електропровідності в першій рідині (або зменшення в другій, але тоді необхідно застосовувати не перенасичений розчин). Цей дослід є досить повільним, тому тут потрібна тривала експозиція вимірювань. Також чим тонший целофан, тим швидше та інтенсивніше протікатиме це явище. Як зразок непроникних для іонів мембран можна використати поліетиленовий пакет.
Можливих дослідів з ДЕПР є значно більше, але у своїй підбірці я керувався власними поглядами на доцільність проведення в рамках шкільної програми (спецкурсів, факультативів) та технічною доступністю дослідів. Також хочу наголосити на тому, що мої нотатки є не інструкціями, а лише переліком ідей для вчителів, яким цікаво впроваджувати в свою практику новітні технічні засоби навчання.
(skulovatov@gmail.com)
© Sander Eskulapov

 

Каталог