Colorimetria con lo Smartphone da un idea di istage2 workshop - Berlino, Dicembre 2014 lavoro eseguito dagli allievi della classe 3^N - a.s. 2014-15 Premessa La dissoluzione dei compos0 in acqua ne colora le soluzioni: quanto più rame é contenuto tanto maggiore é la tonalità del colore blu, aumentando la quan0tà di permanganato tanto più intensa é la colorazione viola. Lo studente può u0lizzare uno smartphone per determinare la concentrazione della soluzione, mediante la costruzione di una re,a di taratura. Usa, pertanto, un App che misura il colore e ne esprime le caraderis0che mediante le coordinate del modello di rappresentazione digitale HSL, cioè: - La tonalità Hue, misurata dall ampiezza dell angolo adorno all asse ver0cale del modello: il rosso primario a 0, il verde primario a 120, il blu a 240, tornando al rosso a 360 ; - La purezza o Satura6on del colore, individuata da un valore compreso tra 0 - sull asse del modello - ed una superficie laterale dello stesso, con limite numerico pari a 1 (100%); - L altezza del modello che indica la luminosità Lightness, con estremi il nero (valore 0) e il bianco (1 o 100%). Il modello, contrariamente a quello RGB (non correlato alla lunghezza d onda della radiazione e quindi riferibile solo ai colori primari), consente di dis0nguere fra le varie tonalità del colore e perciò può pra0camente sos0tuire il concedo di assorbanza in determina0 intervalli di concentrazione delle soluzioni (non troppo diluite né concentrate). SeDore Titolo SCIENZA della MATERIA QUALE BLU? QUALE ROSSO? MISURE App ios App Android Color Assist Free Edi8on Color Grab (free) ELABORAZIONE DATI App ios App Android SW PC/Mac Regression Calculator (0,99 ) Data Analysis (free): solo per ipad Vernier Graphical Analysis (4,49 ) Regression Calculator (free) Ms Excel, Numbers, Open Office Calc
Materiali e aprezzatura Guan0 e occhiali protedvi, cappa aspirante; Rame Cu in polvere; Becher da 50 ml; Acido Nitrico HNO 3 al 65%; Soluzione di Potassio Permanganato KMnO 4 0,1 N; 4 Matracci da 100 ml o ProveDe da 50 ml. Preparazione delle soluzioni di calibrazione e di quella incognita: RAME 1. Pesare una quan0tà di Rame puro compresa tra 1.5 e 4.0 g: registrarne il valore. 2. Indossare guan0 e occhiali protedvi e lavorare sodo cappa: versare nel becher da 50 ml una quan0tà di acido nitrico HNO 3 al 65%, 5 volte mul0pla della massa di rame. 3. Aggiungere il rame poco a poco, chiudere la cappa aspirante ed adendere fino a che il rame é completamente disciolto. 4. Aggiungere acqua demineralizzata fino a 30 ml poi trasferire la soluzione in un matraccio da 100 ml. 5. Diluire fino a volume, chiudere il matraccio col tappo e mescolare bene. Procedimento Soluzioni di calibrazione e di quella incognita: PERMANGANATO A par0re dallo standard 0,1 N, preparare 4 soluzioni in provede o matracci da 50 ml per successiva diluizione e fino a valori di concentrazione pari a : 0,02/0,0125/0,002 e 0,0002 N. Misura della tonalità H con lo smartphone (vedi clip allegata) 6. Collocare il primo matraccio (o la proveda) su carta da filtro bianca, in modo che la stessa schermi anche la parte posteriore del recipiente, ad una distanza di 2-3 cm. 7. Tracciare una parte del perimetro di base del matraccio, allo scopo di eseguire la ledura a distanza costante coi successivi recipien0. 8. Disporre lo smartphone in modo tale che l angolo di vista sia orizzontale e l obiedvo della camera inquadri la parte più larga del matraccio, ad una distanza di circa 15 cm. 9. Leggere il valore HSL (vedi la sezione successiva Da6 Raccol6), ripetendo la misura per tud i matracci. Riferimen+ Daniel Bengtsson, Lilla Jónás, Miroslaw Los, Marc Montangero, Márta Gajdosné Szabó, istage2 Smartphones in Science Teaching Raccolta da8 All apertura della App compare la schermata mostrata alla pagina successiva (screenshot di iphone nel caso della soluzione contenente Rame). In essa sono da considerare i seguen0 comandi : (A) Impostazioni : permede la configurazione della App, in par0colare di scegliere il modello digitale. (B) Target: advando il seledore, si può toccare il display per spostare la posizione di ledura senza muovere la fotocamera. (C) Tasto pausa (advato nell immagine) /play: consente di bloccare il colore rilevato. (D) Tasto +: la sua pressione memorizza la ledura nella sezione di edi0ng.
(E) Edit: organizza la raccolta di campioni led e consente di condividere le misure per posta eledronica, in varie modalità (solo testo / testo e anteprima colore / testo, anteprima del colore e immagine del campione). A B C E D Elaborazione delle misure: RAME a. Si rileva la tonalità di colore delle 3 soluzioni di taratura e di quella incognita: si deve focalizzare l obiedvo della camera sulla parte centrale del matraccio. b. Si condividono i da0 mediante email. Nel caso in ques0one é stata scelta l opzione Email Color Samples: standard: 1,51 g Campione: 3,51 g standard: 2,20 g standard: 3,99 g c. Si rappresentano graficamente i valori di H in funzione della massa di rame, ad esempio u0lizzando l App Regression Calculator caricata sullo smartphone (vedi immagini alla pagina successiva): H ( ) 196 215 224 m Cu (g) 1,51 2,20 3,99
d. Si interpola il valore di H della soluzione campione nella reda di regressione, determinando la massa incognita di rame. Nel nostro caso si odene: mcu = 221 186,1 = 3,50 ( g ) 9,97 vs. un valore di rame effedvamente disciolto pari a 3,51 g. Elaborazione delle misure: PERMANGANATO a. Si rileva la tonalità di colore delle 3 soluzioni di taratura e di quella incognita: nel caso non si u0lizzino provede, si deve medere a fuoco il collo del matraccio. b. Si condividono i da0 mediante email, scegliendo l opzione Email Color Samples (vedi pagina successiva):
standard: 0,002 N Campione: 0,0125 N standard: 0,02 N standard: 0,0002 N c. Si calcola la massa di Permanganato contenuto in 50 ml di soluzione acquosa: PM KMnO4 m KMnO4 0,0125N = 158,034 g mol ( ) = 0,0125 eq l ( ) PE KMnO 4 = 158,034 0,05 l 5 ( ) = 31,61 g eq ( ) 31,61 g eq = 0,01976 g m KMnO4 ( 0,02N ) = 0,02 0,05 31,61 = 0,03161( g) = 31,61( mg) m KMnO4 ( 0,002N ) = 0,003161( g) = 3,16( mg) m KMnO4 ( 0,0002N ) = 0,0003161( g) = 0,32( mg) ( ) = 19,76 ( mg ) d. Si rappresentano graficamente i valori di H in funzione della massa di permanganato, ad esempio u0lizzando l App Data Analysis caricata sull ipad (vedi immagini alla pagina successiva): H ( ) 270 316 320 m SALE (mg) 31,61 3,16 0,32
e. Si interpola il valore di H della soluzione campione nella reda di regressione, determinando la massa incognita di permanganato. Come si vede nello screenshot, l interpolazione può essere effeduata diredamente con l App, selezionando la voce Use as Standard Curve: Il valore odenuto é 19,79 mg vs. un valore di sale effedvamente disciolto esadamente pari a 19,76 mg. Conclusioni Si trada di una classica esperienza di chimica anali0ca, solitamente effeduata dagli studen0 del terzo anno negli is0tu0 tecnici del sedore tecnologico. Ciò che la rende interessante é il fado che possa essere rinnovata mediante l u0lizzo dello Smartphone ad opera di ciascun allievo, anziché usare complessivamente uno spe,ro fotometro UV- Visibile, strumento dal costo parecchio elevato. Resta da appurare a quali altre soluzioni possa essere applicato il protocollo, oltre al Potassio Permanganato: si trada di individuare l intervallo di concentrazione in cui é verificata la correlazione lineare tra la tonalità e la concentrazione della soluzione. A tale proposito, infine, resta da dire che per gli alunni più piccoli l esperimento assume valenza propedeu0ca allo studio della chimica. Consolida, però, il concedo di dipendenza lineare più volte incontrato nello studio sperimentale della Fisica, allargando l orizzonte ad un altra disciplina scien0fica: un odma occasione per organizzare un modulo inter disciplinare.