Misure scientifiche e competenze di laboratorio
Tradurre i risultati sperimentali da punti dati a rappresentazioni visive, come i grafici, è essenziale per determinare la relazione tra due o più proprietà. Queste proprietà sono denominate variabili. Quando ci sono due variabili, un grafico creato dai dati è chiamato bidimensionale. Il grafico ha due assi. La variabile indipendente viene tracciata sull'asse x e la variabile dipendente viene tracciata sull'asse y.
Prendiamo, ad esempio, questi dati campione per la temperatura e il volume di un gas. Il volume del gas dipende dalla temperatura. Pertanto, traccheremmo la temperatura misurata sull'asse x e il volume sull'asse y.
Quando ci sono diversi punti dati con lo stesso valore x, come se misurassimo il volume più volte a una temperatura, calcoliamo anche la deviazione standard di tali misurazioni. La deviazione standard è un valore statistico, che indica la quantità di variazione presente in un insieme di valori.
La deviazione standard viene calcolata utilizzando questa formula, dove n è il numero di punti dati, x bar è il valore medio dei punti dati e xi rappresenta ogni singolo punto dati. È possibile calcolare la deviazione standard a mano oppure un programma per fogli di calcolo può calcolarla automaticamente. Più la deviazione standard è vicina a 0, più i punti dati sono vicini al valore medio. Se la deviazione standard è uguale a 0, tutti i punti dati immessi hanno lo stesso valore.
Diamo un'occhiata ai valori medi e alle deviazioni standard delle misurazioni del volume a ciascuna temperatura nel nostro set di dati. Possiamo riassumere ogni insieme di punti dati come la media più o meno la deviazione standard. Determiniamo le cifre significative per ogni media dalle misurazioni corrispondenti e arrotondiamo i valori medi di conseguenza.
La deviazione standard di ogni gruppo deve avere lo stesso numero di cifre decimali della media, quindi arrotondiamo ogni deviazione standard alla centesima. Per determinare graficamente la relazione tra due variabili, possiamo adattare i dati con una funzione best-fit.
La funzione viene generata automaticamente da un software per fogli di calcolo e può assumere la forma di una linea di tendenza lineare, di una funzione polinomiale o di una funzione esponenziale o logaritmica. Nel caso dei nostri dati di temperatura e volume, la relazione è lineare. Quindi, i punti dati vengono adattati mediante regressione lineare dei minimi quadrati. Il tuo programma di foglio di calcolo restituirà l'equazione per la linea di adattamento migliore e un valore r al quadrato. Più il valore r al quadrato è vicino a 1, migliore è l'adattamento dei dati.
Successivamente, è possibile utilizzare il software per fogli di calcolo per trovare le deviazioni standard della pendenza, l'intercetta y e il valore y calcolato. Per determinare le cifre significative per i valori nell'equazione, seguiamo una semplice regola. L'ultima cifra significativa di ciascun valore corrisponde alla prima cifra decimale significativa della sua deviazione standard.
Quindi, arrotondiamo la pendenza al millesimo e l'intercetta y al decimo, e arrotondiamo le deviazioni standard in modo che corrispondano. La nostra pendenza è di 0,167 +/- 0,003 litri per Kelvin e la nostra intercetta y è di -40,6 +/- 1,2 litri. Qualsiasi valore y calcolato sarà arrotondato al decimo e sarà di +/- 0,8 litri. Questa equazione descrive la relazione tra la temperatura e il volume di un gas.
In questo laboratorio, creerai un set di dati di variabili dipendenti e indipendenti misurando il diametro e la circonferenza di bicchieri di varie dimensioni. Utilizzerai quindi questi dati per creare un grafico a dispersione ed eseguire una regressione lineare, tenendo presente l'importanza delle cifre significative. Potrai anche esercitarti nelle abilità di laboratorio, come filtrare e misurare il volume utilizzando pipette, prestando attenzione all'incertezza nelle misurazioni e nell'analisi.
Fonte: Smaa Koraym presso la Johns Hopkins University, MD, USA
- Misurazione del diametro e della circonferenza
L'errore può essere introdotto in qualsiasi esperimento, anche quando la tecnica viene eseguita con attenzione e correttamente. È essenziale esaminare criticamente i metodi sperimentali quando si esegue qualsiasi esercizio di laboratorio al fine di comprendere e valutare l'incertezza. In questa parte del laboratorio, determinerai una procedura per misurare la circonferenza di diversi oggetti in vetro e quindi valuterai le fonti di errore nelle tue misurazioni.
-
Per iniziare, indossa i dispositivi di protezione individuale appropriati, inclusi guanti, occhiali chimici e un camice da laboratorio.
-
Posiziona un pad sul banco di lavoro per evitare la rottura della vetreria. Capovolgere ogni bicchiere sul cuscinetto in modo che la base del bicchiere sia rivolta verso il soffitto.
-
Posiziona un'estremità della corda il più vicino possibile al bordo della base ed estendi la corda dall'altra parte del bicchiere per misurare il diametro. Usa un pennarello per contrassegnare la corda, etichettando i bordi.
-
Rimuovi la stringa e usa il righello per misurare la distanza tra i punti finali segnati sulla stringa. Registra il diametro (e il volume) sul tuo taccuino. Ripetere la misurazione altre due volte.
Tabella 1: Misurazione del diametro e della circonferenza
Clicca qui per scaricare la Tabella 1Prova 1 Prova 2 Prova 3 50-mL becher Diametro misurato Circonferenza misurata Circonferenza calcolata 100-mL becher Diametro misurato Circonferenza misurata Circonferenza calcolata 250-mL becher Diametro misurato Circonferenza misurata Circonferenza calcolata 400-mL becher Diametro misurato Circonferenza misurata Circonferenza calcolata 600-mL becher Diametro misurato Circonferenza misurata Circonferenza calcolata Circonferenza misurata vs. diametro Circonferenza Calcolata vs. Diametro pendio pendio Intercetta y Intercetta y R2 R2 -
Posiziona un'estremità della corda sul bordo del bicchiere ed estendi la corda attorno al bicchiere per misurare la circonferenza. nota: Cerca di misurare la circonferenza alla stessa altezza in cui hai misurato il diametro mantenendo la corda il più livellata possibile.
-
Segna la corda, misura la lunghezza usando il righello e annota la misura della circonferenza sul tuo quaderno. Ripetere la misurazione altre due volte.
-
Raccogli le misure di diametro e circonferenza per ciascuno dei bicchieri di diverse dimensioni e registrale sul tuo quaderno.
-
- Pipetting
Le pipette sono dispositivi volumetrici utilizzati in laboratorio per misurare ed erogare volumi specifici di liquidi. Esistono diversi tipi di pipette, ma quelle che useremo oggi sono chiamate pipette volumetriche. Queste pipette di vetro sono etichettate con le lettere "TD" e il volume, che indica che sono progettate per erogare il volume di liquido alla temperatura specificata. Viene elencato anche l'errore. La misurazione è corretta quando la parte inferiore del menisco si trova alla linea di volume appropriata. Un pipettatore o un bulbo viene utilizzato per aspirare il liquido nella pipetta. In questa parte del laboratorio, ti eserciterai nel pipettaggio utilizzando diverse pipette volumetriche ed esaminerai la tua consistenza e le possibili fonti di errore. nota: Non si deve mai pipettare per bocca.
-
Per iniziare, riempi un becher da 50 ml con acqua di rubinetto.
-
Pesa il cilindro graduato vuoto da 10 ml sulla bilancia e registra il peso.
Tabella 2: Pipettaggio di 10 mL di acqua
Clicca qui per scaricare la Tabella 2pipetta da 5 ml 10-ml pipetta 1a misurazione 2a misurazione 3a misurazione 1a misurazione 2a misurazione 3a misurazione Cilindro graduato da 10 ml vuoto di massa (g) Cilindro graduato da 10 mL (g) Volumeacqua (mL) Acqua di massa (g) Cilindro graduato da 10 ml a vuoto di massa (g) Cilindro graduato da 10 ml (g) Volumeacqua (mL) Acqua di massa (g) -
Attacca una pipetta da 5 ml al pipettatore e aspira 5 ml di acqua. Regolare il volume in modo che la parte inferiore del menisco si trovi sulla linea di misurazione di 5 ml. Quindi, erogare l'acqua nel cilindro graduato da 10 mL.
-
Ripeti per aggiungere altri 5 ml di acqua al cilindro graduato.
-
Leggi il volume riempito sul cilindro graduato e registralo sul tuo quaderno.
-
Riporta il cilindro graduato alla bilancia e registra la nuova massa. Sottrarre la massa iniziale da questo valore per ottenere la massa d'acqua aggiunta alla vetreria.
-
Pesa la massa del pallone volumetrico vuoto da 10 ml e registra il valore. Utilizzare una pipetta da 5 ml per misurare 10 ml di acqua nel pallone. Rimetti il pallone sulla bilancia e registra la nuova massa. Sottrarre la massa iniziale per ottenere la massa di acqua aggiunta.
-
Svuota l'acqua dal cilindro graduato e dal pallone volumetrico e attacca la pipetta da 10 ml al pipettatore.
-
Ripesa il cilindro graduato vuoto. Quindi, prelevare 10 mL di acqua utilizzando la pipetta ed erogarla nel cilindro graduato. Leggi il volume del liquido, registralo sul tuo taccuino e determina la massa dell'acqua aggiunta.
-
Ripesa il pallone volumetrico vuoto e poi misura 10 ml di acqua nel pallone volumetrico. Determinare la massa dell'acqua aggiunta.
-
Continua a esercitarti con il pipettaggio erogando volumi di liquido sia al cilindro graduato che al matraccio volumetrico. Ripetere almeno tre volte per ogni pipetta e vetreria. Registra tutte le misurazioni di volume e massa in modo da poter determinare la coerenza e l'accuratezza della tua tecnica.
-
- Filtrazione sottovuoto
La filtrazione sottovuoto con un imbuto Büchner è una tecnica spesso utilizzata per separare i solidi dai liquidi. Un imbuto Büchner viene collegato a un pallone filtrante tramite un adattatore di gomma e viene quindi fissato a un vuoto con un tubo in silicone. Dopo che la carta da filtro è stata inserita all'interno dell'imbuto, la soluzione viene versata al suo interno. Il vuoto tira il liquido nel pallone con i solidi rimasti sulla carta da filtro nell'imbuto. In questa parte del laboratorio, ti eserciterai con questa tecnica filtrando la sabbia dall'acqua utilizzando la configurazione dell'imbuto Büchner. Verificherai quindi l'efficacia della tua tecnica confrontando il peso della sabbia prima e dopo la filtrazione.
-
Per iniziare, azzera il saldo. Posiziona una pesa vuota sulla bilancia e registra il peso sul tuo taccuino. Quindi, tarare l'equilibrio.
Tabella 3: Filtrazione sottovuoto
Clicca qui per scaricare la Tabella 3Massa iniziale di sabbia (g) Massa finale di sabbia (g) Rendimento percentuale -
Rimuovi la bilancia dalla bilancia e usa la scoopula per trasferire la sabbia sulla pesa. Rimettere la pesa sulla bilancia e controllare la massa.
-
Aggiungi o rimuovi sabbia fino a quando non hai circa 3 g. Registra il peso come massa iniziale nel tuo quaderno.
-
Ottieni circa 20 ml di acetone in un becher etichettato, assicurandoti di coprirlo con un vetro d'orologio mentre lo riporti alla tua postazione di lavoro.
-
Misura 20 ml di acqua deionizzata utilizzando il cilindro graduato da 10 ml e versa l'acqua nel becher da 100 ml.
-
Prendi una soluzione di colorante rosso e misura 5 ml di soluzione colorante usando la pipetta da 5 ml.
-
Eroga il colorante rosso nel tuo bicchiere d'acqua e poi aggiungi la sabbia. Mescola accuratamente la sabbia, il colorante e l'acqua usando un'asta di vetro.
-
Configura il sistema di filtrazione sottovuoto. Posizionare l'adattatore di gomma nel collo del pallone filtrante e collegare il tubo in silicone dal vuoto al braccio spinato del pallone filtrante. Posizionare lo stelo dell'imbuto Büchner nell'adattatore di gomma e assicurarsi che aderisca perfettamente. Centrare la carta da filtro all'interno dell'imbuto, quindi accendere l'aspirapolvere per iniziare l'aspirazione.
-
Mescola delicatamente la tua miscela di sabbia mentre la versi lentamente al centro della carta da filtro. Usa l'asta di vetro per mescolare per dirigere la miscela al centro dell'imbuto. Raschiare la miscela di sabbia rimanente nell'imbuto usando il poliziotto di gomma.
-
Una volta che tutta l'acqua è passata attraverso l'imbuto, spegni l'aspirapolvere. Verificare che la sabbia non sia penetrata nel filtrato nel pallone. nota: Se la sabbia entrava, la carta da filtro non era centrata nell'imbuto. Centrare nuovamente la carta da filtro, quindi svuotare il filtrato nel becher e filtrare nuovamente la soluzione.
-
Una volta che la soluzione è filtrata correttamente, spegni l'aspirapolvere e sciacqua la sabbia sulla carta da filtro con circa 3 - 5 ml di acqua deionizzata. Accendi l'aspirapolvere per rimuovere l'acqua e la tintura. Ripetere la fase di risciacquo fino a rimuovere tutto il colorante rosso dalla sabbia.
-
Spegni il vuoto e scollega il pallone filtrante dal tubo di silicone.
-
Etichetta il becher da 600 ml come 'rifiuto acquoso' e versa il filtrato dal pallone filtrante nel becher.
-
Riattacca il pallone del filtro e il tubo all'imbuto Büchner. Asciugare ulteriormente la sabbia risciacquandola con 3-5 ml di acetone. Accendere l'aspirapolvere per aspirare il liquido nel pallone del filtro. Ripeti questo passaggio altre 1-2 volte per asciugare completamente la sabbia.
-
Per l'ultima fase di asciugatura, posiziona il tappo di gomma grande sopra l'imbuto per circa 10 minuti.
-
Etichetta un becher separato per i rifiuti organici. Spegnere l'aspirapolvere, scollegare il tubo dal pallone, rimuovere l'imbuto e versare l'acetone nel pallone dei rifiuti organici.
-
Prendi l'imbuto e la carta da filtro alla bilancia e tara una barca di pesatura pulita.
-
Rimuovi con attenzione la carta da filtro dall'imbuto e raschia la sabbia nella barca di pesatura usando il poliziotto di gomma. Pesare la sabbia e registrare la massa come "massa finale".
-
Dopo 5 minuti, misura di nuovo la massa e annota eventuali modifiche.
-
Per ripulire dal laboratorio, sciacquare i rifiuti acquosi nel lavandino. Versare i rifiuti organici nell'apposito contenitore per rifiuti organici. Getta la sabbia, la carta da filtro e lo spago nella spazzatura. Sciacquare tutti i bicchieri usati con acqua di rubinetto e metterli ad asciugare.
-
- Risultati
Ora che avete fatto pratica con la misurazione, il pipettaggio e il filtraggio, analizziamo le vostre tecniche.
-
Innanzitutto, diamo un'occhiata alla consistenza delle misure del diametro e della circonferenza del tuo becher. Utilizza il software per fogli di calcolo per preparare un grafico a dispersione della circonferenza misurata rispetto al diametro misurato.
-
Traccia il diametro come variabile indipendente sull'asse x e traccia la circonferenza come variabile dipendente sull'asse y.
-
Calcola la circonferenza prevista per ciascuno dei diametri misurati utilizzando la seguente equazione: C=πD
-
Traccia i valori di circonferenza attesi in funzione del diametro sullo stesso grafico.
-
Adatta entrambi i set di dati utilizzando un best fit lineare e determina la pendenza, l'intercetta e il valore r al quadrato della linea di adattamento. La pendenza e l'intercetta hanno cifre più significative rispetto alla misurazione originale. Le nostre misurazioni erano accurate solo al decimo di posto. Quindi, l'equazione viene regolata a y = 2,9x + 2,1.
-
Se le tue misurazioni della circonferenza fossero accurate, le due linee di tendenza dovrebbero corrispondere strettamente e l'equazione della linea di tendenza dovrebbe corrispondere strettamente alla formula per la circonferenza. Puoi vedere qui la nostra misurazione della circonferenza e che la nostra linea di migliore adattamento ha qualche errore.
-
Ora, diamo un'occhiata alle tue abilità di pipettaggio. Ricorda che abbiamo utilizzato sia una pipetta da 5 ml che una pipetta da 10 ml per misurare 10 ml di acqua in un cilindro graduato da 10 ml e poi abbiamo misurato il peso.
-
Per prima cosa, sottrai la massa del cilindro graduato vuoto dal cilindro graduato contenente acqua per ottenere la massa dei 10 ml di acqua.
-
Qui, mostriamo i risultati di due prove per le pipette da 5 ml e 10 ml. Poiché la densità dell'acqua è di 1 g/mL, 10 mL di acqua hanno una massa di 10 g. La misurazione di 10 mL di acqua è risultata abbastanza accurata utilizzando entrambi i volumi di pipetta, mentre la pipetta da 5 mL è leggermente più precisa.
-
Per analizzare quanto bene la sabbia è stata filtrata utilizzando la configurazione dell'imbuto di Büchner, calcola la resa percentuale. La resa percentuale è uguale alla massa finale di sabbia, o la resa effettiva, divisa per la massa iniziale di sabbia, o la resa teorica, moltiplicata per 100.
-
Qui, mostriamo i risultati della nostra filtrazione, dove la resa percentuale è pari a circa il 75%. Più la resa percentuale è vicina al 100%, migliore è la filtrazione. nota: Se la tua resa percentuale è superiore al 100%, potrebbe esserci un errore nel tuo calcolo, la sabbia potrebbe essere stata pesata in modo errato o la sabbia potrebbe non essere stata completamente asciutta quando pesata.
-
View the full transcript and gain access to JoVE Lab Manual videos
Q1: How do you measure the diameter of a beaker using string and a ruler?
Place the beaker upside down on a pad. Position one end of the string at the edge of the base and extend it across to the opposite side. Mark both endpoints on the string with a marker, then remove it and measure the distance between marks using a ruler. Record this measurement as the diameter and repeat the process two more times for consistency.
Q2: What is the correct way to read the volume in a volumetric pipette?
The measurement is correct when the bottom of the meniscus aligns with the appropriate volume line marked on the pipette. A pipetter or bulb draws liquid into the pipette, and you must adjust the liquid level so the meniscus bottom sits exactly at the specified volume marking. Never pipette by mouth; always use a mechanical pipetter device.
Q3: Why is it important to repeat measurements multiple times in lab experiments?
Repeating measurements allows you to assess consistency and identify possible sources of error in your technique. Error can be introduced in any experiment, even when performed carefully and correctly. By taking multiple trials, you can evaluate the reliability of your results and understand the uncertainty in your experimental methods.
Q4: How does vacuum filtration separate solids from liquids using a Büchner funnel?
A Büchner funnel connects to a filter flask via a rubber adapter and attaches to a vacuum source. Filter paper is placed inside the funnel, and the solution is poured in. The vacuum pulls liquid through the filter paper into the flask below, while solids remain on the filter paper in the funnel, effectively separating the two components.
Q5: What does percent yield measure in a filtration experiment?
Percent yield equals the final mass of sand divided by the initial mass of sand, multiplied by 100. It measures the efficacy of your filtration technique. A percent yield closer to 100% indicates better filtration. Values above 100% suggest calculation errors, incorrect weighing, or incompletely dried sand.
Q6: How do you determine if your circumference measurements were accurate?
Plot measured circumference versus measured diameter on a scatter plot, then calculate expected circumference using the formula C=πD and plot both datasets. Fit linear best-fit lines to both sets of data and compare their slopes, intercepts, and r-squared values. If measurements were accurate, the two trend lines should closely match and resemble the circumference formula.
Q7: What personal protective equipment is required before beginning lab measurements?
Wear gloves, chemical splash goggles, and a lab coat before starting any lab exercise. Additionally, place a protective pad on the benchtop to prevent breakage of glassware during measurements. These precautions protect you from chemical exposure and minimize equipment damage during experimental procedures.