科学的な測定とラボスキル

出典:米国ジョンズ・ホプキンス大学(米国メリーランド州)のSmaa Koraym

1. 直径と円周の測定Expand

   エラーは、手法が慎重かつ正確に実行されている場合でも、どの実験でも発生する可能性があります。ラボでの演習を行う際には、不確実性を理解し評価するために、実験方法を批判的に検討することが不可欠です。ラボのこのパートでは、さまざまなガラス器具の円周を測定する手順を決定し、測定の誤差の原因を評価します。

   • まず、手袋、化学スプラッシュゴーグル、白衣など、適切な個人用保護具を着用してください。
   • ガラス器具の破損を防ぐために、ベンチトップにパッドを設置します。ビーカーの基部が天井を向くように、パッド上で各ビーカーを逆さ
     まにします。
   • 紐の一方の端をできるだけベースの端に近づけ、ビーカーのもう一方の端まで紐を伸ばして直径を測定します。マーカーを使用して文字列をマークし、端にラベルを付けます。
   • 文字列を削除し、定規を使用して文字列にマークされた端点間の距離を測定します。直径(および体積)をノートブックに記録します。測定をさらに2回繰り返します。

     表1:測定直径と円周

     		トライアル1	>トライアル2	トライアル 3
     >50-mLビーカー	測定直径
     	測定された円周
     	計算された円周
     100-mLビーカー	測定直径
     	測定された円周
     	計算された円周
     >250-mLビーカー	測定直径
     	測定された円周
     	計算された円周
     >400-mLビーカー	測定直径
     	測定された円周
     	計算された円周
     >600-mLビーカー	測定直径
     	測定された円周
     	計算された円周
     測定された円周対直径		計算された円周対直径
     坂		坂
     y-切片		y-切片
     Rの2		Rの2

     ここをクリックして表1をダウンロード
   • 紐の一端をビーカーの端に置き、ビーカーの周りに紐を伸ばして円周を測定します。手記： 紐をできるだけ水平に保ちながら、直径を測定したのと同じ高さで円周を測定するようにしてください。
   • 紐に印をつけ、定規で長さを測り、ノートに円周の測定値を書き留めます。測定をさらに2回繰り返します。
   • 異なるサイズのビーカーのそれぞれの直径と円周の測定値を収集し、ノートブックに記録します。
2. ピペッティングExpand

   ピペットは、特定の量の液体を測定して供給するためにラボで使用される容量測定装置です。ピペットにはさまざまな種類がありますが、今日使用するのは容量式ピペットと呼ばれます。これらのガラスピペットには、「TD」の文字と、指定された温度で液体の量を供給するように設計されていることを示す容量のラベルが付けられています。エラーもリストされます。メニスカスの底部が適切な体積線にある場合、測定値は正確です。ピペットまたはバルブを使用して、液体をピペットに引き込みます。ラボのこのパートでは、さまざまな容量ピペットを使用してピペッティングを練習し、一貫性と考えられるエラーの原因を調査します。手記： 口からピペットを飲んではいけません。

   • まず、50mLのビーカーに水道水を入れます。
   • 空の10mLメスシリンダーを天秤にかけ、重量を記録します。

     表2:10 mLの水をピペッティング

     	5-mLピペット			10-mL ピペット
     	1回目の測定	2回目の測定	3回目の測定	1回目の測定	2回目の測定	3回目の測定
     Mass 空 10 mL メスシリンダー (g)
     質量フル 10 mL メスシリンダー (g)
     水量 (mL)
     > 大量の水 (g)
     Mass Empty 10-mL メスシリンダー (g)
     質量10 mL メスシリンダー (g)
     水量 (mL)
     大量の水 (g)

     表 2 をダウンロードするにはここをクリックしてください
   • ピペットに5mLのピペットを取り付け、5mLの水を汲み上げます。メニスカスの下部が5mLの測定ラインにくるように容量を調整します。次に、10mLメスシリンダーに水を分注します。
   • メスシリンダーにさらに5mLの水を追加するために繰り返します。
   • メスシリンダーに記入されたボリュームを読み取り、ノートブックに記録します。
   • メスシリンダーをバランスに戻し、新しい質量を記録します。この値から初期質量を差し引くと、ガラス器具に加えられる水の質量が得られます。
   • 空の10mLメスフラスコの質量を計量し、値を記録します。5 mLピペットを使用して、フラスコに10 mLの水を測定します。.フラスコを天びんに戻し、新しい塊を記録します。初期質量を減算して、追加された水の質量を求めます。
   • メスシリンダーとメスフラスコから水を捨て、10mLピペットをピペットに取り付けます。
   • 空のメスシリンダーを再計量します。次に、ピペットで10mLの水を取り込み、メスシリンダーに分注します。液体の量を読み取り、ノートに記録して、加えた水の質量を決定します。
   • 空のメスフラスコの重量を再計量し、メスフラスコに10mLの水を測定します。加えた水の質量を決定します。
   • メスシリンダーとメスフラスコの両方に大量の液体を送達することにより、ピペッティングの練習を続けます。各ピペットとガラス器具について少なくとも3回繰り返します。すべての体積と質量の測定値を記録して、技術の一貫性と精度を判断できるようにします。
3. 真空ろ過Expand

   ビュヒナーファンネルを使用した真空ろ過は、液体から固体を分離するためによく使用される技術です。ビュヒナーの漏斗は、ゴム製のアダプターを使用してフィルターフラスコに接続され、シリコンチューブで真空に取り付けられます。濾紙を漏斗の中に入れた後、溶液を注ぎます。真空は液体をフラスコに引き込み、固形物は漏斗の濾紙に残ります。ラボのこの部分では、Büchner funnel setup を使用して水から砂をろ過することで、この手法を練習します。次に、ろ過前とろ過後の砂の重量を比較することにより、技術の有効性を確認します。

   • まず、残高をゼロにします。空の計量ボートを天秤に置き、ノートに重量を記録します。次に、バランスを風袋引きします。

     表3:真空ろ過

     砂の初期質量(g)
     砂の最終質量(g)
     歩留まり率

     ここをクリックして表3をダウンロード
   • 天秤から計量ボートを取り外し、スクープラを使用して砂を計量ボートに移します。計量ボートを天びんに戻し、質量を確認します。
   • 約3gになるまで砂を追加または削除します。重量を初期質量としてノートに記録します。
   • ラベル付きのビーカーに約20mLのアセトンを採取し、ワークステーションに戻すときは必ず時計のグラスで覆ってください。
   • 10mLのメスシリンダーを使用して20mLの脱イオン水を測定し、100mLのビーカーに水を注ぎます。
   • 赤い色素溶液を入手し、5mLピペットを使用して5mLの色素溶液を測定します。
   • 赤い染料をビーカーの水に注ぎ、砂を加えます。ガラス攪拌棒を使用して、砂、染料、水を完全に混合します。
   • 真空ろ過システムを設定します。ゴム製アダプターをフィルターフラスコのネックに置き、バキュームからのシリコンチューブをフィルターフラスコのとげのあるアームに接続します。ビュヒナーファンネルのステムをゴム製アダプターに入れ、ぴったりとフィットしていることを確認します。濾紙を漏斗の中央に置き、バキュームをオンにして吸引を開始します。
   • 濾紙の中央にゆっくりと注ぎながら、砂の混合物を静かにかき混ぜます。ガラス攪拌ロッドを使用して、混合物を漏斗の中心に向けます。ゴム製の警官を使用して、残った砂の混合物を漏斗にこすり落とします。
   • すべての水が漏斗を通過したら、真空をオフにしてください。フラスコ内の濾液に砂が入っていないことを確認してください。手記： 砂が入った場合、濾紙は漏斗の中央にありませんでした。濾紙を中央に戻し、濾液をビーカーに空にして、溶液を再度ろ過します。
   • 溶液が適切にろ過されたら、真空をオフにし、濾紙の上の砂を約3〜5mLの脱イオン水ですすいでください。バキュームをオンにして水と染料を取り除きます。すべての赤い染料が砂から取り除かれるまで、すすぎ手順を繰り返します。
   • 掃除機をオフにし、フィルターフラスコをシリコンチューブから外します。
   • 600mLビーカーに「水性廃棄物」のラベルを付け、フィルターフラスコからの濾液をビーカーに注ぎます。
   • フィルターフラスコとチューブをビュヒナーファンネルに再度取り付けます。3〜5mLのアセトンですすいで砂をさらに乾かします。バキュームをオンにして、液体をフィルターフラスコに引き込みます。この手順をさらに1〜2回繰り返して、砂を完全に乾かします。
   • 最後の乾燥ステップでは、大きなゴム栓を漏斗の上に約10分間置きます。
   • 有機廃棄物用の別のビーカーにラベルを付けます。バキュームをオフにし、フラスコからチューブを外し、漏斗を取り外し、アセトンを有機廃棄物フラスコに注ぎます。
   • 漏斗と濾紙を天秤に持って行き、きれいな計量ボートを風袋引きします。
   • 漏斗から濾紙を慎重に取り出し、ゴム製の警官を使用して砂を計量ボートにこすり落とします。砂の重さを量り、その質量を「最終質量」として記録します。
   • 5分後、再度質量を測定し、変化があれば記録してください。
   • ラボからクリーンアップするには、水性廃棄物をシンクに洗い流します。有機性廃棄物を指定された有機性廃棄物容器に注ぎます。砂、ろ紙、ひもはゴミ箱に捨ててください。使用済みのガラス器具はすべて水道水ですすぎ、乾かします。
4. ResultsExpand

   測定、ピペッティング、ろ過の練習を終えたところで、次はテクニックを分析してみましょう。

   • まず、ビーカーの直径と円周の測定値の一貫性を見てみましょう。スプレッドシートソフトウェアを使用して、測定された円周と測定された直径の散布図を準備します。
   • x軸に直径を独立変数としてプロットし、y軸に従属変数として円周をプロットします。
   • 次の式を使用して、測定された各直径の予想される円周を計算します:C =πD
   • 予想される円周値を直径の関数として同じグラフにプロットします。
   • 線形ベストフィットを使用して両方のデータセットをフィットし、フィットラインの傾き、切片、およびr二乗値を決定します。傾きと切片には、元の測定値よりも多くの有効数字があります。私たちの測定値は、コンマ数桁までしか正確ではありませんでした。したがって、方程式はy = 2.9x + 2.1に調整されます。
   • 円周の測定値が正確であれば、2つの傾向線は密接に一致し、傾向線の方程式は円周の公式と密接に一致するはずです。ここでは、円周の測定値と、最適フィットのラインに何らかの誤差があることがわかります。
   • では、あなたのピペッティングスキルを見てみましょう。5 mLピペットと10 mLピペットの両方を使用して、10 mLメスシリンダーに10 mLの水を測定し、重量を測定したことを思い出してください。
   • まず、水を含むメスシリンダーから空のメスシリンダーの質量を差し引いて、10mLの水の質量を求めます。
   • ここでは、5mLピペットと10mLピペットの2つの試験結果を示します。水の密度が1 g/mLであるため、10 mLの水の質量は10 gです。10 mL の水の測定は、どちらの容量のピペットを使用してもかなり正確で、5 mL ピペットの方がわずかに正確でした。
   • ビュヒナーファンネルのセットアップを使用して砂がどれだけうまくろ過されたかを分析するには、歩留まりを計算します。歩留まりの割合は、砂の最終質量、または実際の歩留まりを砂の初期質量、または理論上の歩留まりで割った値に 100 を掛けたものに等しくなります。

     • 

     手記： 100%を超える歩留まりを得ることは不可能です。砂の最終的な質量、または実際の収量は、初期質量、または理論上の収量よりも高くすることはできません。
   • ここでは、ろ過の結果を示しています。ここでの歩留まりは約75%に等しいです。歩留まりが100%に近いほど、ろ過は良好です。手記： 歩留まりが100%を超える場合は、計算に誤りがあるか、砂の計量が間違っていたか、計量時に砂が完全に乾いていなかった可能性があります。