La dissoluzione dei alcuni composti in acqua colora le soluzioni. Nel nostro caso quanto più rame è contenuto tanto maggiore è la “tonalità” del colore blu della soluzione. Lo studente può utilizzare uno smartphone per determinare la concentrazione della soluzione, mediante la costruzione di una retta di taratura. Usa, pertanto, un’App che misura il colore permettendo di distinguere fra le gradazioni delle varie tonalità e praticamente sostituendole alle classiche misure di assorbanza in determinati intervalli di concentrazione delle soluzioni (non troppo diluite né concentrate).
Scheda sintetica delle attività
Si tratta di una “classica” esperienza di chimica analitica, “rinnovata” mediante l’utilizzo dello Smartphone da parte di ciascun allievo.
Si preparano tre soluzioni di nitrato rameico a diversa concentrazione e conseguentemente si misurano con uno smartphone il loro valore di HSL o HSV. A questo punto, tramite la costruzione di una retta di taratura, sarà possibile risalire (tramite gli opportuni calcoli) alla quantità in grammi di Cu sciolti all’interno di una soluzione incognita data.
Risorse necessarie
$Cu(NO_3)_2 \cdot 3H_2O$;
Cu puro;
$HNO_3$ 65%;
4 matracci tarati da 100 ml;
becher da 100 ml;
bilancia;
cilindro graduato da 10 ml;
acqua distillata;
bacchetta di vetro;
smartphone;
Android app: Color Grab; Linear Regression calculator;
iOS app: ColorAssist; Data Analysis.
Prerequisiti necessari
Concentrazioni delle soluzioni;
spettroscopia elettronica;
trasmittanza ed assorbanza;
legge di Lambert Beer.
Obiettivi di apprendimento
Applicazione di un protocollo scientifico;
utilizzo di uno smartphone per misurazioni scientifiche;
relazione fra concentrazione di ioni colorati in soluzione e intensità del colore della soluzione;
preparazione di una retta di taratura attraverso misure acquisite in modo autonomo;
determinazione della concentrazione di una soluzione incognita tramite retta di taratura.
Dotazioni di sicurezza
DPI: camice, guanti e occhiali protettivi;
cappa aspirante.
Svolgimento
Preparazione da parte del docente di una soluzione di nitrato di rame
Pesare tra 1,5 g e 3,5 g di Cu puro, porlo in un becher da 100 ml e aggiungere un numero di ml di $HNO_3$ 65% pari a cinque volte la quantità in grammi di Cu pesato (es. se si pesano 2 g di Cu verranno fatte 5 aggiunte di $HNO_3$ 65% di 2 ml, quindi in totale 10 ml).
L’operazione deve essere svolta sotto cappa per i fumi di $NO_2$ che si vengono a formare! $$Cu + 4 HNO_3 \longrightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 + 2H_2O$$ Aggiungere poi 30 ml di acqua e travasare in un matraccio da 100 ml, portando successivamente a volume.
Figura 1: la soluzione di nitrato di rame
Preparazione delle soluzioni a titolo noto e misura del colore con lo smartphone
Preparare di tre matracci con la stessa soluzione, a concentrazioni diverse.
Pesare rispettivamente 5 g, 10 g e 15 g di $Cu(NO_3)_2 \cdot 3H_2O$, porli rispettivamente in ogni matraccio e portare a volume di 100 ml. Calcolare le concentrazioni delle soluzioni e le rispettive quantità in g di Cu presente per poter poi costruire la retta di taratura (prendere nota delle effettive pesate!).
Misurazione dei valori di HSV o HSL
La misurazione di tutte le soluzioni preparate viene eseguita tramite l’utilizzo dello smartphone (figura 2). Tali misurazioni devono avvenire davanti e sopra ad una superficie bianca. Lo smartphone deve essere posizionato orizzontalmente sul tavolo e la telecamera deve essere centrata nel punto dove maggiore è la larghezza del matraccio. La distanza tra la superficie bianca posta dietro ed il matraccio deve essere di circa 4 cm. La distanza tra lo smartphone e il matraccio deve essere circa di 14 cm. Le misurazioni devono essere pressoché simultanee onde evitare condizioni diverse di luminosità.
Figura 2: determinazione del colore della soluzione con lo smartphone
Usare, pertanto, un’App che “misura” il colore e ne esprime le caratteristiche mediante le coordinate del modello di rappresentazione digitale HSV o HSL (figura 3) cioè:
La tonalità Hue, misurata dall’ampiezza dell’angolo attorno all’asse verticale del modello: il rosso primario a 0°, il verde primario a 120°, il blu a 240°, tornando al rosso a 360°;
La purezza o Saturation 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 il valore Value o la luminosità Lightness, con estremi il nero (valore 0) e il bianco (1 o 100%).
Figura 3: rappresentazioni digitali HSV e HSL
Elaborazione delle misure
Si rileva la tonalità di colore delle 3 soluzioni di “taratura” e di quella incognita (nota 1)
Figura 4: misurazione della tonalità di colore di una soluzione
Si costruisce la retta di taratura con i dati ottenuti tramite metodo grafico (tramite utilizzo di Excel o Linear Regression Calculator (free) App android o Data Analysis (free): solo per iPad).
La retta di taratura ottenuta risulta: $$ y = 6,5129x + 181,4509$$
Figura 5: retta di taratura
E' ora possibile determinare la quantità di Cu della soluzione incognita sia graficamente che numericamente interpolando il valore di HSV della soluzione sul grafico o utilizzando i dati della retta di regressione.
Nel nostro caso, su una massa iniziale di Cu pesata e disciolta di 2,06 g, abbiamo ottenuto: $$ m(Cu) = \frac{195-181,4509}{6,5129} = 2,08\ g$$
Note e storia
Nota 1: Sarebbe opportuno fare più misure della stessa soluzione in modo da poter mediare i valori ottenuti con lo smartphone per ogni concentrazione e introdurre il concetto di media ed errore.
Bibliografia
Daniel Bengtsson, Lilla Jónás, Miroslaw Los, Marc Montangero, Márta Gajdosné Szabó, “iStage2 Smartphones in Science Teaching” .
