Colorimeter

Een colorimeter gebaseerd op Lego Mindstorm's RCX

Datum: januari 2003

Principe:

M.b.v. legostenen, een cuvet, de lichtsensor, de lamp en de RCX (zie appendix) kunnen we een colorimeter met datalogging faciliteiten bouwen.

Materiaal:

De chemische reactie die we volgen is de reactie tussen natriumthiosulfaat en zoutzuur.
Voor het bouwen van de colorimeter heb ik gebruik gemaakt van mijn Lego Mindstorms onderdelen, de RCX en de lichtsensor zijn het belangrijkste. De lamp komt uit een andere Lego Mindstorms kit (Ultimate Accessory Set). Men kan ook een lichtsensor gebruiken waarvan de sensor is afgeplakt.
Een plastic cuvet.

Experimentele opstelling:

Lijm de cuvet op een plat legosteentje (dat een platte kant heeft).
Bouw de colorimeter op zoals hierboven te zien is op de foto's. In feite is het een doos van legostenen met aan de ene kant een lam, aan de andere kant een detector en daartussen de cuvet (zie de foto linksboven). De temperatuursensor is niet echt nodig voor dit experiment.
Plak de diode van de lichtsensor af, bij voorkeur met donkere tape (zie foto linksonder).
Laad het NQC programma (zie appendix) in de RCX (bv m.b.v. Bricx Command Center).
Voer de meting uit zoals hieronder beschreven.

Experiment:

Vul de cuvet met voor de helft verdunde thiosulfaat oplossing (10 x verdund).
Meng goed en plaats de cuvet in de colorimeter.
Neem een beetje zoutzuuroplossing op in een pipet en breng dat in cuvet. Meng de vloeistoffen door op te zuigen en weer uit te stoten.
Start de meting door de datalogging te activeren (RUN op de RCX).
Haal de meetwaarden op uit de RCX en verwerk ze.

Resultaat:

In de onderstaande grafiek geef ik het resultaat van de meting weer. De meetresultaten zijn verwerkt in MS Excel. Ik heb er een vijfde graads polynoom (waarmee je zelf je oma kunt fitten) doorheen geplot om het verloop iets aanschouwelijker te maken.

Foto van de cuvet nadat de RCX is gestopt met het dataloggen.

Duidelijk is te zien dat er een aanzienlijke vertroebeling (turbidisatie) heeft plaatsgevonden als gevolg van de chemische reactie.'

Discussie:

Het thiosulfaat zal met het zoutzuur reageren waarbij een fijn verdeeld neerslag van zwavel gevormd wordt volgens:

Na₂S₂O₃ (aq) + 2 HCl (aq) ® 2 NaCl (aq) + SO₂ (g) + S (s)

In dit experiment meten we de snelheid van de reactie tussen zoutzuur en een oplossing van natriumthiosulfaat (thio). In zoutzuur (HCl-oplossing) bevinden zich H⁺ ionen. De thio-oplossing bevat S₂O₃^2- -ionen. Deze deeltjes reageren met elkaar volgens de vergelijking:
2H⁺ (aq) + S₂O₃^2- (aq) -----> H₂O (l) + S (s) + SO₂ (g)
Een maat voor de snelheid van deze reactie is de hoeveelheid vaste stof die per seconde ontstaat. Deze vaste stof is als een troebeling in het reactiemengsel zichtbaar. Hiertoe zetten we de cuvet waarin de reactie plaatsvindt, in een colorimeter. We starten steeds de tijdmeting op het moment dat het zoutzuur bij de thio-oplossing wordt geschonken. We meten nu de lichtdoorlaatbaarheid van de oplossing als functie van de tijd. Naarmate de reactie sneller verloopt, zal er meer vaste stof per seconde worden gevormd.

Kijken we naar de grafiek dan zien we dat er inderdaad steeds minder licht op de detector valt. We zien echter ook dat het signaal maar langzaam veranderd. Eigenlijk lijkt het er meer op dat de gevoeligheid van het systeem voor het volgen van het reactieverloop erg laag is. Dat kan aan de detector liggen maar waarschijnlijker is dat we last hebben van strooilicht als gevolg van het niet echt volledig kunnen afdekken van het rode LED dat naast de sensor in de gebruikte LEGO Light sensor (zie Appendix) zit. Om vast te stellen of dat inderdaad zo is zouden we het experiment moeten overdoen met een zelfgebouwde detector die van dit euvel geen last heeft, hetgeen ik in de toekomst ook zeker nog eens zal doen (maar nu even niet).

De opstelling is als eens eerder getest m.b.v. dezelfde ontledingsreactie als bij het experiment met de zelfgebouwde colorimeter, maar ook die reactie was slecht te volgen met deze sensor.

Conclusie:

De m.b.v. Lego Mindstorms sensoren gebouwde colorimeter is niet gevoelig genoeg om het reactieverloop te volgen.

Opmerkingen:

Ik heb dit experiment voornamelijk op deze manier uitgevoerd om de sensoren van mijn Lego Mindstorms in een datalogging omgeving te gebruiken. Dat werkt dus op deze manier perfect.
In feite hebben we hier geen colorimeter gebouwd maar een turbidimeter.

Literatuur:

Andres, Roberto T and Sevilla III; Journal of Chemical Education; 1993 (70) 6; p.514-517.
Delumyea, R. Del; Journal of Chemical Education; 1987 (64) 7; p.630-634.
Dr. H. Rompp; 'Scheikundige proeven die slagen'; Roskam; 1943; blz. 163-164.
Christopher Lale, Ann Danies, Mark Duke; 'Co-ordinated Science'; Collins; 1996; ISBN 0003278506; blz. 80.

Relevante websites

Appendix :

NQC programma:

// switching on the lamp, measuring the lightintensity
// measuring the temperature outside the box (just for fun)
// note that the temperature sensor exports 3 digits to the datalog,
// divide by 10 for the real temperature

# define SAMPLE_TIME 100      // 1 second
# define DATALOG_SIZE 900     //

task main()
{
 SetSensor(SENSOR_1, SENSOR_CELSIUS);  // temperature sensor
 SetSensor(SENSOR_2, SENSOR_LIGHT);    // light sensor
 SelectDisplay(2);                     // light sensor value on RCX display

 CreateDatalog(0);
 CreateDatalog(DATALOG_SIZE);

 On(OUT_B);                             // switch the lamp on
 ClearTimer(0);                         // Set de timer to 0

 int i=0;
 while (i < DATALOG_SIZE)
 {
       AddToDatalog(Timer(0));          // add timer to datalog
       AddToDatalog(SENSOR_1);          // add sensor value to datalog
       AddToDatalog(SENSOR_2);
       Wait(SAMPLE_TIME);
       i++;
 }

 Off(OUT_B);                            // switch the lamp off
 PlaySound(0);                          // tell us its over
}

The LEGO Mindstorms RCX: The RCX is a LEGO microcomputer used to create, build and program real robots and automated devices that can move, act and think on their own. You can program your robots to unleash their behavior and functions with the ROBOLAB software. The RCX can be programmed to respond to its environment through a variety of inputs (sensors) and outputs (motors and lamps). The RCX has 3 input ports, 3 output ports, four control buttons, an LCD display, an AC adapter connector, and an infrared transmitter/receiver. It operates with either 6 AA batteries or an AC adapter. The 3 input ports are connection points for sensors such as touch sensors, light sensors, temperature sensors, and rotation sensors. The 3 output ports are connection points for LEGO output devices such as motors and lamps. The 4 control buttons are used to turn the RCX on or off, select a program, view the RCX operation, and run the selected program.
The LEGO Temperature sensor reads from -20 degrees Celsius to +50 degrees Celsius. It is recognized by the RCX and is calibrated to read actual temperature.
The LEGO Light sensor reads light from 0.6 Lux through 760 Lux. It is recognized by the RCX and is calibrated in the firmware to a 0-100 scale

18-01-2017