24 th of April 2012 Experiment 1 Tasks - Úlohy Slovakia Amber - Jantár
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) Všeobecné pokyny Používajte priložený plášť a ochranné okuliare počas celého pobytu v laboratóriu. Je zakázané jesť a piť v laboratóriu. Je veľmi odporúčané používať jednorazové rukavice a ochranné okuliare počas manipulácie s chemikáliami. Všetky papiere, vrátane nečistopisov, musíte na konci experiment odovzdať. Všetky výsledky musia byť zaznamenané do odpoveďového zošita (Answer Book). Grafy musíte odovzdať spolu s odpoveďovým zošitom. Hodnotený bude iba odpoveďový zošit (Answer book) a priložené grafy. Experiment pozostáva zo 4 úloh a možno ich vykonať buď jednotlivcami alebo celým družstvom. Úloha 1: 25 bodov Úloha 2: 25 bodov Úloha 3: 25 bodov Úloha 4: 5 bodov 3
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) Úvod: Baltický jantár je známy ako zlato baltických štátov. Je unikátny, lebo sa nachádza iba v oblasti Baltického mora. Jeden z najcennejších príkladov baltického jantáru je Slnečný kameň, ktorý je takmer guľový a veľký ako ľudská hlava. Roku 2002 sa z Litovského národného múzea jantáru stratila jantárová tyč hmotnosti 3526,26. Našťastie sa tajomne vrátila nazad počas vyšetrovania. Slnečný kameň je v súčasnosti jedným z najcennejších jantárov na území baltických štátov a jeho cena je odhadovaná na vyše 250 000. Feničania boli známi starovekí obchodníci a vie sa, že jantár mal v tom období (16. storočie pred Kr.) vysokú cenu. Pobaltský Litovský názov pre jantár je Gintaras. Najvyššiu cenu mali kusy jantáru, ktoré obsahovali inklúzie (prímesi - pozostatky hmyzu a pod.). I malý kúsok jantáru s inklúziou mal cenu ja 120 mečov alebo 1200 oštepov. Litovská spoločnosť pre históriu zostavila sériu úloh pre mladých vedcov z Európskej Únie, týkajúcich sa možného výmenného kurzu, keby sa Slnečný kameň predával za starých časov na fenickom trhu. Vašu úlohou je určiť hypotetickú cenu Slnečného kameňa. Ide o päť hlavných kategórií, ktoré určujú cenu jantáru: hmotnosť, farba, sýtosť farby, hustota a prímesi. S použitím katalógu v úlohe Task 4 odhadnite možný zisk obchodníka Gintarasa (Jantára) na fenickom trhu. 4
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) Úloha 1: Identifikácia článkonožcov Typy živočíchov a rastlín, ktoré sa našli v baltickom jantári, sú ovplyvnené rozšírením stromov tvoriacich živicu a závisia na podmienkach, ktoré v priebehu času prevládali v živicových lesoch. Najčastejšie nájdeným obsahom (inklúziou) baltického jantáru je hmyz. Tvorí 86-92% všetkých nálezov, pavúky tvoria 7,5-13%, iné druhy 0,1-1,7%, rastliny 0,4% a iné kmene, ako červy, mäkkýše a stavovce sú veľmi zriedkavé. Živicový les bol miestom rozličných biotopov. V priebehu času skupiny hmyzu boli uväznené do jantáru nájdeného v lesoch, močiaroch, na lúkach, v jazerách a riekach. Budete musieť identifikovať 7 článkonožcov nájdených v rozličných kusoch jantáru rovnakých ako našli archeológovia. Na základe Vašich výsledkov budete určovať, ktoré článkonožce dávajú najlepšiu pridanú hodnotu k finálnej cene jantáru. Výsledky vašich experimentov vám umožnia vypočítať, koľko mečov, oštepov a šípov by bol litovský obchodník Gintara dostal za Slnečný kameň na fenickom trhu. Vybavenie a materiál: 7x rozličné článkonožce v očíslovaných miskách 7x podložné sklíčka 18 mm krycie sklíčka 1x preparačná ihla 1x pinzeta 1x fľaštička s glycerolom 1x stereoskopická lupa 1x identifikačný kľúč (ktorý nájdete v obálke so zadaniami) Ako pripraviť dočasný preparát z častí tela článkonožca POZNÁMKA: článkonožce môžete položiť na lupu IBA na podložnom sklíčku alebo ešte vcelku na Petriho miske, nikdy nie článkonožca len na sklenenú podložku lupy!!! Okuliare a rukavice pri práci s lupou používať nemusíte. Veľmi opatrne oddeľte (odtrhnite) krídlo, tykadlo alebo nohu článkonožca čo najbližšie od tela. Na podložné sklíčko dajte kvapku glycerolu. Položte oddelenú časť tela do kvapky glycerol na sklíčku. Priložte krycie sklíčko na kvapku glycerol s časťou tela článkonožca. Takto pripravený preparát pozorujte pomocou lupy. Na jedno podložné sklíčko môžete dať 2 až 3 kvapky glycerol a na jednom sklíčku tak môžete urobiť preparáty viacerých častí tela. 5
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) Úloha 1.1. Určenie správneho názvu Identifikačný kľúč je v biológii tlačený alebo počítačom poskytnutý nástroj, ktorý pomáha identifikácii biologických entít, akými sú rastliny, fosílie, mikroorganizmy a peľové zrná. Je to modelovacia metóda, ktorá sa používa na kategorizáciu druhov s využitím logického výberu. Dichotomický kľúč je kľúč, je postup a štruktúra identifikačných krokov fixná (rovnaká). V každom bode rozhodovacieho procesu sú ponúknuté viaceré alternatívy, každá vedúca k výsledku alebo k ďalšej voľbe, aby ste napokon došli k správnej identifikácii. Postupujúc podľa inštrukcií v kľúči, musíte zodpovedať na mnoho otázok o jednej alebo viacerých vlastnostiach až kým neprídete ku konečnému rozhodnutiu o konkrétnom názve článkonožca. Urobte to so všetkými siedmimi druhmi, ktoré ste dostali na Petriho miskách. Ak charakteristika, ktorá sa nachádza v kľúči, nie je pozorovateľná, urobte preparát s časťou tela, ktorej sa otázka (charakteristika) týka. Napíšte vaše kroky postupujúc podľa postupu v kľúči (1.1.1) a jednotlivé názvy (1.1.2) do Odpoveďového hárku. Všeobecná morfológia hmyzu Krídla hmyzu. Krídla hmyzu majú nemenné žilnatenie, ktoré podporuje krídla pri lietaní (Obr.1). Avšak žilnatenie krídel u rozličných skupín hmyzu môže vyzerať rôzne (Obr. 2 A-B). Vedci zistili, že všetky rozličné krídla hmyzu sa vyvinuli z rovnakého predka, t.j. krídla sa vyvinuli iba raz v histórii jednotlivých druhov. U hmyzu môžeme nájsť rôzne modifikácie krídel: dva páry rovnako vyvinutých krídel; prvý pár dlhší ako druhý; prvý pár vystužený (hardened) (krovky) a druhé blanité; prvý pár blanité a druhý redukované do kyjačikovitej štruktúry (kyvadielka, haltéry) a tak ďalej. Fosílne nálezy ukazujú, že krídla primitívneho hmyzu mali 8 párov hlavných žíl. Každý pár vychádza z koreňa krídla do anteriórne (prednej) vydutej a posteriórne (zadnej) vydutej oblasti (t.j., MA a MP). V priebehu evolúcie, vo väčšine prípadov došlo k redukcii v počte žíl u krídiel hmyzu. Costa (C) žila na hornom okraji krídla, silná a okrajová, rozširuje sa bez vetvenia k vrcholu krídla. Precosta (PC) prvá pozdĺžna žilka je fúzovaná (spojená) s costou u všetkého v súčasnosti žijúceho hmyzu a je ťažko rozlíšiteľná. 6
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) Obrázok 1. Typická žilnatina krídel hmyzu Subcosta (Sc) druhá pozdĺžna žilka, väčšinou sa nachádza v oblasti pod costálnou (subcosta posteriórna oblasť) (ScP). Radius (R) je tretia pozdĺžna žilka, väčšinou najhrubšia žilka krídla s vetvením (RA a RP) zvyčajne pokrývajúca najväčšiu oblasť vrcholu krídla. RP a RA sa často označujú ako vetvy lúčovitej oblasti (Rs) a koncové vetvy sú číslované ako R1-5. Media (M) štvrtá pozdĺžna žila, MA a MP majú zvyčajne 4 vetvy (každá). Cubitus (Cu) piata pozdĺžna žilka, CuA môže mať až 4 vetvy, zatiaľ čo CuP je nerozvetvená a leží blízko klaválneho záhybu a končí na zadnom okraji krídla. Análne žilky (A) sú žilky lokalizované za kubitálnymi žilkami. Análny záhyb zvyčajne oddeľuje AA a AP. Jugálne žilky (J) malé žilky lokalizované v jugálnej oblasti, nachádzajú sa iba u niektorých druhov hmyzu. Čierna pterostigma sa nachádza v blízkosti špičky krídla, medzi RA1+2 a RA3+4. Pozdĺžne žilky sú pospájané priečnymi žilkami. Ich názvy závisia od ich pozície k pozdĺžnym žilám, t.j. r-m je priečna žilka medzi treťou (radius)a štvrtou (media) pozdĺžnou žilou. 7
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) Obrázok 2. Krídla pravých múch: A. primitívnejšie (tipule), B. vyvinutejšie (muchy domáce a muchy mäsiarky) Tykadlá hmyzu: Tykadlá sú základné čuchové senzory hmyzu a mnohých ďalších arthropod. Tykadlá sa nachádzajú medzi očami na čele a sú dobre vybavené množstvom senzíl, ktoré sú párové, pohyblivé alebo segmentované. Tri základné segmenty typického tykadla hmyzu sú scape (spodná časť), pedicel (stem, nožička) a nakoniec flagellum (bičík). Flagellum sa často skladá z mnohých jednotiek známych ako flagelloméry a môžu mať jemné alebo filamentózne výrastky nazývané arista (Obr. 3B). Počet flagellomér môže značne varírovať a preto je to dôležité z diagnostického hľadiska. 8
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) Obrázok 3. Tykadlo hmyzu A -primitívnejšie (chrobáky), B. -vyvinutejšie (pravé muchy) Noha hmyzu: Hmyz a ich príbuzní sú hexapódy, t.j. majú 6 nôh, každé z 5 článkov označených (v smere od tela ku koncu): coxa, trochanter, femur, tibia a tarsus (Obr.4). Každý je tvorený jedným segmentom s výnimkou tarsusu, ktorý môže mať 3 až 7 segmentov označovaných ako tarsoméry (t1, t2, t7). Na konci tarsu sa nachádzajú pazúry alebo iné podobné štruktúry. Tieto pomáhajú hmyzu prichytiť sa k povrchu. Obrázok 4. Časti nohy hmyzu, príklad nohy muchy. 9
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) Úloha 1.2.: Nájdenie znakov a kreslenie fylogenetického stromu Aby ste zistili, ktorý článkonožec bude najdrahší, musíte zistiť, ktoré inklúzie boli najzriedkavejšie. Aby ste to mohli urobiť, budete musieť skonštruovať charakteristickú maticu a nakresliť fylogenetický strom. 1.2.1. Zistenie stavu jednotlivých znakov Stav znaku sa zvyčajne značí dvoma symbolmi: 0 ak je znak v inom stave ako je uvedené v tvrdení; 1 ak je znak v rovnakom stave ako je uvedené v tvrdení. Ako to funguje? Povedzme, že mate tvrdenie: článkonožce majú oči. Ak článkonožec, ktorého pozorujete, má oči, zapíšete 1, ak nemá, napíšete 0. Ak tvrdenie opisuje charakteristiku znaku, ktorý váš článkonožec vôbec nemá, zapíšte 0 (t.j., ak je tvrdenie nohy majú pazúry a váš článkonožec nemá dokonca ani nohy, napíšete 0). Je to ako keby ste tvrdili ÁNO alebo NIE v identifikačnom kľúči. Budete musieť zodpovedať na 10 otázok týkajúcich sa znakov (A-J viď nižšie). Pre každý zo 7 druhov článkonožcov napíšte 0 alebo 1 až kým nezaplníte všetky bunky tabuľky v odpoveďovom hárku. Aby ste mohli zodpovedať na týchto 10 otázok, budete musieť pripraviť a prezrieť preparáty niektorých častí tela s použitím lupy. V každom stĺpci tabuľky sa nachádza aspoň jedno tvrdenie 1. Tu sú tvrdenia: A. Oči sú prítomné a skladajú sa z mnohých faciet. B. Sú prítomné dobre vyvinuté krídla, niektoré môžu byť vystužené - krovky. C. Sú prítomné iba dve dobre vyvinuté krídla, druhý pár je premenený do kyjačikovitej štruktúry (halter). D. Celý povrch všetkých krídel je pokrytý chĺpkami. E. Sú prítomné 4 vyvinuté krídla. F. Prítomné sú dve krídla, 7 alebo viac žiliek viditeľne vedie k okrajom krídla. G. Prítomné sú dve krídla, nad koncom prvej lúčovitej žilky sa nachádza veľká pterostigma. H. Prítomné sú dve krídla, prvá stredová žilka nevedie rovno ku špičke krídla, namiesto toho je zahnutá a končí v lúčovitej žilke alebo veľmi blízko pri nej na vrchole krídla. I. Prítomné sú dve krídla, t4 zadnej nohy má hlbokú preliačeninu a vyzerá ako písmeno v. J. Prítomné sú dve krídla; prvá bazálna bunka (basal cell pozri v obrázku) na krídle je asi trikrát dlhšia druhá bazálna bunka (second basal cell v obrázku). Do Odpoveďového hárku (1.2.1.) zapíšte jednotlivé tvrdenia. 10
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) 1.2.2. Doplnenie fylogenetického stromu Všetky článkonožce majú spoločného predka. Podobnosti a rozdiely medzi skupinami organizmov sú výsledkom vetviaceho procesu vo fylogenetickom strome. Vytvorenie fylogenetického stromu študovaných druhov závisí na porovnaní špecifických znakov jednotlivých druhov. Týmito znakmi sú jednotlivé tvrdenia v tabuľke, ktorú ste vyplnili v predchádzajúcej úlohe 1.2.1. Na základni stromu (koreni) bude najprimitívnejší druh a ten bude mať 0 vo väčšine tvrdení pre jednotlivé znaky. Nový znak u ostatných druhov bude znázornený ako nová vetva na strome. Ak niekoľko druhov majú rovnaký znak, musia byť spojené na jednej vetve. Znaky, ktoré sú špecifické iba pre jeden druh, tvoria novú skupinu a v strome budú najďalej od spoločného predka (koreňa stromu). Číslo misky 1 2 3 4 B D C A Obrázok 5. Príklad fylogenetického stromu (A-D objavenie sa nového znaku, 1-4 druh/číslo Petriho misky) Do Odpoveďového hárku (Úloha 1.2.2.) nakreslite (doplňte) fylogenetický strom. 1.2.3. Cena jantárových druhov Najdrahším kusom jantáru je ten, ktorý má v sebe najprimitívnejšieho článkonožca. Tento článkonožec sa nachádza na úplne prvej vetve fylogenetického stromu. Napíšte číslo Petriho misky s najprimitívnejším článkonožcom do Odpoveďového hárku (1.2.3.). Koniec ÚLOHY 1. 11
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) Prázdny list 12
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) ÚLOHA 2: Sfarbenie a meranie intenzity sfarbenia Fenickí obchodníci si oceňovali jantár na základe jeho estetického vzhľadu podľa toho, aké mal sfarbenie a aká bola intenzita jeho sfarbenia. Sfarbenie jantáru závisí od pomeru dvoch farebných zložiek červenej a žltej, kým intenzita sfarbenia závisí od celkového množstva farebnej zmesi, ktoré obsahuje jantár. Aby sa mohlo merať sfarbenie jantáru a jeho intenzita, museli sa použiť vedecké metódy. V tejto úlohe budete používať chromatografiu na tenkej (TLC z anglického Thin Layer Chromatography), kolónovú chromatografiu (CC od Column Chromatography) a kolorimetriu. TLC pomáha identifikovať zložky vo farebnej zmesi a zvoliť správne rozpúšťadlo pre kolónovú chromatografiu. CC je metóda, ktorá sa používa na oddelenie rôznych látok, v našom prípade farebných zložiek vo farebnej vzorke. Kolorimetrickou analýzou možno určiť kvantitatívne charakteristiky pre zložky vo farebnej vzorke. Slnečný kameň" má neoceniteľné vlastnosti. V našom prípade nebudeme analyzovať kúsky jantáru, ale namiesto toho modelovú vzorku, ktorej farebné súčasti sa podobajú tým, ktoré obsahuje jantár a vykazujú analogické farebné vlastnosti ako má exponát jantáru nazvaný "Slnečný kameň". Pomôcky a chemikálie: 1 x byreta (upevnená na stojane a naplnená silikagélom) 1 x lievik pinzeta 1 x 50 ml Erlenmeyerova banka označená "TLC Eluent" 4 x Pasteurove pipety a s pipetovacím balónikom 2 x 5 ml dielikované pipety 4 x TLC platničky 1 x kadička označená "Organic Waste" 4 x kapiláry 4 x 50 ml odmerný valec 1 x 50 ml kadička 1 x Petriho miska 1 x 50 ml Erlenmeyerova banka označená Yellow colourant standard solution 1 x 50 ml Erlenmeyerova banka označená Red colourant standard solution 1 x 100 ml Erlenmeyerova banka obsahujúca eluent (lúhovací roztok) označená štítkom "Eluent" 13
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) 1 x 5 ml liekovka (malá fľaštička) obsahujúca farebnú zmes pre kolónovú chromatografiu 1 x 2 ml liekovka obsahujúca farebnú zmes pre chromatografiu na tenkej vrstve označenú "TLC sample" 1 x 20 ml liekovka obsahujúca etylacetát 1 x 20 ml liekovka obsahujúca petroléter 2 x samolepiace štítky s nápisom "Isolated colourant hárky papiera 2.1. Chromatografia na tenkej vrstve Chromatografia na tenkej vrstve (TLC) je metóda používaná na rozdeľovanie zmesí. Používa sa pritom hliníková platnička pokrytá tenkou bielou vrstvou silikagélu, ktorá tvorí tzv. stacionárnu fázu. Nedotýkajte sa si bielej plochy platničky. Na štartovacej čiare si jemne označte tužkou štartovací bod. Na nanášanie vzorky sa používa sklená kapilára, pomocou ktorej prenesieme na štartovací bod platničky veľmi malé množstvo vzorky (Obr. 6). Do vyvíjacej komory (kadička prikrytá Petriho miskou) dajte vhodný eluent (vyvíjací roztok), ktorý tvorí pohyblivú (mobilnú) fázu. Eluentu treba dať len toľko, aby výška jeho hladiny bola asi 2-3 mm na dnom vyvíjacej nádobky. TLC platničku s nanesenou vzorkou umiestnite pomocou pinzety kolmo do vyvíjacej nádobky a nádobku prikryte Petriho miskou (Obr. 7). Štartovacia čiara musí byť nad hladinou eluentu. Obr. 6. Nanášanie vzorky na TLC platničku Obr. 7. Vyvíjanie TLC platničky Počas experimentu stacionárna vrstva nasáva vyvíjací roztok a jeho hladina sa posúva dohora. Experiment treba prerušiť, keď úroveň rozpúšťadla (tzv. front rozpúšťadla) na platničke dosiahne naznačenú hornú hranicu. Platničku ihneď vyberte z vyvíjacej komory a počkajte, kým sa z nej odparí rozpúšťadlo. Premeraním vzdialeností možno vypočítať pre každú škvrnu tzv. retardačný faktor R f. 14
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) R f je podiel vzdialenosti, ktorú prešiel stred škvrny a vzdialenosti medzi štartovou a koncovou čiarou. Napríklad ak škvrna istej látky prejde vzdialenosť 2,5 cm a eluent prejde od štartovacej čiary 5,0 cm, hodnota R f je 0,50. Pre každú chemickú zlúčeninu možno namerať charakteristickú hodnotu R f, ktorá závisí od použitého vyvíjacieho roztoku. Aby sa dosiahlo efektívne rozdelenie zmesi, treba zvoliť optimálne rozpúšťadlo. Na rozdelenie dvoch farebných zložiek v skúmanej zmesi použijete postupne tri vyvíjacie roztoky, z ktorých dva si pripravíte zmiešaním rôznych objemov petroléteru a etylacetátu. Určite ste si všimli, že navyše máte jednu TLC platničku a jednu kapiláru, ktoré môžete použiť, ak sa vám niečo prihodilo, alebo ste niečo pokazili. Pri pokuse postupujte podľa tohto postupu: 1. Vypočítajte objem petroléteru a objem etylacetátu, ktoré potrebujete na prípravu 5,0 ml zmesi (eluentu), v ktorej je objemový pomer petroléteru a etylacetátu: 9:1, resp. 3:1. V odpoveďovom hárku uveďte výpočet (Úloha 2.1.1.). 2. Pri príprave 5 ml zmesi s objemovým pomerom 9:1, odpipetujte pomocou dielikovaných pipiet vypočítané objemy petroléteru a etylacetátu do prázdnej 50 ml Erlenmeyerovej banky označenej nápisom "TLC eluent" a zmes premiešajte krúživým pohybom. Pipetovací balónik si požičajte od kolegu, ktorý robí biologickú úlohu. 3. Vhodné množstvo takto pripraveného eluentu nalejte z banky "TLC eluent" do vyvíjacej nádobky, pričom výška hladiny eluentu v nej musí byť asi 2-3 mm. Vyvíjaciu nádobu zakryte Petriho miskou, aby sa rozpúšťadlo nevyparovalo. 4. Použite kapiláru na nanesenie škvrny farebnej vzorky na označené miesto štartovacej čiary, pričom po odparení rozpúšťadla z platničky, môžete vzorku naniesť na to isté miesto aj viackrát. Nakoniec umiestnite platničku pomocou pinzety kolmo do vyvíjacej nádoby a nádobu prikryte Petriho miskou. 5. Počkajte, kým eluent dosiahne naznačenú koncovú čiaru. Potom platničku vyberte pomocou pinzety a nechajte ju vysušiť voľne na vzduchu. Nevyužitý eluent vylejte do splaškov. Nádoba je označená "Organic waste". Túto nádobu zakryte hárkom papiera, aby ste zabránili odparovaniu rozpúšťadla. 6. Vypočítajte hodnotu R f. Výpočty uveďte v odpoveďovom hárku (Úloha 2.1.2). 7. Rovnaký experiment (kroky 2 až 6) zopakujte) s ďalším vyvíjacím roztokom (eluentom) v ktorý sa pripravil zmiešaním petroéteru s etylacetátom v objemovom pomere 3:1. Samozrejme, že v tomto experimente použijete novú TLC platničku. 15
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) 8. Nakoniec zopakujte experiment s rozpúšťadlom, ktoré pripravili organizátori a nachádza v nádobe označenej "Eluent". Výpočty uveďte v odpoveďovom hárku (Úloha 2.1.2). 9. V odpoveďovom hárku vyriešte úlohy (Úloha 2.1.3 Úloha 2.1.6.) 10. Použité TLC platničky vložte naspäť do plastického vrecka. 2.2. Kolónová chromatografia Chromatografia na tenkej vrstve sa využíva najmä pri kvalitatívnej analýze zmesí, avšak ten istý princíp možno využiť pri rozdeľovaní zmesí od mikrogramových až po kilogramové množstvá. Táto metóda sa nazýva kolónová chromatografia. V tomto prípade tok eluentu (mobilnej fázy) unáša zlúčeniny dolu kolónou. Rozdielne zlúčeniny sú unášané s rozdielnymi rýchlosťami v závislosti od ich R f hodnôt. Keď z kolóny začne vytekať určitá frakcia (zlúčenina), pod kolónu sa dá prázdna zberná nádoba. Takýmto spôsobom možno dosiahnuť, že jednotlivé frakcie, obsahujúce rozdielne zlúčeniny, sú zachytávané v rôznych zberných nádobách. V tejto časti úlohy 2 využijeme kolónovú chromatografiu na rozdelenie rôznych farbených frakcií, ktoré obsahuje daná vzorka. Postupujte podľa nasledujúceho postupu: Obr. 8. Prenos vzorky do byrety 1. Byreta je už naplnená silikagélom a sčasti aj eluentom, ktorý sa použil pri analýze na ten kej vrstve. Postavte pod byretu nádobu na odpad a jemnou manipuláciou s kohútikom vyrovnajte hladiny eluenta a tuhej náplne. 16
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) 2. Pomocou Pasteurovej pipety preneste celú farebnú vzorku na povrch tuhej náplne. Vzorku nalievajte po stene byrety, aby ste sa vyhli zvíreniu zarovnaného povrchu tuhej náplne. (Pozrite obr. 8). 3. Opatrne otvorte kohútik, aby vzorka mohla preniknúť do tuhej fázy. Ako náhle sa celá vzorka vsiakla do tuhej fázy, zavrite ihneď kohútik. 4. Na opláchnutie steny byrety použite ďalšiu Pasteurovu pipetu, do ktorej ste predtým natiahli malé množstvo eluenta. 5. Opakujte krok 3. 6. Pomocou pipety, ktorú ste použili v kroku 4, pridávajte do byrety pomaly eluent tak, aby ste nezvírili tuhú náplň. Keď pridáte dostatočné množstvo eluenta a nehrozí, že by sa tuhá náplň zvírila, môžete eluent nalievať priamo z banky s použitím lievika. Doplňte takto byretu až po samý vrch. 7. Chromatografia začína, keď otvoríte na byrete kohútik. Pozorujte rozdeľovanie farebnej zmesi, ale dbajte na to, aby hladina eluenta neklesla tak, že sa odkryje povrch tuhej náplne, ktorá sa tým začne vysušovať. Preto musíte občas pridať do byrety ďalšie množstvo eluenta. 8. Tesne predtým, ako začne prvá farebná frakcia vytekať z byrety, banku na odpad nahraďte odmerným valcom. 9. Keď vytiekla všetka farebná frakcia, nahraďte odmerný valec znova nádobou na odpad a odmerný valec prikryte hárkom papiera, aby sa zabránilo odparovaniu rozpúšťadla. Objem získanej farebnej frakcie zapíšte do odpoveďového hárku. (Úloha 2.3.1). 10. Tesne predtým, ako začne druhá farebná frakcia vytekať z byrety, banku na odpad nahraďte znova ďalším prázdnym odmerným valcom. 11. Potom, ako vytiekla druhá farebná frakcia, zavrite kohút na byrete a objem farebnej frakcie zapíšte do odpoveďového hárku. (Úloha 2.3.3). Na odmerné valce nalepte nálepky Isolated colourant. Získané frakcie sa budú hodnotiť. 2.3. Kolorimetrická analýza Kolorimetrickou analýzou sa stanovuje koncentrácia sfarbenej látky v roztoku. V tejto úlohe budú nahradzovať analytický merací prístroj vaše oči a podľa intenzity sfarbenia budete usudzovať na množstvo vami izolovaných farebných látok. Postupujte podľa tohto postupu: 17
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) 1. Ak je objem roztoku v odmernom valci obsahujúceho farebnú zložku menší ako 20 ml, pridajte do neho toľko eluenta, aby celkový objem roztoku bol najmenej 20 ml. 2. Vyberte dva odmerné valce zo stojanov, pričom v jednom je sfarbený roztok (označený ako Isolated colourant ) a druhý odmerný valec je prázdny. Dajte ich vedľa seba tak, že pod nimi bude hárok bieleho papiera a budete sa do nich pozerať zhora (Obr. 9). Potom po kvapkách pridávajte Pasteurovou pipetou do prázdneho valca štandardný roztok dovtedy, kým sa vám intenzita sfarbenia roztokov v jednom a druhom valci bude zdať rovnaká. Do odpoveďového hárku zapíšte objem V min štandardného roztoku vo valci (Úloha 2.3.1). 3. Potom pokračujte v pridávaní štandardného roztoku do príslušného valca, kým nezaregistrujete rozdiel v intenzite sfarbenia porovnávaných roztokov vo valcoch. Do odpoveďového hárku zapíšte objem V max štandardného roztoku vo valci (Úloha 2.3.1). 4. Štandardný roztok prelejte z odmerného valca do pôvodnej nádoby. 5. Odporúča sa, aby ste analýzu s jednotlivou farebnou látkou urobili najmenej tri razy. Keď nedokážete rozpoznať rozdiely v intenzite sfarbenia, poproste o pomoc niektorého ďalšieho člena družstva. 6. Analýzu zopakujte aj pre ďalší farebný roztok a doplňte tabuľku v odpoveďovom hárku v Úlohe 2.3.3. 7. Vypočítajte množstvo farebnej látky v danej zmesi, pričom použite vzťah c 1 V 1 =c 2 V 2, kde c je hmotnostná koncentrácia (v g/l) a V je objem. Hmotnostná koncentrácia oboch štandardných roztokov je 0,10 g/l. Napíšte odpovede v odpoveďovom hárku v úlohách 2.3.2. a 2.3.4. 18
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) Obr. 9. Porovnávanie intenzity sfarbenia vizuálnou kolorimetriou 2.4. Účinnosť kolónovej chromatografie Uvedený obrázok znázorňuje chromatografické rozdelenie zmesi dvoch sfarbených látok Objem eluovanej (vymytej) mobilnej fázy sa vyniesol na os X, kým na osi Y je vynesená absorbancia nameraná prístrojom. Retenčný objem V R je objem mobilnej fázy, ktorá prešla kolónou medzi počiatočným bodom a maximom pásu. Retenčný čas t R určitej rozpustenej látky je čas, ktorý pretečie medzi časom štartu vymývania a časom, kedy sa látka v maximálnej miere vymýva daným eluentom. Teoretické patro N je hodnota, ktorá opiduje účinnosť kolónovej chromatografie. W je šírka základne píku v ml. F je rýchlosť, s akou pretečie istý objem mobilnej fázy kolónou a v tomto konkrétnom prípade má hodnotu 1 ml/min. Využite informácie, ktoré možno získať z obr. 10 a vypočítajte hodnotu N (účinnosť kolóny) pre každú zo skúmaných farebných látok. 19
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) Obr. 10. Graf kolónovej chromatografie Odpovedzte na otázky v odpoveďovom hárku k úlohe 2.4.1. Koniec úlohy 2 20
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) Čistý list 21
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) Task 3 (Úloha 3): Rozdelenie hustoty jantáru Tretia experimentálna úloha má umožniť ocenenie jantáru podľa hustoty. Fenickí obchodníci tradične hodnotili jantár podľa hustoty. Najprv zmerajte rozloženie hustoty jantáru. Potom určíte cenu Slnečného kameňa podľa jeho hustoty. Task 3.1. Rozloženie hustoty jantáru Zmerajte rozsah hodnôt hustoty kúskov jantáru a zostrojte stĺpcový graf, ktorý znázorňuje rozloženie hustoty. Pomôcky a materiál: ~200 x malé kúsky jantáru (rozmer 2-5 mm) ~1 L x 13% NaCl roztok (solution) ~1 L x destilovaná voda (distilled water) 1 x 250 ml kadička 1 x 50 ml odmerný valec 1 x 25 ml odmerný valec 1 x 10 ml pipeta 1 x pipetovací balónik 1x lyžica 1 x sitko papierové utierky Experiment Je známe, že hustota roztoku NaCl závisí od hmotnostného zlomku c (ide o pomer hmotnosti NaCl a celkovej hmotnosti roztoku vyjadrený v percentách, %). Táto závislosť je na obrázku Fig. 11. 23
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) 1.2 NaCl water solution Density (g/cm 3 ) 1.1 1.0 0 6 12 18 24 Concentration by mass (%) Fig. 11. Závislosť hustoty ρ vodného roztoku NaCl (density) od hmotnostného zlomku c (concentration by mass). Na určenie rozdelenia hustoty kúskov jantáru je nutné pripraviť roztoky NaCl s rôznymi hustotami (Tab. 3.1., ρ) a skúmať správanie sa kúskov jantáru v roztoku s využitím Archimédovho zákona. Roztoky možno pripraviť zmiešaním objemu V 1 (ml) roztoku NaCl s hmotnostným zlomkom c 1 = 13 % (s hustotou ρ 1 = 1,10 g/cm 3, pozri Fig. 11) a objemu V 0 (ml) destilovanej vody. Navrhnuté hodnoty objemu V 0 sú uvedené v druhom stĺpci tabuľky Tab. 3.1. K týmto hodnotám vypočítajte zodpovedajúce hodnoty objemu V 1. Tab. 3.1. Hustota roztoku, ρ (g/cm 3 ) Odporúčaný objem destilovanej vody, V 0 (ml) Objem roztoku NaCl 13%, V 1 (ml) Počet kúskov jantáru novo vynorených na povrch, n Percento kúskov jantáru novo vynorených na povrch v pomere k celkovému počtu kúskov ( %) 1.030 80 1.035 70 1.040 60 1.045 60 Svoje výpočty zapíšte do Tab. 3.1 v odpoveďovom zošitku: Answer Sheet (3.1.7) 24
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) Hustota destilovanej vody g ρ 0 = 1,00 (zodpovedajúci hmotnostný zlomok c 3 0 = 0 %). cm Task 3.1.1. Napíšte vzťah pre vyjadrenie celkovej hmotnosti m NaCl soli NaCl v pôvodnom roztoku (c = 13 %) v závislosti od V 1, ρ 1 a c 1. Task 3.1.2. Napíšte vzťah pre vyjadrenie hmotnosti m w vody v tomto roztoku v závislosti od V 1, ρ 1 a c 1. Task 3.1.3. Napíšte vzťah pre vyjadrenie celkovej hmotnosti m kvapalín s objemami V 0 a V 1 v závislosti Task 3.1.4. Napíšte vzťah pre vyjadrenie hmotnostného zlomku c po zmiešaní kvapalín s objemami V 0 a V 1 v závislosti od V 0, V 1, ρ 0, ρ 1 a c 1. Task 3.1.5. Aký je vzťah medzi pomerom V 0 /V 1 a hmotnostným zlomkm c? Vo vzťahu použite veličiny ρ 0, ρ 1 a c 1. Task 3.1.6. Aký je vzťah medzi pomerom V 0 /V 1 a hustotou ρ? Vo výslednom vzťahu použite iba ρ 0, ρ 1 a ρ. Objem V 1 vyjadrite pomocou V 0, ρ 0, ρ 1 a ρ. Pozn.: Využite skutočnosť, že hustota závisí od hmot. zlomku lineárne, pozri Fig. 11 Použite vzťah z predchádzajúcej úlohy Task 3.1.6. na vyplnenie tretieho stĺpca tabuľky Tab. 3. 1 v odpoveďovom zošitku (Answer Sheet). Task 3.1.7. Urobte zodpovedajúce merania: pripravte postupne roztoky s použitím vypočítaných hodnôt z Tab. 3.1. (roztok s hustotou ρ sa urobí zmiešaním kvapalín s objemami V 1 a V 0 ), vložte všetky kúsky jantáru do roztoku (V 0 +V 1 ) a zistite počet kúskov, ktoré zostanú plávať na hladine (n). Výsledok zapíšte do štvrtého stĺpca Tab. 3.1. Plávajúce kúsky vyberte a odložte na obrúsok. Ďalšie meranie opakujte so zvyškom kúskov jantáru roztoku s vyššou hustotou. Takto experiment opakujte až kým nevyplníte celý štvrtý stĺpec tabuľky Tab. 3.1. Task 3.1.8. Zostrojte stĺpcový graf n(ρ) v percentách tak, že prvý stĺpec zodpovedá intervalu hustoty od 1,030 g/cm 3 do 1,035 g/cm 3, ďalší intervalu od 1,035 g/cm 3 do 1,040 g/cm 3 atď. Výška stĺpca je rovná pomeru počtu n kúskov vynorených a vybratých v danom intervale hustoty a celkového počtu kúskov jantáru v percentách (výška prvého stĺpca sa preto určí z hodnoty bunky v druhom dátovom riadku a poslednom stĺpci v Tab. 3. 1, výška druhého stĺpca z hodnoty bunky v treťom dátovom riadku a poslednom stĺpci atď.) 25
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) Task 3.1.9. Určte interval hustoty skúmaných kúskov z tabuľky Tab.3.1, v ktorom dosahuje počet vynorených a vybratých kúskov jantáru maximálnu hodnotou. Task 3.1.10. Predpokladajte, že Slnečný kameň je približne guľového tvaru s priemerom 18,5 cm a hmotnosťou 3526,32 g. Vypočítajte jeho objem a hustotu. Task 3.1.11. Na základe experimentu vysvetlite: Prečo majú kúsky jantáru nájdené v mori zvyčajne nepravidelný tvar v porovnaní s inými kameňmi, ktoré vyzerajú viac okrúhle a hladké? Odpovede na otázky (3.1.1. 3.1.11.) zapíšte do odpoveďového zošitka (Answer Sheet). Koniec tretej úlohy (Task 3) 26
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) Task 4: Ocenenie Slnečného kameňa podľa katalógu Fenické historické záznamy ukazujú, že oceňovanie jantáru bol veľmi dôležitý a precízny proces. Najprv sa starobylými technikami určila hmotnosť a hustota, potom zafarbenie a intenzita farby a o konečnej cene rozhodovala aj prítomnosť inklúzií. Vašou úlohou je použiť oceňovací katalóg a na základe informácií uvedených nižšie určiť, koľko mečov (swords), oštepov (spears) a šípov (arrows) by získal litovský obchodník Gintaras za Slnečný kameň na fenickom trhu. Základným platidlom boli zbrane: swords, spears and arrows. Jeden meč mal cenu 10 oštepov alebo 100 šípov. Základnú cenu určovala hmotnosť, potom sa uvažovali ďalšie kritéria v poradí: zafarbenie, intenzita farby, hustota a inklúzie. Základná cena sa násobila koeficientmi vychádzajúcimi z uvedených vlastností. Červený jantár bol dvakrát drahší ako žltý (ide o lineárnu koreláciu, pričom pre červený jantár je hodnota koeficientu 2). Nakoniec, inklúzie sa hodnotili podľa ich nezvyčajnosti. Čím zvláštnejšie boli inklúzie v kúsku jantáru, tým bol cennejší. Inštrukcie pre určenie ceny jantáru: Task 4.1.1. Odvoďte vzťah pre určenie základnej ceny (v počte mečov - swords). Task 4.1.2. Na základe výsledkov z úlohy 2 (Task 2), určte koeficient ceny Slnečného kameňa podľa jeho zafarbenia. Task 4.1.3. Ak predpokladáme, že farebná zmes pre kolónovú chromatografiu sa získala z 1 g vzorky Slnečného kameňa, vypočítajte koeficient hodnoty podľa intenzity sfarbenia. Budete musieť využiť výsledky úlohy Task 2 a následné údaje. Task 4.1.4. Aká je redukcia ceny Slnečného kameňa v percentách v dôsledku rozdelenia hustoty? Použite hodnotu hustoty Slnečného kameňa z úlohy Task 3.1.10 a nájdite zodpovedajúcu percentuálnu hodnotu podľa tabuľky rozdelenia hustoty Tab. 3.1 z úlohy Task 3.1.7 alebo zo stĺpcového grafu z úlohy Task 3.1.8. Táto percentuálna hodnota určuje redukciu ceny Slnečného kameňa Task 4.1.5 Ukázalo sa, že Slnečný kameň obsahuje inklúzie, rovnaké, aké ste určili ako najcennejšie v úlohe Task 1.2.3. Určte pridanú hodnotu (v mečoch, oštepoch a šípoch), ktorú pridáva k celkovej cene najcennejšia inklúzia. Task 4.1.6. Určte predpokladanú cenu Slnečného kameňa na fénickom trhu (v mečoch, oštepoch a šípoch). Použite vždy hodnotu určenú v predchádzajúcom riadku na výpočet hodnoty v riadku nasledujúcom. Uveďte Vaše výpočtycalculate the hypothetical value of Sun Stone in the Phoenician market (in swords, spears and arrows). 27
Slovakia Experiment 1 Amber (Tasks) Koniec úlohy Task 4. 28