„POLARIMETR“ – EXPERIMENT PRO VÝUKU

Význam tématu

Polarimetrie představuje klíčový nástroj kvantitativního stanovení opticky aktivních látek, zejména sacharidů. Díky měření stočení roviny polarizovaného světla lze rychle a efektivně odhadnout koncentraci analyzovaných látek v roztoku. Vzhledem k vysoké ceně komerčních polarimetrů a rostoucímu zájmu o polytechnickou výuku je vývoj cenově dostupných a přitom funkčních zařízení pro školní i amatérské použití vysoce žádoucí. Využití chytrých telefonů s vestavěnými světelnými senzory se tak jeví jako atraktivní a motivační cesta k oživení praktických cvičení ve výuce chemie.

Cíle a přehled studie

Práce popisuje návrh, konstrukci a ověření fungování domácího „polarimetru“ sestaveného z běžně dostupných materiálů a chytrého telefonu jako detektoru intenzity osvětlení. Hlavní cíle spočívají v:

• vytvoření jednoduchého a levného přístroje pro demonstraci polarimetrie,
• ověření možnosti stanovení koncentrace sacharosy v porovnání s běžným polarimetrem,
• zprostředkování polytechnické výuky, při níž studenti získají dovednosti v mechanickém zpracování, sestavení optických prvků a analýze kalibrační řady.

Použitá metodika a instrumentace

Zařízení se skládá z následujících komponent:

• černá PVC deska (3 mm) a plexisklo (2 mm) pro tělo kyvety,
• polarizační fólie pro vstupní a výstupní filtr (nastavené na 45° k sobě),
• LED dioda (590 nm) jako světelný zdroj napájený z 2×AA baterií,
• chytrý telefon se senzorem osvětlení a aplikací Lux Light Meter & Tools – Photometer PRO pro měření v luxech,
• drátové spoje (krokosvorky, napájecí konektor), mechanismus pro pevné uchycení telefonu a kyvety.

Postup měření zahrnoval sestavení kyvety, kalibraci nastavením čistého rozpouštědla, přípravu kalibrační řady roztoků sacharosy (0–250 g·l⁻¹), vícenásobné odečty intenzity osvětlení a vyhotovení kalibrační přímky.

Hlavní výsledky a diskuse

Při ověřovacích experimentech byla zjištěna lineární závislost intenzity osvětlení na koncentraci sacharosy v rozsahu 0–250 g·l⁻¹ s relativní přesností do 10 % (RSD) a odchylkou typicky do 10–20 lx mezi opakovanými měřeními. Pro kontrolní vzorky (120 a 180 g·l⁻¹) byly naměřené hodnoty v dobré shodě s kalibračními výpočty. Aplikace na reálných nápojích (neslazená minerálka, slazená minerálka, tonic) umožnila určit orientační obsah cukru (0, 57 a 79 g·l⁻¹) a demonstrovat vliv dalších složek (aromata, kyseliny, chinin) na měření.
Diskuse se věnuje omezením přístroje, jako je nestabilita baterií, senzoru mobilu a kvality mechanického usazení kyvety a nutnosti opakovaných měření pro lepší reprodukovatelnost.

Přínosy a praktické využití metody

Domácí polarimetr nabízí:

• cenově dostupnou alternativu k laboratorním přístrojům (celkové náklady ~600 Kč bez telefonu),
• praktický projekt pro polytechnickou výchovu rozvíjející manuální zručnost a porozumění optice,
• možnost zapojení studentů do vlastního vylepšování konstrukce a softwarového zpracování dat.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj může zahrnovat:

• kalibraci na absolutní hodnoty světelného toku,
• rozšíření měření na další opticky aktivní látky (aminokyseliny, vitamíny),
• vytvoření open source aplikace s exportem dat a integrovanou podporou experimentů,
• zapojení 3D tisku pro preciznější mechanické díly a modulární design.

Závěr

Navržený domácí polarimetr sestavený z levných komponent a chytrého telefonu představuje funkční demonstrační nástroj polarimetrie vhodný pro střední školy a zájemce o polytechniku. Přístroj umožňuje orientační stanovení koncentrace sacharosy i jiných opticky aktivních látek a motivuje studenty ke kreativnímu přístupu k vědeckému měření.

Reference

• Mikeš J., Hlavatý J.: Chem. Listy 114, 291 (2020).
• Chroust M., Kůžel F.: Smartphony mají 19 smyslů. ZN, 2015.
• Gonzáles M. A. a kol.: Teaching and Learning Physics with Smartphones. 2017.
• Grasse E. K. et al.: J. Chem. Educ. 93, 146 (2016).
• Eliášová I., Literák J.: Chem. Listy 111, 449 (2017).
• Burggraaff O. et al.: iSPEX 2. Micro-Nano Sensors XII 11389, 84 (2020).
• Kvittingen L.: J. Chem. Educ. 97, 2196 (2020).
• Bernard P., Mendez J. D.: J. Chem. Educ. 97, 1162 (2020).
• Klouda P.: Moderní analytické metody, Ostrava 2003.
• Wireless Polarimeter, PASCO PS-3237.
• Go Direct Polarimetr, Vernier GDX-POL.
• Polarimetr, Helago-CZ.
• Polarizační fólie, ÚDiF Brno.
• Plexisklo GUTTA Hobbyglas.
• Plastová deska GUTTA Hobbycolor.
• LOCTITE 401 vteřinové lepidlo.
• LED 5 mm jantarová, GM electronic.
• Držák baterie 2×AA, GM electronic.
• Napájecí konektor BS-ER-1, GM electronic.
• Držák telefonu DOUBLE CLIPS Compass.
• Gumová zátka Megamix 5×9 mm.
• Pardel P.: Lux Light Meter & Tools – Photometer PRO.
• Vieyra Software: Physics Toolbox Sensor Suite.
• Phyphox, RWTH Aachen University.
• Photone – Grow Light Meter, iOS.
• Lux Light Meter Free, iOS.
• Ondrášovka malina, etiketa 48 g l⁻¹.
• Schweppes Indian tonic, etiketa 86 g l⁻¹.
• Lach M.: Stanovení obsahu cukru v nápojích pomocí mobilního polarimetru, online materiál.