Практикалық сабақ 3

Мазмұны: Химиядағы өлшеулер және деректерді талдау

Кіріспе

Химия – бұл заттардың құрылымын, қасиеттерін және олардың өзара әрекеттесуін зерттейтін іргелі ғылым. Кез келген ғылым сияқты, химия да деректерге және дәлелдерге негізделген. Бұл деректердің негізгі көзі – өлшеулер. Өлшеулерсіз біз химиялық процестерді түсіну, жаңа материалдарды жасау немесе тіпті күнделікті өнімдердің қауіпсіздігі мен тиімділігін қамтамасыз ету мүмкін емес.

Осы практикалық сабақ аясында біз химиядағы өлшеулердің маңыздылығын, оның негізгі қағидаларын, қолданылатын әдістерді және алынған деректерді қалай дұрыс талдау керектігін қарастырамыз. Дәл және нақты өлшеулер ғылыми зерттеудің негізі болып табылады және эксперименттік нәтижелердің сенімділігін қамтамасыз етеді.

Негізгі ұғымдар мен анықтамалар

Химиялық өлшеулер әлеміне енбес бұрын, бірқатар маңызды ұғымдарды түсініп алу қажет:

• Өлшеу (Measurement): Бұл физикалық шаманың (мысалы, масса, көлем, температура) мәнін стандартты бірлікпен салыстыру арқылы анықтау процесі.
• Физикалық шамалар (Physical Quantities): Зерттелетін нысанның немесе процестің өлшенетін сипаттамалары. Химияда жиі кездесетін шамалар:
  • Масса (Mass): Заттың инерциялық қасиетінің өлшемі, грамммен (г) немесе килограммен (кг) өлшенеді.
  • Көлем (Volume): Заттың кеңістікте алатын орны, миллилитрмен (мл) немесе литрмен (л) өлшенеді.
  • Температура (Temperature): Заттың жылулық күйінің өлшемі, Цельсий (°C) немесе Кельвин (К) градусымен өлшенеді.
  • Тығыздық (Density): Заттың массасының оның көлеміне қатынасы (масса/көлем), г/мл немесе кг/м³ сияқты бірліктермен өлшенеді.
  • Концентрация (Concentration): Ерітіндідегі еріген заттың мөлшері, моль/л (молярлық) немесе пайызбен (%) өлшенеді.
• Халықаралық бірліктер жүйесі (SI Units): Ғылым мен техникада қолданылатын стандартты өлшем бірліктерінің жиынтығы. Негізгі бірліктер:
  • Масса: килограмм (кг)
  • Ұзындық: метр (м)
  • Уақыт: секунд (с)
  • Температура: Кельвин (К)
  • Зат мөлшері: моль (моль)
  • Электр тогының күші: ампер (А)
  • Жарық күші: кандела (кд)
• Дәлдік (Accuracy) және Нақтылық (Precision): Бұл екі ұғымды жиі шатастырады, бірақ олардың мағынасы әртүрлі.
  • Дәлдік: Өлшенген мәннің нақты немесе қабылданған шын мәнге қаншалықты жақын екендігін көрсетеді. Мысалы, егер сіз 10.00 г тұзды өлшеуіңіз керек болса және сіз 9.98 г алсаңыз, бұл өте дәл өлшеу болады.
  • Нақтылық: Бірнеше рет жасалған өлшеулердің бір-біріне қаншалықты жақын екендігін көрсетеді. Егер сіз бір тұзды үш рет өлшеп, 9.50 г, 9.51 г, 9.50 г нәтижелерін алсаңыз, бұл өлшеулер бір-біріне өте нақты (жақын), бірақ егер шын мән 10.00 г болса, олар дәл емес.
• Маңызды цифрлар (Significant Figures): Өлшеу нәтижесіндегі сенімділік дәрежесін білдіретін сандар. Олар өлшеу құралының шектеулерін көрсетеді және есептеулерде дұрыс дөңгелектеу үшін маңызды. Мысалы, 25.34 г дегеніміз 4 маңызды цифрдан тұрады, ал 0.002 г дегеніміз 1 маңызды цифрдан тұрады (нөлдер алдындағы маңызды емес).
• Қателіктерді талдау (Error Analysis): Кез келген өлшеуде қателіктер болады. Оларды түсініп, азайту маңызды.
  • Жүйелі қателіктер (Systematic Errors): Белгілі бір бағытта қайталанатын қателіктер (мысалы, бұрыс калибрленген құрал, әдістемелік қате). Оларды анықтап, түзетуге болады.
  • Кездейсоқ қателіктер (Random Errors): Бағыты мен шамасы алдын ала болжанбайтын қателіктер (мысалы, температураның шамалы ауытқуы, оператордың кішкене қателігі). Оларды статистикалық әдістермен азайтуға болады (мысалы, бірнеше рет өлшеп, орташа мәнін алу).

Химиядағы өлшеулердің маңызы

Өлшеулер химиялық зерттеулердің және өндірістің әр кезеңінде шешуші рөл атқарады:

1. Ғылыми ашылымдар: Жаңа заттарды синтездеу, олардың қасиеттерін зерттеу үшін дәл масса, көлем, температура және басқа параметрлерді өлшеу қажет. Реакциялардың жылдамдығын, тепе-теңдік константаларын анықтау да өлшеулерге негізделген.
2. Сапаны бақылау: Фармацевтика, тамақ өнеркәсібі, мұнай-химия сияқты салаларда өнімнің сапасы мен қауіпсіздігін қамтамасыз ету үшін өлшеулер өте маңызды. Дәрілік препараттардың құрамындағы белсенді заттардың мөлшерін, судың тазалығын, азық-түліктегі зиянды қоспаларды өлшеу арқылы бақылайды.
3. Экологиялық мониторинг: Ауадағы, судағы және топырақтағы ластаушы заттардың концентрациясын өлшеу қоршаған ортаның жағдайын бағалауға және қорғау шараларын әзірлеуге мүмкіндік береді.
4. Дәрігерлік диагностика: Қандағы қанттың, холестериннің немесе басқа да биомаркерлердің деңгейін өлшеу арқылы ауруларды анықтап, емдеу тиімділігін бақылайды.
5. Өндірістік процестерді оңтайландыру: Өндірістік реакторлардағы температураны, қысымды және компоненттердің концентрациясын дәл бақылау өнімділікті арттырып, шығындарды азайтады.

Тәжірибелік сабақ 3: Өлшеу және деректерді талдау

Бұл практикалық сабақта студенттер химиялық зертханадағы негізгі өлшеу құралдарымен жұмыс істеу дағдыларын меңгереді. Сабақтың мақсаты – дәл және нақты өлшеулер жүргізу, алынған деректерді дұрыс жазу және оларды талдау арқылы ғылыми қорытындылар жасауды үйрену.

Ықтимал тәжірибелік тапсырмалар:

• Массаны өлшеу: Электрондық таразыларды қолданып, әртүрлі заттардың (мысалы, тұз, қант, металл үлгілері) массасын дәл өлшеу. Таразыны дұрыс калибрлеу және тарировкалау ережелерін сақтау.
• Көлемді өлшеу: Мензурка, өлшеу цилиндрі, пипетка және бюретка сияқты құралдарды пайдаланып сұйықтықтардың көлемін өлшеу. Әр құралдың дәлдік деңгейін түсіну және оған сәйкес маңызды цифрлармен жазу.
• Тығыздықты анықтау: Белгісіз сұйықтықтың немесе қатты дененің массасы мен көлемін өлшеу арқылы тығыздығын есептеу. Қателіктерді талдау және нәтижелерді салыстыру.
• Температураны өлшеу: Термометрді қолданып, судың қайнау және қату температурасын өлшеу, сондай-ақ химиялық реакциялар кезіндегі температура өзгерістерін бақылау.
• Деректерді жазу және талдау: Барлық өлшеу нәтижелерін зертханалық журналға ұқыпты енгізу. Маңызды цифрларды ескере отырып, есептеулер жүргізу (мысалы, орташа мән, стандартты ауытқу). Графиктер мен кестелер құру арқылы деректерді көрнекі түрде ұсыну.

Әрбір студент өлшеу кезіндегі қауіпсіздік ережелерін қатаң сақтауға міндетті.

Нақты әлемдегі қолданыстар мен мысалдар

Өлшеулер тек зертханада ғана емес, күнделікті өмірде және көптеген салаларда кеңінен қолданылады:

• Дәріханада: Дәрілік препараттардың дозасын дәл өлшеу пациенттің денсаулығы үшін өмірлік маңызды. Артық дозалану немесе жеткіліксіз дозалау ауыр салдарға әкелуі мүмкін.
• Ауыл шаруашылығында: Топырақтағы қоректік заттардың (азот, фосфор, калий) деңгейін өлшеу егіннің өнімін арттыру үшін тыңайтқыштарды дұрыс қолдануға мүмкіндік береді.
• Ауыз суды тазартуда: Судағы хлор, фтор немесе басқа да химиялық қоспалардың деңгейін үнемі өлшеу ауыз судың қауіпсіздігін қамтамасыз етеді.
• Автомобиль өнеркәсібінде: Қозғалтқыш майының тұтқырлығын, жанармайдың октандық санын және шығарынды газдардағы зиянды заттардың концентрациясын өлшеу автомобильдердің жұмысын және экологиялық нормаларға сәйкестігін бақылауға мүмкіндік береді.
• Тамақ өнеркәсібінде: Өнімдердегі қант, тұз, май мөлшерін, рН деңгейін және басқа да параметрлерді өлшеу тағамның сапасын, дәмдік қасиеттерін және сақтау мерзімін қамтамасыз етеді.

Тұрақты даму мақсаттарымен байланыс (ТДМ)

Дәл және нақты өлшеулер Біріккен Ұлттар Ұйымының Тұрақты даму мақсаттарына (ТДМ) жетуде маңызды рөл атқарады:

• ТДМ 3: Жақсы денсаулық және әл-ауқат: Дәрілік препараттарды әзірлеуде және өндіруде, медициналық диагностикада (қан анализі, биохимиялық көрсеткіштерді өлшеу) дәл өлшеулер өмірлік маңызды. Бұл халықтың денсаулығын жақсартуға тікелей ықпал етеді.
• ТДМ 6: Таза су және санитария: Су ресурстарын басқару және ауыз судың сапасын бақылау үшін ластаушы заттардың концентрациясын, рН, еріген оттегі мөлшерін дәл өлшеу қажет. Бұл таза суға қол жеткізуді және су жүйелерінің тұрақтылығын қамтамасыз етеді.
• ТДМ 7: Қолжетімді және таза энергия: Жаңа энергия көздерін (мысалы, күн батареялары, отын элементтері) әзірлеуде және олардың тиімділігін өлшеуде химиялық өлшеулер маңызды рөл атқарады.
• ТДМ 12: Жауапты тұтыну және өндіріс: Өндірістік процестерде материалдарды тиімді пайдалануды, қалдықтарды азайтуды және өнімдердің өмірлік циклін бағалауды өлшеулер арқылы бақылауға болады. Бұл тұрақты өндіріс үлгілеріне көшуге көмектеседі.
• ТДМ 13: Климаттық іс-қимыл: Атмосферадағы көмірқышқыл газының, метанның және басқа да парниктік газдардың концентрациясын дәл өлшеу климаттың өзгеруін түсіну және оған қарсы күрес шараларын әзірлеу үшін өте маңызды.

Қызықты деректер мен соңғы жаңалықтар

• SI бірліктерінің қайта анықталуы: 2019 жылы Халықаралық бірліктер жүйесінде (SI) бірқатар негізгі бірліктер, соның ішінде килограмм, ампер, кельвин және моль, фундаменталды физикалық константалар негізінде қайта анықталды. Мысалы, килограмм бұрынғы платина-иридий эталонымен емес, Планк тұрақтысы арқылы анықталады. Бұл өлшеулердің дәлдігі мен тұрақтылығын бұрын-соңды болмаған деңгейге көтерді.
• Миниатюралық датчиктер мен сенсорлар: Бүгінгі таңда химиялық өлшеулер үшін қолданылатын құралдар барған сайын ықшамдалып келеді. Микрофлюидті жүйелер мен наносенсорлар кез келген жерде, тіпті пациенттің денесінде немесе қоршаған ортада нақты уақыт режимінде дәл өлшеулер жүргізуге мүмкіндік береді.
• Масс-спектрометрияның дамуы: Масс-спектрометрия әдісінің дәлдігі мен сезімталдығы үнемі артып келеді. Бұл әдіс тіпті өте аз мөлшердегі заттарды анықтауға мүмкіндік береді, мысалы, қылмыстық істерді тергеуде немесе спортшылардың допинг-тестілеуінде қолданылады.
• Жасанды интеллекттің рөлі: Деректерді талдауда және өлшеу қателіктерін азайтуда жасанды интеллект (ЖИ) мен машиналық оқыту алгоритмдерінің қолданысы артып келеді. ЖИ үлкен деректер массивтерін өңдеп, адам көре алмайтын заңдылықтарды анықтай алады, бұл өлшеу нәтижелерінің сенімділігін арттырады.

Қорытынды

Химиядағы өлшеулер – бұл жай ғана сандар жиынтығы емес, ғылыми зерттеудің, технологиялық дамудың және күнделікті өміріміздің қауіпсіздігі мен сапасының негізі. Осы практикалық сабақ арқылы сіздер өлшеулердің маңыздылығын, дәлдік пен нақтылықтың айырмашылығын, маңызды цифрларды және қателіктерді талдау принциптерін түсініп, зертханалық құралдармен жұмыс істеудің негізгі дағдыларын меңгересіздер деп үміттенеміз. Дұрыс жүргізілген өлшеулер – табысты ғылыми эксперимент пен объективті қорытындының кілті.

Презентация

Дәріс материалдарын төмендегі сілтемеден жүктеп алуға болады:

Практикалық сабақ 3 - Жүктеп алу