Odborný článek
Digitalizace ve vzdělávání
Možnosti aplikace Unreal Chemist – Chemistry Lab
3,0 (2 hodnocení)
Aplikace je určena k provádění simulací jednoduchých chemických experimentů na tabletech nebo chytrých telefonech. Poměrně věrohodně simuluje řadu vlastností látek a průběhů chemických reakcí. Komunikační prostředí je v angličtině, ovládání aplikace jednoduché a často intuitivní. Článek čtenáře podrobně seznámí se základními módy aplikace a způsobem jejího použití.
Unreal Chemist – Chemistry Lab je interaktivní 3D digitální laboratorní prostředí běžící v systémech Android, dostupné také ve verzi Unreal Chemist pro systémy iOS. Uživatel má kromě jiného příležitost vyzkoušet si jednoduché pokusy v kádince, např. ředění roztoků, rozpouštění pevné látky, neutralizaci, přípravu sraženiny, určení pH roztoku pomocí indikátoru a hoření látky. Všechny děje jsou doprovázeny zvukovou kulisou, která pomáhá utvořit si reálnější představu. V nastavení je možné regulovat hlasitost zvukového projevu, připojit vibrace a případně ztmavit zabarvení pozadí módů. U většiny pokusů lze regulovat koncentraci látky (v mol/l), množství reaktantů (v mol), navýšit teplotu směsi a ovladačem urychlit průběh simulované reakce. Při některých reakcích látek v kádince je možné zobrazit rovnice dějů. Nezpoplatněná verze obsahuje určitá omezení.
Aplikace zahrnuje šest módů využití (Obrázek 1): Mix pro laboratorní experimentování, Burn pro zkoumání hoření látek, Periodic Table poskytuje stručné informace o vlastnostech každého prvku, včetně ukázky složení atomu ve 3D, Solublity Sim simuluje rozpouštění látek, Balancer vyčíslí chemické rovnice, Mixing Game nabízí provádění experimentů formou hry. Změnu 3D pohledu provádíme tažením prstu (dotykového pera) po obrazovce. Postupně se s obsahem jednotlivých částí seznámíme podrobněji.
Obrázek 1 - Titulní nabídka programu
1. Mix – Lab Experiments
Aktivní prostředí nabízí 3D zobrazení kádinky a 7 polí pro výběr látky (Obrázek 2). Jako první vodu (Water), dále kyseliny (Acids), zásady (Bases), soli (Salts), prvky (Neutrals), indikátory (Indicators). V poslední nabídce (Organic) jsou zastoupeny látky organického původu v podobě poživatin (kostkový cukr, mandle, mléko, třešeň, tabulka čokolády, filet lososa) a materiálů (dřevo - štěpka, papír).
Obrázek 2 - Základní nabídka módu Mix
Potvrdíme-li volbu voda (Water), ke kádince přibude dělící nálevka, určená k simulaci dávkování kapaliny, a na obrazovce grafická pole. První (v její levé části) nabízí možnost regulace teploty, druhá navýšení rychlosti průběhu simulované reakce (zobrazená číselná hodnota značí násobek „reálné“ rychlosti reakce). V pravé části displeje najdeme ikonu s kádinkou, díky které můžeme snížit obsah kádinky (případně vše „vylít“), a posuvník k dávkování kapaliny z dělicí nálevky. Kapalinu lze přidávat buď po kapkách, nebo souvisle. Čím výše je poloha posuvníku na liště, tím silnější bude proud tekoucí kapaliny. Největší grafické pole nahoře je ukazatelem obsahu kádinky a případné rovnice reakce (reakcí). V kartě Contens se zobrazuje vzorec, látkové množství a rozpustnost reaktantu.
Látky typu kyselina, zásada, sůl jsou zadány racionálním vzorcem a uveden je i jejich anglický název. V kategorii Acids najdeme 15 kyselin, z organických pouze octovou. Mezi kyseliny je zde také zařazen peroxid vodíku (Obrázek 3).
Obrázek 3 - Úvodní část nabízených kyselin
Zásady jsou zastoupeny výhradně hydroxidy. V nabídce Salts najdeme velké množství solí kyseliny octové, (trihydogen)borité, uhličité, chromové, chlorovodíkové, jodovodíkové, dusičné, chlorné, (trihydrogen)fosforečné a sírové a z hydrogensolí pouze tři hydrogenuhličitany (amonný, draselný a sodný). Vzorec (případně značka) látky je umístěn v barevném poli souvisejícím s jejím reálným zbarvením. Pro výběr konkrétní látky klikneme na vzorec nebo název. V neplacené verzi můžeme použít jen jejich roztoky, bezvodé (koncentrované) jsou „uzamčeny“ (Obrázek 4). Existuje možnost časově omezeného (obvykle 10 minut) použití blokované formy látky, avšak tomuto předchází povinné sledování reklamy (30 sekund), což není uživatelsky příjemné. Po označení vybrané látky se zobrazí podobné prostředí jako v případě výběru vody (viz výše).
Obrázek 4 - Zobrazení po výběru soli Ca(CH3COO)2
Kategorie Neutrals poskytuje výběr z 19 prvků pevného skupenství, zastoupeny jsou kovy a nekovy. Po volbě některého z nich se nad kádinkou zobrazí v podobě pevného kusu, jehož velikost ovlivníme posuvníkem vpravo.
Mezi indikátory najdeme bromthymolovou modř, kresolovou červeň, lakmus, methyloranž, fenolftalein a thymolovou modř. Skupinu pak doplňuje univerzální indikátor (ekvivalent univerzálního indikátorového papírku) a tekuté mýdlo - ekvivalent saponátu (Obrázek 5). Protože se jedná ve všech případech o roztoky, dávkování provádíme analogicky jako v případě vody (viz výše).
Obrázek 5 - Nabídka skupiny indikátorů
2. Burn – Burn Substances
Ačkoliv je v názvu uvedeno hoření látek, tato část aplikace simuluje pouze plamenné hoření jediné kapalné látky, ethanolu. Převažuje vizualizace zabarvení plamene (jisker) ionty pevných látek (Obrázek 6) při žíhání.
Obrázek 6 - Žíhání pevného KOH
Kahan aktivizujeme kliknutím na ikonu s plamenem. Vyzkoušeli jsme též (po zhlédnutí reklamy a s časovým omezením použití prvku 10 minut) spalování síry (Obrázek 7).
Obrázek 7 - Simulace hoření síry
Z nabídky látek můžeme znovu vybírat ze skupiny kyselin (v nabídce jsou kyseliny trihydrogenboritá, chromová, trihydrogenfosforečná, trihydrogenfosforitá a selenová), zásad (hydroxidy barnatý, vápenatý, cesný, lithný, hořečnatý, draselný, sodný, strontnatý a jediný kapalný - amonný). Skupina solí nabízí chloridy, uhličitany, hydrogenuhličitany, boritany, dusičnany, chlorečnany a sírany, v celkovém počtu 108 látek. Výběr prvků v kategorii Neutrals je pro neplacenou verzi uzamčen (lze využít časově omezenou nabídku podmíněnou zhlédnutím reklamy). V této části se nezobrazují rovnice reakcí, vidíme pouze vzorce látek obsažených na hodinovém skle a jejich látková množství, která s postupem hoření ubývají.
3. Periodic Table – Elements in 3D
V této části aplikace zobrazuje interaktivní periodickou tabulku se 118 prvky. Využít můžeme také nabídku pod tabulkou, díky které lze srovnat prvky podle jednoho z následujících kritérií: protonové číslo, atomový poloměr (v pikometrech), počet elektronů/protonů, počet neutronů, teplota varu (v Kelvinech), teplota tání (v Kelvinech), abecední řazení podle značky, abecední řazení podle anglického názvu, rok objevení (užitečné hlavně pro prvky objevené v 17. století a později). Řazení prvků dle dalších uvedených kritérií (hustota, molární objem, tepelná vodivost, elektronegativita, elektrický odpor) však zatím nefungují. Přesto se všechny výše popsané vlastnosti plus mnoho dalších (například hodnoty teploty tání a varu ve stupních Celsia i Fahrenheita, molární hmotnost, vaznost, oxidační čísla) zobrazí po výběru prvku ze seřazené skupiny nebo přímo z interaktivní periodické tabulky. Velmi efektní je uvedení elektronové konfigurace prvku propojené s 3D projekcí modelu atomu (Obrázek 8 a 9).
Obrázek 8 - Zobrazení elektronového obalu mědi
Stisknutím ikony konkrétního orbitalu se uživateli zobrazí rozložení elektronové hustoty v prostorovém tvaru vybraného orbitalu. S modelem lze samozřejmě otáčet. Uživatel jistě ocení i ukázky krystalické struktury prvků a zobrazení barvy vyzařování atomu prvku ve viditelném spektru.
Obrázek 9 - Zobrazení vybraných 2p orbitalů mědi
4. Solublity Sim – Dissolve Salts
Jedná se o simulaci rozpouštění především solí. Lze simulovat i rozpouštění deseti základních kyselin ve vodě, použití osmi zastoupených hydroxidů je uzamčeno. Nabídka obsahuje 177 solí (octany, boritany, uhličitany/hydrogenuhličitany, chloridy, chromany, jodidy, dusičnany, chloristany, fosforečnany, sírany), všechny jsou volně dostupné. Uživatel může opět zvyšovat teplotu a zrychlovat průběh simulace. V poli je ukazatel teploty ve třech stupnicích, zobrazí se látkové množství každé přítomné látky, rozpustnost (v gramech na litr) a aktuální množství rozpuštěné látky. 3D zobrazení názorně vizualizuje nejen barvu roztoku, ale také stav, kdy se látka v kapalině nerozpouští. Obrázek č. 10 zobrazuje, že v kádince máme 0,28 mol pevné modré skalice (vzorec neuvádí hydratovanou formu síranu měďnatého), a teplotu v Kelvinech, stupních Celsia a stupních Fahrenheita.
Obrázek 10 - Modrá skalice v kádince
Obrázek 11 dokládá zahřívání roztoku modré skalice (např. při jejím rozpouštění ve vodě). Uživateli doporučujeme vyzkoušet například i rozpouštění silné anorganické kyseliny ve vodě, a to oběma způsoby, tj. přidáním kyseliny do vody a také obráceně, vody do kyseliny. Oba postupy pak můžeme porovnat.
Obrázek 11 - Zahřívání roztoku modré skalice
5. Balancer – Balance Equations
Tato část aplikace vyrovnává (vyčísluje) chemické rovnice. Obsahuje vstupní pole, do kterého podle zobrazené nápovědy s využitím virtuální klávesnice zapisujeme vzorce reaktantů a produktů (Obrázek 12).
Obrázek 12 - Zobrazení vstupního pole a klávesnice
Číslo, vyjadřující počet atomů prvku (skupiny), se automaticky zapisuje jako dolní index, rozlišovat musíme jen velká a malá písmena. Po zapsání celé rovnice aktivujeme červené tlačítko Balance. Aplikace nejdříve nabídne celkový přehled prvků a počet jejich atomů v jednom sloupci reaktantů, ve druhém zobrazí produkty v zadané rovnici. V dolní části obrazovky nabídne vyčíslenou rovnici a současně přehled vyrovnání počtu všech zúčastněných atomů před reakcí a po reakci (Obrázek 13).
Obrázek 13 - Ukázka výstupu rovnice po jejím vyrovnání
6. Mixing Game – Titration and More…
Herní mód je rozdělen na čtyři úrovně pokročilosti uživatele: Apprentice (učedník, zelenáč, Obrázek 14), Beginner (začátečník), Master (mistr), Legend (legenda, machr). Nejvyšší úroveň obsahuje 20 praktických úkolů, každá z nižších 18, splnění úkolu je časově omezeno (u nižších úrovní šedesáti nebo devadesáti sekundami). Hráč postupuje od nejnižší úrovně a sbírá body v podobě hvězdiček. Součástí hodnocení je nejen dosažený čas, ale také počet použitých činidel (látek). K již splněnému úkolu je možné se kdykoliv vracet, úlohu opakovat a opět navýšit počet získaných bodů.
Obrázek 14 - Prostředí herního módu
Na obrázku č. 15 vidíme konkrétní zadání úkolu a stanovený časový limit k jeho splnění. Potvrdíme-li akceptaci, otevře se zobrazení již známého prostředí, ve kterém se navíc objeví i časoměřič.
Obrázek 15 - Ukázka zadání úkolu
V aplikaci jistě narazíme na určité nedostatky či nepřesnosti, ale vzhledem k celkovým možnostem, které nám poskytuje, především grafického 3D znázornění laboratorní aparatury a doprovodných zvukových efektů experimentů, převažuje její kladné hodnocení. Přestože sami autoři upozorňují, že se v aplikaci mohou objevit reakce založené pouze na teoretické úvaze, je možné toto 3D laboratorní prostředí rozumně využít v chemickém a přírodovědném vzdělávání, a to i s cílem rozvoje digitálních kompetencí žáků.
Tento materiál je publikován pod licencí Creative Commons – Uveďte původ – Neužívejte komerčně – Nezpracovávejte 3.0 ČR.