陳乾 王璐璐 丁小婷 彭實(shí) 馬宏佳

摘要： 針對(duì)重量分析方法的缺點(diǎn)，應(yīng)用Vernier色度計(jì)、Vernier分光光度計(jì)和手機(jī)顏色識(shí)別軟件Color Grab，用于測(cè)定并建立起吸光度與硫酸銅溶液濃度之間的定量關(guān)系。設(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)定吸光度與膽礬溶液濃度的關(guān)系，并計(jì)算得出膽礬結(jié)晶水含量。實(shí)驗(yàn)表明，上述三種方法均能準(zhǔn)確測(cè)出膽礬中結(jié)晶水含量，且操作步驟簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)誤差小，有利于提高學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 膽礬； 結(jié)晶水； 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)； 手機(jī)軟件

文章編號(hào)： 10056629（2018）8005905 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題提出

膽礬結(jié)晶水含量的測(cè)定是中學(xué)化學(xué)重要的定量實(shí)驗(yàn)之一。目前一般采用重量法，即對(duì)一定量的硫酸銅固體進(jìn)行加熱使其脫去結(jié)晶水，然后進(jìn)行稱重，根據(jù)其質(zhì)量差求得結(jié)晶水含量。該實(shí)驗(yàn)不僅需要反復(fù)加熱、冷卻、稱重，耗時(shí)久，而且對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作要求也比較高，這樣可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的誤差也比較大[1]。因此有學(xué)者對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，例如自制簡(jiǎn)易熱重分析儀，利用溫度傳感器和稱量模塊繪制反應(yīng)過程的膽礬失重—溫度圖像得出膽礬的結(jié)晶水個(gè)數(shù)，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作，減小了實(shí)驗(yàn)誤差[2]；或是根據(jù)硫酸銅溶液濃度與顏色之間的定量關(guān)系，利用色度計(jì)測(cè)出吸光度，代入公式計(jì)算得到膽礬的結(jié)晶水個(gè)數(shù)[3]。

本文設(shè)計(jì)運(yùn)用Vernier色度計(jì)、Vernier分光光度計(jì)、手機(jī)軟件Color Grab（此軟件可免費(fèi)下載）進(jìn)行膽礬結(jié)晶水含量測(cè)定的實(shí)驗(yàn)。在這三個(gè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生只需進(jìn)行溶液的配制，實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量過程的操作步驟都很簡(jiǎn)單。通過該實(shí)驗(yàn)，不僅能加深學(xué)生對(duì)于有色溶液顏色深度與濃度之間定性關(guān)系的理解，還能幫助學(xué)生建構(gòu)起溶液顏色深度與濃度之間定量關(guān)系的初步概念。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 朗伯比爾定律

本次實(shí)驗(yàn)的三種方法都基于朗伯比爾定律的基礎(chǔ)之上。色度計(jì)、分光光度計(jì)都是用來(lái)測(cè)量特定波長(zhǎng)的光透過某有色溶液時(shí)的透過率，可通過對(duì)光的吸收比例來(lái)測(cè)量溶液的濃度。朗伯比爾定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中A為吸光度，ε為摩爾吸光系數(shù)，l為溶液樣品厚度（單位cm），c為溶液濃度（單位mol·L-1），I0為入射光的光強(qiáng)度，I為透射光的光強(qiáng)度。當(dāng)保持溶液的厚度不變、入射光的波長(zhǎng)不變，那么吸光度A與濃度成正比關(guān)系。

對(duì)某一有色溶液來(lái)說(shuō)，其摩爾吸光系數(shù)ε表明了其對(duì)某段波長(zhǎng)光的吸收能力，該數(shù)值越大則測(cè)試結(jié)果越準(zhǔn)確。因此可以通過圖1選擇某一顏色對(duì)應(yīng)的互補(bǔ)色，從而使摩爾吸光系數(shù)ε盡可能大，減小實(shí)驗(yàn)時(shí)的誤差。

例如，某種溶液為綠色的，那說(shuō)明其對(duì)紅光有較高的吸收度。需要注意的是，這只是一個(gè)大體的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)際情況下溶液顏色深淺的變化也會(huì)導(dǎo)致其最大吸收波長(zhǎng)發(fā)生偏移。

分光光度計(jì)和色度計(jì)最大的不同是兩種裝置輸出光的波長(zhǎng)，Vernier色度計(jì)的光源波長(zhǎng)只能選擇四個(gè)數(shù)值，即430nm、 470nm、 565nm和635nm，而Vernier分光光度計(jì)能選擇波長(zhǎng)范圍從380nm到950nm中的任意區(qū)間，因此，相比色度計(jì)來(lái)說(shuō)，選擇分光光度計(jì)更能對(duì)應(yīng)顏色的最大吸收波長(zhǎng)光，從而更精確地測(cè)量溶液的吸光度。

2.2 RGB模型原理

手機(jī)顏色識(shí)別軟件選用的是Color Grab，顏色處理模型選用的是RGB模型。RGB模型是當(dāng)今最常見的顏色處理模型之一，其通過三種原色： 紅、綠、藍(lán)的相互組合來(lái)表示各種顏色。由式（1）可知，對(duì)一定波長(zhǎng)的入射光，其透射光強(qiáng)度可以表示為：

因此對(duì)應(yīng)顏色的吸光度可以通過手機(jī)軟件讀取的RGB數(shù)值，代入式（3）、式（4）和式（5）中求得[4]。

2.3 定量計(jì)算

通過配制不同濃度的硫酸銅標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別測(cè)定它們的吸光度，然后繪制吸光度A與濃度c標(biāo)準(zhǔn)曲線。再稱取一定質(zhì)量（m）的膽礬固體（CuSO4·nH2O），配制成體積為V的待測(cè)硫酸銅溶液。測(cè)定該待測(cè)溶液的吸光度，代入到標(biāo)準(zhǔn)曲線中即可求得其濃度c。而濃度c與結(jié)晶水含量n之間的關(guān)系如下：

c=m160+18nV（6）

通過上述關(guān)系式，我們就能迅速求出n的值，由此可以計(jì)算出結(jié)晶水的含量。

在本實(shí)驗(yàn)中，我們選擇測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)CuSO4·5H2O樣品的結(jié)晶水?dāng)?shù)值，并根據(jù)所測(cè)得值與“5”的接近程度來(lái)判斷實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可行性。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 儀器和藥品

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

3.2.1 CuSO4標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

使用電子天平稱取8.0012g的無(wú)水硫酸銅固體粉末，置于250mL的燒杯中加蒸餾水?dāng)嚢枞芙猓ㄈ舫霈F(xiàn)渾濁現(xiàn)象可以向其中滴加2mL的稀硫酸從而抑制Cu2+由于水的暫時(shí)硬性導(dǎo)致的部分水解[5]），轉(zhuǎn)移至500mL容量瓶中進(jìn)行稀釋定容，即可配成500mL， 0.1000mol·L-1的CuSO4標(biāo)準(zhǔn)溶液（標(biāo)為1號(hào)瓶）。使用量筒（考慮中學(xué)條件沒有使用移液管）按表1選取一定體積的溶液置于不同燒杯中，并用蒸餾水洗滌量筒1～2次確保溶液全部轉(zhuǎn)移至燒杯中，然后轉(zhuǎn)移至100mL的容量瓶中稀釋定容，充分混合，分別標(biāo)為2～5號(hào)瓶。再另取1.2501g的CuSO4·5H2O固體置于燒杯中加水溶解，轉(zhuǎn)移至100mL容量瓶中定容，制得標(biāo)準(zhǔn)樣品，標(biāo)為6號(hào)瓶。

3.2.2 運(yùn)用分光光度計(jì)測(cè)量

將Vernier分光光度計(jì)（型號(hào)SVISPL）直接與計(jì)算機(jī)相連，打開Logger Pro 3.9軟件，放入一個(gè)盛滿蒸餾水的比色皿后通過軟件進(jìn)行預(yù)熱以及校準(zhǔn)（校準(zhǔn)后吸光度為0）后，將配好的標(biāo)準(zhǔn)溶液按標(biāo)號(hào)從1到6號(hào)分別取少量置于比色皿中，并放入分光光度計(jì)的凹槽中，首先選擇“濃度與波長(zhǎng)”的采集方式，波長(zhǎng)范圍選擇380nm至950nm，由此可以確定該溶液最大吸收波長(zhǎng)的范圍，如圖2。

3.2.3 運(yùn)用色度計(jì)測(cè)量

將Vernier色度計(jì)（型號(hào)COLBAT）通過數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)相連，打開Logger Pro 3.9軟件，預(yù)熱一段時(shí)間后打開上蓋，先放入一個(gè)盛滿蒸餾水的比色皿進(jìn)行校準(zhǔn)（校準(zhǔn)后吸光度為0），而后將上述盛有溶液的比色皿放入色度計(jì)中，選擇波長(zhǎng)為635nm的輸出光光源進(jìn)行透射，選擇2秒一個(gè)樣本，電腦上點(diǎn)擊采集按鈕，采集10s內(nèi)的數(shù)據(jù)并取平均值作為該波長(zhǎng)下此溶液的吸光度，并填入表3。

將通過色度計(jì)測(cè)出的標(biāo)準(zhǔn)樣品溶液的吸光度數(shù)值代入線性回歸方程中，求得濃度為0.0496mol·L-1，代入式（6）中求得結(jié)晶水個(gè)數(shù)n=5.0857。

3.2.4 運(yùn)用手機(jī)軟件Color Grab測(cè)量

Color Grab軟件（ios客戶端名為Color Assist）是目前手機(jī)平臺(tái)較為成熟的顏色分析軟件，安卓手機(jī)和蘋果手機(jī)的用戶均可通過各自應(yīng)用商店搜索相應(yīng)平臺(tái)的軟件名稱進(jìn)行下載。該軟件能通過多種模型對(duì)顏色進(jìn)行分析處理。本實(shí)驗(yàn)中使用到的是顏色的RGB模型，打開軟件后，選擇最上端的設(shè)置按鈕，點(diǎn)擊“Camera Left（或Right）Cell”，在二級(jí)菜單內(nèi)選擇RGB模型，完成后軟件即可通過手機(jī)自帶的攝像頭對(duì)物體進(jìn)行顏色采集，并在屏幕上端給出對(duì)應(yīng)顏色的RGB模型數(shù)值。

首先將常見的快遞盒或鞋盒的前后兩面和頂端裁剪出三個(gè)開口，使其處于一條直線上，頂端開口大小能用于盛放比色皿，前后兩面的開口用于讀取透過比色皿后的光強(qiáng)度。之后將比色皿置于頂端的小口中，并將其置于電腦屏幕前。由圖2可得出此時(shí)該溶液對(duì)紅光的吸收度較大，因此只要在電腦屏幕上打出一張純紅色的圖片即可，如圖5。

首先從頂端放入一只盛滿蒸餾水的比色皿，運(yùn)用Color Grab軟件讀取透過溶液后電腦屏幕顏色的RGB模型中的R值，待穩(wěn)定后作為入射光的R0（λ）值；再分別放入不同編號(hào)的比色皿，同樣讀取R值作為透射光的R（λ）值，分別將數(shù)值代入式（5），便可以得到此時(shí)溶液的吸光度，如表4。

3.3 結(jié)果分析

計(jì)的小，這主要是由于分光光度計(jì)能選擇的照射光波長(zhǎng)范圍比色度計(jì)大，可以比色度計(jì)選用更為合適波長(zhǎng)的照射光，使得摩爾吸光系數(shù)更高，數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。而手機(jī)軟件的誤差相對(duì)較大，也與照射光波長(zhǎng)匹配度較低有關(guān)，另外，R值的讀取只能讀取整數(shù)，小數(shù)點(diǎn)后位數(shù)無(wú)法顯示，因此無(wú)法做到更精確的計(jì)算。

4 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

有色溶液濃度越大，顏色越深，這是常識(shí)。大學(xué)教學(xué)中告訴學(xué)生可以利用分光光度計(jì)通過吸光度確定有色溶液濃度。但傳統(tǒng)的分光光度計(jì)由于其較高的價(jià)格和較為復(fù)雜的操作，難以在中學(xué)階段普及，使得學(xué)生難以建立起溶液顏色與濃度之間的定量關(guān)系。本文通過利用許多中學(xué)都已配備的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器，如Vernier色度計(jì)、Vernier分光光度計(jì)，甚至是非常普及的手機(jī)，基于曲線表征將溶液的吸光度與濃度相聯(lián)系，并運(yùn)用其測(cè)定了標(biāo)準(zhǔn)樣品五水硫酸銅晶體中的水含量，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生初步建立起溶液的顏色與濃度之間的定量關(guān)系?？紤]到手機(jī)的普及性，在設(shè)計(jì)的三組實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用手機(jī)軟件進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)不僅可以在課堂展示，還可以運(yùn)用于學(xué)生的課外探究中。學(xué)生只需要準(zhǔn)備紙盒、干凈透明的塑料瓶、帶顏色的紙板或者電腦屏幕、待測(cè)透明有色溶液和一部裝有顏色分析軟件的手機(jī)便可以進(jìn)行，其操作簡(jiǎn)單，能夠激發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)并親自參與生活化實(shí)驗(yàn)的興趣。

本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)代技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，讓學(xué)生綜合運(yùn)用已有知識(shí)，在一定程度上體會(huì)未來(lái)學(xué)習(xí)化學(xué)中所需要的化學(xué)分析思維和方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]林敏.硫酸銅晶體結(jié)晶水含量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].化學(xué)教學(xué)， 2010，（01）： 13～14.

[2]馮晴.簡(jiǎn)易熱重分析儀測(cè)定膽礬中結(jié)晶水含量[J].化學(xué)教學(xué)， 2016，（10）： 58～60.

[3]陳浩.用色度傳感器測(cè)定膽礬中的結(jié)晶水含量[J].化學(xué)教學(xué)， 2016，（05）： 62～64.

[4]曹生現(xiàn)，鄭麗婷等.基于圖像技術(shù)的鐵離子分析方法研究[J].化工自動(dòng)化及儀表， 2014，（05）： 557～562.

[5]劉懷樂.配制銅鹽、鐵鹽和鋁鹽水溶液是因水解而顯渾濁嗎[J].化學(xué)教育， 2014，（19）： 74～75.