利用数字化实验和手机软件测定胆矾结晶水含量

陈乾 王璐璐 丁小婷 彭实 马宏佳

摘要： 针对重量分析方法的缺点，应用Vernier色度计、Vernier分光光度计和手机颜色识别软件Color Grab，用于测定并建立起吸光度与硫酸铜溶液浓度之间的定量关系。设计数字化实验，分别测定吸光度与胆矾溶液浓度的关系，并计算得出胆矾结晶水含量。实验表明，上述三种方法均能准确测出胆矾中结晶水含量，且操作步骤简单，实验误差小，有利于提高学生的学科素养。

关键词： 胆矾； 结晶水； 数字化实验； 手机软件

文章编号： 10056629（2018）8005905 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 问题提出

胆矾结晶水含量的测定是中学化学重要的定量实验之一。目前一般采用重量法，即对一定量的硫酸铜固体进行加热使其脱去结晶水，然后进行称重，根据其质量差求得结晶水含量。该实验不仅需要反复加热、冷却、称重，耗时久，而且对学生的实验操作要求也比较高，这样可能导致实验的误差也比较大[1]。因此有学者对该实验进行改进，例如自制简易热重分析仪，利用温度传感器和称量模块绘制反应过程的胆矾失重—温度图像得出胆矾的结晶水个数，简化了实验操作，减小了实验误差[2]；或是根据硫酸铜溶液浓度与颜色之间的定量关系，利用色度计测出吸光度，代入公式计算得到胆矾的结晶水个数[3]。

本文设计运用Vernier色度计、Vernier分光光度计、手机软件Color Grab（此软件可免费下载）进行胆矾结晶水含量测定的实验。在这三个实验中，学生只需进行溶液的配制，实验装置和测量过程的操作步骤都很简单。通过该实验，不仅能加深学生对于有色溶液颜色深度与浓度之间定性关系的理解，还能帮助学生建构起溶液颜色深度与浓度之间定量关系的初步概念。

2 实验原理

2.1 朗伯比尔定律

本次实验的三种方法都基于朗伯比尔定律的基础之上。色度计、分光光度计都是用来测量特定波长的光透过某有色溶液时的透过率，可通过对光的吸收比例来测量溶液的浓度。朗伯比尔定律的数学表达式为

其中A为吸光度，ε为摩尔吸光系数，l为溶液样品厚度（单位cm），c为溶液浓度（单位mol·L-1），I0为入射光的光强度，I为透射光的光强度。当保持溶液的厚度不变、入射光的波长不变，那么吸光度A与浓度成正比关系。

对某一有色溶液来说，其摩尔吸光系数ε表明了其对某段波长光的吸收能力，该数值越大则测试结果越准确。因此可以通过图1选择某一颜色对应的互补色，从而使摩尔吸光系数ε尽可能大，减小实验时的误差。

例如，某种溶液为绿色的，那说明其对红光有较高的吸收度。需要注意的是，这只是一个大体的对应关系，实际情况下溶液颜色深浅的变化也会导致其最大吸收波长发生偏移。

分光光度计和色度计最大的不同是两种装置输出光的波长，Vernier色度计的光源波长只能选择四个数值，即430nm、 470nm、 565nm和635nm，而Vernier分光光度计能选择波长范围从380nm到950nm中的任意区间，因此，相比色度计来说，选择分光光度计更能对应颜色的最大吸收波长光，从而更精确地测量溶液的吸光度。

2.2 RGB模型原理

手机颜色识别软件选用的是Color Grab，颜色处理模型选用的是RGB模型。RGB模型是当今最常见的颜色处理模型之一，其通过三种原色： 红、绿、蓝的相互组合来表示各种颜色。由式（1）可知，对一定波长的入射光，其透射光强度可以表示为：

因此对应颜色的吸光度可以通过手机软件读取的RGB数值，代入式（3）、式（4）和式（5）中求得[4]。

2.3 定量计算

通过配制不同浓度的硫酸铜标准溶液，分别测定它们的吸光度，然后绘制吸光度A与浓度c标准曲线。再称取一定质量（m）的胆矾固体（CuSO4·nH2O），配制成体积为V的待测硫酸铜溶液。测定该待测溶液的吸光度，代入到标准曲线中即可求得其浓度c。而浓度c与结晶水含量n之间的关系如下：

c=m160+18nV（6）

通过上述关系式，我们就能迅速求出n的值，由此可以计算出结晶水的含量。

在本实验中，我们选择测定标准CuSO4·5H2O样品的结晶水数值，并根据所测得值与“5”的接近程度来判断实验的准确性和可行性。

3 实验

3.1 仪器和药品

3.2 实验步骤

3.2.1 CuSO4标准溶液配制

使用电子天平称取8.0012g的无水硫酸铜固体粉末，置于250mL的烧杯中加蒸馏水搅拌溶解（若出现浑浊现象可以向其中滴加2mL的稀硫酸从而抑制Cu2+由于水的暂时硬性导致的部分水解[5]），转移至500mL容量瓶中进行稀释定容，即可配成500mL， 0.1000mol·L-1的CuSO4标准溶液（标为1号瓶）。使用量筒（考虑中学条件没有使用移液管）按表1选取一定体积的溶液置于不同烧杯中，并用蒸馏水洗涤量筒1～2次确保溶液全部转移至烧杯中，然后转移至100mL的容量瓶中稀释定容，充分混合，分别标为2～5号瓶。再另取1.2501g的CuSO4·5H2O固体置于烧杯中加水溶解，转移至100mL容量瓶中定容，制得标准样品，标为6号瓶。

3.2.2 运用分光光度计测量

将Vernier分光光度计（型号SVISPL）直接与计算机相连，打开Logger Pro 3.9软件，放入一个盛满蒸馏水的比色皿后通过软件进行预热以及校准（校准后吸光度为0）后，将配好的标准溶液按标号从1到6号分别取少量置于比色皿中，并放入分光光度计的凹槽中，首先选择“浓度与波长”的采集方式，波长范围选择380nm至950nm，由此可以确定該溶液最大吸收波长的范围，如图2。

3.2.3 运用色度计测量

将Vernier色度计（型号COLBAT）通过数据采集器与计算机相连，打开Logger Pro 3.9软件，预热一段时间后打开上盖，先放入一个盛满蒸馏水的比色皿进行校准（校准后吸光度为0），而后将上述盛有溶液的比色皿放入色度计中，选择波长为635nm的输出光光源进行透射，选择2秒一个样本，电脑上点击采集按钮，采集10s内的数据并取平均值作为该波长下此溶液的吸光度，并填入表3。

将通过色度计测出的标准样品溶液的吸光度数值代入线性回归方程中，求得浓度为0.0496mol·L-1，代入式（6）中求得结晶水个数n=5.0857。

3.2.4 运用手机软件Color Grab测量

Color Grab软件（ios客户端名为Color Assist）是目前手机平台较为成熟的颜色分析软件，安卓手机和苹果手机的用户均可通过各自应用商店搜索相应平台的软件名称进行下载。该软件能通过多种模型对颜色进行分析处理。本实验中使用到的是颜色的RGB模型，打开软件后，选择最上端的设置按钮，点击“Camera Left（或Right）Cell”，在二级菜单内选择RGB模型，完成后软件即可通过手机自带的摄像头对物体进行颜色采集，并在屏幕上端给出对应颜色的RGB模型数值。

首先将常见的快递盒或鞋盒的前后两面和顶端裁剪出三个开口，使其处于一条直线上，顶端开口大小能用于盛放比色皿，前后两面的开口用于读取透过比色皿后的光强度。之后将比色皿置于顶端的小口中，并将其置于电脑屏幕前。由图2可得出此时该溶液对红光的吸收度较大，因此只要在电脑屏幕上打出一张纯红色的图片即可，如图5。

首先从顶端放入一只盛满蒸馏水的比色皿，运用Color Grab软件读取透过溶液后电脑屏幕颜色的RGB模型中的R值，待稳定后作为入射光的R0（λ）值；再分别放入不同编号的比色皿，同样读取R值作为透射光的R（λ）值，分别将数值代入式（5），便可以得到此时溶液的吸光度，如表4。

3.3 结果分析

计的小，这主要是由于分光光度计能选择的照射光波长范围比色度计大，可以比色度计选用更为合适波长的照射光，使得摩尔吸光系数更高，数据更准确。而手机软件的误差相对较大，也与照射光波长匹配度较低有关，另外，R值的读取只能读取整数，小数点后位数无法显示，因此无法做到更精确的计算。

4 实验说明

有色溶液浓度越大，颜色越深，这是常识。大学教学中告诉学生可以利用分光光度计通过吸光度确定有色溶液浓度。但传统的分光光度计由于其较高的价格和较为复杂的操作，难以在中学阶段普及，使得学生难以建立起溶液颜色与浓度之间的定量关系。本文通过利用许多中学都已配备的数字化实验仪器，如Vernier色度计、Vernier分光光度计，甚至是非常普及的手机，基于曲线表征将溶液的吸光度与浓度相联系，并运用其测定了标准样品五水硫酸铜晶体中的水含量，运用实验帮助学生初步建立起溶液的颜色与浓度之间的定量关系。考虑到手机的普及性，在设计的三组实验中，运用手机软件进行的实验不仅可以在课堂展示，还可以运用于学生的课外探究中。学生只需要准备纸盒、干净透明的塑料瓶、带颜色的纸板或者电脑屏幕、待测透明有色溶液和一部装有颜色分析软件的手机便可以进行，其操作简单，能够激发学生设计并亲自参与生活化实验的兴趣。

本实验运用数字化实验和现代技术对传统实验进行改进，让学生综合运用已有知识，在一定程度上体会未来学习化学中所需要的化学分析思维和方法。

参考文献：

[1]林敏.硫酸铜晶体结晶水含量的测定实验的改进[J].化学教学， 2010，（01）： 13～14.

[2]冯晴.简易热重分析仪测定胆矾中结晶水含量[J].化学教学， 2016，（10）： 58～60.

[3]陈浩.用色度传感器测定胆矾中的结晶水含量[J].化学教学， 2016，（05）： 62～64.

[4]曹生现，郑丽婷等.基于图像技术的铁离子分析方法研究[J].化工自动化及仪表， 2014，（05）： 557～562.

[5]刘怀乐.配制铜盐、铁盐和铝盐水溶液是因水解而显浑浊吗[J].化學教育， 2014，（19）： 74～75.