利用手機App及雷切技術開發 高中化學探究與實作課程— 水中結晶紫的吸附去除與濃度測定 / 劉燕孝、廖家榮、趙君傑

星期五 , 1, 三月 2019 Leave a comment

利用手機App及雷切技術開發
高中化學探究與實作課程
水中結晶紫的吸附去除與濃度測定

劉燕孝、廖家榮、趙君傑

臺北市立建國高級中學
yhliu2@gl.ck.tp.edu.tw

¾ 課程設計概念

一、結合水汙染議題,將課本比色法實驗應用於解決生活問題

高中課綱中的比色法實驗1,屬於基礎化學()化學平衡一章的範疇,利用()離子(Fe3+)和硫氰根離子反應生成血紅色的硫氰化鐵()錯離子(FeSCN2+),而溶液中鐵離子在低濃度時呈淡黃色,硫氰根離子為無色,但反應所生成的硫氰化鐵()離子,莫耳吸收度高,血紅色極深,色深隨管內溶液的高度與濃度而改變。比色時,兩溶液濃度不同,須調整溶液的深度至兩溶液的顏色深淺相同為止。

而隨著「快速時尚」風潮席捲全球,文獻指出,全球1720%的工業廢水汙染來自紡織染整業,染整業的廢水包含約72種有毒化學物質,其中有30種無法去除2;因此,我們希望以染料廢水為議題,引導學生利用課本比色法實驗切入染料所造成的汙染檢測。

 

二、發揮創客精神,應用雷射切割技術,自行設計製作比色裝置

然而,高中生的實作能力訓練較少,大多是在學理探討。我們希望藉由此模組能有助於高中學生更容易跨進「自造」領域,向生活科技科及網路創客學習AI(Adobe Illustrator)等設計軟體,經不斷摸索、反覆討論與修正,設計並產出自製的比色裝置,構造簡單,組裝容易,操作簡便,產製原料本成低,易於推廣,預留寬廣的設計發展空間,將來可結合更多的課本實驗。設計完畢後,使用校內生活科技教室的雷射切割機,輸入所設計的AI設計檔案,產製迅速,可依學生人數需求而隨時大量製造。

 

三、生活裝置應用於科學,利用手機及Apps偵測

利用感測元件軟硬體(如:分光光度計)可將人為判斷色度的主觀誤差因素降到最低,但一般市售分光光度計價格高,對於欲進行獨立研究或探討議題的高中生而言,恐無法負擔,為解決此問題,本模組的發展,醞釀而出。由於手機普及,學生又往往偏好其娛樂性,所以,我們引導學生善用身邊易取得又不離身的手機,除了運用其LED提供比色法的光源外,並將顏色與濃度的關係轉變為量化的數據,進行科學研究。我們先篩選數種符合功能需求的應用軟體,引導學生自行選擇,比較各種Apps的功能,熟悉其使用方法,引領學生將手機用於科學的學習用途上。

本團隊採用手機為硬體,搭配易於下載取得的免費應用程式(Apps),搭配雷射切割製作的輔助裝置,將原本的「肉眼觀測」,改為利用手機及Apps的「偵測」,偵測待測溶液的RGB值或lux(單位面積的光通量),有效而穩定地提供量化數值,偵測簡便,再現性高,有利於數值分析與進一步的探討與研究。

 

四、應用手機或電腦軟體量化分析,培養學生數據處理的能力

本課程設計中,包含了利用手機或電腦軟體分析處理實驗數據的教學,經由作圖分析,了解各種活性炭的吸附特性等。我們在課程中也介紹了一些手機中方便好用的Apps,可供同學現場進行數據的紀錄及作圖,找出圖中的趨勢線,進而以Apps求出數據間的相關係數,可讓同學更懂得如何善用手機的強大運算能力,也讓同學能在實驗的空檔,更容易利用時間迅速而精確地處理數據。

較複雜的數據關係分析,如:濃度與lux值或像素的RGB值等關係的探究,也可以回到使用手機Apps或電腦的excel程式,同學須觀察原始數據,思考可能的數學關係,進行不同的數據轉換,如:取倒數、取log等,才能取得較佳的回歸關係。在這個過程中,學生也實際參與了科學性質的發現,了解課堂上的知識與定律,是如何透過實驗數據分析歸納而得。

 

¾ 課程開發目標

一、應用雷射切割技術,設計、產製並組裝自製的比色裝置。

二、改變攪拌時間,利用市售活性炭,對結晶紫溶液,進行吸附實驗。

三、以手機、Apps及自製比色裝置,代替傳統肉眼觀察(傳統方法),測量結晶紫溶液的顏色深度,並製作歸曲線。

四、以利用手機、Apps及自製比色裝置,代替傳統肉眼觀察(傳統方法),測量經活性炭吸附後的結晶紫溶液之濃度

 

¾ 實驗課程內的反應原理與文獻探討

結晶紫3crystal violet)或稱龍膽紫(gentian violet),也稱「甲基紫10B」,是一種三苯甲烷染料,結構如圖1

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1. 結晶紫結構

活性炭主要是由木頭、木屑、水果殼或煤炭等物質經高溫(600 ~ 800)乾餾後,使其分解形成低分子量的碳氫化合物和多孔性的碳殘留物,再通以熱空氣或水蒸氣加以活性化。活性炭表面具有許多的毛細孔,這些毛細孔洞內表面及顆粒表面即是吸附作用之所在,這些表面的面積相當大,使得活性炭的比表面積(即總表面積/質量)非常大4

經由比較或測量有色物質溶液的顏色深度,可確定待測成分含量的方法,稱為比色法(colorimetry)將穿透有色溶液後的光強度,利用光電效應,轉變為電流強度,兩強度呈正比,以之進行比色的定量方法,稱為光電比色法以比色法測定有色未知物的濃度時,是由二比色管的管口上方,向下俯視,觀察二溶液的顏色深淺,調整某管溶液的液深,直到二溶液的顏色深淺由上方俯視看起來相同為止,此時二溶液的濃度(C1C2)與液深(h1h2)成反比。

clip_image004[1]

[1]只能測出此二溶液的濃度比,欲求得溶液的確實濃度,必須選擇一已知濃度的標準溶液與其比色,即可依式[1]求得未知溶液的濃度。

比色法其原理為比爾朗伯定律Beer–Lambert law5,是光穿透溶液時被吸收的基本定律,適用於所有波長的光,適用於所有會吸光的物質,如:固體、液體、氣體和水溶液。

以水溶液為例,一束單波長的光,在通過一定厚度的水溶液後,水溶液中的吸光介質吸收了一部分此單波長光的光能,會使透射光的強度較入射光弱。水溶液中吸光介質的濃度愈高,厚度愈厚,透射光強度的減弱愈顯著,其數學關係式為:

A = log10 (clip_image006)= log10( clip_image008 )= a b C               [2]

其中,A是吸光度(Absorbance)It是透射光的強度;I0是入射光的強度;T是透射比或穿透度(Transmittance)a是莫耳吸收係數(Lmol-1cm-1)b是光穿過水溶液的路徑長(cm)C是水溶液中吸光介質的濃度(mol/L)

當一束相互平行的單色光,垂直穿透含吸光物質的水溶液時,其吸光度(A) 與光穿過水溶液的路徑長(b)及水溶液中吸光物質的濃度(C)成正比。因此,二溶液的濃度(C1C2)與其高度(h1h2)成反比。

而目前飲用水色度檢測,是採用環保署所公告之「鉑鈷視覺比色法NIEA W201.52B6。其原理為視覺比色法,將水樣和一系列不同色度之鉑鈷標準溶液進行視覺比對,測出水樣之色度,比對方式亦可以使用附有校正證明之玻璃製標準色盤進行。一個色度單位,係指1 mg鉑以氯鉑酸根離子(Chloroplatinate ion)態存在於1 L水溶液中時所產生之色度。在某些特殊情況下,可改變鉑和鈷之比例,以接近水樣之色調。

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¾ 實驗課程的教材內容

一、實驗目的:

(一)   模擬環保署公告之飲用水色度檢驗方法,以比色法及自製比色裝置,探討活性炭對有色物質結晶紫的吸附效果,模擬水汙染的防治與測量污水處理的效果

(二)   以手機、Apps及自製比色裝置,偵測溶液lux值或中間像素的RGB,代替肉眼觀察的比色法,探討活性炭對有色物質結晶紫的吸附效果,模擬測量污水處理的效果。

 

二、器材與藥品

(一)  每組的器材

50 mL量筒

1

100mL燒杯

2

25mL分度吸量管

1

安全吸球、50mL容量瓶

1

20 mL比色管

6

滴管

1

攪拌子

1

濾袋

1

電子天平

全班3

電磁攪拌器

1

自製比色裝置組

1

(二)  各組的藥品

5×10-4 M 結晶紫溶液(A1)

200 mL

市售活性炭(附公用刮勺)

1.0

 

三、實驗前準備

(一)  影像分析軟體的裝載與操作:

1.      在手機中,免費裝載行動應用程式(mobile application,簡稱APP),例如:ColorAnalyzerColorMeter等,以讀取影像的RGB數值。

2.      啟用該APP,開啟一張照片或影像,選取該影像中任一像素,讀取該像素的資訊,如: R值、G值、B值等。以ColorAnalyzer為例,執行後,出現圖2.畫面I,接著出現畫面II。此時,若點選「Real Time」,可讀取攝像鏡頭中某像素的RGB值。

3.      若點選「Existing Image」,會出現圖2.畫面III,點選該畫面左下方的「Image」,可讀取該手機中已存在的數位影像檔,手機螢幕下方即是白方框游標正中間像素的RGB值,以圖2.畫面IV為例,R =54G =58B =93

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畫面I  畫面II                     畫面III                   畫面IV

2.ColorAnalyzer的操作畫面

(二)  照度量測軟體的裝載與操作:

1.      在手機中,免費裝載APP,例如:Light Meter-Free(一般手機Android 系統用)LuxLightMeter(蘋果手機的iOS系統用),以量測前鏡頭或後鏡頭的勒克斯(Lux)數值。

2.      Android系統Light Meter-Free為例,搜尋時,手機畫面會如圖3.畫面I所示,安裝執行後,手機畫面如圖3.畫面II,先點選右下角「Preferences」後,手機畫面如圖3.畫面III,將「Display FC and lux」設為勾選,並按退出鍵,使手機畫面回到圖3.畫面II

3.      若要用後鏡頭(手機相機,觸控板反面)的感光器,則當手機畫面如圖3.畫面II時,觸碰左上角的「Camera Meter」使手機畫面如圖3.畫面V,其中,下半部左邊的紅點拉把可調鏡頭的遠近,上半部右下角的藍色方格中,會顯示evfclux三數值,其中最下方為lux值。以圖3.畫面IV為例,在ev6.0fc15lux165,當後鏡頭呈現該影像時,後鏡頭的感光器所測得的勒克斯值即為165

4.      若要用前鏡頭(自拍鏡頭,與觸控面板同面)旁的感光器,則當手機畫面如圖3.畫面II時,觸碰右上角的「Sensor Meter」,手機畫面如圖3.畫面IV,其中,上半部右下角的藍色方格中會顯示evfclux三數值,其中最下方為lux值,即是前鏡頭旁的感光器所測得的勒克斯值,以圖3.畫面V為例,ev3.9fc3lux3838即前鏡頭旁感光器所測得的勒克斯值。

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畫面I               畫面II             畫面III           畫面IV           畫面V

3. Light Meter-Free的操作畫面

 

(三)  檢量線歸方程式軟體的裝載與操作練習

1.      搜尋程式

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2.      下載

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3.      進入歸選項

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4.      進入線性回歸

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5.      輸入行與列各2

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6.      開啟數據表單

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7.      輸入數據

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8.      顯示歸直線方程式

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求得歸線方程式為:y = 1057.7x + 0.0556

(四) 組裝自製比色裝置:

1.         裝置平面圖

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2.         組裝頂蓋及一側邊

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3.         組裝內部比色管固定座

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4.         組裝壓克力底板與上蓋

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5.         將手機光源置於手機架下

擷取

AI設計圖

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四、實驗步驟

(一)   活性炭對結晶紫溶液的吸附實驗:

1.       以秤量紙秤取約1.0(0.09~1.10,記錄至0.001)活性炭,裝入濾袋,濾袋以木夾夾住,置入100 mL燒杯內。

2.       50 mL量筒量取5.00×10-4M 結晶紫溶液(A1) 50 mL,傾入步驟1100 mL燒杯中,濾袋靠邊放置,以磁攪拌器及攪拌子,定速攪拌溶液1分鐘。

3.       經此攪拌吸附後的溶液訂為Ax液,以25.0mL分度吸量管量取20mL Ax液於20mL比色管中。

(二)  經由稀釋配製不同濃度(A2~A5)的結晶紫溶液:

1.        25.0mL的分度吸量管及安全吸球,吸取5.00×10-4M的結晶紫溶液(A1) 25 mL,加入50.0 mL的容量瓶中。

2.        於容量瓶中加R.O水稀釋至50.0 mL刻度線處,均勻混合後得2.50×10-4 M結晶紫溶液(A2),倒入100.0 mL燒杯中後,將容量瓶以R.O.水潤洗兩次。

3.       25.0mL的分度吸量管及安全吸球,吸取20mL A2溶液於20mL比色管中。將步驟1中的A1溶液依序改為A2A3A4溶液,重複步驟1~3,可得溶液A3 A4A5

(三)  利用不同濃度的結晶紫溶液,製作檢量線:

1.        填寫手機、Apps及比色裝置成品組裝紀錄圖表:

1. 手機、Apps及比色裝置成品組裝紀錄表

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2.        依序攝取不同濃度的結晶紫溶液A1A2A3A4A5Ax同條件下的影像各三幅,或依序量取其照度值(Lux)各三個。

3.        用手機的Apps,讀取各影像的RGB值或照度值,分別以數值R GB或照度值為緃軸,以溶液濃度為橫軸,作圖,並以軟體取趨勢迴歸,畫出檢量線,記錄迴歸後R2數值及其數學方程式,推測待測液Ax中結晶紫的濃度。

2. 結晶紫標準溶液濃度

 

A1

A2

A3

A4

A5

(M)

5.00×10-4

2.50×10-4

1.25×10-4

6.25×10-5

3.125×10-5

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五、實驗結果

(一)  繪製檢量線並推測未知液的濃度:

1.          結果:

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5.A1A2A3A4A5溶液濃度與G值關係圖

2.          趨勢線預測迴歸分析:

指數:Y=179.89e -1648XR2=0.8672

線性:Y=-14274X + 173.94R2=0.7452

對數:Y = -57.47ln(X) – 359.77R2=0.9379

二次式:Y=3*108X2 -484452X + 221.27R2=0.9544

乘冪:Y=1.1673X-0.539R2=0.9654

(二)  代入上述檢量線,求出經活性炭吸附後待測液Ax中結晶紫的濃度:

函數

迴歸方程式

Ax中結晶紫的濃度(M)

指數

Y=179.89e -1648X

R2=0.8672

Y=82.9X=4.7×10– 4M

線性

Y=-14274X + 173.94, R2=0.7452

Y=82.9X=6.4×10– 3M

對數

Y = -57.47ln(X) – 359.77, R2=0.9379

Y=82.9X=3.0×10– 4M

二次式

Y=3*108X2 -484452X + 221.27,

R2=0.9544

Y=82.9X=3.7×10– 4M

乘冪

Y=1.1673X-0.539

R2=0.9654

Y=82.9X=3.7×10– 4M

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6. 比色裝置學生實作照片

 

n  學生回饋與教學心得

一、學生回饋

由所收集學生回饋單可發現(7),他們覺得這樣的設計與以往有很大的不同,除了富有創意與改進了實驗的精確度之外,也有許多在裝置操作上的便利性。此外,學生們也提供了許多設計上需要再改進的地方,如光源與感光元件不易對準,光源亮度不足等問題。然而,許多組也發現了許多原本並非原設計所使用的方式,恰可克服一些其他組所遭遇的困難,總結而言,學生們相當肯定這份課程設計。原本課本實驗的觀測較主觀而換算方法較制式,在本課程模組中,透過動手做的創客精神,我們希望藉由此模組能有助於高中學生更容易跨進「自造」領域,不論裝置、測量方法、甚至數據處理方式,皆具有探究精神,同時結合水污染的議題,具有跨學科的知識整合,也結合創客教育(Maker Education)的動手實作。

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7. 學生的課程回饋單

二、教學心得

(一)本課程以「水污染」為議題出發,除開發測量活性炭降低污染程度的工具外,更可將本技術應用於改良高中比色法實驗,將其導入探究與實作精神,測量方法由肉眼判斷進階為科學數據的量測,結合焦點討論法(ORID)啟發學生四學習興趣,學生普遍認為,提昇了科學研究的能力。

(二)進行傳統以肉眼觀察的比色法實驗時,最常聽到學生問:「老師,這兩個誰的顏色比較深?我看不出來啊!」若改以手機提供光源及偵測的感光元件等硬體,學生普遍認為可以降低人為判斷的誤差,因此降低無法正確判斷的挫折感;當然,Apps有許多的選擇,各有特色,且不同手機的感光元件有差異,偵測RGB值或勒克斯值的極限及靈敏度有所不同,故同一組宜固定使用同一台手機操作。

 

n  探究發展方向

本課程從課本實驗「以比色法測定推算平衡常數」出發,我們引導學生認識成衣界快速時尚造成染料汙染的問題,並透過測量顏色的深淺,將水溶液中的有色物質定量,以測定經活性炭處理過後的汙水,觀測到污染降低的效果。

本課程中的偵測法,值得深入探討,讓學生思考有不同的選擇,可以引領學生發揮無限的想像,透過實驗的設計與變因的控制,鼓勵同學繼續探討其中各種值得探究的議題。例如:

一、        汙染物吸附物的選擇方面:可以將各種植物原料自製為活性炭時,何者效果較佳?

二、        吸附條件方面:活性炭效果是否受到溫度、攪拌方式或攪拌時間的影響?

三、        汙染濃度偵測方法的探討:選用比色法、RGB值還是lux值效果較好?原因為何?

四、        手機裝置偵測效果的比較:又可分為硬體(手機感光元件),及軟體(Apps)程式的效果比較,如何選擇?

五、        汙染偵測比色裝置的改良:何種比色管效果較佳?光源位置如何調整以降低干擾?更可以引導學生學習AI等軟體後,根據實驗需求自行設計改良裝置,並實際以雷射切割製造並應用。

六、        數據分析方法及原理的探討:何種數學關係式的相關係數最高?數據是否須考慮對照組(純水或鐵離子溶液)?是否與比爾朗伯定律結果相同?

以上為可深入進行探究與實作的議題實例,學生可以由本議題與技術裝置出發,真正實踐一個探究的科學活動。

 

n  參考資料

1:葉名倉等(2018)基礎化學()。台南市:南一書局。

2Kant, R. (2012) Textile dyeing industry an environmental hazard. Natural Science, 4, 22-26. doi: 10.4236/ns.2012.41004.

3:維基百科(2019/2/7)  https://zh.wikipedia.org/wiki/結晶紫

4維基百科(2019/2/7)  https://zh.wikipedia.org/wiki/活性炭

5維基百科(2019/2/7) https://zh.wikipedia.org/wiki/比爾朗伯定律

6中華民國96622日環署檢字第0960046607A號公告,自中華民國961015日起實施。水中色度檢測法-鉑鈷視覺比色法 (NIEA W201.52B)

 

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