臺灣化學教育

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
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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(三)化學平衡一章的範疇，利用鐵(Ⅲ)離子(Fe³⁺)和硫氰根離子反應生成血紅色的硫氰化鐵(Ⅲ)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(Ⅲ)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17至20％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值(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R、G、B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，並製作迴歸曲線。

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

圖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（C₁與C₂）與液深（h₁與h₂）成反比。

[1]

式[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 law）5，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：

其中，A是吸光度(Absorbance)；I_t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(L‧mol^-1‧cm^-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（C₁與C₂）與其高度（h₁與h₂）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 W201.52B」⁶。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。

 

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R、G、B值，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

(二)  各組的藥品

 

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：ColorAnalyzer、ColorMeter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R、G、B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R、G、B值，以圖2.畫面IV為例，R =54、G =58、B =93。

 

畫面I  畫面II                     畫面III                   畫面IV

圖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.      以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ev、fc、lux三數值，其中最下方為lux值。以圖3.畫面IV為例，在ev值6.0、fc值15、lux值165，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ev、fc、lux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，ev值3.9、fc值3、lux值38，38即前鏡頭旁感光器所測得的勒克斯值。

 

畫面I               畫面II             畫面III           畫面IV           畫面V

圖3. Light Meter-Free的操作畫面

 

(三)  檢量線迴歸方程式軟體的裝載與操作練習：

(四) 組裝自製比色裝置：

 

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克(0.09~1.10克,記錄至0.001克)活性炭，裝入濾袋，濾袋以木夾夾住，置入100 mL燒杯內。

2.       以50 mL量筒量取5.00×10^-4M 結晶紫溶液(A₁) 50 mL，傾入步驟1的100 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A_x液，以25.0mL分度吸量管量取20mL A_x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.        以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.       以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A₂、A₃及A₄溶液，重複步驟1~3，可得溶液A₃ 、A₄及A₅。

(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：

表1. 手機、Apps及比色裝置成品組裝紀錄表

2.        依序攝取不同濃度的結晶紫溶液A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A_x同條件下的影像各三幅，或依序量取其照度值(Lux值)各三個。

3.        用手機的Apps，讀取各影像的R、G、B值或照度值，分別以數值R、 G、B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A_x中結晶紫的濃度。

表2. 結晶紫標準溶液濃度

 

 

五、實驗結果

(一)  繪製檢量線並推測未知液的濃度：

1.          結果：

 

圖5.A₁、A₂、A₃、A₄、A₅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 ^-1648X，R²=0.8672；

線性：Y=-14274X + 173.94，R²=0.7452。

對數：Y = -57.47ln(X) – 359.77，R²=0.9379。

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

乘冪：Y=1.1673X^-0.539，R²=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=82.9，X=4.7×10– 4M
線性	Y=-14274X + 173.94, R2=0.7452	Y=82.9，X=6.4×10– 3M
對數	Y = -57.47ln(X) – 359.77, R2=0.9379	Y=82.9，X=3.0×10– 4M
二次式	Y=3*108X2 -484452X + 221.27, R2=0.9544	Y=82.9，X=3.7×10– 4M
乘冪	Y=1.1673X-0.539， R2=0.9654	Y=82.9，X=3.7×10– 4M

 

圖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(圖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。

 

 

圖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(三)。台南市:南一書局。

2：Kant, 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96年6月22日環署檢字第0960046607A號公告，自中華民國96年10月15日起實施。水中色度檢測法－鉑鈷視覺比色法 (NIEA W201.52B)