臺灣化學教育

利用簡易光電比色法測定溴瑞香草酚藍的解離常數

廖旭茂*、林翊菲、陳淳煜

台中市立大甲高級中等學校

教育部高中化學學科中心
*[email protected]

• 簡介

  基礎化學(三)中提到可逆反應會因為反應物的濃度與溫度的變化，而改變反應行進的方向，而造成現象的可逆變化可以用勒沙特列原理來解釋。關於平衡常數的測定實驗，多年來都是以硝酸鐵與硫氰化鉀反應生成血紅色的硫氰化鐵離子，再以比色法求出相關溶液的濃度，藉此求出平衡常數。本實驗聚焦在課本化學平衡中平衡常數測定實驗的改良，以溴瑞香草酚藍(Bromothymol Blue，以下簡稱BTB)的解離平衡常數Ka的測量取代課本的硫氰化鐵的比色實驗，並與標準儀器分光光度計(UV-Vis)測量結果進行比對。BTB是常用中性範圍變色指示劑，實驗用量低，使用後可完全回收再利用的特性，可以降低環境造成負擔；靈敏但便宜的光電二極體取代昂貴的分光光度計，除減輕學校購置的財務壓力外，也可以讓學生透過麵包板的簡單電路，學習組裝簡易量測儀器，學習進階的比爾定律。

 朝向設計低毒性化學藥品取代有毒藥品實驗、改進實驗流程和化學藥品可回收再使用的實驗設計，除了能印證課本的勒沙特列原理外，更能有效降低有毒物質的使用及排放，達到綠色化學永續經營的目標。

•     器材與藥品

一、器材：

每組需要：可攜式簡易型光電比色計(組件材料包括：光電二極體、可變電阻、LED燈泡、麵包板等)。比色管6根、塑膠滴管數支、電源供應器等，Vernier分光光度計1台(比較用)、pH計一台。 

二、藥品：

溴瑞香草酚藍(Bromothymol Blue，以下簡稱BTB)、0.1M HCl(aq)、0.1M NaOH(aq)。

•      研究方法與步驟

一、 簡易光電比色計的原理：

1.       本實驗用電子元件套件購自易儀科技，相關原理可參考其出版的探究與實作一書^[3]。光電二極體(photodiode SP-1KL)為光強度的偵測器，將通過樣品溶液的不同強度的光轉為電壓訊號；以紅、黃、綠、藍、白各色LED發光二極體為測試光源，找出最適合的光源；以黑色發泡板製成的比色液槽，作為放置塑膠比色管的容器；利用可變電阻控制LED燈光源的電流大小，避免燈泡被燒毀；因光電二極體輸出的光電流不大，故使用一個1MΩ的使用電阻調整光電二極體輸出的電壓。作法上先以蒸餾水作為空白測試，假設以可變電阻調整電壓約為V₀伏特，當溶液的顏色變深時，通過的光電流會變小，輸出的電壓(假設為V_t)也會變小，溶液越濃時，量測的電壓值越小。同理，V=IR，在固定電阻情況下，光電二極體輸出的電壓V值可與光電流I成正比；套用比爾氏定律，溶液的吸收度A= – log ( I_t /I₀) ( I₀為光源的強度，I_t為光通過溶液後的強度)， 其中A = – log ( I_t /I₀)亦可以A= – log ( V_t/V₀)表示，下圖為光電比色計的核心機構圖。

圖1：光電比色的機構圖

2.       有關比色的方法都是遵循的Beer’s Law^[4]，A代表吸收度，ε為吸光係數，為光通過的路徑長，c為溶液的濃度；溶液越濃，吸收度A越大。Beer’s Law如下式所示：

…………[式1]

3.       此簡易型光電比色計，電源一般可使用電源供應器調整適當的電壓即可；亦可使用9V電池經過7805穩壓晶片及一個可變電阻，亦可提供穩定電源給Led光源。下圖為簡易型光電比色計的簡圖。

 

圖2：圖左以電源供應器為電源，圖右以9V乾電池搭配7805穩壓晶片為電源

二、 吸收度與濃度的測定：

  利用光電比色計與pH計，量測BTB指示劑的解離平衡常數。BTB一般是以鈉鹽形式存在，在弱酸性的環境中呈黃色，弱鹼中呈藍色，屬於中性範圍變色的指示劑。依照BTB的文獻顯示^[1],[2]，BTB在鹼性環境時呈藍色(pH>7.6)，最大吸收波長為616 nm；在酸性環境中呈黃色(pH<6.0)
，最大吸收波長為423 nm。但根據鹼性環境中光譜波形顯示吸收的相對低點在452 nm，因此大部分的文獻為避免干擾皆會選擇使用452 nm作為酸性溶液的光源來進行偵測。

其大概作法是將BTB分別溶於強酸、強鹼溶液中，使反應生成物絕大部分往某一方行進，顏色變為黃色(酸型的顏色)，以及藍色(鹼型的顏色)，再分別以波長452 nm(藍光)，與616 nm(橘光)的光源去掃描酸型與鹼型的溶液，求出吸光係數ε₄₅₂和ε₆₁₆。隨後將BTB指示劑加入預先配好的pH=7的緩衝溶液中，使溶液呈接近中性的綠色，再分別以波長452 nm(藍光)，與616 nm(近橘光)的光源去掃描綠性的溶液，分別求出不同波長的吸收度A₄₅₂與A₆₁₆。詳細做法流程，會在接下的的步驟中介紹。有關瑞香草酚藍解離的變色、與吸收波長如下圖所示。

圖3：BTB在不同酸鹼中的顏色以及吸收波段

三、 實驗步驟：利用麵包板簡易型的光電比色計測定BTB指示劑的解離平衡常數。

1.    簡易光電比色計的裝置圖，如下圖所示，詳細說明可參考易儀科技所出版的科學的探究與實作一書^[3]。

圖4：裝置線路圖示

2.  利用濃度為0.04 % 的BTB備用溶液，以0.1M HCl溶液為稀釋劑，配製4×10^-3 %  ~4×10^-4
%四種不同濃度C1~C4的溶液。作法分別取備用溶液0.1、0.2、0.4、0.6毫升，加入一個10毫升的容量瓶內，再以0.1M的HCl溶液，稀釋至10毫升的刻度。C1~C4的濃度分別為4×10^-4 %、8×10^-4%、1.6×10^-3%、2.4×10^-3%。

3.  將簡易型的光電比色計的線路接好^[3]，以分度吸量管吸取3毫升的蒸餾水裝入比色管中，以波長接近453 nm的藍光Led為光源，調整可變電阻讓三用電表電壓讀值為2.00 V
(可藉由可變電阻自由設定空白電壓值，簡稱V₀)；接著依序吸取C1~C4的溶液，量測各溶液的電壓值分別V1~V4(透光電壓，簡稱V_t)。將電壓值代入A= – log ( V_t /V₀ )式中，求出吸收度A1~A4的值。

4.  在強酸中溴瑞香草酚藍，絕大部分以酸式的狀態存在(HBB)，鹼式的濃度(BB^─) 極低，可視為不存在，因此利用比爾氏定律中吸收度A、光徑b(比色管邊長)、濃度c(c值以[HBB]代入)的關係式A=εbc，求出ε₄₅₃值。取四個數字平均即為ε₄₅₃值。

5.   接著利用濃度為0.04 % 的BTB備用溶液，以0.1M的NaOH溶液為稀釋劑，配製4×10^-3 ~4×10^-4 %四種不同濃度C5~C8的溶液。作法分別取備用溶液0.1、0.2、0.4、0.6毫升，加入一個10毫升的容量瓶內，再以0.1M的NaOH溶液，稀釋至10毫升的刻度。C5~C8的濃度分別為4×10^-4 %、8×10^-4%、1.6×10^-3%、2.4×10^-3%。

6.   接著以波長接近616 nm的橘光Led為光源，掃描C5~C8的溶液，調整可變電阻讓三用電表電壓讀值為2.00 V(空白電壓，簡稱V₀)；接著依序吸取C5~C8的溶液，量測各溶液的電壓值分別V5~V8(透光電壓，簡稱Vt)。將電壓值代入A = – log (V_t /V₀ )式中，求出吸收度A5~A8的值。

7.   在強鹼中溴瑞香草酚藍，絕大部分以鹼式的狀態存在(BB^─)，酸式的濃度(HBB)極低，可視為不存在，因此利用比爾氏定律中吸收度A與光徑b(比色管邊長)、濃度c(c以[BB^─]代入)的關係式A=εbc，求出ε₆₁₆值，取四個數字平均即為ε₆₁₆值。

8.   配製pH=7的緩衝溶液：取0.1M的KH₂PO₄溶液100毫升與0.1M的K₂HPO₄溶液63毫升，混合形成pH=7的緩衝溶液。

9.   取10毫升配製完成的緩衝溶液倒入燒杯中，接著加入10滴0.04 %的BTB備用溶液，攪拌均勻後，觀察溶液的顏色，隨即以數位酸鹼計紀錄燒杯內溶液的pH值。下圖為實驗操作過程。

圖5：圖左為光電比色計的使用，圖右是pH值的測量

10.從燒杯中取出3毫升的溶液倒入比色管，利用比色計以波長453nm掃描比色管溶液，量測各溶液的吸收度A₄₅₃。接著以波長616nm掃描比色管溶液，量測各溶液的吸收度A₆₁₆。由吸收度值A₄₅₃、A₆₁₆分別求出[HBB]與[BB^─]值，並利用[H⁺]求此反應的平衡常數Kc，相關運算式如下式所示。

…………[式2]

11.     以商用的UV-Vis光譜儀重複上述步驟，並與文獻相比較BTB的解離常數。 

• 實驗結果與討論
  

一、利用「簡易型光電比色計簡易光電比色計」量測(BTB)指示劑解離平衡常數，相關結果如下所述：

1.  當以黃光Led照射鹼性的BTB溶液時相關偵測數據如下表所示：

表1：黃光下，不同濃度BTB的吸收度與濃度數據

經簡易光電比色計所量測的電壓換算成吸收度，接著求出吸光係數ε₆₁₆。以吸收度為縱座標，濃度為橫坐標，發現兩者的相關係數達0.984，關係圖如下所示。

圖6：黃光Led下，吸收度與濃度的關係

2.   當以藍光Led照射酸性的BTB溶液時相關偵測數據如下表所示：

表2：藍光下，不同濃度BTB的吸收度與濃度數據

 

  經簡易光電比色計所量測的電壓換算成吸收度，接著求出吸光係數ε₄₅₂。以吸收度為縱座標，濃度為橫坐標，發現兩者的相關係數達0.994，關係圖如下所示。

圖7：藍光Led下，吸收度與濃度的關係

3.  簡易型光電比色計與專業型UV-Vis光譜儀所測出的解離平衡常數Ka及pKa，經運算後所得的結果如下表所示：表3：BTB解離常數統計

     從五次實驗所得的吸光係數來看，不管是藍色光源(ε₄₅₂)或黃色光源(ε₆₁₆)都不及專業的光譜儀；簡易光度計使用簡易光度計與專業型的光度計兩者所量測的結果以pKa來看，相去不遠。相關誤差應該來自光源，簡易的光電比色計的光源波長並不是溶液的最大吸收波長；其中黃光Led光源，其最大發射波長約595nm，與理論的最大吸收波長616 nm相距約20 nm，而減量線相關係數只有0.984；而藍光Led光源，其最大發射波長約462 nm，與理論的最適合吸收波長452 nm相距約10 nm，相關係數達0.994。下圖為Led光源的發射光譜。

圖8：圖左為黃光Led的發射光譜，圖右為藍光Led的發射光譜

• 結語
  

簡易型的光電比色計靈敏度及穩定性尚不及市售的光譜儀；然而使用簡易型的光電比色計所測的解離平衡常數pKa平均值為7.12與專業的分光光度計僅相差0.01，代表利用簡易型的光電比色計為工具來測量BTB的解離常數仍是適合的工具。惟每一種物質的濃度線性範圍皆不相同，建立檢量線時需要繁複的測試過程，不像商用儀器已經有範例可循，這是未來可以改進的地方。以靈敏的光電二極體測量BTB指示劑的解離平衡常數，會比課本利用目測比色法測量硫氰化鐵平衡常數的實驗結過更精確。BTB指示劑實驗後可100 %回收再利用，符合綠色化學原則。

• 安全注意及廢棄物處理
  

       實驗後，反應所產生的BTB廢液，可以滴定數滴的強酸或強鹼至溶液呈綠色為止，回收待下次酸鹼反應時再利用。

• 參考文獻
  

1.     Spectrophotometric Determination of the pKa of Bromothymol Blue, 2018年10月參考Truman State University CHEM 222 Lab Manual http://chemlab.truman.edu/files/2015/07/pka1.pdf.

2.     Atkins, P.; Jones, L. “Chemical Principles: The Quest for Insight”, 6th ed.; Freeman: New York. 2013.

3.     賴新枝，葉世榮。科學的探究與實作。新竹市：易儀科技。

4.     Beer–Lambert law，2018年10月參考維基百科https://ppt.cc/fN91ox.