臺灣化學教育

利用智慧型手機結合App探究化學平衡移動

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]

 

n  簡介

本文延續上一篇在本刊刊出的文章「鈷錯合物多段感溫變色棒」^[1]，初次使用智慧型手機結合App，調查並紀錄不同條件下，顏色發生的變化時RGB色碼值的變化，藉此探討化學平衡的移動。

在中學化學實驗上，溶液的濃度高低的判斷除了目測比色法外，就是使用相對精準的分光光度計，但分光光度計價格較為昂貴，除專題、科展外難以普及至一般的課堂，讓每一個學生都能參與實驗觀察。在一次氯化亞鈷的平衡移動實驗中，看到學生關於藍顏色的記錄，分別為淺藍色、海洋藍、紫羅蘭、靛藍，心想這樣的紀錄實在不夠客觀，也不符合科學探索原則，於是順口問了學生一句：「可以利用App來記錄溶液的顏色嗎？」，接下來要學生開始搜尋適合的辨色App，後來學生找到了ColorMeter Free – color picker（安卓系統），因為安卓手機較為普遍，也開始了我們使用該App紀錄顏色的旅程。下圖為學生首次利用手機App紀錄試管內溶液的顏色。

圖1：圖左為App的下載位置截圖，圖右為學生使用App來做為溶液顏色鑑定過程

在網頁設計時，顏色採用的標示有幾種方式^[2]，有一種是使用RGB色彩碼，標記方式是RGB(0~255 , 0~255, 0~255)。RGB值為(255, 0, 0)為純紅色，(0, 255, 0)為純綠色，(0, 0, 255)為純藍色，(255, 255, 255)為白色，(0, 0, 0)為黑色；另一種是設計師常用的16進位碼Hex，表示法為1個#，後面加上六位數字，如純紅色的色碼值紀錄為#FF0000、純藍色的色碼值紀錄為#0000FF、純綠色的色碼值紀錄為#00FF00；最後一種是HSL(Hue, Saturation, Lightness)色彩碼寫法，如HSL( 120,  50%,  20%)。本次使用的較淺顯易懂的RGB色彩碼，其中每個顏色數值會是0~255 共256種數值，每一種顏色都有一個RGB色碼值，因此混合後總共可以產生256×256×256等於16,777,216種網頁色彩。

除了課堂的實驗外，我們更將手機顏色的辨色功能應用在更多的化學平衡的探究上，在第三屆的綠色化學創意競賽專題–「勒沙特列的綠色圓舞曲」^[3]，以智慧型手機鏡頭結合色碼鑑定App作為顏色觀測與紀錄工具，於安卓手機中分別安裝「Colormeter free」與「Color identification」App，用RGB色碼值，分別記錄氯化亞鈷、氯化亞銅、澱粉–碘錯合物在不同溫度下顏色變化。

n  器材與藥品

一、器材：

10毫升玻璃試劑瓶10支、20毫升的燒杯、小標籤紙、塑膠滴管3支、10 mL小量筒2支、玻棒1 支、1mL塑膠針筒1支、溫度計1支、600 mL燒杯2個、加熱板1台、冰塊一些、紫光雷射筆一支、抗UV護目鏡。

二、藥品：

無水氯化鈣CaCl₂、氯化亞鈷晶體CoCl₂．6H₂O、UV光膠。

n  實驗步驟

一、溶液RGB色碼值的測量方法

1.溶液的測量：配置好的溶液置入12孔多孔盤中或10毫升玻璃樣本瓶等容器中，下層墊一張白紙將手機固定於一般手機會固定在相機架上，放大倍率5.0倍，以固定距離拍攝物體。       

圖2：搭配ColorMeter Free App，以手機紀錄溶液顏色的過程

 

2.高溫時拍攝：因多孔盤為塑膠製品較不耐熱，於是將待測溶液置入20毫升的小燒杯或10毫升的玻璃試劑瓶中，將小燒杯1支數位溫度計與放入100毫升的燒杯以水浴法在加熱板上加熱，並記錄溫度。當達到指定溫度時，迅速取出至指定位置紀錄溶液色碼值。如果使用「Color identification」App，可以先拍攝數位照片，試驗後再蒐集圖片上記錄的色碼值進行數據處理。下為氯化亞鈷溶液的色碼圖。

圖3：不同溫度下，氯化亞鈷溶液的顏色紀錄，紅色長條方框為色碼數值

二、鈷錯離子化學平衡的移動與溫度的關係探究

1.        不同氯離濃度下，鈷錯合物平衡移動的探討：取8支試管，以標籤標示1~8，管中各加入1.0M氯化亞鈷溶液1mL，分別加5滴、10滴、15滴、20滴、25滴、30滴、35滴、40滴的濃鹽酸，接著依序分別再加入蒸餾水35、30、25、20、15、10、5滴等，最後溶液體積約3毫升。各取出1毫升置入多孔盤中，以智慧型手機App作為顏色觀測與紀錄工具，觀測溶液在不同氯離子濃度下顏色變化。下圖為觀測所得的色碼圖。

圖4：不同氯離子濃度下，溶液的色碼變化

2.        不同溫度下，鈷錯合物平衡移動的探討：取5號試管的溶液1毫升，倒入小燒杯或玻璃試劑瓶中，以水浴法加熱，以智慧型手機App作為顏色觀測與紀錄工具，分別記錄溫度30、40、50、60、70、80、85 ℃下，溶液在不同溫度下顏色變化。下圖為觀測所得的色碼圖。

圖5：不同溫度下，氯化亞鈷溶液的色碼變化

3.        根據上述實驗結果，嘗試探討溫度、氯離子濃度的改變，對平衡移動的影響。

三、溫度對氯化銅平衡移動的探討：

1.        取1M氯化銅溶液1mL，放於自製簡易加熱板上加熱分別於溫度30、40、50、60、70、80 ℃下，以智慧型手機App作為顏色觀測與紀錄工具，觀測溶液在不同溫度下顏色變化。下圖為觀測所得的色碼圖。

圖6：不同溫度下，氯化銅溶液的色碼變化

2.        仔細比對色碼中的RGB三個數值隨溫度的消長與關係。根據勒沙特列原理，解釋溫度對銅離子在水中平衡移動的影響。

四、溫度對澱粉與碘的錯合平衡移動的探討^[1]

1.    各取0.5M的碘化鉀溶液0.4mL、1%的澱粉水溶液0.75mL，及9mL的蒸餾水一起置入小燒杯內，均勻混合，隨後滴加3%的藥用雙氧水1.0毫升進小燒杯，觀察溶液所發生的變化；接著將試劑瓶小燒杯隔水加熱，以5~10℃為間隔，分別記錄30、40、50、60、65、70、75℃下顏色的變化。下圖為觀測所得的色碼圖。

圖7：不同溫度下，澱粉–碘錯合物溶液的色碼變化

2.        仔細比對色碼中的RGB三個數值隨溫度的消長與關係。根據勒沙特列原理，解釋溫度對錯澱粉錯合物在水中平衡移動的影響。

n  實驗結果與討論

一、化學平衡的移動與溫度的關係探究中，氯化亞鈷、氯化銅以及碘–澱粉錯合物在不同的溫度下顏色的觀測及結果如下：

1.   氯化亞鈷的色碼值如下面表格1：

表1：不同溫度下，氯化亞鈷的色碼變化

RGB數據上經統計後發現，當溫度上升時，代表綠色的G值變化不大，代表紅色的R值卻不斷下滑，代表藍色的B值不斷上升；若以溫度為橫坐標，B/R的值為縱座標，即可發現兩者之間與氯化銅有著相似雷同的關係，都略呈指數型的趨勢。下圖為B/R值與溫度的關係圖。

圖8：氯化亞鈷B/R值與溫度的關係圖

2.    氯化銅的色碼值如下面表格2：

表2：不同溫度下，氯化銅的色碼變化圖

    從RGB數據上，代表紅色的R值在任何溫度皆為零，溫度上升時，代表綠色的G值變化不大，代表藍色的B值卻不斷下滑，若以溫度為橫坐標，G/B的值為縱座標即可發現兩者之間有著有趣的關係。紅色的虛線為趨勢線，略呈指數型的趨勢。下圖為G/B值與溫度的關係圖。

圖9：G/B值與溫度的關係圖

3.   碘–澱粉錯合物的色碼值如下面表格3：

表3：不同溫度下，碘–澱粉錯合物的色碼變化

從RGB數據上，當溫度上升時，代表綠色的G值，代表紅色的R值以及代表藍色的B值皆同步上升，而且RGB三項數值都相當接近，故溶液呈現暗黑色；若以溫度為橫坐標，RGB的平均值為縱座標，即可發現兩者之間與氯化銅、氯化亞鈷有著相似雷同的關係，都略呈指數型的趨勢。下圖為RGB平均值與溫度的關係圖。

圖25：RGB平均值與溫度的關係圖

n  原理與概念

   根據勒沙特列原理，鈷離子在氯離子的越高的環境下，平衡向右進行，四氯鈷錯離子的濃度上升，溶液變藍；此反應為吸熱反應，當溫度上升時，平衡亦向右進行，溶液變藍，從RGB的色碼值變化看來，B值上升，R值下降，B/R的比值上升。相關反應如下式表示：

紅色                                        藍色

至於氯化銅的溶解屬於放熱反應，氯化銅的固體是綠色的，溶於水後變成藍色，當溫度上升時，平衡向左進行，溶液變綠，從RGB的色碼值變化看來，G值上升，B值下降，G/B的比值上升。相關反應如下式表示：

     綠色          藍色

    最後，碘化鉀與雙氧水生成碘分子I₂，以及三碘離子，可溶性的澱粉溶液與碘形成藍黑色的錯合物，因此被視為碘的指示劑。錯合反應為放熱反應，當溫度上升時，平衡向左進行，澱粉–碘錯合物會分解開來，藍黑色消失，RGB的色碼平均值均同步上升。（註：RGB(255, 255, 255)為白色)。

    使用智慧型手機結合App來偵測、紀錄溶液顏色的改變，讓唾手可得的手機，取代昂貴的分光光度計，是一個讓化學實驗結合新科技，除了可以定性觀察、紀錄外，更可以進行定量的實驗探究，雖然精準度不及原有的分光光度計，但以減量、取代的綠色思維為出發點，不啻為STEM教育的推廣與普及開闢出另一條捷徑來。

n  教學建議

l   以手機來監測顏色的變化，RGB數字相當敏感，建議使用腳架固定手機，量測地點建議使用固定光源，以提高精確度。

l   如果是Apple手機，建議安裝iOS APP「ColorPicker」，也可以偵測環境或照片中的色碼值。

n  安全注意及廢棄物處理

l   實驗後，反應所產生的廢棄物，依規定回收處理。

l   實驗過程會加熱，要小心避免燙傷。

n  參考文獻

1.          廖旭茂、程慧文（2020）。鈷錯合物多段感溫變色棒的製作，台灣化學教育網，第三十五期，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=36304。

2.        Web colors，取自維基百科，https://en.wikipedia.org/wiki/Web_colors。

3.    林翊菲、陳淳煜（2019）。第三屆成果報告書_勒沙特列的綠色圓舞曲，綠色化學教育網，2020年1月參考網站http://chem.moe.edu.tw/green/AwardsDetail/ef324f3a-7b72-417d-9da8-9e126e67b6ed。