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

星期一 , 4, 5 月 2020 Leave a comment

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
*nacl880626@hotmail.com

 

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。

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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#,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0~255 256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 identificationApp,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CoCl26H2OUV光膠。

n  實驗步驟

、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。       

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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 identificationApp,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。

image3: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3530252015105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。

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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30405060708085 ℃下,溶液在不同溫度下顏色變化。下圖為觀測所得的色碼圖。

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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.        1M氯化銅溶液1mL,放於自製簡易加熱板上加熱分別於溫度304050607080 ℃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。

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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0.4mL1%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30405060657075℃下顏色的變化。下圖為觀測所得的色碼圖。

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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

1:不同溫度下,氯化亞鈷的色碼變化

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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。

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

2:不同溫度下,氯化銅的色碼變化圖

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    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。

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9G/B值與溫度的關係圖

3.   澱粉錯合物的色碼值如下面表格3

3:不同溫度下,碘澱粉錯合物的色碼變化

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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。

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25RGB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:

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     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clip_image036,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 APPColorPicker」,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,20201月參考網站http://chem.moe.edu.tw/green/AwardsDetail/ef324f3a-7b72-417d-9da8-9e126e67b6ed

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