臺灣化學教育

以可程式微量光電比色法監控振盪反應顏色週期性的變化

廖旭茂^{1, 2*}、陳冠愷¹

¹台中市立大甲高級中等學校、²教育部高中化學學科中心

*[email protected]

 

n  簡介

振盪反應是指反應過程中溶液顏色會呈現反覆週期性的變化，以最有名的BR振盪為例，溶液的顏色會呈現琥珀色、藍色、無色反覆地交替變化（”Briggs–Rauscher reaction”, 2022）。

一次BR振盪反應約可產生數十次週期性的顏色變化，其中振盪速率或週期與溶液濃度、溫度等變因有密切的關係。因此想探究BR振盪最主要的挑戰是精準監控溶液顏色週期性變化，如果單靠目視法或傳統的色碼APP法，恐怕有所不足。本文將介紹採用麵包板式的簡易光電比色計，以黃光LED為光源，藉由光電二極體偵測通過溶液後光的強度，並轉換成電流（賴新枝、葉世榮，2017）。再結合ARDUINO程式版收集反應過程中電壓週期性的變化並與目視法做一個比較。下圖為結合微型電磁攪拌器組裝的光電比色監測裝置圖。

圖1：光電比色暨攪拌器模組組合的外觀

本文除描述「可程式光電比色法監測顏色週期性變化」的過程外，亦提供相關原理說明，以及實驗廢液的減毒做法，提供參考。並期待拋磚引玉，吸引更多的教師自行設計微型教具，落實實驗減量、減廢，實踐環境友善與綠色永續的教學目標。

n  器材與藥品

一、器材：

    所需器材包括：光碟型電磁攪拌實驗模組（包含光碟片、冰棒棍、可變電阻、USB電源插頭、磁石、可調式固定環等）1個、可程式光電比色電壓感測模組（含簡易光電比色計，相關電子套件購自易儀科技公司）1組、Auduino可編程電壓感測器模組（含UNO R3開發版、電壓感測器）、4mL樣本瓶1個、20 毫升玻璃樣本瓶、4毫升玻璃樣本瓶、安全吸球、5毫升分度吸量管。尺寸直徑3mm，長度8mm磁攪拌子1個。

二、藥品：

   BR振盪反應所需溶液，包括：A溶液（0.20M碘酸鉀 + 0.077 M硫酸）、B溶液（0.15M丙二酸 + 0.02M硫酸亞錳 + 0.03%可溶性澱粉）、C溶液（4.0M雙氧水）。

n  研究方法與步驟

一、實驗原理

1.       BR振盪反應機構：

        此振盪反應相當複雜，經文獻探討（Farusi, 2009），整個反應系統可能涉及自由基與非自由基兩個過程，每個過程都涉及相當多的反應式。自由基過程是快速的，其中涉及錳等相關自由基中間物的自動催化反應，可使碘酸根與雙氧水反應生成過氧化氫自由基（HOO‧），最後生成次碘酸（HIO），次碘酸經1a, 1b兩途徑生成碘分子與氧氣（見式1a, 1b）；而非自由基過程是丙二酸以較緩慢的速率與游離的碘分子產生取代作用，還原成碘離子與2-碘丙二酸（見式2）。總反應預估為各式總和（見式3）。

二、器具製作、組裝與設定

1.     光碟型USB可調式電磁攪拌器具的製作：

        在BR振盪反應的過程中會產生O₂，其氣泡會干擾光的接收，因此必須要透過不斷攪拌的過程，將氣泡趕走。此次光碟性USB攪拌器，回收光碟片，及易取得的冰棒棍製作攪伴器的框架結構，小馬達轉軸上安裝一個經裁修的木製冰棒棍，木片兩端各黏貼兩個磁性相反的直徑為6mm的圓形小磁鐵，當小馬達轉動時，可驅動上方的磁攪拌子；阻抗1000歐姆的可變電阻可以依需求來調整攪拌的速度；為避免光碟片上的反射光，碟片上亦可黏貼一張#400的水砂紙；碟片上亦可加裝固定螺桿，作為實驗器皿的夾具等，類似作法亦可參考台灣化學教育期刊第47期相關撰文（廖旭茂，2022）。下圖為光碟型USB可調式電磁攪拌器的組裝圖。

 圖2：光碟型USB電磁攪拌器

2.     可程式光電比色電壓感測模組：

        此模組可分成兩個部份套組件：一是簡易光電比色計，二是可程式電壓感測器，可接收紀錄來自光電比色計的電壓訊號值；其中簡易光電比色計是購自易儀科技（賴新枝、葉世榮，2017），利用光電二極體(photodiode SP-1KL)為光強度的偵測器，它是一種半導體 p-n 接面的元件，當受到足光強度的光照射時，光子在光電二極體中被吸收，產生光電流，亦即發生光電的轉換。若選用一LED光源通過一盛有色溶液的比色管，根據Beer’s law，當溶液濃度越高時，被吸收的光越多，穿透的光越少，此時光電二極體接收器產生的光電流越小；當掛載一個固定電組，可將微弱的電流轉換為可測量讀取電壓訊號（V=IⅹR）。

        因溶液的顏色一值再改變，加上光電二極體相當敏感，接受到的訊號電壓值變動性高，一般三用電錶不易讀取到穩定數字，因此採用利用ARDUINO控制板與電壓傳感器，接收、紀錄來自光電比色計的訊號。

        BR振盪實驗時，溶液的顏色依序為藍色、無色、琥珀黃、藍色、無色、琥珀，呈現週期性變化，因此選用黃光LED為光源，當溶液呈黃色或無色時，大部分的黃光會穿透溶液（極少部分被吸收），被二極體接收，因此測量到的電壓高；當溶液轉為藍色時，因為黃色的互補色為藍色，黃光大部分會被溶液吸收，穿透的黃光較少，因此測量到的電壓較低。相關光電比色計在麵包板上接法及電路圖如下圖3、4所示。

圖3：可程式光電比色電壓感測器的接線實境圖

圖4：光電比色電壓感測的電路圖

3.     Arduino電壓感測模組的設定：

(1)  首先到網路平臺中的創作者工作坊(DroneBot Workshop)，當中有許多電壓感測器的程式原理以及運作邏輯的介紹。其中我們將本次實驗所需的電壓感測程式碼(右框中「Voltage Measurement」)複製到Arduino上。下圖為相關網站與程式碼連結。

圖5：圖左是創者工作坊網站，圖右是電壓感測程式碼示意圖

(2) 再來將「pdx-daq excel外掛」鍵入搜尋引擎，左框中的搜尋選項含有詳細的教學與Excel下載鏈結。而右半邊是活用教學內容，將excel外掛程式碼嵌入電壓感測程式碼中。配合實驗所需，我們將取樣率調至5樣本/秒，相當於執行完程式內容後，命令感測器延遲200毫秒後再次收集數據。

圖6：圖左是excel外掛搜尋，圖右是電壓感測程式碼

 

(3)  調整完程式碼的參數後，我們需要將程式碼上傳到板子上。這時只需按下箭頭圖示的上傳鍵，待進度條跑完後，就代表程式順利輸入進板子中。按下放大鏡圖示的按鈕，可確認感測器是否順利收集到連續數據。切記，外掛excel就是代替監控視窗的功能，所以excel開始收集數據前務必關閉監控視窗。下圖為Arduino操作介面。

圖7：Arduino操作介面

(4)  將電壓感測器S字母端連接Arduino的A0孔洞，傳輸收集訊號及電流供應。感測器負號圖示的端接Arduino的GND孔洞，使電路溝通。感測器另一端的正負極再與欲測試的電路部分並聯，即可收集電壓的連續變化。下圖為電壓感測器與Arduino連結線圖。

圖8：電壓感測器接線圖

(5)  打開外掛Excel，按下按鈕開啟控制檯。在控制臺中，包含了數據收集起結鍵、數據收集位置等，將連接埠(Port)選到Arduino連接電腦的USB接口，這樣才能完整的收集感測器收集到的數據，下圖為外掛Excel 數據收集操作介面。

圖9：外掛Excel操作介面示意圖

三、振盪反應的觀察：目視法與光電比色法與比較

1.      目視法觀察：

(1)  手機全程錄影，紀錄振盪過程變化：將手機水平放置在手機架上，鏡頭對準一個20毫升的玻璃樣本瓶口，樣本瓶放置在光碟型電磁攪拌平台上，瓶中放入一個磁攪拌子；隨後以分度吸量管分別吸取5毫升的A溶液與5毫升的B溶液置入樣本瓶中，啟動電源，開始攪拌；接著取一支塑膠針筒，筒內預置5毫升的C溶液，針筒端將C溶液注入樣本瓶內，啟動手機錄影，為時100秒，記錄反應過程溶液的顏色變化及最終溶液的顏色。下圖為溶液顏色的變化。

圖10：振盪過程溶液的顏色變化，組圖最右邊為最終溶液顏色

(2)  接著以錄影回放方式，目視記錄整個振盪個程中透明、琥珀色、藍色發生的時間，嘗試以顏色方塊的寬度代表出現的時間，將顏色方塊連接製作目視紀錄圖。

(3)  承上， 0~100秒內振盪週期的長短產生了甚麼變化？

(4)  BR振盪反應過程中，除顏色呈現反覆性週期性改變外，還發生了那些變化？有氣泡產生嗎？溫度是上升還是下降？振盪反應終點溶液的變化為何？

2.     可程式光電比色法：

(1)  將4毫升的樣本放入黑色比色槽，比色槽放置在預留記號的光碟攪拌器的平台盤面上，瓶中放入一個磁攪拌子，隨後以分度吸量管吸取3毫升的蒸餾水置入樣本瓶中，啟動電源，逐步調整轉速，並確保攪拌子可以穩定攪拌，接著蓋上瓶蓋，滑鼠按下開始測量，微調可變電阻，讓電壓讀數維持在2.0 Volt上下。

(2)  將4毫升的樣本放入黑色比色槽，比色槽放置在預留記號的光碟攪拌器的平台盤面上瓶中放入一個磁攪拌子，隨後以分度吸量管分別吸取1毫升的A溶液與1毫升的B溶液置入樣本瓶中，啟動電源，逐步調整轉速，並確保攪拌子可以穩定攪拌；接著取一支塑膠針筒，筒內預置1毫升的C溶液，針筒端將C溶液注入樣本瓶內，蓋上瓶蓋，按下滑鼠，開始收集數據。直至振盪反應停止顏色不再變化按下停止鍵。

(3)  整理連結到excel的數據，並依此作圖。

(4)  試推測上圖中波峰與波谷分別代表顏色的何種階段？

(5)  承上，嘗試列表計算振盪過程中，0~100秒內振盪週期的長短產生了甚麼變化？

(6)  實驗結果若與目視紀錄法相比較，100秒內的振盪次數與平均振盪週期有何差異？

3.     溶液的減毒：回收廢液盛入100毫升燒杯後，再取飽和硫代硫酸鈉溶液Na₂S₂O₃，以滴管逐滴滴入燒杯中約1毫升後， 直至溶液變為無色；隨後再滴入飽和的碳酸鈉溶液Na₂CO₃，若溶液產生泡沫變多，可靜置後溶液變透明，廢液可依廢棄物規定回收。下圖為減毒過程的照片。

圖11：圖左為滴入硫代硫酸鈉溶液，圖中為加入碳酸鈉後的變化，圖右是靜置後結果

n  實驗結果與討論

一、BR振盪反應過程目視觀察

1.     BR振盪反應定性觀察：實驗發現當添加4M的雙氧水後， BR振盪剛開始是藍色，慢慢變為無色，隨後變回琥珀色，接著很快又變回藍色，周而復始；無色、黃色出現維持的時間較短，根據反應機構預測，其中涉及錳等相關自由基中間物的自動催化反應，可使碘酸根與雙氧水反應生成碘分子與氧氣，屬於快反應；藍色出現的維持時間較長，應該是碘分子與丙二酸發生的取代反應，產生碘離子與2-碘丙二酸反應，屬於慢反應。振盪顏色變化的目視記錄圖如下：

圖12：不同雙氧水濃度下BR振盪顏色變化的目視記錄圖

2.     振盪週期的變化觀察統計：反應接近終了，反應物濃度因消耗而降低，振盪速率變慢，每一次的振盪周期時間越拉拉長。

3.     BR振盪反應過程中，除顏色呈現藍色、無色；琥珀色反覆性週期性改變外，過程中產生了氧氣，因是自發性的氧化還原反應，反應過程中樣本瓶的溫度呈現上升趨勢，振盪反應結束時，溶液呈深褐色，瓶口為紫色，且有濃濃的碘酒味。

二、     以可程式光電比色法監控振盪反應的結果觀察

1.     實驗發現：光電二極體偵測的光強度轉化成電壓，振盪過程中呈現週期性變化，以ARDUINO電位計量測的電壓介於0.00V~2.00V之間。下圖為光電比色法監測BR振盪中，光電壓隨時間的變化圖。

圖13：電壓隨時間的變化圖

2.     BR振盪過程中以黃色燈泡作為光源，當溶液呈黃色時，黃光大部分穿透溶液，光電二極體轉換的光電流強，光電壓亦高，約當進入波峰位置；當溶液呈藍色時，黃光大部分被溶液吸收，光電二極體轉換的光電流強度弱，光電壓亦偏低，約當進入波谷位置；因此判定波峰為黃色，波谷區為藍色。振盪終了，振盪速率變慢，週期拉長，最終溶液呈不透光的混濁深綠褐色，因此光電壓下降。

3.     目視法、光電比色兩種方法測量振盪平均周期的變化（秒）比較表如下：

        兩種方法的振盪次數都是16次，大概10次的振盪週期長短相當一致，反應終了前的三次振盪隨著反應物耗損，濃度降低，反應速率變慢時間，振盪時間週期明顯拉長。

n  安全注意及廢棄物處理

1.        廢液的減毒處理：首先是Na₂S₂O₃將碘分子還原成為碘離子，溶液的顏色由深褐色轉為透明無色，過程中產生的氣泡是部分未反應完的H₂O₂受碘離子催化分解，產生O₂所致；滴入飽和的碳酸鈉溶液Na₂CO₃ ，可中和硫酸因而產生CO₂氣體的褐色的泡沫。靜置後溶液變透明，杯底發現難溶於水的棕色沉澱，預估是錳的氧化物。相關反應式及反應過程圖如下所示

—-式1       —-式2

—–式3

 —-式4

2.        實驗後的相關廢液，可依規定回收處理。

n  教師教學提示與建議

1.        微型攪拌子在傳統方型的比色管中不易平穩轉動，因此以相同體積4mL的圓柱型樣本瓶取代。比色管槽務必調整到適當位置，讓攪拌子平穩轉動攪拌。

2.        Arduino IDE的程式庫已經內建電壓感測器，本實驗的輸出電壓值不大於2.0V，可以不接電壓感測器直接測量即可。

3.        BR振盪反應顏色周期性的變化除了可以光電比色計監測電壓值的變化外，亦可以氧化還原電位計（oxidation-reduction potential，ORP）監測氧化還原反應過程中電位的變化。

n  參考文獻

廖旭茂（2022）。綠色創客-4：微型電磁攪拌器模組的設計、製作與應用。臺灣化學教育電子期刊，47。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=42118

賴新枝、葉世榮（2017）。科學探究與實作。易儀科技有限公司：新竹市。

Briggs–Rauscher reaction. (2022, Aug 15).Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Briggs%E2%80%93Rauscher_reaction

Farusi, G. (2009). Looking for antioxidant food.Science in School, 13, 39-43. https://www.scienceinschool.org/wp-content/uploads/2014/11/issue13_antioxidants.pdf