化學教室活動：自製簡易光電比色計（Homemade Simple Spectrophotometer）〔I〕

化學教室活動：自製簡易光電比色計（Homemade Simple Spectrophotometer）〔I〕
國立豐原高級中學化學科蔡亞柏老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

學生講義之一（Student Handout I）

實驗介紹

本實驗的目的是藉由自製簡易的光電比色計，透過數個等差級數濃度的標準液，以及Excel軟體製作檢量線，來探討有色溶液濃度的測定。再者，藉由此機會，學習光電比色計所涉及的光電原理。

在高中化學課本裡，提及有色溶液的顏色越深，其濃度越濃。這僅僅是定性關係的描述。在此次的活動中，經由自製簡易的光電比色計及進行實驗，更深入地探討有色溶液的濃度與顏色深淺之定量關係。

A. 簡易光電比色計的硬體設計

自製簡易光電比色計的硬體設計之主要元件是含有2顆相同的5 mm藍光LED（發光二極體），其中1顆藍色LED作為比色計光源，另1顆藍色LED則為光強度感測器。整個硬體結構可分為三個部份，如圖一所示。第一部份：由定電流LED驅動電路和1顆藍色LED作為比色計光源所構成。第二部份：由樂高積木和樂高板（LEGO bricks and plate）所組成的比色槽。第三部份：由另1顆藍色LED與數位三用電錶所形成的光強度感測電路。

圖一 自製簡易的光電比色計之硬體結構簡圖

B.光電比色計的比色原理
光電比色計的比色原理是根據比爾–朗伯定律（Beer–Lambert law），比爾–朗伯定律：當一束平行的單色光通過均勻且無散射現象的溶液時，溶液吸收光度與溶液的濃度及液層厚度的乘積成正比。比爾定律不僅適用於有色溶液，也適用於無色溶液。比爾–朗伯定律運用於比色計的示意圖，如圖二所示：

圖二 比爾–朗伯定律的吸收光束示意圖

圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Beer–Lambert law

比爾–朗伯定律的方程式為A = α × l × c。
A：溶液的吸收度 = log(I₀/I₁)，其中I_I：入射光的強度，I₁：透過光的強度；l：吸收槽中液層厚度；c：待測樣品溶液的濃度；α：莫耳吸光係數，它為物質的特性常數。

換言之，在自製的光電比色計中，1顆藍色LED作為比色計的入射光源I_I，另1顆藍色LED則為透過光I_I的感測器之光強度。藉由上述比爾–朗伯定律原理，放置樣品於比色槽中，來探討有色溶液的濃度與顏色的深淺之定量關係。

在本實驗中，先利用食用色素紅色六號，透過等差級數的稀釋，配製成不同濃度的標準液。再分別置入自製的光電比色計之比色槽中，讀取數位三用電錶的電壓。然後藉由溶液的吸光度（以電壓表示）與標準液濃度成正比的關係，透過Excel軟體繪製吸光度與標準液濃度的檢量線與檢量線方程式，進而用以測定未知濃度的待測液。

藥品和器材

1. 小量杯（10 mL）  2個/組
2. 大量杯（150 mL)  2個/組
3. PE滴管  3~4 支/組
4. 塑膠比色管（光徑1 cm）  7個/組
5. 麵包板（定電流LED驅動電路配線用）  1片/組
6. LED（藍光）  2顆/組
7. 定電流LED驅動電路相關零件  1包/組
8. 食用色素紅色六號（水溶液）  1瓶/組
9. 蒸餾水  150 mL/組

10. 樂高積木（LEGO brick—1×2)2顆/組
11. 樂高積木（LEGO brick—2×2)2顆/組
12. 樂高積木（LEGO brick— 2×4)19顆/組
13.  樂高板（LEGO plate—6×8)1片/組
14.  數位三用電錶   1台/組

自製光電比色計

第一部份：組裝定電流LED驅動電路，如圖三所示。教師或學生也可以考慮以市售LED測試盒代替自己組裝，詳見〈教師手冊〉的說明。

圖三 定電流LED驅動電路圖

首先，根據上述的電路圖，利用相關零件在麵包板上製成發光源LED定電流電路。然後，以導線連接比色計的發光源—藍光LED。製作完成的LED定電流電路實體，如圖四所示：

圖四 製作好的定電流LED驅動電路實體

第二部份：由樂高積木和樂高板製作光電比色槽，組裝的步驟如下所述：

1. 利用4顆樂高積木（2×4）和1片樂高積木（6×8），組裝比色槽的第一層，如圖五所示。

圖五 組裝比色槽的第一層

2. 利用4顆樂高積木（2×4），組裝比色槽的第二層，如圖六所示。

圖六 組裝比色槽的第二層

3. 利用2顆樂高積木（1×2），組裝比色槽的第三層之中間處，如圖七所示。

圖七 組裝比色槽的第三層之中間處

4. 再利用2顆樂高積木（2×2）和2顆樂高積木（2×4），組裝比色槽的第三層的外圍處，如圖八所示。

圖八 組裝比色槽的第三層的外圍處

5. 利用4顆樂高積木（2×4），組裝比色槽的第四層，完成一個比色槽，如圖九所示。

圖九 完成一個比色槽

第三部份：光強度感測電路的組裝。由另1顆藍色LED與數位三用電錶所形成的光強度感測電路，如圖十所示。

圖十 光強度感測電路

實驗步驟

A. 標準液配製和檢量線繪製

1. 以一支塑膠滴管精準地吸取1.0 mL的食用色素紅色六號水溶液，置於一個10 mL的小塑膠量杯中，再加蒸餾水至總體積為10.0 mL，混合均勻。然後用另一支PE滴  管取1.0 mL的上述稀釋溶液，置入一個大量杯中，加蒸餾水至總體積為100.0 mL，混合均勻。如此完成食用色素原來溶液的濃度稀釋1000倍，配製成本實驗的標準液，標示為S_1/1000，如圖十一所示。〔註：此溶液實際濃度未知，僅在此當作標準液。〕

圖十一 食用色素紅色六號水溶液（左）和稀釋1000倍（右）

2. 依照表一（各種標準液的配製體積），利用稀釋的色素濃度S_1/1000溶液，分別以等差級數配製編號0~5的一個空白液和五種標準液。〔註：實際濃度未知，僅在此當作標準液。〕

表一  一個空白液和五種標準液之配製

3. 依序各取約4 mL的空白液和標準液置入比色管中，並予以分別編號0~5，供下一步驟使用。

4. 持上述編號0~5的比色管，依序地置入比色槽內，進行電壓的量測，並紀錄數據於表二中（在下面的「觀察紀錄」中）。

請按此連結，參閱「學生講義之二」