化學教室活動：利用樂高製作簡易光電比色計（Making Simple Spectrophotometer using LEGO）〔III〕

化學教室活動：利用樂高製作簡易光電比色計（Making Simple Spectrophotometer using LEGO）〔III〕
國立豐原高級中學化學科蔡亞柏退休教師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

請按此連結，參閱「化學教室活動：利用樂高製作簡易光電比色計〔II〕」

利用簡易光電比色計測定未知濃度的溶液

A. 實驗原理

• 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，其光線的吸收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，如圖二十所示：
  
  

  圖二十 比爾–朗伯定律的吸收光束示意圖 （圖片來源：Beer–Lambert law, Wikipedia.）

• 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I₀：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，以圖二中的LEGO 9844 light sensor（樂高光感測器）之下方（紅色LED）作為比色計的入射光源I₀，並以此感測器的上方（光電晶體管）為透過光I₁的光強度之感測器。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，先利用綠色食用色素，透過等差級數的稀釋，配製成不同濃度的標準液。再分別置入自製光電比色計的比色槽中，讀取NXT上的反射光百分比（%，即透過度百分比）。然後藉由溶液的吸收度A（以A = log(純水反射光百分比/色素溶液反射光百分比)表示）與標準液的濃度成正比的關係，利用檢量線或檢量線方程式，計算待測溶液的未知濃度。

B. 藥品和器材

1. 綠色食用色素（成分：黃色四號57%及藍色一號43%）  少許
2. 玻棒  1個／組
3. 量筒（50 mL）  2個／組
4. 燒杯（250 mL）  2個／組
5. 燒杯（100 mL）  5個／組
6. 塑膠滴管（3 mL）  5支／組
7. 塑膠比色管（光徑1 cm）  2個／組
8. 蒸餾水 200 mL／組

圖二十一 實驗所需的藥品及器材

本實驗所需的藥品及器材如圖二十一所示。

C. 配製標準液與量測反射光百分比（透過度百分比）

1. 取食用色素綠色溶液，滴3滴於一個250 mL的燒杯中，再加蒸餾水至250 mL的刻度線，用玻棒攪拌均勻。配製成標準液，標示為「標準液S」，如圖二十二所示。〔註：此溶液實際濃度未知，僅在此當作標準液。〕
   

   圖二十二 配製成「標準液S」

2. 在另一個250 mL的燒杯中，裝入約250 mL的蒸餾水。以便進行下一步驟各種標準液體積的配製。
3. 依照表一（各種標準液的配製體積），利用「色素濃度S」溶液和蒸餾水，使用50 mL的量筒，分別以等差級數，配製編號1~5的五種標準液，配製後分別置入五個100 mL的燒杯中，並且混合均勻，如圖二十三所示。
   
   

   圖二十三 配製成「標準液S」的等差級數濃度

   

   表一 一個空白液和五種標準液之配製

4. 一支比色管取空白液，放入比色槽，量測並讀取NXT的反射光百分比（%，透過度百分比）。另外一支比色管依序地取約4 mL的各標準液，量測並讀取NXT的反射光百分比，紀錄數據於表二中（在下面的「觀察紀錄」中）。進行量測並讀取的詳細過程，如圖二十四所示。
   
   

   圖二十四-A 含空白溶液的比色管放入比色槽中

   

   圖二十四-B 含標準溶液的比色管放入比色槽中

   

   圖二十四-C 比色管放入比色槽後，蓋上槽蓋

請按此連結，參閱「化學教室活動：利用樂高製作簡易光電比色計〔IV〕」