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前言

分光光度計運用了光譜學的原理,在現代化 學實驗室中的運用較為廣泛.根據朗伯－比爾定 律,當同一波長的光通過同一物質的不同濃度的 有色溶液時會產生不同程度的吸收,通過計算溶 液的吸光度就能夠測定溶液的濃度.但是由于分 光光度計價格較為昂貴,很少在基礎教育階段中 使用,學生也很難接觸到分光光度計.近年來有 很多研究者運用光譜學的原理,應用了新技術來 測定離子的濃度替代分光光度計的作用,并進行 了很多相關實驗.有研究者通過色度計傳感器精 確地監測KMnO４與蔗糖的反應進程,初步證明非 還原 糖 (如 蔗 糖) 在 與 強 氧 化 劑 (如 KMnO４) 反應時表現出還原性,實現了實時、連續的監測. 也有研究者利用智能手機的拍照功能,用圖像處 理軟件獲取溶液的 RGB值,將有色溶液的濃度與 RGB值之間建立關聯來測定溶液的濃度,實驗操 作簡單,能夠快速采集多個待測溶液的 RGB 值, 適合作為學生實驗. 筆者使用泡沫板、LED 燈、移動電源等簡單 易得、價格低廉的材料制作簡易分光光度計,測 定不同濃度的 KMnO４ 溶液的吸光度,繪制標準 曲線,測定未知濃度 KMnO４ 溶液的濃度以分析 裝置的相對誤差,并提出此裝置在中學階段的應 用建議.

２ 實驗設計 

２．１ 實驗儀器與藥品 (１)實 驗 儀 器:LED 燈 (紅 色、綠 色)、移 動 電源、數據線、泡沫板、１０００Ω 電阻、導線、比色皿、 紙盒、數字多用表、１００mL 的容量瓶、量筒、燒杯、 玻璃棒、膠頭滴管、UV７６５紫外可見分光光度計. (２)實驗藥品:０．０１ mol/L 的 KMnO４ 溶 液、 ０??２mol/L的 H２C２O４ 溶液、蒸餾水.

２．２ 裝置設計 簡易分光光度計既把 LED 燈作為光源,又將 LED燈作為光檢測器,其裝置如圖１所示.因為 LED 燈在通過電流的時候,以特征波長發射光線 (實際上在特征值附近的窄波段內).如果 LED 燈 暴露于與特征波長相近或更短的光線中,LED 燈 的兩端也會產生電壓,且其兩端的電壓與光的強度 成正比.因此,可以通過測量作為檢測器的 LED 燈兩端的電壓大小,比較透過溶液的光的強度. 圖１ 簡易分光光度計裝置圖 本實驗的吸光度計算如下所示:透光率 T ＝ V１/V０,吸光度 A ＝lg(１/T),即 A ＝lg(V０/V１). V１ 為放置有色溶液時檢測端 LED 燈兩端的電壓, V０ 為放置蒸餾水時檢測端 LED燈兩端的電壓. 簡易分光光度計裝置的主體是由泡沫板搭建 的,泡沫板在生活中較常見,可以通過廢物再利 用來達到環保的目的.主體結構不僅可以使用泡 沫板,還可以利用其他材料作為裝置的主體,比 如硬紙板、木塊等.盛放溶液的容器,也可使用 體積適宜的普通透明容器替代,使用泡沫板能夠 根據盛放溶液的容器靈活調整放置容器的凹槽的 大小和形狀. 由于移動電源能夠提供較為穩定的直流電, 并且相對于普通電池更加綠色環保,所以本實驗 的電源部分是由移動電源改裝的.具體操作如下: 剝去移動電源配套的數據線外部的絕緣外殼,在 其中一根導線上串聯１０００Ω 的電阻 (見圖 ２), 形成該裝置的電源.

３ 實驗步驟

３．１ KMnO４ 溶液吸光度標準曲線的測定 (１)根據實驗裝置圖組裝好簡易分光光度計, 圖２ 串聯電阻的數據線 換上綠色的 LED 燈,將數字多用表的旋鈕旋到 ２００mV 的量程. (２)用容積為１００ mL 的容量瓶分別配置濃 度 為０??０００１mol/L、０??０００２mol/L、０??０００３mol/L、 ０??０００４mol/L、０??０００５mol/L的 KMnO４ 溶液. (３)在比色皿中加入蒸餾水和上述 KMnO４ 溶液,蓋上遮光盒,接通電源,讀取并記錄數字 多用表的示數.斷開電源,每次測量后洗凈并且 擦干比色皿. (４)用容積為１００ mL 的容量瓶分別配置濃 度為０??０００２mol/L、０??０００４mol/L、０??０００６mol/L、 ０??０００８mol/L、０??００１mol/L的 KMnO４ 溶液. (５)斷開電源,將綠色的 LED 燈取下,換上 紅色的 LED燈,在比色皿中分別加入蒸餾水和上 述KMnO４溶 液.在 比 色 皿 中 加 入 蒸 餾 水 和 上 述 KMnO４ 溶液,蓋上遮光盒,接通電源,讀取 并 記錄數字多用表的示數.

３．２ 未知濃度的 KMnO４ 溶液的測定 (１)將 LED燈換成紅色,在比色皿中放入未知 濃度的 KMnO４ 溶液,蓋上遮光盒,接通電源,讀取 并記錄數字多用表的示數.

(２)斷開電源,換上綠色 LED燈,蓋上遮光盒, 接通電源,讀取并記錄數字多用表的示數.

(３)使用 UV７６５ 紫外可見分光光度計,測定 ０??０００１ mol/L、０??０００２ mol/L、０??０００３ mol/L、 ０??０００４mol/L、０??０００５mol/L的 KMnO４ 溶液的 吸光度,繪制標準曲線,并且測定和記錄未知溶液 的吸光度.

４ 實驗結果

４．１ KMnO４ 溶液吸光度標準曲線 根據上述實驗測得,在紅光下放置蒸餾水,檢 測端LED燈兩端的電壓為６．３V;在綠光下放置蒸 餾水,檢測端LED燈兩端的電壓為１．３V.不同濃 度的 KMnO４ 溶液在紅光和綠光下的吸光度分別 見表１和表２.