使用LED燈自制簡易分光光度計

鄭雅君 丁 偉

華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院(200062)

1 前言

分光光度計運用了光譜學(xué)的原理，在現(xiàn)代化學(xué)實驗室中的運用較為廣泛。根據(jù)朗伯-比爾定律，當(dāng)同一波長的光通過同一物質(zhì)的不同濃度的有色溶液時會產(chǎn)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(chǔ)教育階段中使用，學(xué)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(xué)的原理，應(yīng)用了新技術(shù)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(guān)實驗。有研究者通過色度計傳感器精確地監(jiān)測KMnO4與蔗糖的反應(yīng)進程，初步證明非還原糖(如蔗糖)在與強氧化劑(如KMnO4)反應(yīng)時表現(xiàn)出還原性，實現(xiàn)了實時、連續(xù)的監(jiān)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(guān)聯(lián)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(xué)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(biāo)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(xué)階段的應(yīng)用建議。

2 實驗設(shè)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(shù)據(jù)線、泡沫板、1 000 Ω電阻、導(dǎo)線、比色皿、紙盒、數(shù)字多用表、100 mL的容量瓶、量筒、燒杯、玻璃棒、膠頭滴管、UV 765紫外可見分光光度計。

(2)實驗藥品：0.01 mol/L的KMnO4溶液、0.2 mol/L的H2C2O4溶液、蒸餾水。

2.2 裝置設(shè)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(fā)射光線(實際上在特征值附近的窄波段內(nèi))。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(chǎn)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(huán)保的目的。主體結(jié)構(gòu)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(jù)盛放溶液的容器靈活調(diào)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(wěn)定的直流電，并且相對于普通電池更加綠色環(huán)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?nèi)ヒ苿与娫磁涮椎臄?shù)據(jù)線外部的絕緣外殼，在其中一根導(dǎo)線上串聯(lián)1 000 Ω的電阻(見圖2)，形成該裝置的電源。

圖2 串聯(lián)電阻的數(shù)據(jù)線

3 實驗步驟

3.1 KMnO4溶液吸光度標(biāo)準曲線的測定

(1)根據(jù)實驗裝置圖組裝好簡易分光光度計，換上綠色的LED燈，將數(shù)字多用表的旋鈕旋到200 mV的量程。

(2)用容積為100 mL的容量瓶分別配置濃度為0.000 1 mol/L、0.000 2 mol/L、0.000 3 mol/L、0.000 4 mol/L、0.000 5 mol/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(shù)字多用表的示數(shù)。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0.000 2 mol/L、0.000 4 mol/L、0.000 6 mol/L、0.000 8 mol/L、0.001 mol/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(shù)字多用表的示數(shù)。

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(shù)字多用表的示數(shù)。

(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(shù)字多用表的示數(shù)。

(3)使用UV765紫外可見分光光度計，測定0.000 1 mol/L、0.000 2 mol/L、0.000 3 mol/L、0.000 4 mol/L、0.000 5 mol/L的KMnO4溶液的吸光度，繪制標(biāo)準曲線，并且測定和記錄未知溶液的吸光度。

4 實驗結(jié)果

4.1 KMnO4溶液吸光度標(biāo)準曲線

根據(jù)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6.3 V；在綠光下放置蒸餾水，檢測端LED燈兩端的電壓為1.3 V。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。

表1 紅光下不同濃度的KMnO4溶液的吸光

表2 綠光下不同濃度的KMnO4溶液的吸光

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可繪制KMnO4溶液的吸光度標(biāo)準曲線，如圖3、圖4所示。由圖3和圖4可知，兩直線擬合度較高，且在不同顏色的LED燈光下，相同溶液的吸光度標(biāo)準曲線不同。同時，曲線也顯示了此裝置的缺陷，即裝置的量程有限，只能測量一定濃度范圍內(nèi)的吸光度，超過該濃度范圍就難以測量，所以在對未知溶液進行測量的時候是具有局限性的。在對綠光下K2Cr2O7溶液和FeCl3溶液吸光度進行測量時，同樣發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濃度超過一定范圍，溶液顏色過深時，該裝置很難檢測出吸光度的變化。

4.2 未知濃度KMnO4溶液的測定及裝置誤差分析

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可知，紅色LED燈的簡易分光光度計的相對誤差僅為1.78%，而綠色LED燈的簡易分光光度計相對誤差達到了29.82%。由此可見，在一定濃度范圍內(nèi)，使用配有紅色LED燈的簡易分光光度計能夠相對精確地測定溶液的濃度，但是配有綠色LED燈的簡易分光光度計只能對溶液濃度進行粗略的估量。

圖3 紅光下KMnO4溶液的吸光度標(biāo)準曲線

圖4 綠光下KMnO4溶液的吸光度標(biāo)準曲線

裝置分光光度計簡易分光光度計(紅燈)簡易分光光度計(綠燈)電壓值/mv/5.50.2吸光度值0.7290.058 980.812 9吸光度—濃度曲線y=2 111x-0.074 7y=151.77x+0.001 2y=1 699x-0.027 4KMnO4濃度/(mol·L-1)0.000 381 00.000 387 80.000 494 6

5 應(yīng)用建議

該裝置成本低廉，綠色環(huán)保，搭建過程十分簡單，學(xué)生在家即可完成，非常適合學(xué)生實驗。對于沒有接觸過分光光度計的學(xué)生來說，是一次很好的認識分光光度計的機會，能在一定程度上激發(fā)學(xué)生的科學(xué)興趣，培養(yǎng)他們的動手能力。而且該裝置精確度較高，配備紅色LED燈的裝置相對誤差僅為1.78%，在量程范圍內(nèi)可以較為精確地測定溶液的濃度。綜上所述，提出以下幾點應(yīng)用建議。

(1)測定未知有色溶液的濃度。首先測定一定濃度梯度下該溶液的吸光度值，繪制標(biāo)準曲線，然后測定該未知濃度溶液的吸光度值，計算溶液濃度。比如，可以設(shè)計利用顯色劑測定水中微量金屬離子的實驗。

(2)繪制反應(yīng)速率曲線，反映速率變化情況。該裝置適用于反應(yīng)時間較長，有顏色深淺變化的反應(yīng)的速率測定。

(3)滴定終點的確定。當(dāng)?shù)味ńK點的現(xiàn)象是由無色變?yōu)橛猩驈挠猩優(yōu)闊o色時，可以通過檢測溶液的吸光度來說明溶液是否有顏色變化，進而確認是否到達滴定終點。

在使用該裝置時應(yīng)該注意以下事項：①在實驗過程中要注意遮光，防止外界光線對實驗的干擾；②不同溶液在不同顏色的LED燈光下可測的濃度范圍不同，所以在進行標(biāo)準曲線的繪制前，要首先確定大致的可測量濃度范圍；③要注意光本身的特性，當(dāng)溶液的顏色和LED燈光的顏色相同時，光會全部透過導(dǎo)致難以測量，當(dāng)溶液的顏色和LED燈光的顏色剛好是互補色時，光又會被全部吸收導(dǎo)致難以測量，比如在紅光下難以測量K2Cr2O7溶液和FeCl3溶液的吸光度。