基于手机图片比色法测定有色溶液的浓度

基于手机图片比色法测定有色溶液的浓度高嘉家㊀丁伟摘㊀要：未知溶液浓度的测定是常见的化学项目㊂文中使用手机拍摄蓝色硫酸铜溶液的图片，所收集的数据表明吸光度与浓度呈线性关系㊂为得到可靠的数据，需保证在同一光源㊁相同背景下，将未知待测液㊁系列浓度标准溶液㊁空白对照液等拍摄于同一张图片内㊂这是一种简便的比色分析方法，可在高中化学实验室㊁室外㊁科研型实验室等多种环境中进行㊂关键词：图片比色；有色溶液；浓度测定；朗伯比尔定律高嘉家，华东师范大学教师教育学院，硕士研究生；丁伟，华东师范大学教师教育学院，副教授，本文通讯作者㊂㊀㊀一㊁引言测定某种溶液的浓度是化学中常见的项目㊂朗伯比尔定律也叫比尔定律，公式为Ａ＝ａｂｃ（Ａ为吸光度，ａ为摩尔吸光系数，ｂ为吸光层厚度即容器宽度，ｃ为溶液浓度），表明吸光度与浓度呈线性关系，通过分光光度法能帮助我们测定溶液中溶质的浓度㊂传统实验中，通常先配制系列浓度的标准有色溶液，测量系列浓度标准有色溶液的吸光度以拟合标准曲线，再由待测有色溶液测得的吸光度通过标准曲线方程计算得出浓度值㊂吸光度通常使用分光光度计或比色计等仪器测量，可以测定单一波长的吸光度，精确度高㊂但这些仪器比较昂贵，许多高中实验室没有此类设备㊂分光光度法由比色分析法演变而来，即通过比较溶液的颜色深浅来确定浓度大小㊂Ｌｉｅｂｈａｆｓｋｙ和Ｗｉｎｓｌｏｗ（１９５０）使用白炽灯泡㊁量筒等仪器搭建了一种易操作㊁低成本的比色分析装置，用于测定溶解在水中的铁离子和铜离子的浓度［１］㊂Ｐｒｉｎｇｌｅ（１９９５）等人使用学生活动常用的一种绉纸设计了实验，以介绍分光光度法的概念［２］㊂Ｍａｔｈｅｗｓ（２００４）等人使用台式扫描仪扫描孔板中溶液的图像测定淀粉－碘络合物的浓度［３］㊂Ｗｉｌｌｉａｍｓ（２００７）等人进行了ＲＧＢ值如何转换为波长的研究［４］，则可以通过图片的ＲＧＢ比色的方法获取有色溶液的标准曲线㊂许多高中生可以使用平板或手机等手持设备中的相机拍照，将图片ＲＧＢ值转化成吸光度值以拟合标准曲线，从而测定有色溶液的浓度㊂这种方法称为图片比色法㊂本研究先配制好硫酸铜系列浓度标准溶液，再使用手机给硫酸铜系列浓度标准溶液㊁空白对照液体㊁未知浓度溶液拍照，通过数据分析检验图片比色法测定结果的精确度㊂并研究比较正面和俯视面两种不同拍摄角度㊁使用塑料３３和玻璃两种不同材质试管盛装溶液时对图片比色结果是否产生影响，进一步检验图片比色法对浓度测定的普遍适用程度㊂㊀㊀二㊁实验过程（一）实验原理朗伯比尔定律公式Ａ＝ａｂｃ表示有色溶液的吸光度Ａ与浓度ｃ及吸收层厚度ｂ成正比，当ｂ固定时，Ａ与ｃ呈线性关系㊂与吸光度Ａ对应的是透光度Ｔ（Ａ＝⁃ｌｏｇＴ）㊂肉眼看到的溶液颜色是透过光的波长所呈现的颜色，而图片ＲＧＢ值可转换为波长［４］，因此可由图片的ＲＧＢ值经换算求得吸光度Ａ㊂以下换算公式可计算求得吸光度Ａ，其中Ｉｎ用样品的Ｒ或Ｇ或Ｂ值表示，Ｉ０则由空白对照对应的Ｒ或Ｇ或Ｂ值表示：Ａ＝－ｌｏｇＩｎＩ０㊀㊀用同种蒸馏水㊁去离子水或自来水将硫酸铜晶体溶解，配制硫酸铜系列浓度标准溶液㊂由于实验过程中使用溶剂水做空白对照，因此不同水源不影响结果㊂将系列浓度标准溶液㊁空白试剂水㊁未知浓度溶液等体积置于相同规格和材质的容器中，并排放置在白纸背景前，在自然光条件下使用手机拍摄获得图片㊂当白纸背景前并排排列１４个直径为１ｃｍ的容器时，保持相机镜头与待测样品正面之间的距离至少为５０ｃｍ，可以使得由于路径长度的微小差异引起的系统误差最小化，因此拍摄距离选择３０ｃｍ ３５ｃｍ为宜㊂通过电脑自带的画图软件可从图片中获得０ ２５５范围内的ＲＧＢ值㊂可选择单个像素点的ＲＧＢ值或者多个像素点的平均ＲＧＢ值㊂本研究对单个溶液选择五个不同的点进行分析，该溶液的ＲＧＢ值就是这五个点的平均ＲＧＢ值㊂图片获得的绝对ＲＧＢ值若存在误差，则该误差仅由软件程序包所用算法造成［５］㊂上述获取像素ＲＧＢ值的方法表征性能良好，且任何能够获得单个像素ＲＧＢ值或多个像素平均ＲＧＢ值的软件都能产生类似的结果㊂从同一实验图片获得系列浓度标准溶液㊁空白试剂水㊁未知浓度溶液的ＲＧＢ数据，通过公式换算得到吸光度值，拟合系列浓度标准溶液的吸光度Ａ与浓度ｃ的Ａ⁃ｃ标准曲线，根据得到的标准曲线方程，计算确定未知溶液的浓度㊂（二）实验药品和仪器（１）实验药品：五水硫酸铜晶体，蒸馏水㊂（２）实验仪器：塑料试管（１０ｍＬ，７支），玻璃试管（１５ｍｍˑ１５０ｍｍ，７支），烧杯（１００ｍＬ，１个；５０ｍＬ，５个），量筒（１０ｍＬ，２个），玻璃棒，胶头滴管，洗瓶，药匙，电子天平，手机（本实验中使用手机型号为小米５ｓ），电脑（画图㊁ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ软件），色度计传感器，塑料比色皿㊂（三）实验步骤①配制０ ０５㊁０ ０４㊁０ ０３㊁０ ０２㊁０ ０１ｇ／ｍＬ硫酸铜系列浓度标准溶液㊂使用电子天平称量７ ８ｇ五水硫酸铜晶体，加入蒸馏水至１００ｍＬ配制成０ ０５ｇ／ｍＬ的硫酸铜储备液，使用简单的量筒进行连续稀释，以获得其他系列浓度稀释溶液，待用㊂②准备一份未知浓度的硫酸铜溶液，按比例稀释至溶液颜色位于上述系列浓度标准溶液的颜色之间，作为待测溶液㊂③使用塑料试管盛装溶液时拍摄图片㊂将上述硫酸铜系列浓度标准溶液㊁空白试剂水㊁待测溶液等体积加入塑料试管中，并排放置在白纸背景的前面，在自然光条件下使用手机从正面（垂直于容器底部的面）正拍以及顶部（平行于容器底部的面）俯拍收集图片㊂④使用玻璃试管盛装溶液，重复操作③㊂⑤使用色度计传感器测定溶液吸光度㊂使用波长为６３５ｎｍ红光照射，以溶剂水校准，用色度计传感器按浓度由稀到浓依次测定硫酸铜系列浓度标准溶液的吸光度，最后测定待测溶液的吸光度㊂⑥图片ＲＧＢ数据处理㊂使用电脑自带画图软件的 取色器 工具从上述操作得到的图片获取０ ２５５范围内的ＲＧＢ值；对于单个溶液选取五个不同的点进行分析，该溶液的ＲＧＢ４３值就是这五个点的平均ＲＧＢ值；使用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ软件根据公式换算求得对应溶液的吸光度值㊂⑦绘制标准曲线㊂根据图片所得数据使用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ绘制拟合吸光度Ａ与浓度ｃ的Ａ⁃ｃ标准曲线，用于确定待测溶液的浓度；再由色度计传感器测得的数据绘制拟合Ａ⁃ｃ标准曲线，确定待测溶液的浓度，作为待测溶液浓度的真实值；比较通过图片比色法测得的结果和使用色度计传感器测得的结果㊂⑧确定原未知浓度溶液的浓度㊂由稀释后的待测溶液的浓度按稀释比例换算求得原未知浓度溶液的浓度㊂㊀㊀三㊁实验结果（一）使用手机和色度计传感器收集的数据结果比较图１所示是使用手机拍摄蓝色硫酸铜溶液的图片㊂Ａ表示溶液排列在白纸背景的前面（正拍），Ｂ表示溶液排列在白纸背景的上面（俯拍），图片中左侧五支试管溶液浓度从左往右依次降低，右二试管为空白试剂水，最右侧试管为待测溶液㊂图１㊀使用塑料试管盛装溶液时正拍和俯拍的图片图２所示是使用塑料试管盛装溶液，通过画图软件进行五点取样求均值的方式获得ＲＧＢ数据，通过图片的Ｇ值利用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘ⁃ｃｅｌ绘制拟合Ａ⁃ｃ标准曲线㊂Ａ图和Ｂ图分别表示由图１Ａ（正拍图）㊁图１Ｂ（俯拍图）所得的吸光度与浓度的关系曲线㊂图３所示是使用波长为６３５ｎｍ照射的色度计传感器测定蓝色硫酸铜溶液的吸光度，利用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ绘制拟合吸光度与浓度的关系图㊂图２㊀使用塑料试管盛装溶液时正拍和俯拍所得数据的拟合曲线图３㊀使用色度计传感器测定吸光度时的拟合曲线由于通过画图软件分析浓度大于０ ０１ｇ／ｍＬ的硫酸铜溶液时，ＲＧＢ值中的Ｒ值降至零，而采用Ｂ值时对应的吸光度出现小于零的现象，因此吸光度数据选择ＲＧＢ中的Ｇ值换算，绘制得到拟合直线（如图２）㊂正拍和俯拍测得的相关系数Ｒ２均大于０ ９９，正拍的Ｒ２值（０ ９９７５）比俯拍的Ｒ２值（０ ９９７１）略大㊂图３结果可看作是实验的理论值，所得直线的相关系数Ｒ２（０ ９９９１）与通过手机收集数据所得相关系数Ｒ２相近㊂通过计算，使用塑料容器从正面拍摄得到待测溶液浓度为０ ０２２ｇ／ｍＬ，由色５３度计传感器得到待测溶液浓度为０ ０２１１ｇ／ｍＬ，相对误差较小，为４ ３％，实验结果可接受㊂因此，该实验表明，使用手机收集图片ＲＧＢ值可以获得定量的吸光度数据并得到拟合直线，从而获得未知溶液的浓度，且正面拍摄图片比俯视拍摄图片时测定结果的精确度稍好㊂㊀㊀（二）使用玻璃试管盛装溶液时的比色结果如图４所示，将上述溶液等体积依次装入相同规格的玻璃试管中，用上述方法检测使用玻璃容器盛装溶液时所收集的数据是否可以拟合直线㊂实验结果表明，装在玻璃试管中的溶液所得图片数据也适合于比色分析，但需要在试管的图像中心区域取点，避免暗处以及玻璃表面的眩光㊂如果这些情况不能有效避免时，使用试管也可大致测得待测溶液的浓度㊂这适用于精确度要求不高的实验，同时表明即使使用不太理想的容器也可使用该方法㊂使用玻璃试管盛装溶液时所得拟合直线的Ｒ２值（０ ９９６５）大于０ ９９，略小于使用塑料试管时拟合直线的Ｒ２值，表明使用塑料试管能够获得更好的比色结果㊂图４㊀使用玻璃试管盛装溶液时正拍所得数据的拟合曲线图４所示是使用玻璃试管盛装溶液，通过画图软件进行五点取样求均值的方式获得ＲＧＢ数据，通过图片的Ｇ值利用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘ⁃ｃｅｌ绘制拟合Ａ⁃ｃ标准曲线㊂㊀㊀四㊁研究结论实验表明，能够使用普通的手持设备如手机，拍摄有色溶液的图片，通过取色器等工具获取有色溶液的ＲＧＢ定量比色数据，经过公式换算和线性拟合可得到标准曲线，再通过标准曲线方程计算得出待测溶液的浓度㊂实验结果精确度较高，解决了传统仪器价格昂贵的难题，适用于指导性的高中化学实验室活动㊂该活动可以使用学生感兴趣的各种有色物质，如速溶有色饮料或可溶性绉纸染料［２］㊂此外，无论使用哪一种品牌或性能的手机㊁使用塑料或玻璃材质的容器盛装溶液，所收集的图像数据都能进行定量的比色分析㊂而且该实验成本低，不存在安全问题，操作过程简单，几乎适合于中学任一阶段的学生㊂实验过程需要注意一些问题㊂首先，需从同一个图片中收集数据㊂因此该图片需包含所有溶液，包括系列浓度标准溶液㊁空白试剂水以及待测溶液㊂其次，保证背光一致，或者将所有溶液排列在同一背景颜色的前面㊂例如自然光下的白纸背景或显示白色的简易幻灯片㊂这提供了一种替代入射光照明的方法㊂后续可针对不同颜色的待测样品探究使用不同颜色背景的幻灯片或纸张，比较比色效果㊂例如探究比较甲基橙溶液在蓝色和白色背景下的实验结果㊂一般来讲，选择待测溶液颜色的补色作为背景颜色可以得到更加准确的定量结果㊂如果待测溶液的最大吸收波长已知，则使用该波长对应的ＲＧＢ值颜色作为背景，可得到更加精确的定量比色结果㊂最后，经过上述实验表明，图片比色分析法易操作㊁成本低，具有较高的精确度，可应用于研究型实验室和教学实验室等各种环境中㊂比如，Ｗａｎｇ（２０１１）等人使用手机电荷耦合装置来测定尿液中的卵巢癌生物标志物ＨＥ４［６］㊂另外，使用手机和数码相机进行定量比色分析的方法可用于环境化学和地球化学等领域㊂例如测定水溶液和废水中的化学需氧量㊁氯㊁砷㊁磷㊁硝酸盐等，这些物质都可以使用手机图片进行比色分析㊂图片比色分析法可用于普通化学㊁有机化学㊁水和环境化学等领域，也能够在教学实验室中实施，应用比较广泛，且简单易操作，是测定未知溶液浓度６３比较便捷有效的方法㊂参考文献：［１］Ｌｉｅｂｈａｆｓｋｙ，Ｈ．Ａ．＆Ｗｉｎｓｌｏｗ，Ｅ．Ｈ．（１９５０）．Ｐｈｏ⁃ｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｌｏｒｉｍｅｔｒｙ ｗｉｔｈＩｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅＥｑｕｉｐｍｅｎｔ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｄｕｃａｔｉｏｎ，２７，６１－６２．［２］Ｐｒｉｎｇｌｅ，Ｄ．Ｌ．，Ｃｈａｌｏｕｐｋａ，Ｋ．＆Ｖａｒａｎｋａ⁃Ｍａｒｔｉｎ，Ｍ．（１９９５）．ＣｒｅｐｅＰａｐｅｒＣｏｌｏｒｉｍｅｔｒｙ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｄｕｃａｔｉｏｎ，７２，７２２－７２３．［３］Ｍａｔｈｅｗｓ，Ｋ．Ｒ．，Ｌａｎｄｍａｒｋ，Ｊ．Ｄ．＆Ｓｔｉｃｋｌｅ，Ｄ．Ｆ．（２００４）．ＱｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅＡｓｓａｙｆｏｒＳｔａｒｃｈｂｙＣｏｌｏｒｉｍｅｔｒｙＵｓｉｎｇａＤｅｓｋｔｏｐＳｃａｎｎｅｒ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｄｕｃａ⁃ｔｉｏｎ，５（８１），７０２－７０４．［４］Ｗｉｌｌｉａｍｓ，Ｄ．Ｌ．，Ｆｌａｈｅｒｔｙ，Ｔ．Ｊ．＆ｅｔｃ．（２００７）．Ｂｅ⁃ｙｏｎｄλｍａｘ：ＴｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇＶｉｓｉｂｌｅＳｐｅｃｔｒａｉｎｔｏ２４⁃ＢｉｔＣｏｌｏｒＶａｌｕｅｓ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｄｕｃａｔｉｏｎ，１１（８４），１８７３－１８７７．［５］Ｗｕ，Ｗ．Ｃ．，Ａｌｌｅｂａｃｈ，Ｊ．Ｐ．＆Ａｎａｌｏｕｉ，Ｍ．（２０００）．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｍａｇｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，４（４４），２６７－２７９．［６］Ｗａｎｇ，Ｓ．Ｑ．，Ｚｈａｏ，Ｘ．Ｈ．＆ｅｔｃ．（２０１１）．Ｉｎｔｅｇｒａ⁃ｔｉｏｎｏｆｃｅｌｌｐｈｏｎｅｉｍａｇｉｎｇｗｉｔｈｍｉｃｒｏｃｈｉｐＥＬＩＳＡｔｏｄｅｔｅｃｔｏｖａｒｉａｎｃａｎｃｅｒＨＥ４ｂｉｏｍａｒｋｅｒｉｎｕｒｉｎｅａｔｔｈｅｐｏｉｎｔ⁃ｏｆ⁃ｃａｒｅ．ＬａｂｏｎａＣｈｉｐ，２０（１１），３４１１－３４１８．基于生本的蜡烛火焰温度实验探究王宝权摘㊀要：透过学生视角，从传统小实验的新发现到通过手持技术分别对蜡烛火焰各层温度进行了微探究，引导探究小组历经发现问题㊁提出问题㊁设计方案㊁进行实验㊁查阅资料㊁得出结论等探究过程，并对产生的结论进行了分析和反思㊂关键词：蜡烛；外焰；内焰；焰心；温度王宝权，江苏省苏州市吴江区同里中学，高级教师㊂本文为 基于生本教育的初中化学实验改进的策略研究 （课题号：苏教科第１６１２２４２３号）项目研究成果㊂㊀㊀蜡烛是生活中常用的一种物质，在小学科学和初中化学教材中常作为一种重要的物质用于探究㊂笔者在带领学生社团探究活动中，以蜡烛火焰作为探究对象进行了一番有益的微型探究㊂㊀㊀一㊁传统实验的新发现人教版（２０１２版）九年级化学教材关于蜡烛燃烧的探究实验原文部分叙述如下： 点燃蜡烛，仔细观察蜡烛燃烧时发生了哪些变化，火焰分成为几层？哪层最明亮？哪层最暗？取一根火柴梗，拿住一端迅速平放入火焰中，约１ｓ后取出，观察并比较火柴梗在火焰的不同部位被烧的情况，说明火焰哪部分温度最高，哪部分温度最低？［１］首先探究小组点燃一支蜡烛并仔细观察蜡烛燃烧的火焰分层情况㊂实际蜡烛燃烧产生的火焰情况与课本实物插图（见图１）基本一致，即火焰分成三层，内焰最明亮，焰心最暗，而外焰的亮度基本介于内焰和焰心之间㊂这种火焰７３。