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前言

分光光度計(jì)運(yùn)用了光譜學(xué)的原理,在現(xiàn)代化 學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的運(yùn)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(shí)會產(chǎn)生不同程度的吸收,通過計(jì)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(jì)價(jià)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(jì).近年來有 很多研究者運(yùn)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(jì)的作用,并進(jìn)行 了很多相關(guān)實(shí)驗(yàn).有研究者通過色度計(jì)傳感器精 確地監(jiān)測KMnO４與蔗糖的反應(yīng)進(jìn)程,初步證明非 還原 糖 (如 蔗 糖) 在 與 強(qiáng) 氧 化 劑 (如 KMnO４) 反應(yīng)時(shí)表現(xiàn)出還原性,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、連續(xù)的監(jiān)測. 也有研究者利用智能手機(jī)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(shí)驗(yàn)操 作簡單,能夠快速采集多個(gè)待測溶液的 RGB 值, 適合作為學(xué)生實(shí)驗(yàn). 筆者使用泡沫板、LED 燈、移動(dòng)電源等簡單 易得、價(jià)格低廉的材料制作簡易分光光度計(jì),測 定不同濃度的 KMnO４ 溶液的吸光度,繪制標(biāo)準(zhǔn) 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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 

２．１ 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品 (１)實(shí) 驗(yàn) 儀 器:LED 燈 (紅 色、綠 色)、移 動(dòng) 電源、數(shù)據(jù)線、泡沫板、１０００Ω 電阻、導(dǎo)線、比色皿、 紙盒、數(shù)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(jì). (２)實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì) 簡易分光光度計(jì)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?yàn)?LED 燈在通過電流的時(shí)候,以特征波長發(fā)射光線 (實(shí)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(qiáng)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(qiáng)度. 圖１ 簡易分光光度計(jì)裝置圖 本實(shí)驗(yàn)的吸光度計(jì)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(shí)檢測端 LED 燈兩端的電壓, V０ 為放置蒸餾水時(shí)檢測端 LED燈兩端的電壓. 簡易分光光度計(jì)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(dá)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(dòng)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(shí)驗(yàn) 的電源部分是由移動(dòng)電源改裝的.具體操作如下: 剝?nèi)ヒ苿?dòng)電源配套的數(shù)據(jù)線外部的絕緣外殼,在 其中一根導(dǎo)線上串聯(lián)１０００Ω 的電阻 (見圖 ２), 形成該裝置的電源.

３ 實(shí)驗(yàn)步驟

３．１ KMnO４ 溶液吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線的測定 (１)根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置圖組裝好簡易分光光度計(jì), 圖２ 串聯(lián)電阻的數(shù)據(jù)線 換上綠色的 LED 燈,將數(shù)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(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??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(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(jì),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(biāo)準(zhǔn)曲線,并且測定和記錄未知溶液 的吸光度.

４ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

４．１ KMnO４ 溶液吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線 根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)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.