智能手機(jī)用于氯化銅溶液顏色變化的實驗探究

盧運 許燕紅 覃稔

摘要： 用智能手機(jī)設(shè)計的簡易色度儀對氯化銅溶液在不同濃度、不同溫度以及存在其他無色離子的情況下的顏色進(jìn)行探究，將顏色反映在圖像的RGB值上。結(jié)果顯示，拍攝得到的氯化銅溶液顏色圖像的RGB值與氯化銅溶液的濃度和溫度成線性關(guān)系;氯化銅稀溶液呈藍(lán)色，氯化銅濃溶液呈綠色，濃度1.2mol/L為氯化銅溶液顏色由藍(lán)色系變成綠色系的理論變色濃度;氯化銅稀溶液溫度升高時，顏色將由藍(lán)色變成綠色;加入Cl-離子，溶液綠色加深，加入Na+、 NO ?-3、 NH ?+4等無關(guān)離子溶液顏色不變。

關(guān)鍵詞： 氯化銅; 溶液顏色; 圖像RGB值; 智能手機(jī); 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2019）8-0080-05 ? ? ? ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 ?問題的提出

在浙教版初中化學(xué)教材“探究酸的性質(zhì)”[1]中介紹了“探究稀鹽酸和稀硫酸與金屬氧化物（氧化銅）的反應(yīng)”的實驗。該實驗在實際教學(xué)中進(jìn)行分組實驗后，要求學(xué)生填寫觀察到的實驗現(xiàn)象與結(jié)論。探究稀硫酸與氧化銅反應(yīng)時，所有學(xué)生得到的實驗現(xiàn)象幾乎都是“黑色粉末逐漸消失溶液由無色變成藍(lán)色”;但是探究稀鹽酸與氧化銅反應(yīng)時，部分學(xué)生得到的實驗現(xiàn)象為“黑色粉末逐漸消失，溶液由無色變成藍(lán)色”，而部分學(xué)生得到的實驗現(xiàn)象卻是“黑色粉末逐漸消失，溶液由無色變成綠色”。對同一實驗同樣的實驗步驟，出現(xiàn)兩種不同的實驗結(jié)論，其背后的影響因素及其變色規(guī)律有待通過實驗進(jìn)行探究。

對于氯化銅溶液顏色的探究，傳統(tǒng)的實驗方法通常是配制一定的不同濃度的氯化銅溶液，在相同溫度下觀察其顏色，并在此基礎(chǔ)上找出其變色規(guī)律;在探究溫度對氯化銅溶液顏色的影響時，通常是配制相同濃度的氯化銅溶液，在不同溫度下觀察其顏色。這種實驗方法由于實驗器材和條件的限制，加上肉眼對顏色的視覺判斷存在較大誤差，未能從定量的角度研究問題，得到的實驗結(jié)果往往缺乏可信度，因此，尋找一種更為科學(xué)可靠的實驗方式，是得出可信度更高的實驗結(jié)論的關(guān)鍵。

隨著視覺技術(shù)[2， 3]的發(fā)展，利用某些智能手機(jī)顏色識別軟件（如Color讀色取色、RGB Colors、 Color Grab等）可以快速采集透明有色溶液的色度信息（RGB值）。我們從這些智能手機(jī)顏色識別軟件中選用RGB模型作為顏色處理模型。RGB模型是一種常見的顏色處理模型[4]，通過對紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）3個顏色通道的變化以及它們之間的疊加來得到各種顏色。通過智能手機(jī)的拍照功能采集圖像，并通過智能手機(jī)顏色識別軟件，將顏色深淺轉(zhuǎn)化為RGB分量值，從而建立RGB值與有色離子濃度的關(guān)系。其實質(zhì)由朗伯比爾定律[5]（A=κbc）可知，當(dāng)保持溶液的厚度b不變、入射光的波長不變，吸光度A與濃度c成正比。而有色溶液顏色的深淺取決于溶液吸收光的量的多少，即取決于有色溶液中某些有色離子濃度的高低，智能手機(jī)顏色識別軟件在朗伯比爾定律的基礎(chǔ)上，將圖像進(jìn)行數(shù)字化處理，并將其輸出為對應(yīng)顏色的RGB分量值。與以往傳統(tǒng)的紫外分光光度計法測定溶液濃度不同，智能手機(jī)采集有色溶液的RGB值用以分析有色離子的濃度關(guān)系，更快速、更便捷、更易于在中學(xué)課堂上做直觀的演示[6]。因此，利用日常生活中常見的智能手機(jī)及軟件探究不同情況下氯化銅溶液顏色的變化，以智能手機(jī)及軟件代替肉眼，尋找其變色規(guī)律，可以更快速有效規(guī)避肉眼對顏色的視覺判斷誤差，定量分析與解釋實際中存在的問題，使得實驗結(jié)果更具說服力。

2 ?實驗設(shè)計

2.1 ?實驗原理

CuCl2溶液中存在[CuCl4]2-和[Cu（H2O）4]2+兩種配離子，其中[Cu（H2O）4]2+呈藍(lán)色，[CuCl4]2-呈黃色，根據(jù)光學(xué)原理，一定濃度的CuCl2溶液中[Cu（H2O）4]2+和[CuCl4]2-共存時，溶液就會呈現(xiàn)綠色[7]。當(dāng)CuCl2溶液的濃度、溫度發(fā)生改變或存在某些無色離子時，溶液中的[Cu（H2O）4]2+和[CuCl4]2-的配比就會發(fā)生相應(yīng)的改變，在宏觀上顯示為溶液顏色的變化。利用智能手機(jī)拍攝不同情況下（不同濃度、不同溫度、存在其他無色離子）的CuCl2溶液圖像，再采集像素點讀取圖像的RGB值。得到的B值反映CuCl2溶液中[Cu（H2O）4]2+的濃度與溶液藍(lán)色的關(guān)系，G值反映CuCl2溶液中[Cu（H2O）4]2+和[CuCl4]2-疊加后的濃度與溶液綠色的關(guān)系。

2.2 ?實驗儀器和試劑

實驗儀器： 25mL容量瓶、電子天平（TJ-15K）、數(shù)顯恒溫水浴鍋（HH-1）、玻璃比色皿、藥匙、燒杯、玻璃棒、溫度計、膠頭滴管、智能手機(jī)

實驗試劑： 二水合氯化銅（AR）、氯化鈉（AR）、硝酸鈉（CP）、硝酸銨（CP）、氯化銨（AR）、蒸餾水

2.3 ?實驗步驟

2.3.1 ?探究相同溫度不同濃度的氯化銅溶液的顏色及其RGB值

（1） 系列濃度的氯化銅溶液的配制

用電子天平稱出一定質(zhì)量的CuCl2·2H2O固體置于小燒杯，往小燒杯中加入一定量的蒸餾水溶解。將溶解好的CuCl2溶液轉(zhuǎn)移至25mL的容量瓶中，定容，得到系列濃度的CuCl2溶液，如表1所示。

（2） 用智能手機(jī)拍攝氯化銅溶液的圖像信息

取上述配制好的系列濃度的CuCl2溶液分別置于編號為1、 2、 3、 4……的比色皿中。將比色皿擺放在同一試管架上，置于白板做的背景前，在自然光的條件下用智能手機(jī)拍攝溶液的照片。要求智能手機(jī)的攝像頭與桌面垂直，并且攝像頭與比色皿之間的距離為20cm，比色皿與白板之間的距離為5cm，見圖1。

（3） 記錄溶液顏色和采集圖像的RGB值

打開智能手機(jī)中Color讀色取色軟件，分別打開拍攝得到的CuCl2溶液圖像。選取處于比色皿中間段同一水平面上的圖像進(jìn)行裁剪，得到寬度為1.5cm的圖像。在截取得到的圖像中依次隨機(jī)取3個點，分別讀取每個取樣點的R、 G、 B值，并取其平均值，其中R值始終為零，所以數(shù)據(jù)和表中不會提及。

2.3.2 ?探究相同濃度不同溫度的氯化銅溶液的顏色及其RGB值

（1） 系列溫度的氯化銅溶液的配制

取濃度分別為0.6mol/L、 1.0mol/L、 2.2mol/L的CuCl2溶液于不同燒杯中。在杯口覆以保鮮膜，將其放在數(shù)顯恒溫水浴鍋中進(jìn)行加熱，待溶液溫度升高至相應(yīng)溫度后（20℃、 25℃、 ……80℃），快速將CuCl2溶液轉(zhuǎn)移至標(biāo)有編號的比色皿中。

（2） 用智能手機(jī)拍攝氯化銅溶液的圖像信息（具體要求同探究不同濃度時的步驟）。

（3） 記錄溶液顏色和采集圖像的RGB值（具體要求同探究不同濃度時的步驟）。

2.3.3 ?探究其他無色離子存在時氯化銅溶液的顏色及其RGB值

（1） 配制若干相同濃度的氯化銅溶液

用天平依次稱出質(zhì)量為2.57g、 4.28g、 9.41g CuCl2·2H2O固體各5份，置于小燒杯，編號為1、 2、 3、 4、 5，第1組為空白試驗組，后面的組依次加入1.5g NaCl、 2.1g NaNO3、 2.0g NH4NO3、 1.3g NH4Cl。加入蒸餾水溶解，轉(zhuǎn)移至25mL容量瓶中定容，配制成一定濃度的氯化銅和其他物質(zhì)的混合溶液，其中CuCl2溶液的濃度分別為0.6mol/L、 1.0mol/L和2.2mol/L，其他物質(zhì)的濃度為0.1mol/L。

（2） 用智能手機(jī)拍攝混合溶液的圖像信息（具體要求同探究不同濃度時的步驟）。

（3） 記錄溶液顏色和采集圖像的RGB值（具體要求同探究不同濃度時的步驟）。

3 ?數(shù)據(jù)處理與誤差分析

3.1 ?相同溫度不同濃度下氯化銅溶液的顏色及其RGB值

用肉眼對拍攝得到的圖像進(jìn)行顏色描述，并將智能手機(jī)拍攝得到的系列濃度的CuCl2溶液圖像可按實驗步驟所述要求截取。

用Color讀色取色軟件依次隨機(jī)讀取各個圖像的3個點，分別讀出每個取樣點的G值和B值，取其平均值。

以系列CuCl2溶液的濃度為橫坐標(biāo)，分別以溶液圖像顏色的G值、B值為縱坐標(biāo)，在同一直角坐標(biāo)系中做出溶液顏色RGB值與溶液濃度的關(guān)系圖，見圖2。

CuCl2溶液的顏色與CuCl2溶液的濃度有一定的關(guān)系，濃度較低時，CuCl2溶液呈現(xiàn)出藍(lán)色，濃度較高時，CuCl2溶液呈現(xiàn)出綠色，且隨著濃度的升高，最終逐漸變成墨綠色。15℃時，CuCl2溶液顏色由藍(lán)色漸變到綠色的變色濃度范圍為： 1.0～2.0mol/L， CuCl2溶液顏色由綠色漸變到墨綠色的變色濃度范圍為： 2.2～3.5mol/L。由圖2可知，隨著CuCl2溶液濃度增大，圖像的G值、B值逐漸減小。添加趨勢線，得到系列CuCl2溶液圖像的G值、B值與溶液濃度之間的標(biāo)準(zhǔn)方程分別為y=-14.054x+132.97和y=-37.899x+160.37，經(jīng)過計算，當(dāng)濃度約為1.2mol/L時，兩者相交，即當(dāng)CuCl2溶液濃度小于1.2mol/L時，CuCl2溶液圖像的B值大于G值，此時溶液顏色以藍(lán)色系（淺藍(lán)、藍(lán)、藍(lán)綠偏藍(lán)等色系）為主;反之，CuCl2溶液圖像的G值大于B值，此時溶液顏色以綠色系（綠、翠綠、墨綠等色系）為主，且隨著G值和B值減小，CuCl2溶液顏色由藍(lán)色漸變到綠色，最終變成墨綠色。因此，可以1.2mol/L的CuCl2溶液理論濃度作為CuCl2溶液由藍(lán)色系變成綠色系的變色點，從而規(guī)避肉眼對顏色的視覺的判斷誤差，從定性分析的角度轉(zhuǎn)向定量計算的角度認(rèn)識氯化銅溶液顏色的變化。

3.2 ?不同溫度下氯化銅顏色溶液顏色及其RGB值

用肉眼對拍攝得到的圖像進(jìn)行顏色描述，并將智能手機(jī)拍攝得到的不同溫度下相同濃度的CuCl2溶液圖像可按實驗步驟所述要求截取。

以溫度為橫坐標(biāo)，分別以相同濃度的CuCl2溶液圖像顏色的G值、B值為縱坐標(biāo)，在同一直角坐標(biāo)系中作出相同濃度CuCl2溶液顏色的RGB值與溶液溫度的關(guān)系圖，見圖3。

濃度為1.0mol/L的CuCl2溶液當(dāng)溫度升高時，其顏色逐漸由藍(lán)色變成綠色，且溫度越高，顏色越深。讀取不同溫度下濃度為1.0mol/L的CuCl2溶液的G值和B值，比較發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度高于35℃時，溶液的G值大于B值，所以可以大體將35℃作為1.0mol/L的CuCl2溶液的變色溫度。由圖3可以看到，濃度為2.2mol/L的綠色CuCl2溶液圖像的G值、B值與溶液的溫度成一定線性關(guān)系，溫度升高的過程中，G值始終大于B值且兩個值均逐漸減少，故高濃度的CuCl2溶液的顏色隨著溫度的升高逐漸由綠色加深至墨綠色。

3.3 ?其他無色離子存在時氯化銅溶液的顏色及其RGB值

用肉眼對拍攝得到的圖像進(jìn)行顏色描述，并將智能手機(jī)拍攝得到的相同溫度相同濃度存在其他無色離子時的CuCl2溶液圖像可按實驗步驟所述要求截取。

以加入的物質(zhì)為橫坐標(biāo)，分別以對應(yīng)情況下CuCl2溶液圖像顏色的G、 B值為縱坐標(biāo)，在同一直角坐標(biāo)系中，見圖4。

用肉眼判斷，加入NaCl和NH4Cl的兩組1.0mol/L的CuCl2溶液顏色發(fā)生明顯改變，加入NaNO3和NH4NO3的兩組1.0mol/L的CuCl2溶液顏色未發(fā)生明顯改變。由圖4利用G值和B值分析加入不同物質(zhì)的2.2mol/L的CuCl2溶液顏色的變化，對比空白試驗組，加入NaCl和NH4Cl的兩組CuCl2溶液圖像的G值和B值均有所降低，其顏色比空白試驗組的有所加深，而加入NaNO3和NH4NO3的兩組CuCl2溶液圖像的G值和B值幾乎一樣，說明Cl-影響比較大，Na+、NO ?-3、 NH ?+4幾乎沒有影響。

4 ?結(jié)果討論與總結(jié)展望

4.1 ?結(jié)果討論

（1） 氯化銅溶液顏色的微觀分析

根據(jù)光學(xué)原理，一定濃度的[Cu（H2O）4]2+和[CuCl4]2-并存時溶液顯綠色。根據(jù)勒夏特列原理，當(dāng)CuCl2溶液的濃度逐漸升高時，溶液中的Cl-逐漸增多，平衡向右移動，呈黃色的[CuCl4]2-增多，此時溶液顏色逐漸呈現(xiàn)綠色或者墨綠色。反之，加水稀釋時，平衡向左移動，呈藍(lán)色的[Cu（H2O）4]2+逐漸增加，溶液由綠色變?yōu)樗{(lán)色。上述的平衡正反應(yīng)方向為吸熱的過程，當(dāng)溫度升高時，平衡向吸熱方向移動。此時，溶液中[Cu（H2O）4]2+逐漸減少，[CuCl4]2-逐漸增多，低濃度的溶液由藍(lán)色變?yōu)榫G色，高濃度的溶液綠色加深。加入Cl-后，平衡向右移動，溶液中的[CuCl4]2-增多，溶液顏色逐漸呈現(xiàn)綠色或者墨綠色，加入無關(guān)離子平衡不移動。

（2） 結(jié)論

實驗探究表明，CuCl2溶液顏色與其濃度有關(guān)，用本實驗中提出的“智能手機(jī)-圖像RGB值”測得室溫下CuCl2溶液約為1.2mol/L的理論濃度是其變色點，濃度高于1.2mol/L時，溶液以綠色系為主，反之以藍(lán)色系為主;當(dāng)溫度升高時，CuCl2稀溶液將由藍(lán)色變成綠色且溫度越高綠色越深;加入Cl-離子，溶液綠色加深，加入Na+、 NO ?-3、 NH ?+4等無關(guān)離子溶液顏色不變。

4.2 ?總結(jié)與展望

本實驗使用智能手機(jī)設(shè)計的簡易色度儀探究不同情況下CuCl2溶液的顏色，驗證了浙教版初中探究實驗教學(xué)中的疑問，利用溶液顏色與RGB值之間的關(guān)系進(jìn)行定性定量分析，有效地規(guī)避了肉眼對顏色的視覺判斷誤差。實驗裝置簡單、微型，只需保證實驗在相同的外界條件下進(jìn)行即可保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，因而可以將其應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)課堂的實驗教學(xué)中，亦可作為高中學(xué)生的課外實驗探究，從定量角度分析化學(xué)平衡，有利于深入理解化學(xué)平衡移動原理。將學(xué)生身邊常見的智能手機(jī)引入到化學(xué)定性定量實驗中，通過RGB值反映顏色的深淺信息，將肉眼難以察覺的微妙變化反映在數(shù)值上。學(xué)生不僅可以感受到科技的魅力，還可以獲得更加精確的信息，讓學(xué)生在不斷探索中增強(qiáng)對化學(xué)知識的熱愛，提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

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