顏色檢測技術(shù)在活化能實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

熊　輝　馮文杰　莫婉玲　周錦蘭　梅付名　王洪偉　李　濤

（華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，湖北武漢430074）

摘　要：研制一種基于顏色傳感器的集成光電檢測系統(tǒng)。以可編程顏色傳感器TCS230為核心，結(jié)合單片機(jī)測量和控制技術(shù)，替代人眼自動(dòng)識(shí)別并判定終點(diǎn)，測定在不同溫度下碘化鉀與過氧化氫反應(yīng)的反應(yīng)速度常數(shù)，提出以顏色傳感器的輸出頻率變化作為監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)行的新思路。在反應(yīng)過程中無色和藍(lán)色的頻率差為80Hz時(shí)，線性相關(guān)度可達(dá)到0.998，計(jì)算得到碘化鉀與過氧化氫反應(yīng)活化能為56.27kJ/mol。實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿意，并成功應(yīng)用于本科物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；為物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域引入一種高效的光電檢測方法，為開發(fā)新的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了一種新思路和有效的手段。

關(guān)鍵詞：顏色傳感器　反應(yīng)速度常數(shù)　活化能　物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)

反應(yīng)速度常數(shù)及活化能的測定是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中非常重要的一個(gè)本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖且髮W(xué)生通過在不同溫度下測定碘化鉀與過氧化氫反應(yīng)的反應(yīng)速度常數(shù)，并計(jì)算反應(yīng)的活化能。測定的方法是：在KI的酸性溶液中，加入一定量的淀粉溶液和已知濃度的Na₂S₂O₃溶液，然后一次加入一定量的H2O₂溶液，溶液中進(jìn)行以下反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵在于保證碘離子濃度不變的前提下記錄到溶液變色的時(shí)刻。而溶液變色的過程是由無色逐漸加深變藍(lán)，學(xué)生對(duì)顏色的判斷不敏感，導(dǎo)致每組學(xué)生對(duì)溶液變色的時(shí)刻把握不同而產(chǎn)生人為實(shí)驗(yàn)誤差，使每次加入硫代硫酸鈉的時(shí)間與反應(yīng)進(jìn)程不匹配，影響后續(xù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致很大的實(shí)驗(yàn)誤差。通過引入光電傳感器，用儀器來代替人眼的判斷，在溶液顏色變化時(shí)給學(xué)生以提示，由于對(duì)顏色變化的靈敏度提高，實(shí)驗(yàn)精度也會(huì)有所提高。

對(duì)顏色變化的測量，實(shí)驗(yàn)室常用的是比色計(jì)或分光光度計(jì)，但存在體積大、價(jià)格貴，不能進(jìn)行連續(xù)檢測，零點(diǎn)漂移大等問題，不適用于反應(yīng)過程中在線檢測。本文旨在研制一種適用于實(shí)時(shí)反應(yīng)溶液顏色檢測的微型裝置，并與反應(yīng)速度常數(shù)及活化能測定實(shí)驗(yàn)裝置集成在一起，具有空間小、重量輕、可高度集成化、檢測速度快等優(yōu)點(diǎn)。通過試驗(yàn)篩選并整合優(yōu)化，使裝置具有通用性和可擴(kuò)展性。同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)的精度，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)裝置的靈敏度。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制，將給化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域帶來一種高效的光電檢測方法，并為開發(fā)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了一種新的思路和有效的手段，既有利于提高資源有效利用率和保護(hù)環(huán)境，又可提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，具有廣泛的應(yīng)用前景和潛在的經(jīng)濟(jì)效益。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

實(shí)驗(yàn)儀器及試劑見表1。

表1　實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

1.2　實(shí)驗(yàn)步驟

用移液管取10mL KI溶液，加到250mL容量瓶中，用水稀釋到體積約為容量瓶體積的2/3，用量筒量取2mL H2SO₄溶液，加蒸餾水稀釋至10mL，然后倒入裝有KI的容量瓶中，并滴加10滴淀粉溶液，再用蒸餾水稀釋到容量瓶刻度，搖勻倒入500mL燒杯內(nèi)。調(diào)節(jié)恒溫磁力攪拌器的溫度控制為30℃，待內(nèi)外溫度平衡后，從滴定管中滴下2mL標(biāo)準(zhǔn)Na₂S₂O₃溶液，隨即從移液管加入10mL標(biāo)準(zhǔn)H₂O₂溶液的同時(shí)，打開顏色檢測儀，當(dāng)溶液變色，記下時(shí)間t，同時(shí)迅速從滴定管中加入2mL Na₂S₂O₃溶液，此后每當(dāng)燒杯中反應(yīng)溶液變色時(shí)記下時(shí)間，并加入2mL Na₂S₂O₃溶液，直到所加入的Na₂S₂O₃溶液總量達(dá)16mL時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)。使反應(yīng)溶液在40℃的條件下，以同樣的方法重復(fù)實(shí)驗(yàn)。只要測出不同時(shí)刻t時(shí)H₂O₂的濃度C_t（C_t可以通過記錄各次藍(lán)色出現(xiàn)的時(shí)間而求得），以lnC_t對(duì)t作圖，就可以求出直線的斜率。其斜率＝-k＇＝-kC_r（其中C_r為I^-濃度），從而可以求出在該反應(yīng)溫度下的反應(yīng)速度常數(shù)k。最后根據(jù)阿倫尼烏斯公式計(jì)算反應(yīng)的活化能。

1.3　實(shí)驗(yàn)方法

1.技術(shù)原理

根據(jù)光與溶液顏色理論，黃色光的互補(bǔ)色為藍(lán)色，黃色的光通過藍(lán)色溶液，被溶液吸收的最多，也就是透過溶液的光強(qiáng)最弱，當(dāng)溶液變?yōu)辄S色，那么黃色的光源透過溶液的光強(qiáng)很強(qiáng)。

近年來，半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED作為一種經(jīng)濟(jì)的微型光源逐漸引起了人們的關(guān)注。LED是一種可發(fā)射準(zhǔn)單色光、體積小、壽命長和廉價(jià)的發(fā)光器件，雖然在發(fā)光強(qiáng)度、光譜純度、聚光性等方面不及半導(dǎo)體二極管激光器，但可以簡化檢測器的結(jié)構(gòu)，大大降低檢測器的成本。它還具有能耗低、輸出功率穩(wěn)定、體積小、波長范圍較寬，有較高的亮度和很長的壽命等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)擬使用的發(fā)光二極管發(fā)出可見光光譜范圍是560～620nm，光強(qiáng)峰值波長在585nm，屬于黃光。

檢測系統(tǒng)采用光電傳感器，它的作用是將光信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，利用光敏器件作為檢測元件的傳感器。光電傳感器對(duì)光的敏感主要是利用半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性受光照射后發(fā)生變化的原理，即利用的是光電效應(yīng)。它可以與LED組合工作。實(shí)驗(yàn)中我們通過溶液對(duì)特定的光束光強(qiáng)的吸收，調(diào)節(jié)入射光和出射光的角度，確定最大吸收波長。

2.研究內(nèi)容

在實(shí)驗(yàn)過程中，是否滴加硫代硫酸鈉要通過樣品溶液的顏色變化來判斷。由于人的主觀因素，在鑒別色差時(shí)存在著差異，所以用肉眼來判斷顏色變化會(huì)造成較大誤差。采用光電檢測技術(shù)來實(shí)時(shí)監(jiān)測溶液顏色的變化，避免了反應(yīng)溶液顏色觀察的人為因素，極大地減少了滴加時(shí)間的判斷誤差。所以檢測滴定溶液顏色信號(hào)是該研究的關(guān)鍵點(diǎn)。本研究的內(nèi)容主要是對(duì)顏色檢測系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)篩選并整合。

通過7段數(shù)碼管作為時(shí)間及其他關(guān)鍵參數(shù)的顯示器件；根據(jù)變色所對(duì)應(yīng)的RGB值作為判別的臨界值，采用RGB editor軟件選??；檢測系統(tǒng)采用TCS230顏色傳感芯片作為RGB顏色識(shí)別傳感器，在測試到溶液顏色達(dá)到預(yù)設(shè)值后提示變色警報(bào)：蜂鳴器配合LED指示燈。選用PIC16F876A單片機(jī)作為處理器，測試參數(shù)通過USB口與上位機(jī)（PC機(jī)）建立連接，選用LABVIEW設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件。

3.TCS230顏色傳感器

TCS230芯片是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器。它把硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）電路上，同時(shí)在芯片上集成了紅綠藍(lán)（RGB）三種濾光器。TCS230的輸出信號(hào)是數(shù)字量，可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的晶體管-晶體管邏輯電路或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡單。

4.實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，本實(shí)驗(yàn)裝置由下面幾個(gè)部分組成：恒溫?cái)嚢柘到y(tǒng)、顏色檢測系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其中恒溫?cái)嚢柘到y(tǒng)是目前化學(xué)實(shí)驗(yàn)室普偏使用的現(xiàn)成裝置。

圖1　集成顏色測試儀的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

新改造的系統(tǒng)適合不同顏色的被測對(duì)象且總體造價(jià)為商品化測色儀的30%左右。同時(shí)其功能可以進(jìn)一步擴(kuò)展，通用性強(qiáng)。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

通過對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置在相同反應(yīng)條件（攪拌速度30r/m）下得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析。

2.1　傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)果

根據(jù)數(shù)據(jù)（表2、表3），分別以ln（V0-Vt）對(duì)變色時(shí)間t作圖，結(jié)果如圖2。反應(yīng)溫度31℃時(shí)，由圖2可知，直線斜率m＝-0.000 196。其中k＝-m/C_r，C_r＝0.4×10/268＝0.0149mol/L。KT＝31℃＝0.000 196/0.014 9＝0.013 1s^-1；同樣的得出KT＝41℃＝0.000 37/0.014 9＝0.024 8s^-1。

依據(jù)阿倫尼烏斯公式

得出

活化能

表2　反應(yīng)溫度31℃時(shí)傳統(tǒng)裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3　反應(yīng)溫度41℃時(shí)傳統(tǒng)裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2　傳統(tǒng)裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

2.2　改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)果（見表4、表5）

表4　反應(yīng)溫度31℃時(shí)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5　反應(yīng)溫度41℃時(shí)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

用同樣的方法可以算出KT＝31℃＝0.012 5s^-1，KT＝41℃＝0.025 3s^-1，如圖3所示。

活化能

圖3　改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

2.3　改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)果（不加淀粉溶液）

如果在實(shí)驗(yàn)溶液中沒有淀粉的存在，則反應(yīng)溶液不會(huì)變藍(lán)，而是由淺加深的黃色（碘的本身顏色），這種情況下用肉眼更難判斷，而用顏色檢測器同樣可以識(shí)別。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果如表6～表8和圖4所示。

同樣的方法可以算出KT＝31℃＝0.011 9s^-1；KT＝41℃＝0.025 6s^-1。

活化能

表6　反應(yīng)溫度31℃時(shí)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（不加淀粉）

表7　反應(yīng)溫度41℃時(shí)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（不加淀粉）

表8　不同實(shí)驗(yàn)裝置測定的反應(yīng)活化能對(duì)比

通過與文獻(xiàn)值EA＝58.70kJ/mol對(duì)比。改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置可以更加準(zhǔn)確地測出反應(yīng)的活化能，減少實(shí)驗(yàn)誤差。綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性程度和計(jì)算的反應(yīng)活化能準(zhǔn)確程度來看，不加淀粉溶液的情況下也能達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的。

圖4　改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖（不加淀粉）

3　結(jié)論

首次將光學(xué)元件與反應(yīng)速度常數(shù)及活化能測定實(shí)驗(yàn)裝置集成于一體，具有空間小、重量輕、維護(hù)方便、節(jié)省材料和能源、集成度高、檢測速度快等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)原有實(shí)驗(yàn)裝置利用率高，具有巨大的實(shí)用價(jià)值和廣闊的推廣前景。

（1）采用吸收光光強(qiáng)檢測法，可推廣到檢測不同顏色的反應(yīng)溶液。

（2）將檢測器件小型化，節(jié)省試劑，便于長期在線檢測。

（3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程與化學(xué)反應(yīng)過程相結(jié)合，真正做到了物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。

（4）預(yù)留擴(kuò)展接口，方便進(jìn)一步的功能開發(fā)。

經(jīng)過近一年的本科學(xué)生實(shí)踐表明，實(shí)驗(yàn)操作簡單快捷，杜絕了實(shí)驗(yàn)的人為誤差，實(shí)驗(yàn)的精度明顯提高，是對(duì)傳統(tǒng)測試手段的改進(jìn)和創(chuàng)新，是目測方法的最佳換代。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，解決具體“實(shí)驗(yàn)問題”。

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