智能手機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： 用智能手機設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行探究，將顏色反映在圖像的RGB值上。結果顯示，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系;氯化銅稀溶液呈藍色，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等無關離子溶液顏色不變。

關鍵詞： 氯化銅; 溶液顏色; 圖像RGB值; 智能手機; 實驗探究

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

1 ?問題的提出

在浙教版初中化學教材“探究酸的性質”[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”的實驗。該實驗在實際教學中進行分組實驗后，要求學生填寫觀察到的實驗現象與結論。探究稀硫酸與氧化銅反應時，所有學生得到的實驗現象幾乎都是“黑色粉末逐漸消失溶液由無色變成藍色”;但是探究稀鹽酸與氧化銅反應時，部分學生得到的實驗現象為“黑色粉末逐漸消失，溶液由無色變成藍色”，而部分學生得到的實驗現象卻是“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，出現兩種不同的實驗結論，其背后的影響因素及其變色規律有待通過實驗進行探究。

對于氯化銅溶液顏色的探究，傳統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，并在此基礎上找出其變色規律;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，得到的實驗結果往往缺乏可信度，因此，尋找一種更為科學可靠的實驗方式，是得出可信度更高的實驗結論的關鍵。

隨著視覺技術[2， 3]的發展，利用某些智能手機顏色識別軟件（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（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。通過智能手機的拍照功能采集圖像，并通過智能手機顏色識別軟件，將顏色深淺轉化為RGB分量值，從而建立RGB值與有色離子濃度的關系。其實質由朗伯比爾定律[5]（A=κbc）可知，當保持溶液的厚度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，智能手機顏色識別軟件在朗伯比爾定律的基礎上，將圖像進行數字化處理，并將其輸出為對應顏色的RGB分量值。與以往傳統的紫外分光光度計法測定溶液濃度不同，智能手機采集有色溶液的RGB值用以分析有色離子的濃度關系，更快速、更便捷、更易于在中學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，以智能手機及軟件代替肉眼，尋找其變色規律，可以更快速有效規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，使得實驗結果更具說服力。

2 ?實驗設計

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+呈藍色，[CuCl4]2-呈黃色，根據光學原理，一定濃度的CuCl2溶液中[Cu（H2O）4]2+和[CuCl4]2-共存時，溶液就會呈現綠色[7]。當CuCl2溶液的濃度、溫度發生改變或存在某些無色離子時，溶液中的[Cu（H2O）4]2+和[CuCl4]2-的配比就會發生相應的改變，在宏觀上顯示為溶液顏色的變化。利用智能手機拍攝不同情況下（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+的濃度與溶液藍色的關系，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

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拍攝溶液的照片。要求智能手機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，所以數據和表中不會提及。

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，將其放在數顯恒溫水浴鍋中進行加熱，待溶液溫度升高至相應溫度后（20℃、 25℃、 ……80℃），快速將CuCl2溶液轉移至標有編號的比色皿中。

（2） 用智能手機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，其他物質的濃度為0.1mol/L。

（2） 用智能手機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 ?數據處理與誤差分析

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行顏色描述，并將智能手機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，分別以溶液圖像顏色的G值、B值為縱坐標，在同一直角坐標系中做出溶液顏色RGB值與溶液濃度的關系圖，見圖2。

CuCl2溶液的顏色與CuCl2溶液的濃度有一定的關系，濃度較低時，CuCl2溶液呈現出藍色，濃度較高時，CuCl2溶液呈現出綠色，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準方程分別為y=-14.054x+132.97和y=-37.899x+160.37，經過計算，當濃度約為1.2mol/L時，兩者相交，即當CuCl2溶液濃度小于1.2mol/L時，CuCl2溶液圖像的B值大于G值，此時溶液顏色以藍色系（淺藍、藍、藍綠偏藍等色系）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溶液由藍色系變成綠色系的變色點，從而規避肉眼對顏色的視覺的判斷誤差，從定性分析的角度轉向定量計算的角度認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行顏色描述，并將智能手機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，分別以相同濃度的CuCl2溶液圖像顏色的G值、B值為縱坐標，在同一直角坐標系中作出相同濃度CuCl2溶液顏色的RGB值與溶液溫度的關系圖，見圖3。

濃度為1.0mol/L的CuCl2溶液當溫度升高時，其顏色逐漸由藍色變成綠色，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，比較發現當溫度高于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行顏色描述，并將智能手機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。

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

用肉眼判斷，加入NaCl和NH4Cl的兩組1.0mol/L的CuCl2溶液顏色發生明顯改變，加入NaNO3和NH4NO3的兩組1.0mol/L的CuCl2溶液顏色未發生明顯改變。由圖4利用G值和B值分析加入不同物質的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 ?結果討論與總結展望

4.1 ?結果討論

（1） 氯化銅溶液顏色的微觀分析

根據光學原理，一定濃度的[Cu（H2O）4]2+和[CuCl4]2-并存時溶液顯綠色。根據勒夏特列原理，當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綠色或者墨綠色。反之，加水稀釋時，平衡向左移動，呈藍色的[Cu（H2O）4]2+逐漸增加，溶液由綠色變為藍色。上述的平衡正反應方向為吸熱的過程，當溫度升高時，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，低濃度的溶液由藍色變為綠色，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，溶液顏色逐漸呈現綠色或者墨綠色，加入無關離子平衡不移動。

（2） 結論

實驗探究表明，CuCl2溶液顏色與其濃度有關，用本實驗中提出的“智能手機-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，反之以藍色系為主;當溫度升高時，CuCl2稀溶液將由藍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等無關離子溶液顏色不變。

4.2 ?總結與展望

本實驗使用智能手機設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中的疑問，利用溶液顏色與RGB值之間的關系進行定性定量分析，有效地規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行即可保證實驗結果的準確性，因而可以將其應用于中學化學課堂的實驗教學中，亦可作為高中學生的課外實驗探究，從定量角度分析化學平衡，有利于深入理解化學平衡移動原理。將學生身邊常見的智能手機引入到化學定性定量實驗中，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值上。學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，讓學生在不斷探索中增強對化學知識的熱愛，提升化學學科核心素養。

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