前言

分光光度计运用了光谱学的原理,在现代化 学实验室中的运用较为广泛.根据朗伯－比尔定 律,当同一波长的光通过同一物质的不同浓度的 有色溶液时会产生不同程度的吸收,通过计算溶 液的吸光度就能够测定溶液的浓度.但是由于分 光光度计价格较为昂贵,很少在基础教育阶段中 使用,学生也很难接触到分光光度计.近年来有 很多研究者运用光谱学的原理,应用了新技术来 测定离子的浓度替代分光光度计的作用,并进行 了很多相关实验.有研究者通过色度计传感器精 确地监测KMnO４与蔗糖的反应进程,初步证明非 还原 糖 (如 蔗 糖) 在 与 强 氧 化 剂 (如 KMnO４) 反应时表现出还原性,实现了实时、连续的监测. 也有研究者利用智能手机的拍照功能,用图像处 理软件获取溶液的 RGB值,将有色溶液的浓度与 RGB值之间建立关联来测定溶液的浓度,实验操 作简单,能够快速采集多个待测溶液的 RGB 值, 适合作为学生实验. 笔者使用泡沫板、LED 灯、移动电源等简单 易得、价格低廉的材料制作简易分光光度计,测 定不同浓度的 KMnO４ 溶液的吸光度,绘制标准 曲线,测定未知浓度 KMnO４ 溶液的浓度以分析 装置的相对误差,并提出此装置在中学阶段的应 用建议.

２ 实验设计 

２．１ 实验仪器与药品 (１)实 验 仪 器:LED 灯 (红 色、绿 色)、移 动 电源、数据线、泡沫板、１０００Ω 电阻、导线、比色皿、 纸盒、数字多用表、１００mL 的容量瓶、量筒、烧杯、 玻璃棒、胶头滴管、UV７６５紫外可见分光光度计. (２)实验药品:０．０１ mol/L 的 KMnO４ 溶 液、 ０􀆰２mol/L的 H２C２O４ 溶液、蒸馏水.

２．２ 装置设计 简易分光光度计既把 LED 灯作为光源,又将 LED灯作为光检测器,其装置如图１所示.因为 LED 灯在通过电流的时候,以特征波长发射光线 (实际上在特征值附近的窄波段内).如果 LED 灯 暴露于与特征波长相近或更短的光线中,LED 灯 的两端也会产生电压,且其两端的电压与光的强度 成正比.因此,可以通过测量作为检测器的 LED 灯两端的电压大小,比较透过溶液的光的强度. 图１ 简易分光光度计装置图 本实验的吸光度计算如下所示:透光率 T ＝ V１/V０,吸光度 A ＝lg(１/T),即 A ＝lg(V０/V１). V１ 为放置有色溶液时检测端 LED 灯两端的电压, V０ 为放置蒸馏水时检测端 LED灯两端的电压. 简易分光光度计装置的主体是由泡沫板搭建 的,泡沫板在生活中较常见,可以通过废物再利 用来达到环保的目的.主体结构不仅可以使用泡 沫板,还可以利用其他材料作为装置的主体,比 如硬纸板、木块等.盛放溶液的容器,也可使用 体积适宜的普通透明容器替代,使用泡沫板能够 根据盛放溶液的容器灵活调整放置容器的凹槽的 大小和形状. 由于移动电源能够提供较为稳定的直流电, 并且相对于普通电池更加绿色环保,所以本实验 的电源部分是由移动电源改装的.具体操作如下: 剥去移动电源配套的数据线外部的绝缘外壳,在 其中一根导线上串联１０００Ω 的电阻 (见图 ２), 形成该装置的电源.

３ 实验步骤

３．１ KMnO４ 溶液吸光度标准曲线的测定 (１)根据实验装置图组装好简易分光光度计, 图２ 串联电阻的数据线 换上绿色的 LED 灯,将数字多用表的旋钮旋到 ２００mV 的量程. (２)用容积为１００ mL 的容量瓶分别配置浓 度 为０􀆰０００１mol/L、０􀆰０００２mol/L、０􀆰０００３mol/L、 ０􀆰０００４mol/L、０􀆰０００５mol/L的 KMnO４ 溶液. (３)在比色皿中加入蒸馏水和上述 KMnO４ 溶液,盖上遮光盒,接通电源,读取并记录数字 多用表的示数.断开电源,每次测量后洗净并且 擦干比色皿. (４)用容积为１００ mL 的容量瓶分别配置浓 度为０􀆰０００２mol/L、０􀆰０００４mol/L、０􀆰０００６mol/L、 ０􀆰０００８mol/L、０􀆰００１mol/L的 KMnO４ 溶液. (５)断开电源,将绿色的 LED 灯取下,换上 红色的 LED灯,在比色皿中分别加入蒸馏水和上 述KMnO４溶 液.在 比 色 皿 中 加 入 蒸 馏 水 和 上 述 KMnO４ 溶液,盖上遮光盒,接通电源,读取 并 记录数字多用表的示数.

３．２ 未知浓度的 KMnO４ 溶液的测定 (１)将 LED灯换成红色,在比色皿中放入未知 浓度的 KMnO４ 溶液,盖上遮光盒,接通电源,读取 并记录数字多用表的示数.

(２)断开电源,换上绿色 LED灯,盖上遮光盒, 接通电源,读取并记录数字多用表的示数.

(３)使用 UV７６５ 紫外可见分光光度计,测定 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,绘制标准曲线,并且测定和记录未知溶液 的吸光度.

４ 实验结果

４．１ KMnO４ 溶液吸光度标准曲线 根据上述实验测得,在红光下放置蒸馏水,检 测端LED灯两端的电压为６．３V;在绿光下放置蒸 馏水,检测端LED灯两端的电压为１．３V.不同浓 度的 KMnO４ 溶液在红光和绿光下的吸光度分别 见表１和表２.