智能手机用于氯化铜溶液颜色变化的实验探究

卢运 许燕红 覃稔

摘要： 用智能手机设计的简易色度仪对氯化铜溶液在不同浓度、不同温度以及存在其他无色离子的情况下的颜色进行探究，将颜色反映在图像的RGB值上。结果显示，拍摄得到的氯化铜溶液颜色图像的RGB值与氯化铜溶液的浓度和温度成线性关系;氯化铜稀溶液呈蓝色，氯化铜浓溶液呈绿色，浓度1.2mol/L为氯化铜溶液颜色由蓝色系变成绿色系的理论变色浓度;氯化铜稀溶液温度升高时，颜色将由蓝色变成绿色;加入Cl-离子，溶液绿色加深，加入Na+、 NO  -3、 NH  +4等无关离子溶液颜色不变。

关键词： 氯化铜; 溶液颜色; 图像RGB值; 智能手机; 实验探究

文章编号： 1005-6629（2019）8-0080-05            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

1  问题的提出

在浙教版初中化学教材“探究酸的性质”[1]中介紹了“探究稀盐酸和稀硫酸与金属氧化物（氧化铜）的反应”的实验。该实验在实际教学中进行分组实验后，要求学生填写观察到的实验现象与结论。探究稀硫酸与氧化铜反应时，所有学生得到的实验现象几乎都是“黑色粉末逐渐消失溶液由无色变成蓝色”;但是探究稀盐酸与氧化铜反应时，部分学生得到的实验现象为“黑色粉末逐渐消失，溶液由无色变成蓝色”，而部分学生得到的实验现象却是“黑色粉末逐渐消失，溶液由无色变成绿色”。对同一实验同样的实验步骤，出现两种不同的实验结论，其背后的影响因素及其变色规律有待通过实验进行探究。

对于氯化铜溶液颜色的探究，传统的实验方法通常是配制一定的不同浓度的氯化铜溶液，在相同温度下观察其颜色，并在此基础上找出其变色规律;在探究温度对氯化铜溶液颜色的影响时，通常是配制相同浓度的氯化铜溶液，在不同温度下观察其颜色。这种实验方法由于实验器材和条件的限制，加上肉眼对颜色的视觉判断存在较大误差，未能从定量的角度研究问题，得到的实验结果往往缺乏可信度，因此，寻找一种更为科学可靠的实验方式，是得出可信度更高的实验结论的关键。

随着视觉技术[2， 3]的发展，利用某些智能手机颜色识别软件（如Color读色取色、RGB Colors、 Color Grab等）可以快速采集透明有色溶液的色度信息（RGB值）。我们从这些智能手机颜色识别软件中选用RGB模型作为颜色处理模型。RGB模型是一种常见的颜色处理模型[4]，通过对红（R）、绿（G）、蓝（B）3个颜色通道的变化以及它们之间的叠加来得到各种颜色。通过智能手机的拍照功能采集图像，并通过智能手机颜色识别软件，将颜色深浅转化为RGB分量值，从而建立RGB值与有色离子浓度的关系。其实质由朗伯比尔定律[5]（A=κbc）可知，当保持溶液的厚度b不变、入射光的波长不变，吸光度A与浓度c成正比。而有色溶液颜色的深浅取决于溶液吸收光的量的多少，即取决于有色溶液中某些有色离子浓度的高低，智能手机颜色识别软件在朗伯比尔定律的基础上，将图像进行数字化处理，并将其输出为对应颜色的RGB分量值。与以往传统的紫外分光光度计法测定溶液浓度不同，智能手机采集有色溶液的RGB值用以分析有色离子的浓度关系，更快速、更便捷、更易于在中学课堂上做直观的演示[6]。因此，利用日常生活中常见的智能手机及软件探究不同情况下氯化铜溶液颜色的变化，以智能手机及软件代替肉眼，寻找其变色规律，可以更快速有效规避肉眼对颜色的视觉判断误差，定量分析与解释实际中存在的问题，使得实验结果更具说服力。

2  实验设计

2.1  实验原理

CuCl2溶液中存在[CuCl4]2-和[Cu（H2O）4]2+两种配离子，其中[Cu（H2O）4]2+呈蓝色，[CuCl4]2-呈黄色，根据光学原理，一定浓度的CuCl2溶液中[Cu（H2O）4]2+和[CuCl4]2-共存时，溶液就会呈现绿色[7]。当CuCl2溶液的浓度、温度发生改变或存在某些无色离子时，溶液中的[Cu（H2O）4]2+和[CuCl4]2-的配比就会发生相应的改变，在宏观上显示为溶液颜色的变化。利用智能手机拍摄不同情况下（不同浓度、不同温度、存在其他无色离子）的CuCl2溶液图像，再采集像素点读取图像的RGB值。得到的B值反映CuCl2溶液中[Cu（H2O）4]2+的浓度与溶液蓝色的关系，G值反映CuCl2溶液中[Cu（H2O）4]2+和[CuCl4]2-叠加后的浓度与溶液绿色的关系。

2.2  实验仪器和试剂

实验仪器： 25mL容量瓶、电子天平（TJ-15K）、数显恒温水浴锅（HH-1）、玻璃比色皿、药匙、烧杯、玻璃棒、温度计、胶头滴管、智能手机

实验试剂： 二水合氯化铜（AR）、氯化钠（AR）、硝酸钠（CP）、硝酸铵（CP）、氯化铵（AR）、蒸馏水

2.3  实验步骤

2.3.1  探究相同温度不同浓度的氯化铜溶液的颜色及其RGB值

（1） 系列浓度的氯化铜溶液的配制

用电子天平称出一定质量的CuCl2·2H2O固体置于小烧杯，往小烧杯中加入一定量的蒸馏水溶解。将溶解好的CuCl2溶液转移至25mL的容量瓶中，定容，得到系列浓度的CuCl2溶液，如表1所示。

（2） 用智能手机拍摄氯化铜溶液的图像信息

取上述配制好的系列浓度的CuCl2溶液分别置于编号为1、 2、 3、 4……的比色皿中。将比色皿摆放在同一试管架上，置于白板做的背景前，在自然光的条件下用智能手机拍摄溶液的照片。要求智能手机的摄像头与桌面垂直，并且摄像头与比色皿之间的距离为20cm，比色皿与白板之间的距离为5cm，见图1。

（3） 记录溶液颜色和采集图像的RGB值

打开智能手机中Color读色取色软件，分别打开拍摄得到的CuCl2溶液图像。选取处于比色皿中间段同一水平面上的图像进行裁剪，得到宽度为1.5cm的图像。在截取得到的图像中依次随机取3个点，分别读取每个取样点的R、 G、 B值，并取其平均值，其中R值始终为零，所以数据和表中不会提及。

2.3.2  探究相同浓度不同温度的氯化铜溶液的颜色及其RGB值

（1） 系列温度的氯化铜溶液的配制

取浓度分别为0.6mol/L、 1.0mol/L、 2.2mol/L的CuCl2溶液于不同烧杯中。在杯口覆以保鲜膜，将其放在数显恒温水浴锅中进行加热，待溶液温度升高至相应温度后（20℃、 25℃、 ……80℃），快速将CuCl2溶液转移至标有编号的比色皿中。

（2） 用智能手机拍摄氯化铜溶液的图像信息（具体要求同探究不同浓度时的步骤）。

（3） 记录溶液颜色和采集图像的RGB值（具体要求同探究不同浓度时的步骤）。

2.3.3  探究其他无色离子存在时氯化铜溶液的颜色及其RGB值

（1） 配制若干相同濃度的氯化铜溶液

用天平依次称出质量为2.57g、 4.28g、 9.41g CuCl2·2H2O固体各5份，置于小烧杯，编号为1、 2、 3、 4、 5，第1组为空白试验组，后面的组依次加入1.5g NaCl、 2.1g NaNO3、 2.0g NH4NO3、 1.3g NH4Cl。加入蒸馏水溶解，转移至25mL容量瓶中定容，配制成一定浓度的氯化铜和其他物质的混合溶液，其中CuCl2溶液的浓度分别为0.6mol/L、 1.0mol/L和2.2mol/L，其他物质的浓度为0.1mol/L。

（2） 用智能手机拍摄混合溶液的图像信息（具体要求同探究不同浓度时的步骤）。

（3） 记录溶液颜色和采集图像的RGB值（具体要求同探究不同浓度时的步骤）。

3  数据处理与误差分析

3.1  相同温度不同浓度下氯化铜溶液的颜色及其RGB值

用肉眼对拍摄得到的图像进行颜色描述，并将智能手机拍摄得到的系列浓度的CuCl2溶液图像可按实验步骤所述要求截取。

用Color读色取色软件依次随机读取各个图像的3个点，分别读出每个取样点的G值和B值，取其平均值。

以系列CuCl2溶液的浓度为横坐标，分别以溶液图像颜色的G值、B值为纵坐标，在同一直角坐标系中做出溶液颜色RGB值与溶液浓度的关系图，见图2。

CuCl2溶液的颜色与CuCl2溶液的浓度有一定的关系，浓度较低时，CuCl2溶液呈现出蓝色，浓度较高时，CuCl2溶液呈现出绿色，且随着浓度的升高，最终逐渐变成墨绿色。15℃时，CuCl2溶液颜色由蓝色渐变到绿色的变色浓度范围为： 1.0～2.0mol/L， CuCl2溶液颜色由绿色渐变到墨绿色的变色浓度范围为： 2.2～3.5mol/L。由图2可知，随着CuCl2溶液浓度增大，图像的G值、B值逐渐减小。添加趋势线，得到系列CuCl2溶液图像的G值、B值与溶液浓度之间的标准方程分别为y=-14.054x+132.97和y=-37.899x+160.37，经过计算，当浓度约为1.2mol/L时，两者相交，即当CuCl2溶液浓度小于1.2mol/L时，CuCl2溶液图像的B值大于G值，此时溶液颜色以蓝色系（浅蓝、蓝、蓝绿偏蓝等色系）为主;反之，CuCl2溶液图像的G值大于B值，此时溶液颜色以绿色系（绿、翠绿、墨绿等色系）为主，且随着G值和B值减小，CuCl2溶液颜色由蓝色渐变到绿色，最终变成墨绿色。因此，可以1.2mol/L的CuCl2溶液理论浓度作为CuCl2溶液由蓝色系变成绿色系的变色点，从而规避肉眼对颜色的视觉的判断误差，从定性分析的角度转向定量计算的角度认识氯化铜溶液颜色的变化。

3.2  不同温度下氯化铜颜色溶液颜色及其RGB值

用肉眼对拍摄得到的图像进行颜色描述，并将智能手机拍摄得到的不同温度下相同浓度的CuCl2溶液图像可按实验步骤所述要求截取。

以温度为横坐标，分别以相同浓度的CuCl2溶液图像颜色的G值、B值为纵坐标，在同一直角坐标系中作出相同浓度CuCl2溶液颜色的RGB值与溶液温度的关系图，见图3。

浓度为1.0mol/L的CuCl2溶液当温度升高时，其颜色逐渐由蓝色变成绿色，且温度越高，颜色越深。读取不同温度下浓度为1.0mol/L的CuCl2溶液的G值和B值，比较发现当温度高于35℃时，溶液的G值大于B值，所以可以大体将35℃作为1.0mol/L的CuCl2溶液的变色温度。由图3可以看到，浓度为2.2mol/L的绿色CuCl2溶液图像的G值、B值与溶液的温度成一定线性关系，温度升高的过程中，G值始终大于B值且两个值均逐渐减少，故高浓度的CuCl2溶液的颜色随着温度的升高逐渐由绿色加深至墨绿色。

3.3  其他无色离子存在时氯化铜溶液的颜色及其RGB值

用肉眼对拍摄得到的图像进行颜色描述，并将智能手机拍摄得到的相同温度相同浓度存在其他无色离子时的CuCl2溶液图像可按实验步骤所述要求截取。

以加入的物质为横坐标，分别以对应情况下CuCl2溶液图像颜色的G、 B值为纵坐标，在同一直角坐标系中，见图4。

用肉眼判断，加入NaCl和NH4Cl的两组1.0mol/L的CuCl2溶液颜色发生明显改变，加入NaNO3和NH4NO3的两组1.0mol/L的CuCl2溶液颜色未发生明显改变。由图4利用G值和B值分析加入不同物质的2.2mol/L的CuCl2溶液颜色的变化，对比空白试验组，加入NaCl和NH4Cl的两组CuCl2溶液图像的G值和B值均有所降低，其颜色比空白试验组的有所加深，而加入NaNO3和NH4NO3的两组CuCl2溶液图像的G值和B值几乎一样，说明Cl-影响比较大，Na+、NO  -3、 NH  +4几乎没有影响。

4  结果讨论与总结展望

4.1  结果讨论

（1） 氯化铜溶液颜色的微观分析

根据光学原理，一定浓度的[Cu（H2O）4]2+和[CuCl4]2-并存时溶液显绿色。根据勒夏特列原理，当CuCl2溶液的浓度逐渐升高时，溶液中的Cl-逐渐增多，平衡向右移动，呈黄色的[CuCl4]2-增多，此时溶液颜色逐渐呈现绿色或者墨绿色。反之，加水稀释时，平衡向左移动，呈蓝色的[Cu（H2O）4]2+逐渐增加，溶液由绿色变为蓝色。上述的平衡正反应方向为吸热的过程，当温度升高时，平衡向吸热方向移动。此时，溶液中[Cu（H2O）4]2+逐渐减少，[CuCl4]2-逐渐增多，低浓度的溶液由蓝色变为绿色，高浓度的溶液绿色加深。加入Cl-后，平衡向右移动，溶液中的[CuCl4]2-增多，溶液颜色逐渐呈现绿色或者墨绿色，加入无关离子平衡不移动。

（2） 结论

实验探究表明，CuCl2溶液颜色与其浓度有关，用本实验中提出的“智能手机-图像RGB值”测得室温下CuCl2溶液约为1.2mol/L的理论浓度是其变色点，浓度高于1.2mol/L时，溶液以绿色系为主，反之以蓝色系为主;当温度升高时，CuCl2稀溶液将由蓝色变成绿色且温度越高绿色越深;加入Cl-离子，溶液绿色加深，加入Na+、 NO  -3、 NH  +4等无关离子溶液颜色不变。

4.2  总结与展望

本实验使用智能手机设计的简易色度仪探究不同情况下CuCl2溶液的颜色，验证了浙教版初中探究实验教学中的疑问，利用溶液颜色与RGB值之间的关系进行定性定量分析，有效地规避了肉眼对颜色的视觉判断误差。实验装置简单、微型，只需保证实验在相同的外界条件下进行即可保证实验结果的准确性，因而可以将其应用于中学化学课堂的实验教学中，亦可作为高中学生的课外实验探究，從定量角度分析化学平衡，有利于深入理解化学平衡移动原理。将学生身边常见的智能手机引入到化学定性定量实验中，通过RGB值反映颜色的深浅信息，将肉眼难以察觉的微妙变化反映在数值上。学生不仅可以感受到科技的魅力，还可以获得更加精确的信息，让学生在不断探索中增强对化学知识的热爱，提升化学学科核心素养。

参考文献：

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