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こうだいいざわ
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1 岩手大学教育学部附属教育実践総合センター研究紀要第12号デジタルカメラとウェルプレートを用いた連続変化法のスモールスケール実験洋一平澤傑井上祥史武井隆明村上祐 2013年３月５日受理 Yoichi KIKUCHI, Suguru HIRASAWA, Shoshi INOUE, Taka-aki Takei, Tasuku MURAKAMI Small-Scale Experiments of the Continuous Variation Method by the Use of the Digital Camera and Wellplate １緒言た対象とした錯体は鉄 II と o- フェナントロウェルプレート等を用いて実験のスケールを小リン phen の錯体 Fe-phen 錯体および銅 II さくするスモールスケール実験法は環境にやさ - -ピリジルアゾレゾルシン TAR の錯体と4 2 しい化学実験法として注目を集めているこれま Cu-TAR 錯体であるでに義務教育段階の実験から大学での基礎化学実験までの広い範囲にわたるスモールスケール実験が多数提案されている 1 2 実験のスモールスケール化には省資源実験廃棄物の少量化コス２実験２１鉄(II) phen 錯体系保存溶液トの削減および危険性の軽減のほか通常はグル M の鉄溶液関東化学の特級試薬ープで行う実験を個人実験化できるなど多くのメ FeSO4 7H2O を溶解 M の phen リットがあるその一方で比色定量実験のスモ溶液和光純薬の特級試薬を溶解をそれぞれ調ールスケール化などにおいては精度や正確さの製したまた鉄の還元剤として４の塩酸ヒド上で改良の余地があると思われるロキシルアミン溶液緩衝液として0.1 M の酢酸著者らはデジタルカメラを分光検出器として水溶液と0.1 M の酢酸ナトリウム水溶液の等量混用い教育現場においても正確な比色定量実験が合液 ph 4.8 をそれぞれ調製した行える測定法の開発を行っているこれまでに天通常スケールの実験然水中の微量鉄や陰イオン界面活性剤の分析法に適応し良好な結果を得ている本のメスフラスコ 50 ml に鉄溶液とデジタルカメ phen 溶液をそれぞれ1 ml ずつ液量を変化させなデジカメ測定をスモールがら鉄溶液と phen 溶液の合計量が10 ml となスケールの比色実験に応用すればスモールスケるように加えた鉄溶液 +phen 溶液がそれぞール実験の正確な定量化が期待できるそこで本れ 0 ml+10 ml 1 ml+9 ml 2 ml+8 ml 研究では大学の基礎化学実験として取り上げら 10 ml+0 ml であるさらにすべてのメスれることも多い連続変化法による金属錯体の組成フラスコに塩酸ヒドロキシルアミン溶液を5 ml 決定実験をスモールスケール化するためにデジ酢酸緩衝液を5 ml 加えたメスアップ後 30分カメ測定とウェルプレートを用いることを検討し以上放置したものを測定溶液としたラによる測定以下岩手大学教育学部岩手県一関中学校平成21年教育学部卒

2 74 洋一平澤傑井上祥史武井隆明村上祐デジカメ測定ではこれらの溶液をウェルプレ液を1.0 ml 加えウェル内の全液量を2.0 ml とートの各ウェルに2 ml ずつ分取し測定を行ったしたこれをデジカメ測定に用いた同様にこれらの溶液を吸収セルに分取し分光光度計による測定も行った２３スモールスケール実験デジカメによる測定方法デジカメによる測定方法のイメージ図を図１溶液の液量を少なくするスモールスケール実験に示す実験テーブルの上に白色ケント紙を敷では測定溶液の調製を直接ウェルプレート内できその上８ぐらいの間隔をあけてガラス板を行った 11個のウェルにマイクロピペットを用置いたガラス板の上にウェルプレートの長辺がいて鉄溶液 +phen 溶液がそれぞれ 0 ml+1.0 部屋の窓と平行になるようにウェルプレートを置 ml 0.1 ml+0.9 ml 1.0 ml+0 ml のよいたウェルプレート 12 ８のプラスチッうに混合比を0.1 ml ずつ変化させ合計量が1.0 ク製は24ウェルのものを用いたガラス板とケ ml となるように加えたさらにすべてのウェルント紙の間隔は着色溶液を入れたウェルプレーに塩酸ヒドロキシルアミン溶液を0.5 ml 酢酸緩トを真上から覗いた時に溶液が透明に見える影衝液を0.5 ml 加えウェル内の全液量を2.0 ml がなく見える距離である実験者が外からの光としたこれをデジカメ測定に用いたを遮らないように窓に向って立ちウェルプレートの真上からデジカメで撮影したデジカメには２２銅(II) TAR錯体系保存溶液 Nikon COOLPIX S510を用いストロボオフのオートモードで撮影した M の銅溶液関東化学の特級試薬 Cu NO3 2 3H2O を50 エタノール水溶液に溶解 M の TAR 溶液同仁化学のドータイト TAR を50 エタノール水溶液に溶解をそれぞれ調製したまた緩衝液として0.1 M の酢酸溶液と0.1 M の酢酸ナトリウム溶液の等量混合液を調製した通常スケールの実験 Fe-phen 系と同様に 11本のメスフラスコ 50 図１デジカメ測定の配置 ml に銅溶液 0 10 ml と TAR 溶液 10 0 撮影したデジタル写真をパーソナルコンピュー ml をそれぞれ1 ml ずつ液量を変化させながら銅溶液と TAR 溶液の合計量が10 ml となるようターに取り込み画像処理ソフトを用いて写真内に加えたさらにすべてのメスフラスコに酢酸緩の溶液部分の色情報を RGB 値として数値化した衝液を5 ml 加えたメスアップ後 30分以上放本研究では画像処理ソフトには任意の選択範置したものを測定溶液とし分光光度計で測定し囲の色情報を平均値で表示できる Paint Shop Pro 8 た Jasc Softwere Inc. を用いたスモールスケール実験 Fe-phen 系と同様に 11個のウェルに銅溶液 +TAR 溶液がそれぞれ 0 ml+1.0 ml 0.1 ３結果および考察３１デジカメの撮影測定条件 ml+0.9 ml 1.0 ml+0 ml のように混合比図１の配置でデジカメ測定を行うに当たり１を0.1 ml ずつ変化させ合計量が1.0 ml となる枚のウェルプレートの各ウェルで差がなく測定でように加えたさらにすべてのウェルに酢酸緩衝きる撮影条件を検討した試料に Fe-phen 錯体溶

デジタルカメラとウェルプレートを用いた連続変化法のスモールスケール実験 75 液を用い中央の２ウェルを除いた全てのウェル要はないまたこのことは一つの実験に必要な多に同一試料を同量入れて撮影した中央の２ウェ数の測定溶液を瞬時に測定できることを意味してルには鉄を含まないブランク溶液を入れたおりスモールスケールに加えて測定法として部屋の蛍光灯を点けていると蛍光灯が一部のウ

場合には端のウェルでは溶液を斜めに覗いているので中央のウェルに対して溶液の光路長が長くなるこの問題はウェルプレートとカメラの距離を広げることによってかなり軽減されるウェルプレートの画像があまり小さくならずまた撮影もしやすい距離を検討したところ約40 が適切であった以上の条件で撮影測定した写真を図２に示す写真の上方が窓側であるウェルの上

3 デジタルカメラとウェルプレートを用いた連続変化法のスモールスケール実験 75 液を用い中央の２ウェルを除いた全てのウェル要はないまたこのことは一つの実験に必要な多に同一試料を同量入れて撮影した中央の２ウェ数の測定溶液を瞬時に測定できることを意味してルには鉄を含まないブランク溶液を入れたおりスモールスケールに加えて測定法として部屋の蛍光灯を点けていると蛍光灯が一部のウ大変有利な点であるェルに映るため消灯し光源は外からの自然光としたまた窓枠等がウェルに映らないように窓から２m 程度離れた距離で撮影することにしたウェルプレートとカメラの距離は約20 でウェル３２鉄 II phen 錯体の組成決定図３に２１で調製した Fe-phen 錯体系溶液の吸収スペクトルを示すプレートがほぼ画像いっぱいに写るしかしこの場合には端のウェルでは溶液を斜めに覗いているので中央のウェルに対して溶液の光路長が長くなるこの問題はウェルプレートとカメラの距離を広げることによってかなり軽減されるウェルプレートの画像があまり小さくならずまた撮影もしやすい距離を検討したところ約40 が適切であった以上の条件で撮影測定した写真を図２に示す写真の上方が窓側であるウェルの上から３行目の中央２つのウェルはブランク溶液で図3 Fe-phen 錯体の吸収スペクトル無色である Fe-phen 錯体のように錯体のみが吸収化学種の場合には金属イオンと配位子の結合比に応じて過不足なく反応する濃度条件で吸光度が最大値になる Fe-phen 錯体は Fe phen=1 3で結合するため吸光度 vs. Fe 濃度 Fe 濃度 +phen 濃度のプロットは横軸の値が0.25で最大の吸光度が得られるはずである分光光度計測定の吸収極大波長 512 nm におけるプロットでは横軸が0.23で図２ウェルプレートのデジカメ写真吸光度が最大となり理論値0.25にほぼ一致する値が得られたデジタル画像上の各ウェル内の溶液部分につ吸収スペクトルを測定した溶液と同じ溶液をいて画像処理ソフトを用いて RGB 値を求めた一枚のウェルプレートのウェルにそれぞれ2 ml その結果最下行の６個のウェルの RGB 値が取りデジカメ測定を行ったデジタル画像の他のウェルに比べてやや低い値となるがその他それぞれのウェルから RGB の値を読み取ったのウェルの錯体溶液の RGB 値は数の誤差でほ RGB の値を鉄と phen の混合比 Fe 濃度 Fe 濃ぼ一定の値を示すことが確認できたよって以後度 +phen 濃度に対してプロットしたものを図の実験ではこれらのウェルを利用することとし４ I に示す鉄 phen の混合比に関わらず R たこれらのウェルには通常の一つの実験に対応値に大きな変化はなく G 値と B 値は混合比がする一連の溶液を収めることができるよって一１３に近いほど小さな値となった国際照明委枚の写真の中の比較値で実験の結果を求めること員会では RGB に対応する光の波長をそれぞれ R ができため写真毎の撮影条件の違いを考える必 700 nm G nm B nm と定義して

4 76 洋一平澤傑井上祥史武井隆明村上祐いる6 図３から Fe-phen 錯体は 700 nm 付近の次に同様の解析を試料をウェルプレート内で調光 R を吸収しないしたがって混合比を変え製したスモールスケール実験の結果について行っても R 値は変化しないまた図３から546 nm 付た結果を図５に示す図５の直線の交点から得近 G の吸収よりも436 nm 付近 B の吸収がられた横軸の値は Abs G Abs B ともに0.24 強いので錯体が形成されるにしたがって B 値であり理論値とよく一致したよって本法によの方が大きく低下したと考えられる Fe-phen 錯り Fe-phen 錯体の連続変化法を一枚のウェルプ体系ではG値とB値が解析に使える色情報であるレート上で数 ml の溶液量により正確に行うこ前報に従い G 値と B 値を吸光度 Abs G およびとができた 3 4 Abs B に変換したすなわち式 1 で定義される吸光度において入射光の強さ I0 には無色のブランク溶液鉄のみの溶液と phen のみの溶液の G 値あるいは B 値の平均値を代入した透過光の強さ It には錯体溶液の G 値あるいは B 値の値をそれぞれ代入した Abs = log It / I0 1 得られた吸光度 Abs G Abs B から吸光度 vs. Fe 濃度 Fe 濃度 +phen 濃度の関係をプロットした図４ II 直線の交点から吸図５光度が最大となる横軸の値を求めると Abs G Abs B ともに0.23であったこの値は分光光度モールスケール実験による Fe-phen 錯ス体の連続変化法プロットウェルプレートでの溶液調製 + デジカメ測定計で測定した値と一致しているよって本法でのデジカメによる測定は正確であることが確認できた３３銅 II TAR 錯体系の組成決定 Fe-phen 錯体系は錯体だけが可視光領域に吸収を示し溶液は赤橙色を呈するしたがって錯体の生成比が高くなるにつれて溶液の色は赤橙色が濃くなるだけの単色系の変化であったこれに対し Cu-TAR 錯体系 ph 5前後では錯形成していない TAR の溶液は黄色を呈し銅錯体溶液は赤紫色を呈するしたがってこの系の連続変化法では黄色から赤紫色への変色を扱うことになるこの場合でもデジカメ測定で対応できるか検討を行った図６に２２で調製した Cu-TAR 系溶液の吸収スペクトルを示す 511 nm を中心とする吸収が錯体の吸収であり 440 nm 付近に極大を持つ吸収がフリーの TAR の吸収である溶液の色は銅濃度が相対的に高くなるに従い TAR Cu の範囲では黄橙赤赤紫と変化し TAR 図４ Fe-phen 錯体の連続変化法プロットメスフラスコでの溶液調製 + デジカメ測定 Cu の範囲では赤紫色が徐々に薄くなる最後の TAR を含まない銅溶液は無色となったスモー

5 デジタルカメラとウェルプレートを用いた連続変化法のスモールスケール実験 77 ルスケール実験で錯体組成を確かめるためウェの範囲では加えた TAR はすべて錯生成に使われルプレート内で調製した溶液をデジカメ測定しるため吸光度の変化は弱い吸収を示す錯体の存 RGB 値を抽出したこの系でも錯形成に従って在量に依存する横軸の値が大きいほど加える変化する G 値と B 値を解析に用いたブランク TAR 量が少ないので生成する錯体量が減少するを TAR を含まない銅溶液として G B 値からそよって吸光度は緩やかに減少すると解釈できるれぞれの吸光度 Abs(G) Abs(B) を求めたこのように配位子が吸収を示す場合でもその RGB 値が錯体と異なるため金属イオンと配位子が過不足なく反応した点を境に傾きの異なる２本の直線となったと考えられる Cu-TAR 錯体系では横軸の値が0.5で折れ曲がることから Cu TAR=1 1の組成を示している図６ Cu-TAR 錯体の吸収スペクトルここで得た吸光度 vs. Cu 濃度 Cu 濃度 +TAR 濃度のプロットを図７に示す Abs G 値は横軸の濃度比が0.5で頂点となる左右対称の山形のプロットが得られ明確に Cu TAR=1 1の組成を示している図６からわかるように G 値に対図７応する546.1 nm ではフリーの TAR の吸収はほとんどなくここでの吸収化学種は Cu-TAR 錯体だモールスケール実験による Cu-TAR 錯ス体の連続変化法プロットウェルプレートでの溶液調製 + デジカメ測定けであるこのように視覚的な観察で色調が変化以上のことから配位子と錯体の双方が可視光領していても G 値での解析では錯体の生成量だけ域に吸収を示す Cu-TAR 錯体系の連続変化法におに依存する単純な系となっているいてもウェルプレートとデジカメ測定の組み合一方図７の Abs B 値は銅濃度が増加するにわせによるスモールスケール実験によって金属つれて横軸の値が0 0.5 TAR Cu の範囲で錯体の組成を正確に求めることができたでは直線的に緩やかに減少している横軸0の４は直線的に急激に減少し TAR Cu 結論 Abs B 値が直線から外れるのはこの点の B 値本研究ではスモールスケールの比色による定量が小さすぎて誤差が大きいためである B 値に対的な実験にデジカメ測定を応用する一例として応する435.8 nm では TAR の極大付近の強い吸金属錯体の連続変化法を取り上げ良好な結果を得収と錯体の弱い端吸収の加成性を考える必要があた本研究で取り上げた錯体の他にも多くの錯体る TAR Cu の範囲では銅濃度の増加に伴いの組成決定に適用できると考えられる本測定法錯体量が増えフリーの TAR 量が減少する錯体はウェルプレートとデジカメさえあれば開放生成による吸光度は微増だがフリーの TAR 量的な空間で写真を撮るだけであり非常に簡便なに伴う吸光度の減少は大きいため全体的には吸方法である大学での基礎化学実験で活用できる光度が急激に減少したと解釈できる TAR Cu ほかに分光光度計を持たない高校でも発展的な

6 78 洋一平澤傑井上実験として実施できるさらに本測定法は簡易比色分析や反応速度解析など種々の比色による定量的な実験をスモールスケール化した場合にも正確な実験値を得るための方法として応用が期待できる参考文献１マイクロスケール化学実験化学と教育日本化学会創立125周年記念号 2003 ２芝原寛泰佐藤美子マイクロスケール実験環境にやさしい理科実験オーム社 2011 ３洋一柿崎仁美井上祥史武井隆明村上祐, デジタルカメラと画像処理ソフトを用いた天然水中の微量鉄の定量化学と教育 Vol ４洋一デジタルカメラを検出器に用いた微量鉄の高感度分析法の開発理科教育学研究 Vol ５洋一田沼雄太朗井上祥史デジタルカメラを用いる河川水中の陰イオン界面活性剤の簡易イオン対抽出比色分析分析化学 Vol ６三宅洋一デジタルカラー画像の解析評価東京大学出版祥史武井隆明村上祐

(Microsoft Word - \230a\225\266IChO46-Preparatory_Q36_\211\374\202Q_.doc)

$(Microsoft Word - \230a\225\266IChO46-Preparatory_Q36_\211\374\202Q_.doc)$ 問題 36. 鉄 (Ⅲ) イオンとサリチルサリチル酸の錯形成 (20140304 修正 : ピンク色の部分 ) 1. 序論この簡単な実験では水溶液中での鉄 (Ⅲ) イオンとサリチル酸の錯形成を検討するその錯体の実験式が求められその安定度定数を見積もることができる鉄 (Ⅲ) イオンとサリチル酸 H 2 Sal からなる安定な錯体はいくつか知られているそれらの構造と組成はpHにより異なる酸性溶液では紫色の錯体が生成する