基于傳感技術(shù)測定空氣中氧氣的含量

田磊

摘要：測定空氣中氧氣的含量是初中化學(xué)的入門級實(shí)驗(yàn)，在該實(shí)驗(yàn)過程中，在空氣中點(diǎn)燃紅磷會對空氣造成污染，實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)管內(nèi)存在的水的體積無法測得。針對這些問題筆者采用數(shù)字化傳感技術(shù)并將原教材中的耗氧劑進(jìn)行替換，使得測量結(jié)果更加精確。

關(guān)鍵詞：氧氣含量;數(shù)字化;傳感技術(shù)

文章編號：1008-0546（2022）03x-0083-02??? 中圖分類號：G632.41??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.021

一、研究背景

測定“空氣中氧氣的含量”，是人教版初中化學(xué)第二單元課題一“空氣的組成”的一個基本實(shí)驗(yàn)。教材中的實(shí)驗(yàn)是將法國著名科學(xué)家拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)“利用金屬汞定量研究空氣成分”進(jìn)行了改進(jìn)而得到的。但原教材中的實(shí)驗(yàn)也存在諸多不足之處，如：在集氣瓶外點(diǎn)燃紅磷會造成空氣污染。如何將這個實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以達(dá)到更加精確地測定氧氣含量是我們研究的目的。當(dāng)前教育時代提倡多學(xué)科融合的思想，利用創(chuàng)客教育的開源性能否與化學(xué)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效整合，值得我們?nèi)パ芯?。利用python中小學(xué)創(chuàng)客教育程序內(nèi)容，編制溫度壓強(qiáng)測定程序，進(jìn)行測定空氣中氧氣含量，具有一定的可行性。

二、問題提出

通過對近10年中國知網(wǎng)關(guān)于“測定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)”方案的文章分析可以發(fā)現(xiàn)，測定空氣中氧氣含量的主要分為：燃燒法、鐵粉氧化法，常溫氧化法。教材中的實(shí)驗(yàn)是利用紅磷進(jìn)行燃燒法消耗氧氣，這種方法的缺點(diǎn)是在氧氣含量低于一定濃度時，紅磷會停止燃燒。無法將氧氣完全消耗完，而且利用水測量氣體消耗的體積，會因水中溶解有部分氧氣造成實(shí)驗(yàn)誤差。

針對以上問題，我們對原教材的實(shí)驗(yàn)中存在的問題進(jìn)行歸納分析，并提出實(shí)驗(yàn)改進(jìn)意見：

1.將原教材中的紅磷燃燒替換成利用鐵粉氧化的方法;

2.將利用水位變化測定消耗氣體的體積改用溫度、壓強(qiáng)傳感器進(jìn)行測定。

三、實(shí)驗(yàn)原理：

1.實(shí)驗(yàn)藥品與器材

藥品：鐵粉5.0 g、碳粉0.1 g、氫氧化鈉溶液、氯化鈉溶液。

器材：錐形瓶、BMP280溫度壓強(qiáng)傳感器、電腦。

2.藥品與器材的選擇

通過九年級化學(xué)第八單元“金屬和金屬材料”課題3的學(xué)習(xí)和探究，學(xué)生已經(jīng)知道了鐵在潮濕的空氣中能與氧氣發(fā)生反應(yīng)，利用這個原理可以消耗空氣中的氧氣，進(jìn)而進(jìn)行測定。在初中的學(xué)習(xí)過程中，對于鐵的銹蝕我們不做過多的深究，但在高中階段我們都知道，鐵的銹蝕分為析氫腐蝕和吸氧腐蝕。

在酸性條件下，鐵可以發(fā)生析氫腐蝕，其反應(yīng)如下：

負(fù)極：Fe-2e===Fe

正極：2H+2e===H↑

總反應(yīng)：Fe+2H===Fe+H↑

在中性條件下，鐵可以發(fā)生吸氧腐蝕，其反應(yīng)如下：

負(fù)極：Fe-2e===Fe

正極：2HO+O+4e===4OH

總反應(yīng)：2Fe+O+2HO===2Fe（OH）

如果水中存在中性鹽類物質(zhì)，可以增加溶液的導(dǎo)電性，加快鐵銹蝕的速度。根據(jù)吸氧腐蝕的結(jié)果可以看到，生成物為Fe（OH），這種物質(zhì)容易與氧氣結(jié)合形成Fe（OH），因此在堿性條件下，鐵銹蝕的速度可以更加迅速。

活性炭作為一種吸附劑，其表面具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，可以吸附氣體。將碳粉和鐵粉混合以后可以有效富集氧氣，提高反應(yīng)效率。同時，鐵粉與碳粉混合以后可以構(gòu)成原電池裝置，加快反應(yīng)的速率。

BMP280溫度壓強(qiáng)傳感器是創(chuàng)客教育常用的一種開源硬件?？梢詮V泛應(yīng)用于中小學(xué)教學(xué)中，常用來測定溫度和壓強(qiáng)的變化。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：PV=nRT，在溫度和壓強(qiáng)一定的情況下，壓強(qiáng)和氣體體積成反比。根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)測出反應(yīng)前后的溫度和壓強(qiáng)的變化值，進(jìn)行計(jì)算即可得出氣體變化的體積。

四、實(shí)驗(yàn)步驟

步驟一：連接儀器檢查裝置氣密性。

步驟二：打開溫度壓強(qiáng)控制程序，將溫度壓強(qiáng)傳感器與橡膠塞連接密封。放入錐形瓶內(nèi)5分鐘，待溫度和壓強(qiáng)示數(shù)穩(wěn)定后記錄初始數(shù)據(jù)，初始溫度為26.09℃，壓強(qiáng)為99.97 kPa（避免因傳感器自身通電后受熱引起的溫度變化造成實(shí)驗(yàn)誤差）。

步驟三：將5.0 g鐵粉和0.1 g碳粉混合均勻后裝入錐形瓶中，滴入10滴左右氫氧化鈉溶液和氯化鈉溶液，迅速塞上橡膠塞，開啟監(jiān)測系統(tǒng)（見圖1）。

步驟四：待溫度和壓強(qiáng)示數(shù)趨于穩(wěn)定后，將程序中的溫度壓強(qiáng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出并繪制成折線圖。

五、結(jié)果分析

在操作過程中，鐵粉反應(yīng)的時間大概在15～16分鐘左右。數(shù)據(jù)按照每1秒返回一次，共測得溫度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)各1051個，剔除無效數(shù)據(jù)后。按照每20個數(shù)據(jù)求平均值共得50組數(shù)據(jù)，將50組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到下圖2和圖3。

在實(shí)驗(yàn)開始前，傳感器放在錐形瓶內(nèi)5分鐘，防止因傳感器自身受熱導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差。起初鐵粉反應(yīng)較慢，溫度上升較慢，隨著鐵粉發(fā)熱以后反應(yīng)速度越來越快，在第20組數(shù)據(jù)左右，溫度達(dá)到最大值34.465℃。此時錐形瓶的氧氣被消耗完，由于錐形瓶未做保溫措施，故溫度開始下降。到室溫26.072℃趨于穩(wěn)定。

在實(shí)驗(yàn)開始后，鐵粉放熱，瓶內(nèi)氣體減少。溫度在緩慢上升，但是壓強(qiáng)幾乎不變，在第13組數(shù)據(jù)開始，溫度和壓強(qiáng)都迅速上升。在第20組數(shù)據(jù)左右，壓強(qiáng)達(dá)到最大值123.49kPa。隨后溫度下降，壓強(qiáng)迅速下降至80.02kPa并趨于穩(wěn)定。

我們?nèi)囟群蛪簭?qiáng)的初始值和最終穩(wěn)定值進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT（P代表壓強(qiáng)、V代表體積、n表示物質(zhì)的量，R為常數(shù)，T代表溫度）。將表格數(shù)據(jù)帶入分別可得：

P×V=n×R×T（起始狀態(tài)）??? ①

P×V=n×R×T（終止?fàn)顟B(tài)）??? ②

P×V=n×R×T（若終止?fàn)顟B(tài)溫度和壓強(qiáng)不變）??? ③

則消耗氣體的體積占總氣體體積的19.95%，與教材中數(shù)據(jù)21%相比偏小。分析其原因：

①傳感器自身通電后會產(chǎn)生熱量，造成溫度測定有一定誤差，錐形瓶未做保溫措施，無法精確地恢復(fù)到原來的溫度進(jìn)行測定。若是忽略溫度的變化代入數(shù)據(jù)測得變化量為19.90%。

②錐形瓶內(nèi)有液體存在，會使得一部分氧氣溶解在水中，造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差。

針對上述問題，今后可做適當(dāng)改進(jìn)繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

六、結(jié)語

利用傳感器技術(shù)測定空氣中氧氣含量，可以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。當(dāng)前數(shù)字傳感已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個學(xué)科及各個領(lǐng)域，化學(xué)作為一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，更加注重數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性，因此，普及和大力發(fā)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)具有潛在意義。

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