基于信息技術(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與開發(fā)

張守秋 劉芳 劉斌

◆摘? 要：在各學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通常會(huì)接觸到標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，但很多時(shí)候我們需要對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)母难b，以適用于隨時(shí)變動(dòng)的實(shí)驗(yàn)需求。本文以氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)裝置為例，利用信息技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與開發(fā)，以解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的一些客觀問題。氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)需要制取和驗(yàn)證氨的相關(guān)性質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)：反應(yīng)物用量和生成物生成量不易精確控制;反應(yīng)時(shí)需加入多種藥品，且需要精準(zhǔn)控制加入的量和速度;有些藥品腐蝕性較強(qiáng)，有一定的安全隱患;實(shí)驗(yàn)時(shí)頻繁、重復(fù)進(jìn)行操作，浪費(fèi)師生大量的時(shí)間和精力。而以上問題，使用信息技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，利用傳感器精準(zhǔn)檢測(cè)，解決了精準(zhǔn)控制、藥品用量大、操作復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)安全的問題。

◆關(guān)鍵詞：信息技術(shù);噴泉實(shí)驗(yàn);自動(dòng)化;負(fù)壓法

一、研究背景

在氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)室制取氨氣時(shí)有以下三種常用的制取方法：

（一）Ca（OH）2和NH3Cl混合加熱制取;

（二）將濃氨水加入到NaOH固體或CaO固體中制取;

（三）直接加熱濃氨水制取。

經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)以上三種制取方法存在一些不足的地方。方法一，反應(yīng)物和生成物的量不易精確控制，實(shí)驗(yàn)中需要加熱，裝置復(fù)雜;方法二，需要加入多種化學(xué)藥品，還要精準(zhǔn)控制濃氨水滴加的量和速度，所用藥品的腐蝕性較強(qiáng)，有一定的安全隱患;方法三，需要加熱，裝置過于復(fù)雜，氨氣的產(chǎn)生速率不易精準(zhǔn)控制。

基于以上分析和反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們發(fā)現(xiàn)用負(fù)壓法制取、收集氨氣，不會(huì)浪費(fèi)過多的實(shí)驗(yàn)藥品，不會(huì)產(chǎn)生過多的實(shí)驗(yàn)廢棄物，還能夠精確控制氣體的制取量和速率，在簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置和操作的同時(shí)，降低了潛在的安全隱患，實(shí)驗(yàn)時(shí)制取氣體的時(shí)間短，效率高。

二、組成及工作原理

（一）裝置組成

本項(xiàng)目中的實(shí)驗(yàn)裝置分為四個(gè)部分，制氣裝置、集氣裝置、檢驗(yàn)裝置、自動(dòng)化控制裝置。

制氣裝置由2個(gè)抽氣泵和1個(gè)小試管或錐形瓶組成，小試管或錐形瓶用于裝濃氨水;

集氣裝置為圓底燒瓶，用于收集產(chǎn)和的氨氣，可以根據(jù)氨氣的需求量，增加或減少圓底燒瓶的數(shù)量;

檢驗(yàn)裝置由1個(gè)小燒杯和1個(gè)導(dǎo)電性傳感器組成;

自動(dòng)化控制裝置由1塊Arduino Nano單片機(jī)開發(fā)板、1塊LCD1602顯示屏、1個(gè)繼電器、1個(gè)控制按鈕組成。

實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1（其中橙色線為導(dǎo)線），制取氣體時(shí)在錐形瓶中加入濃氨水，濃氨水可以多次利用，直到不能制取氨氣為止，濃氨水不會(huì)被浪費(fèi)。

（二）工作原理

在實(shí)驗(yàn)制取氣體時(shí)，用抽氣泵將錐形瓶中的空氣抽出，形成負(fù)壓，減小氨氣在水中的溶解度，氨氣不斷析出，且利用壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響，減小壓強(qiáng)促使平衡向生成氣體的方向移動(dòng)，一水合氨分解為水分子和氨氣分子，氨氣不斷從濃氨水中析出，形成大量的氣泡。

產(chǎn)生的氨氣經(jīng)導(dǎo)管進(jìn)入圓底燒瓶，排出空氣，進(jìn)入到檢驗(yàn)端，檢驗(yàn)端的小燒杯內(nèi)裝有蒸餾水，蒸餾水導(dǎo)電性很弱，當(dāng)氨氣進(jìn)入到蒸餾水中時(shí)生成NH3·H2O，NH3·H2O會(huì)電離生成NH4+和OH-，溶液的導(dǎo)電性會(huì)隨著NH4+和OH-總量的增加而增強(qiáng)。而電導(dǎo)率傳感器會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)溶液的導(dǎo)電性，當(dāng)檢驗(yàn)端的導(dǎo)電率數(shù)值上升到設(shè)置的預(yù)期值時(shí)，此時(shí)集氣裝置中的氣體純度較理想，收集的氣體可以用于實(shí)驗(yàn)使用。此時(shí)自動(dòng)化控制裝置斷開抽氣泵的電源，制取氣體結(jié)束。

三、制作過程

（一）用PVC塑料板制作一個(gè)長(zhǎng)35CM、寬10CM、高30CM的框架，在距底面高度25CM的處安裝一塊長(zhǎng)35CM寬10CM的橫向支架，并在橫向支架上平均分布開3個(gè)直徑3.5CM的圓孔，用于擺放集氣裝置，在背板距底端4CM、距左邊14CM處開一個(gè)直徑2CM的圓孔用于連接電源，如圖2、圖3所示。

（二）將兩個(gè)串聯(lián)的抽氣泵安裝固定在左側(cè)擋板距橫向支架2.5CM處，用硅膠管將試管或錐形瓶與抽氣泵的進(jìn)氣口連接，組成氣體發(fā)生裝置，如圖4所示。

（三）將燒瓶放置在橫向支架上，用硅膠管連接抽氣泵出氣口，作為集氣裝置，根據(jù)收集氣體的需求量安裝燒瓶，如圖5所示。

（四）加工組裝自動(dòng)化控制裝置，編寫代碼，調(diào)試功能正常后，集成安裝在一個(gè)長(zhǎng)10CM寬5CM高6.5CM的長(zhǎng)方體木盒中，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖6，外觀圖如圖7。

（五）將電導(dǎo)率傳感器連接到自動(dòng)化裝置，并放入裝有蒸餾水的小燒杯中，同時(shí)將尾氣導(dǎo)管置于導(dǎo)管，作為檢驗(yàn)裝置，最終成品圖參照?qǐng)D1。

四、使用方法

（一）實(shí)驗(yàn)開始前，接通電源（5V或9V電源都可以），連接好裝置，檢查裝置氣密性，確保裝置氣密性良好。

（二）在小試管或錐形瓶中加入適量濃氨水，在檢驗(yàn)端小燒杯中裝入40ml蒸餾水，將電導(dǎo)率傳感器置于小燒杯中，液晶屏上顯示蒸餾水的導(dǎo)電率數(shù)值和“Ready！”字樣，表示裝置已就緒。

（三）將尾氣導(dǎo)管放入小燒杯中，點(diǎn)擊控制裝置的按鈕，液晶屏顯示“Doing！”，表示裝置正在工作，控制裝置打開氣泵的電源制取氨氣，我們可以觀察到錐形瓶中有大量的氣泡產(chǎn)生，說明有大量氨氣生成，氨氣進(jìn)入到圓底燒瓶中，排出空氣，進(jìn)入到檢驗(yàn)端，溶液的導(dǎo)電率開始上升，液晶屏顯示的數(shù)值不斷增大。當(dāng)數(shù)值達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，控制裝置自動(dòng)斷開氣泵的電源，停止制取氨氣，液晶屏顯示“Stop！”。

（四）氣體抽取結(jié)束后，關(guān)閉各個(gè)容器的止水夾，收集到的氨氣即可用于噴泉實(shí)驗(yàn)。

（五）斷開電源，清洗實(shí)驗(yàn)儀器，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的裝置一體化、自動(dòng)化，所以我們只須清洗集氣瓶和小燒杯。

五、該項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)

（一）利用負(fù)壓法制氣，實(shí)現(xiàn)裝置自動(dòng)化，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置和操作，降低實(shí)驗(yàn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)，提高實(shí)驗(yàn)效率、成功率和安全性。

（二）實(shí)現(xiàn)氣體制取量和速率的精準(zhǔn)控制，達(dá)到定速、定量制取氣體的目的。

（三）利用開源硬件初步開發(fā)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)從定性分析到定量分析的跨躍。

（四）綠色環(huán)保，不浪費(fèi)過多的實(shí)驗(yàn)藥品和產(chǎn)生過多的實(shí)驗(yàn)廢物。

（五）本項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)裝置除了制取氨氣外還可以擴(kuò)展應(yīng)用于濃鹽酸制取HCl氣體。

（六）基于STEAM教育理念，用開源硬件和信息技術(shù)融合于學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，啟發(fā)教師和學(xué)生的創(chuàng)新思維，并將這些思想、理念拓展應(yīng)用到其它學(xué)科實(shí)驗(yàn)中。

六、總結(jié)

使用該實(shí)驗(yàn)裝置制取氨氣進(jìn)行噴泉實(shí)驗(yàn)，減輕了實(shí)驗(yàn)人員準(zhǔn)備藥品、器材的負(fù)擔(dān)，減小了藥品的用量，避免了腐蝕性的藥品，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)的操作，降低了實(shí)驗(yàn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)，縮短了氣體制備的時(shí)間。實(shí)現(xiàn)了教師演示實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的可能，讓學(xué)生全面的參與到實(shí)驗(yàn)中來。同時(shí)在為學(xué)生爭(zhēng)取到了更多的觀察、分析、探究實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，幫助學(xué)生建立學(xué)科知識(shí)間的聯(lián)系。

參考文獻(xiàn)

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