氣體摩爾體積實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

黃云鵬 陳劍峰 李宇倩

摘要：利用智能手機(jī)、ESP32芯片和BME280溫濕度/大氣壓強(qiáng)傳感器模塊組合測(cè)試裝置分別定量探究并測(cè)得同種氣體的體積與物質(zhì)的量的關(guān)系以及相同物質(zhì)的量的不同種氣體的體積。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，得到氣體摩爾體積。該組合測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，現(xiàn)象直觀，數(shù)據(jù)相對(duì)誤差較小，應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中可以培養(yǎng)學(xué)生的定量探究意識(shí)，改變課堂教學(xué)方式，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：氣體摩爾體積測(cè)定；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；實(shí)驗(yàn)探究；傳感器模塊

文章編號(hào)：10056629（2023）06006404中圖分類號(hào)：G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確提出：要重視實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，多開(kāi)展以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和定量實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，充分發(fā)揮化學(xué)實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特價(jià)值。注重發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的作用，積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的深度融合，促進(jìn)教師教學(xué)方式和學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究、創(chuàng)新意識(shí)和跨學(xué)科綜合能力^［1］。

1 問(wèn)題的提出

氣體摩爾體積為概念性知識(shí)，較為抽象，是構(gòu)成物質(zhì)的量概念群組中不可缺少的要素，在化學(xué)、物理教學(xué)中都有涉及。查閱多種版本教材，人教版教材直接給出1mol物質(zhì)體積大??；上科版、蘇教版、魯科版教材均是通過(guò)給定的摩爾質(zhì)量和密度計(jì)算1mol物質(zhì)的體積并得出結(jié)論。幾個(gè)版本教材都沒(méi)有通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究和測(cè)定氣體摩爾體積，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，不利于對(duì)抽象概念的理解。

用“氣體摩爾體積”關(guān)鍵詞在知網(wǎng)等數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，共檢索出20篇論文，其中涉及“氣體摩爾體積測(cè)定”僅有5篇。如上海洋涇中學(xué)的王洋老師經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一套操作較簡(jiǎn)便、精確度較高的裝置，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程有趣，實(shí)驗(yàn)誤差較小^［2］；上海五愛(ài)高級(jí)中學(xué)的李嘉老師借用保鮮盒作為容器，利用智能手機(jī)的氣壓測(cè)量功能，間接測(cè)定了氣體摩爾體積^［3］。上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)雖然有所改進(jìn)，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程沒(méi)有測(cè)量溫度，“等溫”條件難以控制。蘇大附中的盧苗苗老師利用注射器往密閉容器添加溶液，利用朗威的壓強(qiáng)傳感器和溫度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出了氣體摩爾體積^［4］。但利用教學(xué)傳感器測(cè)量壓強(qiáng)成本較高，普及困難，通過(guò)注射器將溶液壓進(jìn)密閉容器，實(shí)驗(yàn)時(shí)整體壓強(qiáng)會(huì)發(fā)生突變，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)均不好控制實(shí)驗(yàn)條件的恒定。另外，檢索到的改進(jìn)儀器一般均是單組測(cè)定實(shí)驗(yàn)，無(wú)法定量探究同種氣體的體積與物質(zhì)的量的關(guān)系或相同物質(zhì)的量的不同氣體的體積。

智能手機(jī)集成了多種傳感器，能通過(guò)藍(lán)牙外接各類傳感器，有著很大的數(shù)字化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的潛力^［5］。本文利用GYBME280溫濕度/大氣壓傳感器模塊和ESP32芯片自制了低成本的掌上實(shí)驗(yàn)室。利用藍(lán)牙通信，在Phyphox editor編輯的實(shí)驗(yàn)專用APP上實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)解決了現(xiàn)有教學(xué)傳感器連線繁雜的問(wèn)題。自制多口瓶及雙Y型管反應(yīng)容器，避免了注射器加液對(duì)系統(tǒng)壓強(qiáng)的影響，還可以連續(xù)進(jìn)行多組對(duì)照實(shí)驗(yàn)。通過(guò)注射器抽水來(lái)控制壓強(qiáng)與溫度的恒定，間接測(cè)量產(chǎn)生氣體的體積，探究同種氣體的體積與物質(zhì)的量的關(guān)系以及相同物質(zhì)的量的不同氣體的體積，并通過(guò)換算得到氣體摩爾體積。掌上實(shí)驗(yàn)室的傳感器制作成本低（無(wú)線傳感器成本59元），十分有利于在教學(xué)實(shí)踐中推廣。

2 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與制作

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置制作材料

ESP32芯片、電路板、GYBME280溫濕度/大氣壓強(qiáng)傳感器模塊、0.96寸OLED液晶顯示模塊、帶插針7號(hào)1節(jié)電池盒、3.2V磷酸鋰電池、帶側(cè)支的四口螺口瓶、螺口緩沖瓶、螺口加料瓶（帶上下側(cè)支）、Y型管、Y型三通、磁鐵、3D打印的磁鐵固定卡環(huán)

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)介紹

2.2.1 傳感器系統(tǒng)的搭建

流程如圖1所示。

大氣壓/溫度采集系統(tǒng)由GYBME280溫濕度/大氣壓強(qiáng)傳感器模塊和ESP32芯片組建，可通過(guò)OLED液晶屏幕直接顯示數(shù)據(jù)。利用Phyphox editor編輯實(shí)驗(yàn)專用APP軟件，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，增加記錄按鈕記錄數(shù)據(jù)。

2.2.2 器械部分制作過(guò)程

由于氣體容易被壓縮，分組實(shí)驗(yàn)難以控制實(shí)驗(yàn)條件（多次開(kāi)蓋、組裝膠管等會(huì)影響系統(tǒng)的初始?jí)簭?qiáng)），因而設(shè)計(jì)四口瓶作為實(shí)驗(yàn)連續(xù)發(fā)生裝置。將3D打印的環(huán)形配件卡在瓶蓋內(nèi)側(cè)，用細(xì)線將磁鐵和環(huán)形固定環(huán)固定，使用兩塊磁鐵隔著瓶蓋將反應(yīng)物夾在中間固定反應(yīng)物，移開(kāi)上方磁鐵，蓋內(nèi)的磁鐵和反應(yīng)物同時(shí)掉落，蓋內(nèi)磁鐵被細(xì)線吊著，如圖2所示，反應(yīng)物掉落瓶?jī)?nèi)溶液中，可實(shí)現(xiàn)不開(kāi)蓋連續(xù)進(jìn)行多組反應(yīng)。還可以選擇Y型管作為反應(yīng)容器，方便“液+液”“液+固體粉末”的反應(yīng)。

將自制無(wú)線測(cè)壓、測(cè)溫傳感器裝入數(shù)據(jù)采集瓶中，實(shí)時(shí)測(cè)量體積和溫度數(shù)據(jù)，無(wú)線小體積傳感器解決了現(xiàn)有傳感器連線過(guò)多妨礙實(shí)驗(yàn)操作等問(wèn)題。

利用注射器和排液瓶設(shè)計(jì)的氣體體積測(cè)量裝置，實(shí)驗(yàn)時(shí)利用針筒抽水，調(diào)控裝置內(nèi)壓強(qiáng)恒定（觀察實(shí)時(shí)溫度、壓強(qiáng)數(shù)據(jù)），反應(yīng)停止后，同溫同壓下，讀取針筒中液體的體積，即為發(fā)生裝置內(nèi)產(chǎn)生氣體的體積。也可以根據(jù)實(shí)際氣體產(chǎn)生量的大小改裝排液測(cè)量裝置：當(dāng)產(chǎn)生氣體體積大時(shí)，可使用大的針筒或使用多管道同時(shí)接多個(gè)針筒；當(dāng)氣體體積小時(shí)，可將裝液瓶更換成移液管與小針筒連接。

2.3 裝置整體圖

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3、圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1 實(shí)驗(yàn)一 探究同種氣體的體積與物質(zhì)的量的關(guān)系

3.1.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 閉合傳感器的開(kāi)關(guān)，將傳感器放入數(shù)據(jù)采集瓶中，蓋上蓋子；

（2） 在四口瓶中裝入過(guò)量的稀硫酸，用電子天平稱量4份等質(zhì)量的鋅片，利用兩磁鐵將鋅片夾在瓶蓋內(nèi)側(cè)，蓋好蓋子；

（3） 排液瓶中裝入適量的水，用膠管將其與注射器相連，排盡連接管內(nèi)的空氣，將注射器推動(dòng)到底端；

（4） 打開(kāi)phyphox實(shí)驗(yàn)專用軟件，利用藍(lán)牙連接檢測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)顯示溫度和壓強(qiáng)值；

（5） 抽動(dòng)注射器活塞，固定在某一位置，觀察壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，檢測(cè)裝置氣密性（壓強(qiáng)不變則氣密性良好）；

（6） 將注射器活塞推到底部，移開(kāi)瓶蓋上的磁鐵（蓋內(nèi)的磁鐵掉落，被細(xì)線懸空吊著），將第一塊鋅片釋放，反應(yīng)產(chǎn)生氣體，通過(guò)緩緩抽動(dòng)注射器活塞，保持瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)恒定；

（7） 反應(yīng)完成，待瓶?jī)?nèi)溫度和壓強(qiáng)分別與反應(yīng)前的溫度和壓強(qiáng)一樣時(shí)，記錄注射器內(nèi)水的體積，即為發(fā)生裝置內(nèi)產(chǎn)生的氣體體積。

（8） 分別釋放另外三塊鋅片，重復(fù)以上操作，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（9） 分析數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理如表1和圖5所示。

3.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

同溫同壓下，同種氣體的體積與物質(zhì)的量成正比，即V∝n。

3.2 實(shí)驗(yàn)二 探究相同物質(zhì)的量的不同氣體的體積

3.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 閉合傳感器的開(kāi)關(guān)，將傳感器放入數(shù)據(jù)采集瓶中，蓋上蓋子；

（2） 在一組Y型管的側(cè)支分別裝入等物質(zhì)的量的碳酸鈉和鋅片，另一側(cè)支分別加入過(guò)量的稀硫酸；

（3） 排液瓶中裝入適量的水，用膠管將其與注射器相連（可用多通并聯(lián)多個(gè)小規(guī)格注射器，提高測(cè)量體積的精度，本實(shí)驗(yàn)并聯(lián)兩個(gè)30mL的注射器），排盡連接管內(nèi)的空氣，將注射器推動(dòng)到底端；

（4） 打開(kāi)phyphox實(shí)驗(yàn)專用軟件，利用藍(lán)牙連接檢測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)顯示溫度和壓強(qiáng)值；

（5） 抽動(dòng)注射器活塞，固定在某一位置，觀察并記錄壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，檢測(cè)裝置氣密性（壓強(qiáng)不變則氣密性良好）；

（6） 將注射器活塞推到底部，傾斜裝碳酸鈉的Y型管，稀硫酸流入裝碳酸鈉的側(cè)支，反應(yīng)產(chǎn)生氣體，通過(guò)緩緩抽動(dòng)注射器活塞，保持瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)恒定；

（7） 反應(yīng)完成，待瓶?jī)?nèi)溫度和壓強(qiáng)與初始?jí)簭?qiáng)一樣時(shí)，記錄注射器內(nèi)水的體積，即為發(fā)生裝置內(nèi)產(chǎn)生CO₂氣體的體積；

（8） 傾斜裝鋅片的Y型管，重復(fù)以上操作，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（9） 分析數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

同溫同壓下，相同物質(zhì)的量的不同氣體體積相等。

3.3 測(cè)量氣體摩爾體積

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，計(jì)算出1mol氣體的體積V₁=24.95L/mol

p₁=100.696kPa

t₁=33.36℃

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，計(jì)算出1mol氣體的體積V₂=25.50L/mol

p₂=100.781kPa

t₂=34.13℃

由理想氣體方程pV=nRT可得：

換算標(biāo)況下（273.15K，101kPa）的氣體摩爾體積：

（T_m、 p_m、 V_m分別代表氣體在標(biāo)況下的溫度、壓強(qiáng)和摩爾體積）

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目利用自制組合測(cè)試裝置為高中化學(xué)的實(shí)驗(yàn)探究提供了有利條件，推進(jìn)了課堂教學(xué)方式的改變和學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從“讀化學(xué)”“聽(tīng)化學(xué)”向“做化學(xué)”“探究化學(xué)”的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了學(xué)生合作交流和個(gè)性發(fā)展，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性。掌上實(shí)驗(yàn)室可以準(zhǔn)確地采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具備函數(shù)處理功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)和信息技術(shù)的融合，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生數(shù)圖結(jié)合能力、發(fā)展定量思維、提升綜合分析能力起到關(guān)鍵作用。借用掌上實(shí)驗(yàn)室中數(shù)字傳感器的設(shè)計(jì)，融合化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)和信息技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)，滲透STEM教育，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究、創(chuàng)新意識(shí)和跨學(xué)科綜合能力和素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國(guó)教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［S］. 北京：人民教育出版社，2020.

［2］王洋. 氣體摩爾體積測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］. 化學(xué)教學(xué)，2019， （8）：69～71.

［3］李嘉. 智能手機(jī)在氣體摩爾體積測(cè)定實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］. 化學(xué)教育（中英文），2020， （11）：98～100.

［4］盧苗苗. 氣體摩爾體積測(cè)定的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］. 化學(xué)教學(xué)，2021， （5）：72～76.

［5］陳劍峰. 基于ESP32與Phyphox的多功能振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)［J］. 物理教師，2022，43（8）：49～51.