利用傳感器測(cè)定氣體摩爾體積

馬雄雄

摘要：? 基于Arduino平臺(tái)，在氣體體積測(cè)定裝置中引入BME 280（溫度、壓強(qiáng)、濕度）傳感器以及微型潛水泵，改進(jìn)后的裝置能獲取實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度、壓強(qiáng)、濕度的數(shù)據(jù)以外，還可以在添加相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)試劑后自動(dòng)完成氣體體積的測(cè)定。利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置分別測(cè)定反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣和壓縮罐釋放的丁烷氣體體積，比較測(cè)定值與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的差異，分析水溶液反應(yīng)制取氣體時(shí)產(chǎn)生的水蒸氣和排水法產(chǎn)生的水蒸氣對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，為學(xué)生進(jìn)一步改進(jìn)和完善實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：? 氣體摩爾體積； 傳感器測(cè)定； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 1005-6629（2024）05-0071-04

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，鼓勵(lì)教師運(yùn)用信息技術(shù)提高課堂教學(xué)效率和質(zhì)量，強(qiáng)化信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)的深度融合，將信息技術(shù)適時(shí)引入到化學(xué)教學(xué)中，開(kāi)展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，重視實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力［1］。將信息技術(shù)引入到化學(xué)教學(xué)中，除了使用pH、電導(dǎo)率、色度、濁度、壓強(qiáng)等傳感器測(cè)定/表征實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以外，還可以利用數(shù)據(jù)處理器對(duì)傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過(guò)外部接口進(jìn)行反饋。上海市教委教研室徐睿老師提出，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不僅僅停留在數(shù)據(jù)獲取，而且可以輸出一定的信號(hào)來(lái)控制馬達(dá)、揚(yáng)聲器、LED、位數(shù)顯示管等外圍設(shè)備；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)從“輸入”時(shí)代發(fā)展為“輸入”和“輸出”相結(jié)合的過(guò)程，豐富了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呈現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)條件的自動(dòng)化控制［2］。氣體摩爾體積的測(cè)定在多本教材中都沒(méi)有安排實(shí)驗(yàn)［3］，在上海市普通高中教科書(shū)必修第一冊(cè)中，測(cè)定氣體摩爾體積是一個(gè)項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)［4］，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定與記錄，與“1mol任何氣體在273K和101kPa時(shí)約為22.4L”進(jìn)行比較，簡(jiǎn)單分析偏差并需要思考如何消除水的飽和蒸氣壓對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

該實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，教材選擇的是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，能快速準(zhǔn)確地進(jìn)行氣體體積測(cè)定，其裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便（如圖1所示），但實(shí)驗(yàn)中受裝置體積大小及設(shè)備使用等因素的影響，沒(méi)有具體說(shuō)明如何測(cè)定實(shí)驗(yàn)的大氣壓強(qiáng)、溫度等數(shù)據(jù)，也沒(méi)有提示如何測(cè)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中飽和蒸氣壓的變化，因此本研究將在實(shí)驗(yàn)裝置中引入溫度、壓強(qiáng)、濕度等傳感器對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化改進(jìn)，增加實(shí)驗(yàn)中氣體濕度變化等數(shù)據(jù)，從而補(bǔ)充學(xué)生分析飽和蒸氣壓對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的依據(jù)，為學(xué)生思考如何消除飽和蒸氣壓的影響時(shí)能做出準(zhǔn)確、合理的判斷，避免出現(xiàn)偏離實(shí)驗(yàn)實(shí)際，使測(cè)定數(shù)據(jù)過(guò)于理想化等情況。

本實(shí)驗(yàn)嘗試?yán)肁rduino平臺(tái)，引入BME280（溫度、壓強(qiáng)、濕度傳感器）、5V微型潛水泵、LCD顯示器等裝置，對(duì)氣體體積測(cè)定裝置進(jìn)行數(shù)字化改進(jìn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置不僅可以顯示實(shí)驗(yàn)條件下的溫度與壓強(qiáng)，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中氣體的濕度變化，還可以基于實(shí)驗(yàn)時(shí)裝置內(nèi)的壓強(qiáng)變化由Arduino通過(guò)控制微型潛水泵主動(dòng)排水，自動(dòng)平衡裝置內(nèi)的壓強(qiáng)。

在氣體體積測(cè)定的實(shí)驗(yàn)裝置中引入BME280傳感器能快速準(zhǔn)確地測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)處理器反饋外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化進(jìn)行，提升實(shí)驗(yàn)和教學(xué)的效率和質(zhì)量。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置為學(xué)生展示數(shù)據(jù)測(cè)定、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)反饋等創(chuàng)新研究中的一些手段和方式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1? 實(shí)驗(yàn)原理

1.1? Arduino簡(jiǎn)介

Arduino是一款開(kāi)源電子原型平臺(tái)，包含硬件（各種型號(hào)的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。硬件部分可以用來(lái)做電路連接的Arduino電路板，軟件部分可以編寫(xiě)程序代碼。Arduino能通過(guò)各種傳感器感知環(huán)境，通過(guò)控制燈光、馬達(dá)和其他裝置來(lái)反饋、影響環(huán)境。

1.2? 實(shí)驗(yàn)裝置工作原理

排水法測(cè)定氣體體積的原理是實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后產(chǎn)生的氣體會(huì)使裝置內(nèi)的壓強(qiáng)增大，從而使水排出儲(chǔ)液裝置，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后需要調(diào)節(jié)裝置內(nèi)外的壓強(qiáng)。

在數(shù)字化改進(jìn)后的氣體體積測(cè)定裝置中，Arduino通過(guò)程序監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)的壓強(qiáng)變化，并通過(guò)控制微型潛水泵主動(dòng)向外排水，使裝置內(nèi)外始終保持壓強(qiáng)平衡。其工作原理是Arduino每秒都會(huì)獲取BME 280傳感器的數(shù)據(jù)（溫度、壓強(qiáng)、濕度），監(jiān)測(cè)壓強(qiáng)的變化，并通過(guò)LCD液晶顯示屏不斷輸出初始?jí)簭?qiáng)、溫度與濕度數(shù)據(jù)。當(dāng)裝置與大氣相連時(shí)，對(duì)Arduino進(jìn)行通電后，程序?qū)⒆x取的第一個(gè)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)定義為“初始?xì)鈮骸?，之后程序讀取的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)都將與“初始?jí)簭?qiáng)”進(jìn)行比較；當(dāng)裝置密封后，若裝置內(nèi)氣體增加時(shí)壓強(qiáng)增大，Arduino通過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)拓展板控制微型潛水泵向外排水，使容器內(nèi)壓強(qiáng)降低；當(dāng)容器內(nèi)的壓強(qiáng)降低至“初始?jí)簭?qiáng)”后，停止向外排水。當(dāng)裝置中不再有氣體產(chǎn)生且微型潛水泵不再向外排水后，通過(guò)電子秤稱量排出的水的質(zhì)量并換算得出產(chǎn)生氣體的體積。

1.3? 實(shí)驗(yàn)裝置的程序流程圖

數(shù)字化改進(jìn)后的氣體體積裝置中，Arduino工作的程序流程圖，如圖2所示。

2? 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與制作

2.1? 實(shí)驗(yàn)材料

2.1.1? 實(shí)驗(yàn)裝置制作的材料

Arduino UNO開(kāi)發(fā)板，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)拓展板，BME 280（溫度、壓強(qiáng)、濕度傳感器），5V微型潛水泵，零壓力單向閥，電子秤，電子天平，LCD液晶顯示屏，Y型試管，燒杯，橡膠管，玻璃管等

2.1.2? 實(shí)驗(yàn)藥品

3mol·L-1 H2SO4，金屬鎂，高純度丁烷（小號(hào)氣罐儲(chǔ)存）

2.2? 實(shí)驗(yàn)裝置圖

利用數(shù)字化改進(jìn)后的氣體體積測(cè)定裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如若測(cè)定一定量的鎂條和足量稀硫酸反應(yīng)制取氫氣的體積時(shí)，可以將反應(yīng)物裝入Y型試管中，通過(guò)精確稱量鎂的質(zhì)量從而換算得出產(chǎn)生氫氣的物質(zhì)的量，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定產(chǎn)生氫氣的體積，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。如若使用儲(chǔ)氣罐測(cè)定氣體的體積時(shí)，通過(guò)釋放高純度的丁烷氣體，稱量高純度丁烷儲(chǔ)氣罐實(shí)驗(yàn)前后的質(zhì)量差得出釋放丁烷的物質(zhì)的量，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定產(chǎn)生丁烷的體積，其裝置如圖4所示。

3? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1? 實(shí)驗(yàn)一? 氫氣的氣體體積測(cè)定

3.1.1? 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 按圖3連接好實(shí)驗(yàn)裝置，檢驗(yàn)氣密性；

（2） 在儲(chǔ)液瓶及排液裝置中加入一定量水，并排盡導(dǎo)管內(nèi)的氣體；

（3） 取一段鎂條，用砂紙打磨掉氧化層，精確稱量鎂條質(zhì)量（約0.120g左右）并記錄質(zhì)量；

（4） 把稱量好的鎂條放入Y型試管的一端；

（5） 小心地向Y型試管的另一端中注入過(guò)量的稀硫酸（濃度3mol·L-1， 3～4mL）；

（6） 塞緊Y型試管上的橡皮塞；

（7） 打開(kāi)Arduino UNO開(kāi)發(fā)板的電源，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)始工作；

（8） 旋轉(zhuǎn)三通閥，使裝置密封且使Y型試管與儲(chǔ)液瓶連通；

（9） 傾斜Y型試管，使稀硫酸與鎂條接觸，反應(yīng)開(kāi)始；

（10） 待反應(yīng)結(jié)束，讀取溫度、壓強(qiáng)、濕度數(shù)據(jù)以及排出水的質(zhì)量。

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

連續(xù)進(jìn)行8次實(shí)驗(yàn)，所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前由于濕度變化較為明顯，選擇在傳感器測(cè)定的濕度相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，記錄實(shí)驗(yàn)前濕度并開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將依據(jù)克拉伯龍方程計(jì)算在實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度、壓強(qiáng)下，實(shí)驗(yàn)取用的一定量鎂條反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣體積的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，記錄在表格“文獻(xiàn)數(shù)據(jù)”中，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的氫氣體積明顯大于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)；考慮到實(shí)驗(yàn)前后裝置內(nèi)的氣體濕度變化，將20℃時(shí)水的飽和蒸氣壓（2.34kPa）的誤差引入后，再計(jì)算實(shí)驗(yàn)取用的鎂條在20℃下、濕度為100%時(shí)氫氣的體積，記錄在表格“文獻(xiàn)數(shù)據(jù)*”中。可以發(fā)現(xiàn)在引入濕度因素后，實(shí)驗(yàn)測(cè)定值與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)更為接近。

由此可以確定，利用鎂條和稀硫酸制取氫氣并測(cè)定產(chǎn)生氫氣的體積時(shí)，需要引入濕度因素對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行修正。

3.2? 實(shí)驗(yàn)二? 丁烷的氣體體積測(cè)定

3.2.1? 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 按圖4連接好實(shí)驗(yàn)裝置，檢驗(yàn)氣密性；

（2） 在儲(chǔ)液瓶及排液裝置中加入一定量水，并排盡導(dǎo)管內(nèi)的氣體；

（3） 用電子天平準(zhǔn)確稱量高純度丁烷儲(chǔ)氣罐的質(zhì)量并記錄；

（4） 打開(kāi)Arduino UNO開(kāi)發(fā)板的電源，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)始工作；

（5） 逐步釋放高純度丁烷儲(chǔ)氣罐中的丁烷氣體；

（6） 當(dāng)觀察到排出水的體積約為120mL時(shí)，停止釋放丁烷氣體；

（7） 取下儲(chǔ)氣罐，用電子天平稱量釋放丁烷氣體后的儲(chǔ)氣罐質(zhì)量并記錄；

（8） 讀取溫度、壓強(qiáng)、濕度數(shù)據(jù)以及排出水的質(zhì)量。

3.2.2? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析

連續(xù)進(jìn)行8次實(shí)驗(yàn)，所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

實(shí)驗(yàn)前選擇濕度相對(duì)穩(wěn)定后，記錄實(shí)驗(yàn)前的濕度并開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中釋放出壓縮罐中的丁烷氣體后裝置中濕度降低，當(dāng)丁烷不再釋放后裝置也停止向外排水，在停止釋放壓縮罐中的丁烷氣體后記錄裝置內(nèi)的濕度。依據(jù)克拉伯龍方程計(jì)算在實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度、壓強(qiáng)下，釋放出的丁烷氣體的體積在沒(méi)有引入濕度進(jìn)行修正時(shí)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近。對(duì)比實(shí)驗(yàn)前后的濕度變化，由于釋放儲(chǔ)氣罐中的丁烷氣體不含水蒸氣，氣體總量擴(kuò)大使混合氣體的濕度降低，因此利用壓縮罐測(cè)定丁烷的氣體體積時(shí)，若在短時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，儲(chǔ)液瓶中水蒸氣的揮發(fā)對(duì)氣體體積測(cè)定影響較小。

3.3? 實(shí)驗(yàn)三? 儲(chǔ)液瓶上方氣體濕度變化的測(cè)定

在利用排水法測(cè)定氣體體積時(shí)，儲(chǔ)液瓶上方的水蒸氣也有可能會(huì)造成氣體體積的變化。利用Arduino獲取BME 280傳感器數(shù)據(jù)可以測(cè)定儲(chǔ)液瓶上方氣體的濕度隨時(shí)間的變化，先測(cè)定空氣中的濕度然后再將傳感器密封在儲(chǔ)液瓶上方，得到儲(chǔ)液瓶上方空氣的濕度隨時(shí)間變化的情況，如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)條件下空氣的濕度約為50%時(shí)，將濕度傳感器裝入儲(chǔ)液瓶上方并密封后，其濕度會(huì)迅速?gòu)?0%上升到70%左右，用時(shí)約為15秒；濕度從70%上升到80%，用時(shí)30秒；濕度從80%增加到85%，用時(shí)約3分鐘；最終經(jīng)過(guò)約17分鐘后測(cè)定儲(chǔ)液瓶上方空氣的濕度穩(wěn)定在約88%，由此可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中確實(shí)需要考慮排水法產(chǎn)生的水蒸氣對(duì)氣體體積測(cè)定的影響。對(duì)于氣體體積測(cè)定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前需要連接實(shí)驗(yàn)裝置、檢查裝置氣密性，以及添加實(shí)驗(yàn)試劑等操作中都需要一些時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)液瓶上方的空氣濕度會(huì)迅速上升并進(jìn)入濕度增長(zhǎng)的平穩(wěn)期。在利用排水法測(cè)定氣體體積時(shí)，實(shí)驗(yàn)前后裝置內(nèi)原有的氣體濕度變化不大，所以儲(chǔ)液瓶揮發(fā)出的水蒸氣對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果的影響相對(duì)較小。

4? 結(jié)束語(yǔ)

綜合分析實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)二、實(shí)驗(yàn)三的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用不同方法測(cè)定氣體體積時(shí)，影響氣體體積的因素較多。對(duì)于測(cè)定氣體體積時(shí)的濕度影響，其主要來(lái)源是產(chǎn)生氣體時(shí)氣體所帶有的水蒸氣，排水法中儲(chǔ)液瓶揮發(fā)的水蒸氣是次要因素。通過(guò)數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，學(xué)生不僅了解影響氣體體積測(cè)定結(jié)果的因素，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)中濕度對(duì)氣體體積的影響，在嘗試解決實(shí)驗(yàn)中水蒸氣的影響時(shí)，能更準(zhǔn)確地提出解決方案，如考慮體積計(jì)算時(shí)引入濕度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，或通過(guò)改變氣體的產(chǎn)生方式或種類，避免產(chǎn)生的氣體中帶有水蒸氣。

利用數(shù)字化改進(jìn)后的氣體體積測(cè)定裝置測(cè)定不同氣體的體積，不僅可以快速得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還可以準(zhǔn)確分析影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素，為下一步改進(jìn)和完善實(shí)驗(yàn)步驟提供有力支持，有效提升學(xué)生的證據(jù)意識(shí)與科學(xué)探究思維。學(xué)生在使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，可以對(duì)比數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的差異，尋找各自的優(yōu)缺點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)也有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

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