利用傳感器測定氣體摩爾體積

摘要：

基于Arduino平臺，在氣體體積測定裝置中引入BME280（溫度、壓強、濕度）傳感器以及微型潛水泵，改進后的裝置能獲取實驗過程中溫度、壓強、濕度的數(shù)據(jù)以外，還可以在添加相應的實驗試劑后自動完成氣體體積的測定。利用改進后的實驗裝置分別測定反應產(chǎn)生的氫氣和壓縮罐釋放的丁烷氣體體積，比較測定值與文獻數(shù)據(jù)的差異，分析水溶液反應制取氣體時產(chǎn)生的水蒸氣和排水法產(chǎn)生的水蒸氣對測定結(jié)果的影響，為學生進一步改進和完善實驗提供依據(jù)。關鍵詞：

氣體摩爾體積；傳感器測定；實驗改進《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確提出，鼓勵教師運用信息技術提高課堂教學效率和質(zhì)量，強化信息技術與化學教學的深度融合，將信息技術適時引入到化學教學中，開展以化學實驗為主的多種探究活動，激發(fā)學生學習化學的興趣，促進學生學習方式的轉(zhuǎn)變，重視實驗探究活動，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新和實踐能力［1］。將信息技術引入到化學教學中，除了使用pH、電導率、色度、濁度、壓強等傳感器測定/表征實驗數(shù)據(jù)以外，還可以利用數(shù)據(jù)處理器對傳感器獲取的數(shù)據(jù)進行處理并通過外部接口進行反饋。上海市教委教研室徐睿老師提出，數(shù)字化實驗不僅僅停留在數(shù)據(jù)獲取，而且可以輸出一定的信號來控制馬達、揚聲器、LED、位數(shù)顯示管等外圍設備；數(shù)字化實驗從“輸入”時代發(fā)展為“輸入”和“輸出”相結(jié)合的過程，豐富了實驗結(jié)果的呈現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)實驗條件的自動化控制［2］。氣體摩爾體積的測定在多本教材中都沒有安排實驗［3］，在上海市普通高中教科書必修第一冊中，測定氣體摩爾體積是一個項目學習活動［4］，引導學生通過實驗測定與記錄，與“1mol任何氣體在273K和101kPa時約為22.4L”進行比較，簡單分析偏差并需要思考如何消除水的飽和蒸氣壓對實驗的影響。該實驗活動中，教材選擇的是傳統(tǒng)的實驗裝置，能快速準確地進行氣體體積測定，其裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便（如圖1所示），但實驗中受裝置體積大小及設備使用等因素的影響，沒有具體說明如何測定實驗的大氣壓強、溫度等數(shù)據(jù)，也沒有提示如何測定實驗過程中飽和蒸氣壓的變化，因此本研究將在實驗裝置中引入溫度、壓強、濕度等傳感器對其進行數(shù)字化改進，增加實驗中氣體濕度變化等數(shù)據(jù)，從而補充學生分析飽和蒸氣壓對實驗結(jié)果影響的依據(jù)，為學生思考如何消除飽和蒸氣壓的影響時能做出準確、合理的判斷，避免出現(xiàn)偏離實驗實際，使測定數(shù)據(jù)過于理想化等情況。本實驗嘗試利用Arduino平臺，引入BME280（溫度、壓強、濕度傳感器）、5V微型潛水泵、LCD顯示器等裝置，對氣體體積測定裝置進行數(shù)字化改進，改進后的實驗裝置不僅可以顯示實驗條件下的溫度與壓強，監(jiān)測實驗中氣體的濕度變化，還可以基于實驗時裝置內(nèi)的壓強變化由Arduino通過控制微型潛水泵主動排水，自動平衡裝置內(nèi)的壓強。在氣體體積測定的實驗裝置中引入BME280傳感器能快速準確地測定實驗數(shù)據(jù)，同時通過數(shù)據(jù)處理器反饋外圍設備實現(xiàn)化學實驗的自動化進行，提升實驗和教學的效率和質(zhì)量。改進后的實驗裝置為學生展示數(shù)據(jù)測定、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)了學生的學習興趣，提升了學生的創(chuàng)新能力。1

實驗原理1.1

Arduino簡介Arduino是一款開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（ArduinoIDE）。硬件部分可以用來做電路連接的Arduino電路板，軟件部分可以編寫程序代碼。Arduino能通過各種傳感器感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達和其他裝置來反饋、影響環(huán)境。1.2

實驗裝置工作原理排水法測定氣體體積的原理是實驗開始后產(chǎn)生的氣體會使裝置內(nèi)的壓強增大，從而使水排出儲液裝置，實驗開始后需要調(diào)節(jié)裝置內(nèi)外的壓強。在數(shù)字化改進后的氣體體積測定裝置中，Arduino通過程序監(jiān)測裝置內(nèi)的壓強變化，并通過控制微型潛水泵主動向外排水，使裝置內(nèi)外始終保持壓強平衡。其工作原理是Arduino每秒都會獲取BME280傳感器的數(shù)據(jù)（溫度、壓強、濕度），監(jiān)測壓強的變化，并通過LCD液晶顯示屏不斷輸出初始壓強、溫度與濕度數(shù)據(jù)。當裝置與大氣相連時，對Arduino進行通電后，程序?qū)⒆x取的第一個壓強數(shù)據(jù)定義為“初始氣壓”，之后程序讀取的壓強數(shù)據(jù)都將與“初始壓強”進行比較；當裝置密封后，若裝置內(nèi)氣體增加時壓強增大，Arduino通過直流電機驅(qū)動拓展板控制微型潛水泵向外排水，使容器內(nèi)壓強降低；當容器內(nèi)的壓強降低至“初始壓強”后，停止向外排水。當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

實驗裝置的程序流程圖數(shù)字化改進后的氣體體積裝置中，Arduino工作的程序流程圖，如圖2所示。2

實驗裝置的設計與制作2.1

實驗材料2.1.1

實驗裝置制作的材料ArduinoUNO開發(fā)板，直流電機驅(qū)動拓展板，BME280（溫度、壓強、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

實驗藥品3mol·L-1H2SO4，金屬鎂，高純度丁烷（小號氣罐儲存）2.2

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

實驗過程3.1

實驗一

氫氣的氣體體積測定3.1.1

實驗步驟（1）按圖3連接好實驗裝置，檢驗氣密性；（2）在儲液瓶及排液裝置中加入一定量水，并排盡導管內(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ArduinoUNO開發(fā)板的電源，系統(tǒng)自動開始工作；（8）旋轉(zhuǎn)三通閥，使裝置密封且使Y型試管與儲液瓶連通；（9）傾斜Y型試管，使稀硫酸與鎂條接觸，反應開始；（10）待反應結(jié)束，讀取溫度、壓強、濕度數(shù)據(jù)以及排出水的質(zhì)量。3.1.2

實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析連續(xù)進行8次實驗，所得的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。實驗開始前由于濕度變化較為明顯，選擇在傳感器測定的濕度相對穩(wěn)定時，記錄實驗前濕度并開始實驗。實驗結(jié)束后，將依據(jù)克拉伯龍方程計算在實驗時的溫度、壓強下，實驗取用的一定量鎂條反應產(chǎn)生的氫氣體積的文獻數(shù)據(jù)，記錄在表格“文獻數(shù)據(jù)”中，發(fā)現(xiàn)實驗測定的氫氣體積明顯大于文獻數(shù)據(jù)；考慮到實驗前后裝置內(nèi)的氣體濕度變化，將20℃時水的飽和蒸氣壓（2.34kPa）的誤差引入后，再計算實驗取用的鎂條在20℃下、濕度為100%時氫氣的體積，記錄在表格“文獻數(shù)據(jù)*”中。可以發(fā)現(xiàn)在引入濕度因素后，實驗測定值與文獻數(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定產(chǎn)生氫氣的體積時，需要引入濕度因素對測定結(jié)果進行修正。3.2

實驗二

丁烷的氣體體積測定3.2.1

實驗步驟（1）按圖4連接好實驗裝置，檢驗氣密性；（2）在儲液瓶及排液裝置中加入一定量水，并排盡導管內(nèi)的氣體；（3）用電子天平準確稱量高純度丁烷儲氣罐的質(zhì)量并記錄；（4）打開ArduinoUNO開發(fā)板的電源，系統(tǒng)自動開始工作；（5）逐步釋放高純度丁烷儲氣罐中的丁烷氣體；（6）當觀察到排出水的體積約為120mL時，停止釋放丁烷氣體；（7）取下儲氣罐，用電子天平稱量釋放丁烷氣體后的儲氣罐質(zhì)量并記錄；（8）讀取溫度、壓強、濕度數(shù)據(jù)以及排出水的質(zhì)量。3.2.2

實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析連續(xù)進行8次實驗，所得的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。實驗前選擇濕度相對穩(wěn)定后，記錄實驗前的濕度并開始實驗。在實驗中釋放出壓縮罐中的丁烷氣體后裝置中濕度降低，當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)克拉伯龍方程計算在實驗時的溫度、壓強下，釋放出的丁烷氣體的體積在沒有引入濕度進行修正時的文獻數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果接近。對比實驗前后的濕度變化，由于釋放儲氣罐中的丁烷氣體不含水蒸氣，氣體總量擴大使混合氣體的濕度降低，因此利用壓縮罐測定丁烷的氣體體積時，若在短時間內(nèi)完成實驗，儲液瓶中水蒸氣的揮發(fā)對氣體體積測定影響較小。3.3

實驗三

儲液瓶上方氣體濕度變化的測定在利用排水法測定氣體體積時，儲液瓶上方的水蒸氣也有可能會造成氣體體積的變化。利用Arduino獲取BME280傳感器數(shù)據(jù)可以測定儲液瓶上方氣體的濕度隨時間的變化，先測定空氣中的濕度然后再將傳感器密封在儲液瓶上方，得到儲液瓶上方空氣的濕度隨時間變化的情況，如圖5所示。實驗條件下空氣的濕度約為50%時，將濕度傳感器裝入儲液瓶上方并密封后，其濕度會迅速從50%上升到70%左右，用時約為15秒；濕度從70%上升到80%，用時30秒；濕度從80%增加到85%，用時約3分鐘；最終經(jīng)過約17分鐘后測定儲液瓶上方空氣的濕度穩(wěn)定在約88%，由此可以發(fā)現(xiàn)實驗中確實需要考慮排水法產(chǎn)生的水蒸氣對氣體體積測定的影響。對于氣體體積測定實驗，實驗前需要連接實驗裝置、檢查裝置氣密性，以及添加實驗試劑等操作中都需要一些時間，在這段時間內(nèi)儲液瓶上方的空氣濕度會迅速上升并進入濕度增長的平穩(wěn)期。在利用排水法測定氣體體積時，實驗前后裝置內(nèi)原有的氣體濕度變化不大，所以儲液瓶揮發(fā)出的水蒸氣對實驗測定結(jié)果的影響相對較小。4

結(jié)束語綜合分析實驗一、實驗二、實驗三的實驗結(jié)果，利用不同方法測定氣體體積時，影響氣體體積的因素較多。對于測定氣體體積時的濕度影響，其主要來源是產(chǎn)生氣體時氣體所帶有的水蒸氣，排水法中儲液瓶揮發(fā)的水蒸氣是次要因素。通過數(shù)字化的實驗測定，學生不僅了解影響氣體體積測定結(jié)果的因素，準確認識實驗中濕度對氣體體積的影響，在嘗試解決實驗中水蒸氣的影響時，能更準確地提出解決方案，如考慮體積計算時引入濕度對實驗結(jié)果進行修正，或通過改變氣體的產(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)字化改進后的氣體體積測定裝置測定不同氣體的體積，不僅可以快速得到實驗數(shù)據(jù)，還可以準確分析影響實驗結(jié)果的因素，為下一步改進和完善實驗步驟提供有力支持，有效提升學生的證據(jù)意識與科學探究思維。學生在使用數(shù)字化實驗裝置時，可以對比數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗裝置