基于信息技術的實驗裝置設計與開發

張守秋 劉芳 劉斌

◆摘? 要：在各學科實驗教學中，通常會接觸到標準化設計的實驗設備，但很多時候我們需要對實驗設備進行適當的改裝，以適用于隨時變動的實驗需求。本文以氨氣的噴泉實驗裝置為例，利用信息技術進行實驗裝置的設計與開發，以解決實驗中出現的一些客觀問題。氨氣的噴泉實驗需要制取和驗證氨的相關性質，在實驗中我們發現：反應物用量和生成物生成量不易精確控制;反應時需加入多種藥品，且需要精準控制加入的量和速度;有些藥品腐蝕性較強，有一定的安全隱患;實驗時頻繁、重復進行操作，浪費師生大量的時間和精力。而以上問題，使用信息技術進行開發，利用傳感器精準檢測，解決了精準控制、藥品用量大、操作復雜、實驗安全的問題。

◆關鍵詞：信息技術;噴泉實驗;自動化;負壓法

一、研究背景

在氨氣的噴泉實驗中，實驗室制取氨氣時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。

經過分析，發現以上三種制取方法存在一些不足的地方。方法一，反應物和生成物的量不易精確控制，實驗中需要加熱，裝置復雜;方法二，需要加入多種化學藥品，還要精準控制濃氨水滴加的量和速度，所用藥品的腐蝕性較強，有一定的安全隱患;方法三，需要加熱，裝置過于復雜，氨氣的產生速率不易精準控制。

基于以上分析和反復進行實驗驗證，我們發現用負壓法制取、收集氨氣，不會浪費過多的實驗藥品，不會產生過多的實驗廢棄物，還能夠精確控制氣體的制取量和速率，在簡化實驗裝置和操作的同時，降低了潛在的安全隱患，實驗時制取氣體的時間短，效率高。

二、組成及工作原理

（一）裝置組成

本項目中的實驗裝置分為四個部分，制氣裝置、集氣裝置、檢驗裝置、自動化控制裝置。

制氣裝置由2個抽氣泵和1個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，用于收集產和的氨氣，可以根據氨氣的需求量，增加或減少圓底燒瓶的數量;

檢驗裝置由1個小燒杯和1個導電性傳感器組成;

自動化控制裝置由1塊Arduino Nano單片機開發板、1塊LCD1602顯示屏、1個繼電器、1個控制按鈕組成。

實驗裝置圖如圖1（其中橙色線為導線），制取氣體時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，濃氨水不會被浪費。

（二）工作原理

在實驗制取氣體時，用抽氣泵將錐形瓶中的空氣抽出，形成負壓，減小氨氣在水中的溶解度，氨氣不斷析出，且利用壓強對化學平衡的影響，減小壓強促使平衡向生成氣體的方向移動，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。

產生的氨氣經導管進入圓底燒瓶，排出空氣，進入到檢驗端，檢驗端的小燒杯內裝有蒸餾水，蒸餾水導電性很弱，當氨氣進入到蒸餾水中時生成NH3·H2O，NH3·H2O會電離生成NH4+和OH-，溶液的導電性會隨著NH4+和OH-總量的增加而增強。而電導率傳感器會實時檢測溶液的導電性，當檢驗端的導電率數值上升到設置的預期值時，此時集氣裝置中的氣體純度較理想，收集的氣體可以用于實驗使用。此時自動化控制裝置斷開抽氣泵的電源，制取氣體結束。

三、制作過程

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

（二）將兩個串聯的抽氣泵安裝固定在左側擋板距橫向支架2.5CM處，用硅膠管將試管或錐形瓶與抽氣泵的進氣口連接，組成氣體發生裝置，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，根據收集氣體的需求量安裝燒瓶，如圖5所示。

（四）加工組裝自動化控制裝置，編寫代碼，調試功能正常后，集成安裝在一個長10CM寬5CM高6.5CM的長方體木盒中，其內部電路結構如圖6，外觀圖如圖7。

（五）將電導率傳感器連接到自動化裝置，并放入裝有蒸餾水的小燒杯中，同時將尾氣導管置于導管，作為檢驗裝置，最終成品圖參照圖1。

四、使用方法

（一）實驗開始前，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，在檢驗端小燒杯中裝入40ml蒸餾水，將電導率傳感器置于小燒杯中，液晶屏上顯示蒸餾水的導電率數值和“Ready！”字樣，表示裝置已就緒。

（三）將尾氣導管放入小燒杯中，點擊控制裝置的按鈕，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生，說明有大量氨氣生成，氨氣進入到圓底燒瓶中，排出空氣，進入到檢驗端，溶液的導電率開始上升，液晶屏顯示的數值不斷增大。當數值達到預設值時，控制裝置自動斷開氣泵的電源，停止制取氨氣，液晶屏顯示“Stop！”。

（四）氣體抽取結束后，關閉各個容器的止水夾，收集到的氨氣即可用于噴泉實驗。

（五）斷開電源，清洗實驗儀器，因為實驗的裝置一體化、自動化，所以我們只須清洗集氣瓶和小燒杯。

五、該項目的創新點

（一）利用負壓法制氣，實現裝置自動化，簡化實驗裝置和操作，降低實驗過程中的風險，提高實驗效率、成功率和安全性。

（二）實現氣體制取量和速率的精準控制，達到定速、定量制取氣體的目的。

（三）利用開源硬件初步開發數字化實驗設備，實現從定性分析到定量分析的跨躍。

（四）綠色環保，不浪費過多的實驗藥品和產生過多的實驗廢物。

（五）本項目的實驗裝置除了制取氨氣外還可以擴展應用于濃鹽酸制取HCl氣體。

（六）基于STEAM教育理念，用開源硬件和信息技術融合于學科實驗教學中，啟發教師和學生的創新思維，并將這些思想、理念拓展應用到其它學科實驗中。

六、總結

使用該實驗裝置制取氨氣進行噴泉實驗，減輕了實驗人員準備藥品、器材的負擔，減小了藥品的用量，避免了腐蝕性的藥品，簡化了實驗的操作，降低了實驗過程中的風險，縮短了氣體制備的時間。實現了教師演示實驗轉變為學生分組實驗的可能，讓學生全面的參與到實驗中來。同時在為學生爭取到了更多的觀察、分析、探究實驗的時間，幫助學生建立學科知識間的聯系。

參考文獻

[1]朱鵬飛，馬宏佳，常穎萃.利用傳感技術進行二氧化碳的噴泉實驗設計[J].教學儀器與實驗，2009，25（06）：19-20.

[2]杜建功.氨氣“噴泉”實驗的創新設計[J].中小學實驗與裝備，2021，31（03）：50-51.