利用傳感器測定氣體摩爾體積

馬雄雄

摘要：? 基于Arduino平臺，在氣體體積測定裝置中引入BME 280（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、濕度的數據以外，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據的差異，分析水溶液反應制取氣體時產生的水蒸氣和排水法產生的水蒸氣對測定結果的影響，為學生進一步改進和完善實驗提供依據。

關鍵詞：? 氣體摩爾體積； 傳感器測定； 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2024）05-0071-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《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，激發學生學習化學的興趣，促進學生學習方式的轉變，重視實驗探究活動，培養學生的創新和實踐能力［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/表征實驗數據以外，還可以利用數據處理器對傳感器獲取的數據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，數字化實驗不僅僅停留在數據獲取，而且可以輸出一定的信號來控制馬達、揚聲器、LED、位數顯示管等外圍設備；數字化實驗從“輸入”時代發展為“輸入”和“輸出”相結合的過程，豐富了實驗結果的呈現或實現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，教材選擇的是傳統的實驗裝置，能快速準確地進行氣體體積測定，其裝置結構簡單，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、溫度等數據，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字化改進，增加實驗中氣體濕度變化等數據，從而補充學生分析飽和蒸氣壓對實驗結果影響的依據，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，避免出現偏離實驗實際，使測定數據過于理想化等情況。

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，監測實驗中氣體的濕度變化，還可以基于實驗時裝置內的壓強變化由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據，同時通過數據處理器反饋外圍設備實現化學實驗的自動化進行，提升實驗和教學的效率和質量。改進后的實驗裝置為學生展示數據測定、數據轉化、數據反饋等創新研究中的一些手段和方式，激發了學生的學習興趣，提升了學生的創新能力。

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（Arduino IDE）。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境，通過控制燈光、馬達和其他裝置來反饋、影響環境。

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生的氣體會使裝置內的壓強增大，從而使水排出儲液裝置，實驗開始后需要調節裝置內外的壓強。

在數字化改進后的氣體體積測定裝置中，Arduino通過程序監測裝置內的壓強變化，并通過控制微型潛水泵主動向外排水，使裝置內外始終保持壓強平衡。其工作原理是Arduino每秒都會獲取BME 280傳感器的數據（溫度、壓強、濕度），監測壓強的變化，并通過LCD液晶顯示屏不斷輸出初始壓強、溫度與濕度數據。當裝置與大氣相連時，對Arduino進行通電后，程序將讀取的第一個壓強數據定義為“初始氣壓”，之后程序讀取的壓強數據都將與“初始壓強”進行比較；當裝置密封后，若裝置內氣體增加時壓強增大，Arduino通過直流電機驅動拓展板控制微型潛水泵向外排水，使容器內壓強降低；當容器內的壓強降低至“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量并換算得出產生氣體的體積。

1.3? 實驗裝置的程序流程圖

數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

Arduino UNO開發板，直流電機驅動拓展板，BME 280（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-1 H2SO4，金屬鎂，高純度丁烷（小號氣罐儲存）

2.2? 實驗裝置圖

利用數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量從而換算得出產生氫氣的物質的量，再通過實驗測定產生氫氣的體積，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量差得出釋放丁烷的物質的量，再通過實驗測定產生丁烷的體積，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，精確稱量鎂條質量（約0.120g左右）并記錄質量；

（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Arduino UNO開發板的電源，系統自動開始工作；

（8） 旋轉三通閥，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） 待反應結束，讀取溫度、壓強、濕度數據以及排出水的質量。

3.1.2? 實驗數據及數據分析

連續進行8次實驗，所得的實驗數據如表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定時，記錄實驗前濕度并開始實驗。實驗結束后，將依據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生的氫氣體積的文獻數據，記錄在表格“文獻數據”中，發現實驗測定的氫氣體積明顯大于文獻數據；考慮到實驗前后裝置內的氣體濕度變化，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“文獻數據*”中。可以發現在引入濕度因素后，實驗測定值與文獻數據更為接近。

由此可以確定，利用鎂條和稀硫酸制取氫氣并測定產生氫氣的體積時，需要引入濕度因素對測定結果進行修正。

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，并排盡導管內的氣體；

（3） 用電子天平準確稱量高純度丁烷儲氣罐的質量并記錄；

（4） 打開Arduino UNO開發板的電源，系統自動開始工作；

（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量并記錄；

（8） 讀取溫度、壓強、濕度數據以及排出水的質量。

3.2.2? 實驗數據及數據分析

連續進行8次實驗，所得的實驗數據如表2所示。

實驗前選擇濕度相對穩定后，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的濕度。依據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據與實驗結果接近。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，若在短時間內完成實驗，儲液瓶中水蒸氣的揮發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BME 280傳感器數據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；最終經過約17分鐘后測定儲液瓶上方空氣的濕度穩定在約88%，由此可以發現實驗中確實需要考慮排水法產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期。在利用排水法測定氣體體積時，實驗前后裝置內原有的氣體濕度變化不大，所以儲液瓶揮發出的水蒸氣對實驗測定結果的影響相對較小。

4? 結束語

綜合分析實驗一、實驗二、實驗三的實驗結果，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，其主要來源是產生氣體時氣體所帶有的水蒸氣，排水法中儲液瓶揮發的水蒸氣是次要因素。通過數字化的實驗測定，學生不僅了解影響氣體體積測定結果的因素，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果進行修正，或通過改變氣體的產生方式或種類，避免產生的氣體中帶有水蒸氣。

利用數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據，還可以準確分析影響實驗結果的因素，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意識與科學探究思維。學生在使用數字化實驗裝置時，可以對比數字化實驗與傳統實驗裝置的差異，尋找各自的優缺點，激發學生學習興趣的同時也有利于培養學生的創新思維。

參考文獻：

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

［2］徐睿. 中學化學數字化實驗的新趨勢［J］. 化學教學， 2020， （9）： 31～36.

［3］黃云鵬， 陳劍峰， 李宇倩. 氣體摩爾體積實驗的新設計［J］. 化學教學， 2023， （6）： 64～75.

［4］麻生明， 陳寅主編. 普通高中教科書·化學必修第一冊［M］. 上海： 上海科學技術出版社， 2021： 38～40.