氣體摩爾體積實驗的新設計
2023-07-11 01:12:17黃云鵬陳劍峰李宇倩
化學教學 2023年6期
黃云鵬 陳劍峰 李宇倩
摘要：利用智能手機、ESP32芯片和BME280溫濕度/大氣壓強傳感器模塊組合測試裝置分別定量探究并測得同種氣體的體積與物質的量的關系以及相同物質的量的不同種氣體的體積。通過對數據的進一步處理，得到氣體摩爾體積。該組合測試裝置結構簡單，現象直觀，數據相對誤差較小，應用于中學化學探究實驗的教學中可以培養學生的定量探究意識，改變課堂教學方式，促進學生核心素養的發展。
關鍵詞：氣體摩爾體積測定；實驗改進；實驗探究；傳感器模塊
文章編號：10056629（2023）06006404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：要重視實驗探究活動，多開展以數字化實驗和定量實驗為主的多種探究活動，充分發揮化學實驗的獨特價值。注重發揮現代信息技術的作用，積極探索現代信息技術與化學實驗的深度融合，促進教師教學方式和學生學習方式的改變，培養學生的科學探究、創新意識和跨學科綜合能力［1］。
1 問題的提出
氣體摩爾體積為概念性知識，較為抽象，是構成物質的量概念群組中不可缺少的要素，在化學、物理教學中都有涉及。查閱多種版本教材，人教版教材直接給出1mol物質體積大小；上科版、蘇教版、魯科版教材均是通過給定的摩爾質量和密度計算1mol物質的體積并得出結論。幾個版本教材都沒有通過實驗來探究和測定氣體摩爾體積，學生被動接受知識，不利于對抽象概念的理解。
用“氣體摩爾體積”關鍵詞在知網等數據庫進行檢索，共檢索出20篇論文，其中涉及“氣體摩爾體積測定”僅有5篇。如上海洋涇中學的王洋老師經過多次試驗，設計了一套操作較簡便、精確度較高的裝置，且實驗過程有趣，實驗誤差較小［2］；上海五愛高級中學的李嘉老師借用保鮮盒作為容器，利用智能手機的氣壓測量功能，間接測定了氣體摩爾體積［3］。上述兩個實驗雖然有所改進，但實驗過程沒有測量溫度，“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，利用朗威的壓強傳感器和溫度傳感器測量數據，計算出了氣體摩爾體積［4］。但利用教學傳感器測量壓強成本較高，普及困難，通過注射器將溶液壓進密閉容器，實驗時整體壓強會發生突變，經多次實驗均不好控制實驗條件的恒定。另外，檢索到的改進儀器一般均是單組測定實驗，無法定量探究同種氣體的體積與物質的量的關系或相同物質的量的不同氣體的體積。
智能手機集成了多種傳感器，能通過藍牙外接各類傳感器，有著很大的數字化創新實驗開發的潛力［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驗室。利用藍牙通信，在Phyphox editor編輯的實驗專用APP上實時顯示實驗數據，無線傳輸數據解決了現有教學傳感器連線繁雜的問題。自制多口瓶及雙Y型管反應容器，避免了注射器加液對系統壓強的影響，還可以連續進行多組對照實驗。通過注射器抽水來控制壓強與溫度的恒定，間接測量產生氣體的體積，探究同種氣體的體積與物質的量的關系以及相同物質的量的不同氣體的體積，并通過換算得到氣體摩爾體積。掌上實驗室的傳感器制作成本低（無線傳感器成本59元），十分有利于在教學實踐中推廣。
2 實驗裝置的設計與制作
2.1 實驗裝置制作材料
ESP32芯片、電路板、GYBME280溫濕度/大氣壓強傳感器模塊、0.96寸OLED液晶顯示模塊、帶插針7號1節電池盒、3.2V磷酸鋰電池、帶側支的四口螺口瓶、螺口緩沖瓶、螺口加料瓶（帶上下側支）、Y型管、Y型三通、磁鐵、3D打印的磁鐵固定卡環
2.2 實驗裝置結構介紹
2.2.1 傳感器系統的搭建
流程如圖1所示。
大氣壓/溫度采集系統由GYBME280溫濕度/大氣壓強傳感器模塊和ESP32芯片組建，可通過OLED液晶屏幕直接顯示數據。利用Phyphox editor編輯實驗專用APP軟件，實時顯示數據，增加記錄按鈕記錄數據。
2.2.2 器械部分制作過程
由于氣體容易被壓縮，分組實驗難以控制實驗條件（多次開蓋、組裝膠管等會影響系統的初始壓強），因而設計四口瓶作為實驗連續發生裝置。將3D打印的環形配件卡在瓶蓋內側，用細線將磁鐵和環形固定環固定，使用兩塊磁鐵隔著瓶蓋將反應物夾在中間固定反應物，移開上方磁鐵，蓋內的磁鐵和反應物同時掉落，蓋內磁鐵被細線吊著，如圖2所示，反應物掉落瓶內溶液中，可實現不開蓋連續進行多組反應。還可以選擇Y型管作為反應容器，方便“液+液”“液+固體粉末”的反應。
將自制無線測壓、測溫傳感器裝入數據采集瓶中，實時測量體積和溫度數據，無線小體積傳感器解決了現有傳感器連線過多妨礙實驗操作等問題。
利用注射器和排液瓶設計的氣體體積測量裝置，實驗時利用針筒抽水，調控裝置內壓強恒定（觀察實時溫度、壓強數據），反應停止后，同溫同壓下，讀取針筒中液體的體積，即為發生裝置內產生氣體的體積。也可以根據實際氣體產生量的大小改裝排液測量裝置：當產生氣體體積大時，可使用大的針筒或使用多管道同時接多個針筒；當氣體體積小時，可將裝液瓶更換成移液管與小針筒連接。
2.3 裝置整體圖
實驗裝置如圖3、圖4所示。
3 實驗過程
3.1 實驗一 探究同種氣體的體積與物質的量的關系
3.1.1 實驗步驟
（1） 閉合傳感器的開關，將傳感器放入數據采集瓶中，蓋上蓋子；
（2） 在四口瓶中裝入過量的稀硫酸，用電子天平稱量4份等質量的鋅片，利用兩磁鐵將鋅片夾在瓶蓋內側，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，排盡連接管內的空氣，將注射器推動到底端；
（4） 打開phyphox實驗專用軟件，利用藍牙連接檢測傳感器，實時顯示溫度和壓強值；
（5） 抽動注射器活塞，固定在某一位置，觀察壓強數據，檢測裝置氣密性（壓強不變則氣密性良好）；
（6） 將注射器活塞推到底部，移開瓶蓋上的磁鐵（蓋內的磁鐵掉落，被細線懸空吊著），將第一塊鋅片釋放，反應產生氣體，通過緩緩抽動注射器活塞，保持瓶內壓強恒定；
（7） 反應完成，待瓶內溫度和壓強分別與反應前的溫度和壓強一樣時，記錄注射器內水的體積，即為發生裝置內產生的氣體體積。
（8） 分別釋放另外三塊鋅片，重復以上操作，記錄實驗數據；
（9） 分析數據，得出實驗結論。
3.1.2 實驗數據及數據處理
實驗數據及數據處理如表1和圖5所示。
3.1.3 實驗結論
同溫同壓下，同種氣體的體積與物質的量成正比，即V∝n。
3.2 實驗二 探究相同物質的量的不同氣體的體積
3.2.1 實驗步驟
（1） 閉合傳感器的開關，將傳感器放入數據采集瓶中，蓋上蓋子；
（2） 在一組Y型管的側支分別裝入等物質的量的碳酸鈉和鋅片，另一側支分別加入過量的稀硫酸；
（3） 排液瓶中裝入適量的水，用膠管將其與注射器相連（可用多通并聯多個小規格注射器，提高測量體積的精度，本實驗并聯兩個30mL的注射器），排盡連接管內的空氣，將注射器推動到底端；
（4） 打開phyphox實驗專用軟件，利用藍牙連接檢測傳感器，實時顯示溫度和壓強值；
（5） 抽動注射器活塞，固定在某一位置，觀察并記錄壓強數據，檢測裝置氣密性（壓強不變則氣密性良好）；
（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支，反應產生氣體，通過緩緩抽動注射器活塞，保持瓶內壓強恒定；
（7） 反應完成，待瓶內溫度和壓強與初始壓強一樣時，記錄注射器內水的體積，即為發生裝置內產生CO2氣體的體積；
（8） 傾斜裝鋅片的Y型管，重復以上操作，記錄實驗數據；
（9） 分析數據，得出實驗結論。
3.2.2 實驗數據
實驗數據如表2所示。
3.2.3 實驗結論
同溫同壓下，相同物質的量的不同氣體體積相等。
3.3 測量氣體摩爾體積
根據表1數據，計算出1mol氣體的體積V1=24.95L/mol
p1=100.696kPa
t1=33.36℃
根據表2數據，計算出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：
換算標況下（273.15K，101kPa）的氣體摩爾體積：
（Tm、 pm、 Vm分別代表氣體在標況下的溫度、壓強和摩爾體積）
4 結束語
本項目利用自制組合測試裝置為高中化學的實驗探究提供了有利條件，推進了課堂教學方式的改變和學生學習方式的轉變，實現了學生從“讀化學”“聽化學”向“做化學”“探究化學”的轉變，促進了學生合作交流和個性發展，激發了學生學習化學的積極性。掌上實驗室可以準確地采集實驗數據，具備函數處理功能，同時實現實驗和信息技術的融合，對培養學生數圖結合能力、發展定量思維、提升綜合分析能力起到關鍵作用。借用掌上實驗室中數字傳感器的設計，融合化學、物理、數學和信息技術等多學科知識，滲透STEM教育，培養學生的科學探究、創新意識和跨學科綜合能力和素養。
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］王洋. 氣體摩爾體積測定實驗的改進［J］. 化學教學，2019， （8）：69～71.
［3］李嘉. 智能手機在氣體摩爾體積測定實驗中的應用［J］. 化學教育（中英文），2020， （11）：98～100.
［4］盧苗苗. 氣體摩爾體積測定的數字化實驗設計［J］. 化學教學，2021， （5）：72～76.
［5］陳劍峰. 基于ESP32與Phyphox的多功能振動實驗裝置的設計與實驗［J］. 物理教師，2022，43（8）：49～51.
