VOCs濃度測量裝置在酯化、鹵代烴水解實驗探究中的應用

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

乙酸乙酯、乙醇、鹵代烴等均是中學階段比較常見的有機化合物，通過實驗測定物質中乙酸乙酯、乙醇、鹵代烴等揮發性有機物（VolatileOrganicCompounds，下簡稱為VOCs）的存在及其含量，有助于中學生更好地理解有機化學反應的原理。目前在大學實驗室中一般采用的是氣相色譜、紅外光譜等分析方法，該類儀器分析方法靈敏度較高，但受設備購置和后期運維經費限制，絕大部分中學都難以配備相關設備。近年來，開源電子元件以其低成本、高拓展性優勢，已成為開展中小學創客式實驗教學[1～3]的良好載體，能否利用開源電子元件設計一款VOCs濃度測量裝置，以滿足中學階段對乙酸乙酯、乙醇、鹵代烴等揮發性有機物性質實驗探究的需要，為教師相關內容教學、學生科學探究活動的常態化開展創造條件？

為此，選用TGS-2620氣體傳感器開源電子元件，通過Arduino開源電子原型平臺編制程序，配合燒瓶及帶雙玻璃活塞的E形真空接受管（即帶有2個玻璃旋塞），設計搭建了VOCs濃度測量裝置，核算使用基礎電子元件成本費不到50元。

2 實驗儀器及藥品

3儀器原理與裝置搭建

TGS-2620氣體傳感器的敏感元件由鉑、氧化鋁、二氧化錫等高活性金屬氧化物半導體材料構成，其工作原理基于有機物氣體分子與材料表面的化學反應：當揮發性有機物（如乙酸乙酯、乙醇、溴乙烷）接觸敏感元件時，表面吸附氣體導致電阻值變化，通過電信號轉換可量化氣體濃度（密閉條件下濃度與有機物物質的量呈正相關）。該傳感器對乙酸乙酯、乙醇、溴乙烷等都具有一定的響應，但響應程度有所不同。

VOCs濃度測量裝置搭建具體步驟如下：

（1）如圖1所示，將燒瓶與帶雙玻璃活塞的E形真空接受管相連接，并將E形真空接受管上口與TGS-2620氣體傳感器相連接。E形真空接受管右側導管可通過聚四氟乙烯管與裝有氫氧化鈉、碳酸鈉溶液等試劑的注射器相連接。

實驗儀器：TGS-2620氣體傳感器、帶雙玻璃活塞

（2）將TGS－2620氣體傳感器輸出端與ArduinoUNO開發板輸人端相連接，ArduinoUNO開發板輸出端連接計算機，并通過計算機編寫程序以便于從TGS一2620氣體傳感器獲取VOCs的濃度數據

（3）在實驗測量前，需先編寫傳感器預熱代碼以及數據測量代碼，確保VOCs濃度數據的準確性。

圖1VOCs濃度測量裝置示意圖

4程序代碼編制

（1）定義TGS－2620氣體傳感器連接的Arduino模擬引腳；

（2）初始化串行通信，設置波特率；（3）讓TGS-2620氣體傳感器預熱20秒，確保環

境是無揮發性有機物的；（4）進行校準，讀取潔凈空氣中的傳感器值作為

校準基礎;（5）讀取傳感器的當前值，得出校準后的傳感器值；（6）延時2秒，以便計算機軟件處理數據。

5 實驗設計

5.1飽和碳酸鈉溶液收集乙酸乙酯的實驗

中學階段，乙酸乙酯的制備實驗通常選用無水乙醇、濃硫酸、冰醋酸在水浴加熱的條件下反應，將產生的蒸氣通到飽和碳酸鈉溶液的液面上。實驗中，可以觀察到飽和碳酸鈉溶液上層出現具有芳香氣味的無色油狀液體，即生成的乙酸乙酯。在教學實踐中發現，學生對于選用碳酸鈉溶液吸收乙酸、溶解乙醇均能較好地理解，但對于為什么選用飽和碳酸鈉溶液、飽和碳酸鈉溶液中的氫氧根離子又是否會導致乙酸乙酯的水解，以及能否選用與飽和碳酸鈉溶液相同pH的氫氧化鈉溶液收集乙酸乙酯等問題存在疑惑。為了有效解決上述疑惑，筆者借助前述設計的VOCs濃度測量裝置展開了如下實驗探究。

5.1.1乙酸乙酯與飽和/不飽和碳酸鈉溶液相互 作用差異探究

5.1.1.1 實驗步驟

（1）打開計算機，運行程序對TGS－2620氣體傳感器進行校準與預熱。

（2）在3只相同規格的燒瓶中分別加入磁力攪拌子，并用電子移液槍加人等物質的量的有機物（ 0.598mL 無水乙醇 、0.586mL 冰醋酸 .1.000mL 乙酸乙酯）后，連接裝置。連接時確保E形真空接受管玻璃活塞均處于關閉狀態，完成連接后打開E形真空接受管右部玻璃活塞，用連接有聚四氟乙烯管的注射器向3只燒瓶中各加入 50mL 蒸餾水，然后關閉活塞，打開磁力攪拌器，待充分混合后，打開E形真空接受管上部玻璃活塞，測定TGS-2620氣體傳感器對不同含水有機物（乙醇、乙酸、乙酸乙酯）的響應程度。

（3）配制飽和碳酸鈉溶液，并取其中 10mL 飽和碳酸鈉溶液加水稀釋至 50mL 。取2只相同規格的燒瓶分別加人 1.000mL 乙酸乙酯，連接裝置后，打開E形真空接受管右部玻璃活塞，用連接有聚四氟乙烯管的注射器向2只燒瓶中分別加入 50mL 飽和碳酸鈉溶液（pH約為11.6）以及前述稀釋得到的 50mL 不飽和碳酸鈉溶液，然后關閉活塞。打開磁力攪拌器，攪拌5分鐘，使乙酸乙酯與碳酸鈉溶液充分混合。

（4）關閉磁力攪拌器，打開E形真空接受管上部玻璃活塞，用VOCs濃度傳感器分別進行測定。

5.1.1.2實驗結果與討論

（1）如表1所示，上述實驗步驟2測得TGS-2620氣體傳感器對乙酸乙酯含水混合物的響應程度 gt; 乙醇含水混合物 gt; 乙酸含水混合物。

表1TGS-2620氣體傳感器對含水有機物（乙醇、乙酸、乙酸乙酯）的響應程度

注：表中數據為3次實驗的平均值，實驗在室溫 11^qC 下進行。

（2）如表2所示，通過傳感器讀數可以得出加入飽和碳酸鈉溶液的燒瓶中乙酸乙酯的量要多于加入不飽和碳酸鈉溶液燒瓶中乙酸乙酯的量。由此可以得出，不飽和碳酸鈉溶液會與乙酸乙酯發生反應，在收集乙酸乙酯時，不宜選用不飽和碳酸鈉溶液。

表2與飽和碳酸鈉溶液、不飽和碳酸鈉溶液作用后傳感器讀數

注：表中為3次實驗的平均值，實驗在室溫 11^qC 下進行。

那么究竟是鹽溶液濃度導致產生上述的差異，還是溶液中氫氧根離子濃度導致的上述差異呢？筆者借助前述設計的裝置進一步展開實驗探究。

5.1.2乙酸乙酯與飽和碳酸鈉或等pH氫氧化鈉溶液相互作用差異探究

5.1.2.1 實驗步驟

（1）取2只相同規格的燒瓶分別加入 1.000mL 乙酸乙酯，連接裝置后，打開E形真空接受管右部玻璃活塞，用連接有聚四氟乙烯管的注射器在2只燒瓶中分別加入 50mL 飽和碳酸鈉溶液（ pH=11.6 ） ，50mL 氫氧化鈉溶液（ pH=11.6 ），然后關閉活塞，打開磁力攪拌器，攪拌5分鐘，使乙酸乙酯與碳酸鈉溶液、氫氧化鈉溶液充分混合。

（2）關閉磁力攪拌器，打開E形真空接受管上部玻璃活塞，用VOCs濃度傳感器分別進行測定。

5.1.2.2實驗結果與討論

如表3所示，實驗測得加入飽和碳酸鈉溶液的燒瓶中乙酸乙酯剩余的量要遠多于加入相同pH氫氧化鈉溶液燒瓶中乙酸乙酯的量。由此可以得出：（1）乙酸乙酯會在氫氧化鈉溶液中發生水解；（2）即使在相同pH的條件下，用飽和碳酸鈉溶液收集乙酸乙酯的效果要遠優于氫氧化鈉溶液。因此在收集乙酸乙酯時，不宜選用氫氧化鈉溶液。

表3與飽和碳酸鈉溶液、等pH氫氧化鈉溶液作用后傳感器讀數

注：表中為3次實驗的平均值，實驗在室溫 11^qC 下進行。

飽和碳酸鈉溶液中的氫氧根離子濃度與等pH氫氧化鈉溶液中的氫氧根離子濃度相等，但乙酸乙酯在氫氧化鈉溶液中水解程度卻遠大于在飽和碳酸鈉溶液中的水解程度，是否真的是鹽溶液濃度導致了上述差異？筆者借助前述設計的裝置繼續展開探索。

5.1.3乙酸乙酯與氫氧化鈉溶液或等pH溶有氫氧化鈉的飽和食鹽水相互作用差異探究

5.1.3.1 實驗步驟

（1）取2只相同規格的燒瓶分別加人 1.000mL 乙酸乙酯，連接裝置后，打開E形真空接受管右部玻璃活塞，用連接有聚四氟乙烯管的注射器向2只燒瓶中分別加人 50mL 氫氧化鈉溶液（ pH=11.6 ） ，50mL 溶有氫氧化鈉的飽和食鹽水（ pH=11.6 ），然后關閉活塞，打開磁力攪拌器，攪拌5分鐘，使乙酸乙酯與氫氧化鈉溶液、加入氫氧化鈉的飽和食鹽水充分混合。

（2）關閉磁力攪拌器，打開E形真空接受管上部玻璃活塞，用VOCs傳感器分別進行測定。

5.1.3.2實驗結果與討論

如表4所示，實驗測得加入氫氧化鈉的飽和食鹽水的燒瓶中乙酸乙酯剩余的量要遠多于加入相同pH氫氧化鈉溶液燒瓶中乙酸乙酯的量。由此可以得出，在相同堿性條件下，飽和鹽溶液有助于減少氫氧根離子與乙酸乙酯的作用。推測原因在于飽和鹽溶液可以有效降低乙酸乙酯在溶液中的溶解度，減少了乙酸乙酯與氫氧根離子的接觸，從而減少乙酸乙酯的水解，故被用來收集乙酸乙酯的效果較好。

表4與氫氧化鈉溶液、等pH加入氫氧化鈉的飽和食鹽水作用后傳感器讀數

注：表中為3次實驗的平均數據，實驗在室溫 11^qC 下進行。

5.1.4實驗優點

借助前述設計的VOCs濃度測量裝置測量乙酸乙酯量的變化，較傳統實驗僅憑肉眼觀察酯層液面高度的變化，具有精準度高、試劑消耗少、密閉操作安全便捷等優勢。而且實驗的低編程門檻支持學生自主完成“數據采集-處理-結論推導”的全流程探究。通過上述的系列實驗，不僅能讓學生深入探究選用飽和碳酸鈉溶液吸收乙酸乙酯的原因，也能解答學生在學習過程中遇到的關于飽和碳酸鈉溶液中的氫氧根離子是否會導致乙酸乙酯水解的疑惑。

5.2 鹵代烴的取代反應

鹵代烴的取代反應是中學階段學生學習烴與烴的衍生物之間的重要橋梁，通過對鹵代烴取代反應知識的相關學習，學生不僅能夠了解鹵代烴的相關性質，也能夠更好地理解烴與烴的衍生物之間的相互轉化關系，更好地構建有機化學知識體系。現行四個版本的教材均有設計鹵代烴取代反應的相關實驗，人教版教材選用溴乙烷與稀氫氧化鈉溶液反應，并用硝酸酸化的硝酸銀進行產物的檢驗；魯科版和蘇教版則選用溴丙烷與稀堿溶液反應后，再用硝酸酸化的硝酸銀進行產物的檢驗；滬科版則選用溴丁烷與稀氫氧化鈉溶液反應后，用硝酸酸化的硝酸銀進行產物的檢驗，并在漠丁烷中加入硝酸銀溶液進行了對照實驗。但有研究者在實驗探究中發現在溴乙烷中加入硝酸銀溶液也產生了沉淀現象，其主要原因在于溴乙烷本身試劑質量會對實驗結果產生影響，不論是溴乙烷還是溴丙烷、溴丁烷，由于在生產過程中往往采用醇類與氫溴酸反應制取，因此會導致鹵代烴試劑本身不純，試劑中會含有溴化氫，影響實驗結果[4]。鑒于此，能否通過驗證鹵代烴與氫氧化鈉溶液反應的另一產物醇類來解釋反應的機理呢？以溴乙烷的取代反應為例，筆者嘗試運用前述裝置進行了如下探究。

5.2.1實驗步驟

（1）在2只相同規格的燒瓶中分別加人磁力攪拌子，并用電子移液槍加人等物質的量的有機物 （0.598mL 乙醇 、0.764mL 溴乙烷）后，連接裝置。連接時確保E形真空接受管玻璃活塞均處于關閉狀態，完成連接后打開E形真空接受管右部玻璃活塞，用連接有聚四氟乙烯管的注射器向2只燒瓶中各加入 50mL 蒸餾水，然后關閉活塞，打開磁力攪拌器，待充分混合后，打開E形真空接受管上部玻璃活塞，測定VOCs傳感器對溴乙烷、乙醇含水混合物的響應程度。

（2）另取2只相同規格的燒瓶各加入 0.764mL 溴乙烷，連接裝置后，打開E形真空接受管右部玻璃活塞，用連接有聚四氟乙烯管的注射器向2只燒瓶中分別加入 50mL5% 的氫氧化鈉溶液、 50mL 蒸餾水，然后關閉活塞。打開可加熱磁力攪拌器，快速升溫至 80^°C 后，在水浴中恒溫攪拌5分鐘，使溴乙烷與氫氧化鈉溶液充分作用（若觀察到燒瓶底部仍有少量溴乙烷液滴可繼續保持恒溫攪拌，直至液滴完全消失再停止加熱攪拌）。

（3）待冷卻至室溫后，打開E形真空接受管上部玻璃活塞，用VOCs傳感器分別進行測定。

5.2.2實驗結果與討論

（1）如表5所示，上述實驗步驟1測得VOCs傳感器對溴乙烷含水混合物的響應程度遠大于乙醇含水混合物。

表5VOCs傳感器對不同含水有機物（乙醇、溴乙烷）響應程度

注：表中為3次實驗的平均值，實驗在室溫 11^qC 下進行。

（2）如表6所示，最終實驗測得加人氫氧化鈉溶液的燒瓶中VOCs傳感器的數值要低于加入蒸餾水燒瓶中測得的數值，而且與前述乙醇含水混合物所測得的數值幾乎一致，進一步驗證了鹵代烴取代反應的原理。

表6與氫氧化鈉溶液、蒸餾水作用后傳感器讀數

注：表中為3次實驗的平均值，實驗在室溫 11% 下進行。

5.2.3實驗優點

不僅有效避免了由于溴乙烷試劑不純導致實驗結果受影響，而且無需使用硝酸銀等價格較高的試劑，對環境造成的負擔也較小，綠色且經濟。此外，整體實驗操作簡單，學生可以將更多精力用于鹵代烴取代反應機理的理解與建構上。

6結語

在酯化、鹵代烴水解的實驗探究中應用自制VOCs濃度測量裝置，不僅解決了學生在有機學習中遇到的形成性問題，而且提升了證據推理能力，在新課程背景下將有助于引導學生掌握通過實驗探究解決實際問題的一般思路和方法。

參考文獻：

[1］趙雯.中小學創客式實驗教學的探索與實踐研究［J].上海教育科研，2024，（8）：69～74.

［2］趙雯，馬力．指向創新創造力培養的實驗教學育人變革探索——基于開源硬件的電子天平制作及應用[J]．化學教學，2025，（1）：65～69.

[3」趙雯.中小學實驗教學與創客教育融合探討[J」：中國現代教育裝備，2025，（4）：42～45.

［4］郭震.對鹵代烴取代反應及實驗的再認識[J]．化學教學，2023，（5）：68～72.