黃云鵬 陳劍峰 李宇倩

摘要：利用智能手機(jī)、ESP32芯片和BME280溫濕度/大氣壓強(qiáng)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(zhì)的量的關(guān)系以及相同物質(zhì)的量的不同種氣體的體積。通過對數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，得到氣體摩爾體積。該組合測試裝置結(jié)構(gòu)簡單，現(xiàn)象直觀，數(shù)據(jù)相對誤差較小，應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中可以培養(yǎng)學(xué)生的定量探究意識，改變課堂教學(xué)方式，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：氣體摩爾體積測定；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；實(shí)驗(yàn)探究；傳感器模塊

文章編號：10056629（2023）06006404中圖分類號：G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確提出：要重視實(shí)驗(yàn)探究活動，多開展以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和定量實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動，充分發(fā)揮化學(xué)實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特價值。注重發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的作用，積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的深度融合，促進(jìn)教師教學(xué)方式和學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究、創(chuàng)新意識和跨學(xué)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(gòu)成物質(zhì)的量概念群組中不可缺少的要素，在化學(xué)、物理教學(xué)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(zhì)體積大?。簧峡瓢?、蘇教版、魯科版教材均是通過給定的摩爾質(zhì)量和密度計(jì)算1mol物質(zhì)的體積并得出結(jié)論。幾個版本教材都沒有通過實(shí)驗(yàn)來探究和測定氣體摩爾體積，學(xué)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(guān)鍵詞在知網(wǎng)等數(shù)據(jù)庫進(jìn)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(xué)的王洋老師經(jīng)過多次試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一套操作較簡便、精確度較高的裝置，且實(shí)驗(yàn)過程有趣，實(shí)驗(yàn)誤差較小^［2］；上海五愛高級中學(xué)的李嘉老師借用保鮮盒作為容器，利用智能手機(jī)的氣壓測量功能，間接測定了氣體摩爾體積^［3］。上述兩個實(shí)驗(yàn)雖然有所改進(jìn)，但實(shí)驗(yàn)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(qiáng)傳感器和溫度傳感器測量數(shù)據(jù)，計(jì)算出了氣體摩爾體積^［4］。但利用教學(xué)傳感器測量壓強(qiáng)成本較高，普及困難，通過注射器將溶液壓進(jìn)密閉容器，實(shí)驗(yàn)時整體壓強(qiáng)會發(fā)生突變，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)均不好控制實(shí)驗(yàn)條件的恒定。另外，檢索到的改進(jìn)儀器一般均是單組測定實(shí)驗(yàn)，無法定量探究同種氣體的體積與物質(zhì)的量的關(guān)系或相同物質(zhì)的量的不同氣體的體積。

智能手機(jī)集成了多種傳感器，能通過藍(lán)牙外接各類傳感器，有著很大的數(shù)字化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開發(fā)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(shí)驗(yàn)室。利用藍(lán)牙通信，在Phyphox editor編輯的實(shí)驗(yàn)專用APP上實(shí)時顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，無線傳輸數(shù)據(jù)解決了現(xiàn)有教學(xué)傳感器連線繁雜的問題。自制多口瓶及雙Y型管反應(yīng)容器，避免了注射器加液對系統(tǒng)壓強(qiáng)的影響，還可以連續(xù)進(jìn)行多組對照實(shí)驗(yàn)。通過注射器抽水來控制壓強(qiáng)與溫度的恒定，間接測量產(chǎn)生氣體的體積，探究同種氣體的體積與物質(zhì)的量的關(guān)系以及相同物質(zhì)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(shí)驗(yàn)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(xué)實(shí)踐中推廣。

2 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與制作

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置制作材料

ESP32芯片、電路板、GYBME280溫濕度/大氣壓強(qiáng)傳感器模塊、0.96寸OLED液晶顯示模塊、帶插針7號1節(jié)電池盒、3.2V磷酸鋰電池、帶側(cè)支的四口螺口瓶、螺口緩沖瓶、螺口加料瓶（帶上下側(cè)支）、Y型管、Y型三通、磁鐵、3D打印的磁鐵固定卡環(huán)

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)介紹

2.2.1 傳感器系統(tǒng)的搭建

流程如圖1所示。

大氣壓/溫度采集系統(tǒng)由GYBME280溫濕度/大氣壓強(qiáng)傳感器模塊和ESP32芯片組建，可通過OLED液晶屏幕直接顯示數(shù)據(jù)。利用Phyphox editor編輯實(shí)驗(yàn)專用APP軟件，實(shí)時顯示數(shù)據(jù)，增加記錄按鈕記錄數(shù)據(jù)。

2.2.2 器械部分制作過程

由于氣體容易被壓縮，分組實(shí)驗(yàn)難以控制實(shí)驗(yàn)條件（多次開蓋、組裝膠管等會影響系統(tǒng)的初始壓強(qiáng)），因而設(shè)計(jì)四口瓶作為實(shí)驗(yàn)連續(xù)發(fā)生裝置。將3D打印的環(huán)形配件卡在瓶蓋內(nèi)側(cè)，用細(xì)線將磁鐵和環(huán)形固定環(huán)固定，使用兩塊磁鐵隔著瓶蓋將反應(yīng)物夾在中間固定反應(yīng)物，移開上方磁鐵，蓋內(nèi)的磁鐵和反應(yīng)物同時掉落，蓋內(nèi)磁鐵被細(xì)線吊著，如圖2所示，反應(yīng)物掉落瓶內(nèi)溶液中，可實(shí)現(xiàn)不開蓋連續(xù)進(jìn)行多組反應(yīng)。還可以選擇Y型管作為反應(yīng)容器，方便“液+液”“液+固體粉末”的反應(yīng)。

將自制無線測壓、測溫傳感器裝入數(shù)據(jù)采集瓶中，實(shí)時測量體積和溫度數(shù)據(jù)，無線小體積傳感器解決了現(xiàn)有傳感器連線過多妨礙實(shí)驗(yàn)操作等問題。

利用注射器和排液瓶設(shè)計(jì)的氣體體積測量裝置，實(shí)驗(yàn)時利用針筒抽水，調(diào)控裝置內(nèi)壓強(qiáng)恒定（觀察實(shí)時溫度、壓強(qiáng)數(shù)據(jù)），反應(yīng)停止后，同溫同壓下，讀取針筒中液體的體積，即為發(fā)生裝置內(nèi)產(chǎn)生氣體的體積。也可以根據(jù)實(shí)際氣體產(chǎn)生量的大小改裝排液測量裝置：當(dāng)產(chǎn)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(dāng)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(shí)驗(yàn)裝置如圖3、圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 實(shí)驗(yàn)一 探究同種氣體的體積與物質(zhì)的量的關(guān)系

3.1.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 閉合傳感器的開關(guān)，將傳感器放入數(shù)據(jù)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(zhì)量的鋅片，利用兩磁鐵將鋅片夾在瓶蓋內(nèi)側(cè)，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(nèi)的空氣，將注射器推動到底端；

（4） 打開phyphox實(shí)驗(yàn)專用軟件，利用藍(lán)牙連接檢測傳感器，實(shí)時顯示溫度和壓強(qiáng)值；

（5） 抽動注射器活塞，固定在某一位置，觀察壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，檢測裝置氣密性（壓強(qiáng)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(nèi)的磁鐵掉落，被細(xì)線懸空吊著），將第一塊鋅片釋放，反應(yīng)產(chǎn)生氣體，通過緩緩抽動注射器活塞，保持瓶內(nèi)壓強(qiáng)恒定；

（7） 反應(yīng)完成，待瓶內(nèi)溫度和壓強(qiáng)分別與反應(yīng)前的溫度和壓強(qiáng)一樣時，記錄注射器內(nèi)水的體積，即為發(fā)生裝置內(nèi)產(chǎn)生的氣體體積。

（8） 分別釋放另外三塊鋅片，重復(fù)以上操作，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（9） 分析數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理如表1和圖5所示。

3.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

同溫同壓下，同種氣體的體積與物質(zhì)的量成正比，即V∝n。

3.2 實(shí)驗(yàn)二 探究相同物質(zhì)的量的不同氣體的體積

3.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 閉合傳感器的開關(guān)，將傳感器放入數(shù)據(jù)采集瓶中，蓋上蓋子；

（2） 在一組Y型管的側(cè)支分別裝入等物質(zhì)的量的碳酸鈉和鋅片，另一側(cè)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(lián)多個小規(guī)格注射器，提高測量體積的精度，本實(shí)驗(yàn)并聯(lián)兩個30mL的注射器），排盡連接管內(nèi)的空氣，將注射器推動到底端；

（4） 打開phyphox實(shí)驗(yàn)專用軟件，利用藍(lán)牙連接檢測傳感器，實(shí)時顯示溫度和壓強(qiáng)值；

（5） 抽動注射器活塞，固定在某一位置，觀察并記錄壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，檢測裝置氣密性（壓強(qiáng)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(cè)支，反應(yīng)產(chǎn)生氣體，通過緩緩抽動注射器活塞，保持瓶內(nèi)壓強(qiáng)恒定；

（7） 反應(yīng)完成，待瓶內(nèi)溫度和壓強(qiáng)與初始壓強(qiáng)一樣時，記錄注射器內(nèi)水的體積，即為發(fā)生裝置內(nèi)產(chǎn)生CO₂氣體的體積；

（8） 傾斜裝鋅片的Y型管，重復(fù)以上操作，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（9） 分析數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

同溫同壓下，相同物質(zhì)的量的不同氣體體積相等。

3.3 測量氣體摩爾體積

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，計(jì)算出1mol氣體的體積V₁=24.95L/mol

p₁=100.696kPa

t₁=33.36℃

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，計(jì)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(biāo)況下（273.15K，101kPa）的氣體摩爾體積：

（T_m、 p_m、 V_m分別代表氣體在標(biāo)況下的溫度、壓強(qiáng)和摩爾體積）

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目利用自制組合測試裝置為高中化學(xué)的實(shí)驗(yàn)探究提供了有利條件，推進(jìn)了課堂教學(xué)方式的改變和學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從“讀化學(xué)”“聽化學(xué)”向“做化學(xué)”“探究化學(xué)”的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了學(xué)生合作交流和個性發(fā)展，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性。掌上實(shí)驗(yàn)室可以準(zhǔn)確地采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具備函數(shù)處理功能，同時實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)和信息技術(shù)的融合，對培養(yǎng)學(xué)生數(shù)圖結(jié)合能力、發(fā)展定量思維、提升綜合分析能力起到關(guān)鍵作用。借用掌上實(shí)驗(yàn)室中數(shù)字傳感器的設(shè)計(jì)，融合化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)和信息技術(shù)等多學(xué)科知識，滲透STEM教育，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究、創(chuàng)新意識和跨學(xué)科綜合能力和素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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