基于信息技术的实验装置设计与开发

张守秋 刘芳 刘斌

◆摘  要：在各学科实验教学中，通常会接触到标准化设计的实验设备，但很多时候我们需要对实验设备进行适当的改装，以适用于随时变动的实验需求。本文以氨气的喷泉实验装置为例，利用信息技术进行实验装置的设计与开发，以解决实验中出现的一些客观问题。氨气的喷泉实验需要制取和验证氨的相关性质，在实验中我们发现：反应物用量和生成物生成量不易精确控制;反应时需加入多种药品，且需要精准控制加入的量和速度;有些药品腐蚀性较强，有一定的安全隐患;实验时频繁、重复进行操作，浪费师生大量的时间和精力。而以上问题，使用信息技术进行开发，利用传感器精准检测，解决了精准控制、药品用量大、操作复杂、实验安全的问题。

◆关键词：信息技术;喷泉实验;自动化;负压法

一、研究背景

在氨气的喷泉实验中，实验室制取氨气时有以下三种常用的制取方法：

（一）Ca（OH）2和NH3Cl混合加热制取;

（二）将浓氨水加入到NaOH固体或CaO固体中制取;

（三）直接加热浓氨水制取。

经过分析，发现以上三种制取方法存在一些不足的地方。方法一，反应物和生成物的量不易精确控制，实验中需要加热，装置复杂;方法二，需要加入多种化学药品，还要精准控制浓氨水滴加的量和速度，所用药品的腐蚀性较强，有一定的安全隐患;方法三，需要加热，装置过于复杂，氨气的产生速率不易精准控制。

基于以上分析和反复进行实验验证，我们发现用负压法制取、收集氨气，不会浪费过多的实验药品，不会产生过多的实验废弃物，还能够精确控制气体的制取量和速率，在简化实验装置和操作的同时，降低了潜在的安全隐患，实验时制取气体的时间短，效率高。

二、组成及工作原理

（一）装置组成

本项目中的实验装置分为四个部分，制气装置、集气装置、检验装置、自动化控制装置。

制气装置由2个抽气泵和1个小试管或锥形瓶组成，小试管或锥形瓶用于装浓氨水;

集气装置为圆底烧瓶，用于收集产和的氨气，可以根据氨气的需求量，增加或减少圆底烧瓶的数量;

检验装置由1个小烧杯和1个导电性传感器组成;

自动化控制装置由1块Arduino Nano单片机开发板、1块LCD1602显示屏、1个继电器、1个控制按钮组成。

实验装置图如图1（其中橙色线为导线），制取气体时在锥形瓶中加入浓氨水，浓氨水可以多次利用，直到不能制取氨气为止，浓氨水不会被浪费。

（二）工作原理

在实验制取气体时，用抽气泵将锥形瓶中的空气抽出，形成负压，减小氨气在水中的溶解度，氨气不断析出，且利用压强对化学平衡的影响，减小压强促使平衡向生成气体的方向移动，一水合氨分解为水分子和氨气分子，氨气不断从浓氨水中析出，形成大量的气泡。

产生的氨气经导管进入圆底烧瓶，排出空气，进入到检验端，检验端的小烧杯内装有蒸馏水，蒸馏水导电性很弱，当氨气进入到蒸馏水中时生成NH3·H2O，NH3·H2O会电离生成NH4+和OH-，溶液的导电性会随着NH4+和OH-总量的增加而增强。而电导率传感器会实时检测溶液的导电性，当检验端的导电率数值上升到设置的预期值时，此时集气装置中的气体纯度较理想，收集的气体可以用于实验使用。此时自动化控制装置断开抽气泵的电源，制取气体结束。

三、制作过程

（一）用PVC塑料板制作一个长35CM、宽10CM、高30CM的框架，在距底面高度25CM的处安装一块长35CM宽10CM的横向支架，并在横向支架上平均分布开3个直径3.5CM的圆孔，用于摆放集气装置，在背板距底端4CM、距左边14CM处开一个直径2CM的圆孔用于连接电源，如图2、图3所示。

（二）将两个串联的抽气泵安装固定在左侧挡板距横向支架2.5CM处，用硅胶管将试管或锥形瓶与抽气泵的进气口连接，组成气体发生装置，如图4所示。

（三）将烧瓶放置在横向支架上，用硅胶管连接抽氣泵出气口，作为集气装置，根据收集气体的需求量安装烧瓶，如图5所示。

（四）加工组装自动化控制装置，编写代码，调试功能正常后，集成安装在一个长10CM宽5CM高6.5CM的长方体木盒中，其内部电路结构如图6，外观图如图7。

（五）将电导率传感器连接到自动化装置，并放入装有蒸馏水的小烧杯中，同时将尾气导管置于导管，作为检验装置，最终成品图参照图1。

四、使用方法

（一）实验开始前，接通电源（5V或9V电源都可以），连接好装置，检查装置气密性，确保装置气密性良好。

（二）在小试管或锥形瓶中加入适量浓氨水，在检验端小烧杯中装入40ml蒸馏水，将电导率传感器置于小烧杯中，液晶屏上显示蒸馏水的导电率数值和“Ready！”字样，表示装置已就绪。

（三）将尾气导管放入小烧杯中，点击控制装置的按钮，液晶屏显示“Doing！”，表示装置正在工作，控制装置打开气泵的电源制取氨气，我们可以观察到锥形瓶中有大量的气泡产生，说明有大量氨气生成，氨气进入到圆底烧瓶中，排出空气，进入到检验端，溶液的导电率开始上升，液晶屏显示的数值不断增大。当数值达到预设值时，控制装置自动断开气泵的电源，停止制取氨气，液晶屏显示“Stop！”。

（四）气体抽取结束后，关闭各个容器的止水夹，收集到的氨气即可用于喷泉实验。

（五）断开电源，清洗实验仪器，因为实验的装置一体化、自动化，所以我们只须清洗集气瓶和小烧杯。

五、该项目的创新点

（一）利用负压法制气，实现装置自动化，简化实验装置和操作，降低实验过程中的风险，提高实验效率、成功率和安全性。

（二）实现气体制取量和速率的精准控制，达到定速、定量制取气体的目的。

（三）利用开源硬件初步开发数字化实验设备，实现从定性分析到定量分析的跨跃。

（四）绿色环保，不浪费过多的实验药品和产生过多的实验废物。

（五）本项目的实验装置除了制取氨气外还可以扩展应用于浓盐酸制取HCl气体。

（六）基于STEAM教育理念，用开源硬件和信息技术融合于学科实验教学中，启发教师和学生的创新思维，并将这些思想、理念拓展应用到其它学科实验中。

六、总结

使用该实验装置制取氨气进行喷泉实验，减轻了实验人员准备药品、器材的负担，减小了药品的用量，避免了腐蚀性的药品，简化了实验的操作，降低了实验过程中的风险，缩短了气体制备的时间。实现了教师演示实验转变为学生分组实验的可能，让学生全面的参与到实验中来。同时在为学生争取到了更多的观察、分析、探究实验的时间，帮助学生建立学科知识间的联系。

参考文献

[1]朱鹏飞，马宏佳，常颖萃.利用传感技术进行二氧化碳的喷泉实验设计[J].教学仪器与实验，2009，25（06）：19-20.

[2]杜建功.氨气“喷泉”实验的创新设计[J].中小学实验与装备，2021，31（03）：50-51.