利用传感器测定气体摩尔体积

马雄雄

摘要：  基于Arduino平台，在气体体积测定装置中引入BME 280（温度、压强、湿度）传感器以及微型潜水泵，改进后的装置能获取实验过程中温度、压强、湿度的数据以外，还可以在添加相应的实验试剂后自动完成气体体积的测定。利用改进后的实验装置分别测定反应产生的氢气和压缩罐释放的丁烷气体体积，比较测定值与文献数据的差异，分析水溶液反应制取气体时产生的水蒸气和排水法产生的水蒸气对测定结果的影响，为学生进一步改进和完善实验提供依据。

关键词：  气体摩尔体积； 传感器测定； 实验改进

文章编号： 1005-6629（2024）05-0071-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》明确提出，鼓励教师运用信息技术提高课堂教学效率和质量，强化信息技术与化学教学的深度融合，将信息技术适时引入到化学教学中，开展以化学实验为主的多种探究活动，激发学生学习化学的兴趣，促进学生学习方式的转变，重视实验探究活动，培养学生的创新和实践能力［1］。将信息技术引入到化学教学中，除了使用pH、电导率、色度、浊度、压强等传感器测定/表征实验数据以外，还可以利用数据处理器对传感器获取的数据进行处理并通过外部接口进行反馈。上海市教委教研室徐睿老师提出，数字化实验不仅仅停留在数据获取，而且可以输出一定的信号来控制马达、扬声器、LED、位数显示管等外围设备；数字化实验从“输入”时代发展为“输入”和“输出”相结合的过程，丰富了实验结果的呈现或实现实验条件的自动化控制［2］。气体摩尔体积的测定在多本教材中都没有安排实验［3］，在上海市普通高中教科书必修第一册中，测定气体摩尔体积是一个项目学习活动［4］，引导学生通过实验测定与记录，与“1mol任何气体在273K和101kPa时约为22.4L”进行比较，简单分析偏差并需要思考如何消除水的饱和蒸气压对实验的影响。

该实验活动中，教材选择的是传统的实验装置，能快速准确地进行气体体积测定，其装置结构简单，操作方便（如图1所示），但实验中受装置体积大小及设备使用等因素的影響，没有具体说明如何测定实验的大气压强、温度等数据，也没有提示如何测定实验过程中饱和蒸气压的变化，因此本研究将在实验装置中引入温度、压强、湿度等传感器对其进行数字化改进，增加实验中气体湿度变化等数据，从而补充学生分析饱和蒸气压对实验结果影响的依据，为学生思考如何消除饱和蒸气压的影响时能做出准确、合理的判断，避免出现偏离实验实际，使测定数据过于理想化等情况。

本实验尝试利用Arduino平台，引入BME280（温度、压强、湿度传感器）、5V微型潜水泵、LCD显示器等装置，对气体体积测定装置进行数字化改进，改进后的实验装置不仅可以显示实验条件下的温度与压强，监测实验中气体的湿度变化，还可以基于实验时装置内的压强变化由Arduino通过控制微型潜水泵主动排水，自动平衡装置内的压强。

在气体体积测定的实验装置中引入BME280传感器能快速准确地测定实验数据，同时通过数据处理器反馈外围设备实现化学实验的自动化进行，提升实验和教学的效率和质量。改进后的实验装置为学生展示数据测定、数据转化、数据反馈等创新研究中的一些手段和方式，激发了学生的学习兴趣，提升了学生的创新能力。

1  实验原理

1.1  Arduino简介

Arduino是一款开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE）。硬件部分可以用来做电路连接的Arduino电路板，软件部分可以编写程序代码。Arduino能通过各种传感器感知环境，通过控制灯光、马达和其他装置来反馈、影响环境。

1.2  实验装置工作原理

排水法测定气体体积的原理是实验开始后产生的气体会使装置内的压强增大，从而使水排出储液装置，实验开始后需要调节装置内外的压强。

在数字化改进后的气体体积测定装置中，Arduino通过程序监测装置内的压强变化，并通过控制微型潜水泵主动向外排水，使装置内外始终保持压强平衡。其工作原理是Arduino每秒都会获取BME 280传感器的数据（温度、压强、湿度），监测压强的变化，并通过LCD液晶显示屏不断输出初始压强、温度与湿度数据。当装置与大气相连时，对Arduino进行通电后，程序将读取的第一个压强数据定义为“初始气压”，之后程序读取的压强数据都将与“初始压强”进行比较；当装置密封后，若装置内气体增加时压强增大，Arduino通过直流电机驱动拓展板控制微型潜水泵向外排水，使容器内压强降低；当容器内的压强降低至“初始压强”后，停止向外排水。当装置中不再有气体产生且微型潜水泵不再向外排水后，通过电子秤称量排出的水的质量并换算得出产生气体的体积。

1.3  实验装置的程序流程图

数字化改进后的气体体积装置中，Arduino工作的程序流程图，如图2所示。

2  实验装置的设计与制作

2.1  实验材料

2.1.1  实验装置制作的材料

Arduino UNO开发板，直流电机驱动拓展板，BME 280（温度、压强、湿度传感器），5V微型潜水泵，零压力单向阀，电子秤，电子天平，LCD液晶显示屏，Y型试管，烧杯，橡胶管，玻璃管等

2.1.2  实验药品

3mol·L-1 H2SO4，金属镁，高纯度丁烷（小号气罐储存）

2.2  实验装置图

利用数字化改进后的气体体积测定装置进行实验，如若测定一定量的镁条和足量稀硫酸反应制取氢气的体积时，可以将反应物装入Y型试管中，通过精确称量镁的质量从而换算得出产生氢气的物质的量，再通过实验测定产生氢气的体积，其实验装置如图3所示。如若使用储气罐测定气体的体积时，通过释放高纯度的丁烷气体，称量高纯度丁烷储气罐实验前后的质量差得出释放丁烷的物质的量，再通过实验测定产生丁烷的体积，其装置如图4所示。

3  实验过程

3.1  实验一  氢气的气体体积测定

3.1.1  实验步骤

（1） 按图3连接好实验装置，检验气密性；

（2） 在储液瓶及排液装置中加入一定量水，并排尽导管内的气体；

（3） 取一段镁条，用砂纸打磨掉氧化层，精确称量镁条质量（约0.120g左右）并记录质量；

（4） 把称量好的镁条放入Y型试管的一端；

（5） 小心地向Y型试管的另一端中注入过量的稀硫酸（浓度3mol·L-1， 3～4mL）；

（6） 塞紧Y型试管上的橡皮塞；

（7） 打开Arduino UNO开发板的电源，系统自动开始工作；

（8） 旋转三通阀，使装置密封且使Y型试管与储液瓶连通；

（9） 倾斜Y型试管，使稀硫酸与镁条接触，反应开始；

（10） 待反应结束，读取温度、压强、湿度数据以及排出水的质量。

3.1.2  实验数据及数据分析

连续进行8次实验，所得的实验数据如表1所示。

实验开始前由于湿度变化较为明显，选择在传感器测定的湿度相对稳定时，记录实验前湿度并开始实验。实验结束后，将依据克拉伯龙方程计算在实验时的温度、压强下，实验取用的一定量镁条反应产生的氢气体积的文献数据，记录在表格“文献数据”中，发现实验测定的氢气体积明显大于文献数据；考虑到实验前后装置内的气体湿度变化，将20℃时水的饱和蒸气压（2.34kPa）的误差引入后，再计算实验取用的镁条在20℃下、湿度为100%时氢气的体积，记录在表格“文献数据*”中。可以发现在引入湿度因素后，实验测定值与文献数据更为接近。

由此可以确定，利用镁条和稀硫酸制取氢气并测定产生氢气的体积时，需要引入湿度因素对测定结果进行修正。

3.2  实验二  丁烷的气体体积测定

3.2.1  实验步骤

（1） 按图4连接好实验装置，检验气密性；

（2） 在储液瓶及排液装置中加入一定量水，并排尽导管内的气体；

（3） 用电子天平准确称量高纯度丁烷储气罐的质量并记录；

（4） 打开Arduino UNO开发板的电源，系统自动开始工作；

（5） 逐步释放高纯度丁烷储气罐中的丁烷气体；

（6） 当观察到排出水的体积约为120mL时，停止释放丁烷气体；

（7） 取下储气罐，用电子天平称量释放丁烷气体后的储气罐质量并记录；

（8） 读取温度、压强、湿度数据以及排出水的质量。

3.2.2  实验数据及数据分析

连续进行8次实验，所得的实验数据如表2所示。

实验前选择湿度相对稳定后，记录实验前的湿度并开始实验。在实验中释放出压缩罐中的丁烷气体后装置中湿度降低，当丁烷不再释放后装置也停止向外排水，在停止释放压缩罐中的丁烷气体后记录装置内的湿度。依据克拉伯龙方程计算在实验时的温度、压强下，释放出的丁烷气体的体积在没有引入湿度进行修正时的文献数据与实验结果接近。对比实验前后的湿度变化，由于释放储气罐中的丁烷气体不含水蒸气，气体总量扩大使混合气体的湿度降低，因此利用压缩罐测定丁烷的气体体积时，若在短时间内完成实验，储液瓶中水蒸气的挥发对气体体积测定影响较小。

3.3  实验三  储液瓶上方气体湿度变化的测定

在利用排水法测定气体体积时，储液瓶上方的水蒸气也有可能会造成气体体积的变化。利用Arduino获取BME 280传感器数据可以测定储液瓶上方气体的湿度随时间的变化，先测定空气中的湿度然后再将传感器密封在储液瓶上方，得到储液瓶上方空气的湿度随时间变化的情况，如图5所示。

实验条件下空气的湿度约为50%时，将湿度传感器装入储液瓶上方并密封后，其湿度会迅速从50%上升到70%左右，用时约为15秒；湿度从70%上升到80%，用时30秒；湿度从80%增加到85%，用时约3分钟；最终经过约17分钟后测定储液瓶上方空气的湿度稳定在约88%，由此可以发现实验中确实需要考虑排水法产生的水蒸气对气体体积测定的影响。对于气体体积测定实验，实验前需要连接实验装置、检查装置气密性，以及添加实验试剂等操作中都需要一些时间，在这段时间内储液瓶上方的空气湿度会迅速上升并進入湿度增长的平稳期。在利用排水法测定气体体积时，实验前后装置内原有的气体湿度变化不大，所以储液瓶挥发出的水蒸气对实验测定结果的影响相对较小。

4  结束语

综合分析实验一、实验二、实验三的实验结果，利用不同方法测定气体体积时，影响气体体积的因素较多。对于测定气体体积时的湿度影响，其主要来源是产生气体时气体所带有的水蒸气，排水法中储液瓶挥发的水蒸气是次要因素。通过数字化的实验测定，学生不仅了解影响气体体积测定结果的因素，准确认识实验中湿度对气体体积的影响，在尝试解决实验中水蒸气的影响时，能更准确地提出解决方案，如考虑体积计算时引入湿度对实验结果进行修正，或通过改变气体的产生方式或种类，避免产生的气体中带有水蒸气。

利用数字化改进后的气体体积测定装置测定不同气体的体积，不仅可以快速得到实验数据，还可以准确分析影响实验结果的因素，为下一步改进和完善实验步骤提供有力支持，有效提升学生的证据意识与科学探究思维。学生在使用数字化实验装置时，可以对比数字化实验与传统实验装置的差异，寻找各自的优缺点，激发学生学习兴趣的同时也有利于培养学生的创新思维。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020.

［2］徐睿. 中学化学数字化实验的新趋势［J］. 化学教学， 2020， （9）： 31～36.

［3］黄云鹏， 陈剑峰， 李宇倩. 气体摩尔体积实验的新设计［J］. 化学教学， 2023， （6）： 64～75.

［4］麻生明， 陈寅主编. 普通高中教科书·化学必修第一册［M］. 上海： 上海科学技术出版社， 2021： 38～40.