气体摩尔体积实验的新设计
2023-07-11黄云鹏陈剑峰李宇倩
黄云鹏 陈剑峰 李宇倩
摘要：利用智能手机、ESP32芯片和BME280温湿度/大气压强传感器模块组合测试装置分别定量探究并测得同种气体的体积与物质的量的关系以及相同物质的量的不同种气体的体积。通过对数据的进一步处理，得到气体摩尔体积。该组合测试装置结构简单，现象直观，数据相对误差较小，应用于中学化学探究实验的教学中可以培养学生的定量探究意识，改变课堂教学方式，促进学生核心素养的发展。
关键词：气体摩尔体积测定；实验改进；实验探究；传感器模块
文章编号：10056629（2023）06006404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：要重视实验探究活动，多开展以数字化实验和定量实验为主的多种探究活動，充分发挥化学实验的独特价值。注重发挥现代信息技术的作用，积极探索现代信息技术与化学实验的深度融合，促进教师教学方式和学生学习方式的改变，培养学生的科学探究、创新意识和跨学科综合能力［1］。
1 问题的提出
气体摩尔体积为概念性知识，较为抽象，是构成物质的量概念群组中不可缺少的要素，在化学、物理教学中都有涉及。查阅多种版本教材，人教版教材直接给出1mol物质体积大小；上科版、苏教版、鲁科版教材均是通过给定的摩尔质量和密度计算1mol物质的体积并得出结论。几个版本教材都没有通过实验来探究和测定气体摩尔体积，学生被动接受知识，不利于对抽象概念的理解。
用“气体摩尔体积”关键词在知网等数据库进行检索，共检索出20篇论文，其中涉及“气体摩尔体积测定”仅有5篇。如上海洋泾中学的王洋老师经过多次试验，设计了一套操作较简便、精确度较高的装置，且实验过程有趣，实验误差较小［2］；上海五爱高级中学的李嘉老师借用保鲜盒作为容器，利用智能手机的气压测量功能，间接测定了气体摩尔体积［3］。上述两个实验虽然有所改进，但实验过程没有测量温度，“等温”条件难以控制。苏大附中的卢苗苗老师利用注射器往密闭容器添加溶液，利用朗威的压强传感器和温度传感器测量数据，计算出了气体摩尔体积［4］。但利用教学传感器测量压强成本较高，普及困难，通过注射器将溶液压进密闭容器，实验时整体压强会发生突变，经多次实验均不好控制实验条件的恒定。另外，检索到的改进仪器一般均是单组测定实验，无法定量探究同种气体的体积与物质的量的关系或相同物质的量的不同气体的体积。
智能手机集成了多种传感器，能通过蓝牙外接各类传感器，有着很大的数字化创新实验开发的潜力［5］。本文利用GYBME280温湿度/大气压传感器模块和ESP32芯片自制了低成本的掌上实验室。利用蓝牙通信，在Phyphox editor编辑的实验专用APP上实时显示实验数据，无线传输数据解决了现有教学传感器连线繁杂的问题。自制多口瓶及双Y型管反应容器，避免了注射器加液对系统压强的影响，还可以连续进行多组对照实验。通过注射器抽水来控制压强与温度的恒定，间接测量产生气体的体积，探究同种气体的体积与物质的量的关系以及相同物质的量的不同气体的体积，并通过换算得到气体摩尔体积。掌上实验室的传感器制作成本低（无线传感器成本59元），十分有利于在教学实践中推广。
2 实验装置的设计与制作
2.1 实验装置制作材料
ESP32芯片、电路板、GYBME280温湿度/大气压强传感器模块、0.96寸OLED液晶显示模块、带插针7号1节电池盒、3.2V磷酸锂电池、带侧支的四口螺口瓶、螺口缓冲瓶、螺口加料瓶（带上下侧支）、Y型管、Y型三通、磁铁、3D打印的磁铁固定卡环
2.2 实验装置结构介绍
2.2.1 传感器系统的搭建
流程如图1所示。
大气压/温度采集系统由GYBME280温湿度/大气压强传感器模块和ESP32芯片组建，可通过OLED液晶屏幕直接显示数据。利用Phyphox editor编辑实验专用APP软件，实时显示数据，增加记录按钮记录数据。
2.2.2 器械部分制作过程
由于气体容易被压缩，分组实验难以控制实验条件（多次开盖、组装胶管等会影响系统的初始压强），因而设计四口瓶作为实验连续发生装置。将3D打印的环形配件卡在瓶盖内侧，用细线将磁铁和环形固定环固定，使用两块磁铁隔着瓶盖将反应物夹在中间固定反应物，移开上方磁铁，盖内的磁铁和反应物同时掉落，盖内磁铁被细线吊着，如图2所示，反应物掉落瓶内溶液中，可实现不开盖连续进行多组反应。还可以选择Y型管作为反应容器，方便“液+液”“液+固体粉末”的反应。
将自制无线测压、测温传感器装入数据采集瓶中，实时测量体积和温度数据，无线小体积传感器解决了现有传感器连线过多妨碍实验操作等问题。
利用注射器和排液瓶设计的气体体积测量装置，实验时利用针筒抽水，调控装置内压强恒定（观察实时温度、压强数据），反应停止后，同温同压下，读取针筒中液体的体积，即为发生装置内产生气体的体积。也可以根据实际气体产生量的大小改装排液测量装置：当产生气体体积大时，可使用大的针筒或使用多管道同时接多个针筒；当气体体积小时，可将装液瓶更换成移液管与小针筒连接。
2.3 装置整体图
实验装置如图3、图4所示。
3 实验过程
3.1 实验一 探究同种气体的体积与物质的量的关系
3.1.1 实验步骤
（1） 闭合传感器的开关，将传感器放入数据采集瓶中，盖上盖子；
（2） 在四口瓶中装入过量的稀硫酸，用电子天平称量4份等质量的锌片，利用两磁铁将锌片夹在瓶盖内侧，盖好盖子；
（3） 排液瓶中装入适量的水，用胶管将其与注射器相连，排尽连接管内的空气，将注射器推动到底端；
（4） 打开phyphox实验专用软件，利用蓝牙连接检测传感器，实时显示温度和压强值；
（5） 抽动注射器活塞，固定在某一位置，观察压强数据，检测装置气密性（压强不变则气密性良好）；
（6） 将注射器活塞推到底部，移开瓶盖上的磁铁（盖内的磁铁掉落，被细线悬空吊着），将第一块锌片释放，反应产生气体，通过缓缓抽动注射器活塞，保持瓶内压强恒定；
（7） 反应完成，待瓶内温度和压强分别与反应前的温度和压强一样时，记录注射器内水的体积，即为发生装置内产生的气体体积。
（8） 分别释放另外三块锌片，重复以上操作，记录实验数据；
（9） 分析数据，得出实验结论。
3.1.2 实验数据及数据处理
实验数据及数据处理如表1和图5所示。
3.1.3 实验结论
同温同压下，同种气体的体积与物质的量成正比，即V∝n。
3.2 实验二 探究相同物质的量的不同气体的体积
3.2.1 实验步骤
（1） 闭合传感器的开关，将传感器放入数据采集瓶中，盖上盖子；
（2） 在一组Y型管的侧支分别装入等物质的量的碳酸钠和锌片，另一侧支分别加入过量的稀硫酸；
（3） 排液瓶中装入适量的水，用胶管将其与注射器相连（可用多通并联多个小规格注射器，提高测量体积的精度，本实验并联两个30mL的注射器），排尽连接管内的空气，将注射器推动到底端；
（4） 打开phyphox实验专用软件，利用蓝牙连接检测传感器，实时显示温度和压强值；
（5） 抽动注射器活塞，固定在某一位置，观察并记录压强数据，检测装置气密性（压强不变则气密性良好）；
（6） 将注射器活塞推到底部，倾斜装碳酸钠的Y型管，稀硫酸流入装碳酸钠的侧支，反应产生气体，通过缓缓抽动注射器活塞，保持瓶内压强恒定；
（7） 反应完成，待瓶内温度和压强与初始压强一样时，记录注射器内水的体积，即为发生装置内产生CO2气体的体积；
（8） 倾斜装锌片的Y型管，重复以上操作，记录实验数据；
（9） 分析数据，得出实验结论。
3.2.2 实验数据
实验数据如表2所示。
3.2.3 实验结论
同温同压下，相同物质的量的不同气体体积相等。
3.3 测量气体摩尔体积
根据表1数据，计算出1mol气体的体积V1=24.95L/mol
p1=100.696kPa
t1=33.36℃
根据表2数据，计算出1mol气体的体积V2=25.50L/mol
p2=100.781kPa
t2=34.13℃
由理想气体方程pV=nRT可得：
换算标况下（273.15K，101kPa）的气体摩尔体积：
（Tm、 pm、 Vm分别代表气体在标况下的温度、压强和摩尔体积）
4 结束语
本项目利用自制组合测试装置为高中化学的实验探究提供了有利条件，推进了课堂教学方式的改变和学生学习方式的转变，实现了学生从“读化学”“听化学”向“做化学”“探究化学”的转变，促进了学生合作交流和个性发展，激发了学生学习化学的积极性。掌上实验室可以准確地采集实验数据，具备函数处理功能，同时实现实验和信息技术的融合，对培养学生数图结合能力、发展定量思维、提升综合分析能力起到关键作用。借用掌上实验室中数字传感器的设计，融合化学、物理、数学和信息技术等多学科知识，渗透STEM教育，培养学生的科学探究、创新意识和跨学科综合能力和素养。
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］王洋. 气体摩尔体积测定实验的改进［J］. 化学教学，2019， （8）：69～71.
［3］李嘉. 智能手机在气体摩尔体积测定实验中的应用［J］. 化学教育（中英文），2020， （11）：98～100.
［4］卢苗苗. 气体摩尔体积测定的数字化实验设计［J］. 化学教学，2021， （5）：72～76.
［5］陈剑峰. 基于ESP32与Phyphox的多功能振动实验装置的设计与实验［J］. 物理教师，2022，43（8）：49～51.
