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利用传感器测定气体摩尔体积

摘要：?基于Arduino平台，在气体体积测定装置中引入BME280（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

《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（ArduinoIDE）。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BME280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