基于信息技术的实验装置设计与开发

2022-04-09 16:22张守秋刘芳刘斌
速读·下旬 2022年1期
关键词:自动化信息技术

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.

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