南京师范大学吴勇团队J. Chem. Educ. | 创客化学：测定液体饱和蒸汽压的探索——多级膨胀法

英文原题：MakerChemistry: Exploring a New Multiple Expansion Method through Sensor andSoftware to Determine Vapor Pressure

通讯作者：吴勇、苏志，南京师范大学

作者：Yulin Guo, Lin Wang, Jinyan Hou, Min Fang, Xiaofeng Chen, Jianchun Bao, Zhi Su*, and Yong Wu*

文章被选为期刊封面

背景介绍

《液体饱和蒸汽压的测定》是一项经典的物理化学实验，主要用于测量在恒定温度下，液体与其饱和蒸汽达到动态平衡时的压力。这一实验能帮助学生理解气-液平衡与 Clausius-Clapeyron 方程等基本化学概念，同时还能帮助学生掌握液体饱和蒸汽压的测定方法。但是，现行实验的一些不足之处亟待改进。首先，传统的测量方法，如使用平衡管的静态法，操作复杂且成本较高，限制了在教学和实验室中的广泛应用。其次，这些传统方法存在较大的误差，影响了实验结果的准确性和可靠性。此外，有些实验方法可能涉及有毒或危险物质，如使用四氯化碳，对学生的安全造成潜在威胁。因此，在保持实验经典性的基础上，针对现存不足进行改进与创新是十分必要的。

许多国家正在推广融合建构主义教育理论和创客运动的创客教育，这可以充分发挥学生在深入科学研究中的潜能。将创客教育融入化学实验可以为本科化学课程开辟新的教学视角，通过以低成本引进尖端技术对实验原型进行设计和优化，创客教育使学生在更宽广的背景下理解化学概念。同时，三级膨胀法在化工领域中的广泛运用给予了新的思路，团队尝试将其运用到液体饱和蒸汽压的实验当中。但由于三级膨胀法的数据处理较为繁琐，且其实验误差仍不能很好地满足实验教学的要求，因此我们将其改良推广为多级膨胀法，从原来仅测量三次数据即得到结果，扩展到测量约二十组数据通过拟合函数关系得到待求的蒸汽压，大幅提高了实验测量的精确度与可重复性。

图1. 多级膨胀法与现行实验装置对比图

文章亮点

近日，南京师范大学大学吴勇教授在 Journal of Chemical Education 上发表了多级膨胀法测定液体饱和蒸汽压的相关教学研究。团队开发了一种新型、经济的测定蒸汽压设备。这种便捷高效的设备可以使待测液和气体样品在测量室内多次膨胀并测量压力，同时通过软件进行数据拟合。这样可以有效减少传统三级膨胀法中的误差，得到更准确的蒸汽压。通过组装并操作实验设备和使用数据处理软件，创客教育目标得以实现，从而鼓励学生积极投入化学探究活动。

学院风采

南京师范大学化学与材料科学学院是我国首批成立的化学专业高等教育机构之一，其历史可以追溯到三江师范学堂、两江师范学堂设置的理化科，后历经南京高等师范学校化学系、国立中央大学师范学院理化系、金陵女子大学化学系等变革时期。1952年，南京师范学院成立，以金陵女子大学化学系为基础设立理化系。1953年起学校独立设置化学系，由哈佛大学第一位中国女化学博士吴懋仪教授担任系主任。1969年江苏教育学院化学系并入。2000年1月在化学系基础上成立化学与环境科学学院。2010年6月学校院系专业调整，更名为化学与材料科学学院。学院目前拥有江苏省化学实验教学示范中心和江苏省化工与材料实践教育中心；拥有全国首批设立的国家级和省级中学化学骨干教师培训基地；主办的《化学教与学》杂志面向全国发行；同时还是江苏省教育学会化学教学专业委员会的挂靠单位。

经过几代人多年来不懈地建设，学院已经成为江苏省化学化工与材料人才培养和科学研究的重要基地之一，现有化学、应用化学、材料科学与工程三个本科专业，其中化学专业被评为国家级一流本科专业建设点、江苏省品牌专业和江苏省重点专业；应用化学专业为江苏省一流本科专业建设点、江苏省重点专业。学院具有优良的治学传统，培养了大批优秀人才。本科生和研究生多次在“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛、全国大学生课外学术科技作品竞赛、全国化学师范生师范技能大赛中获得佳绩；师范专业培养的学生已有数十人评为中学特级教师、近百人成为重点中学校领导、优秀骨干教师。

总结/展望

将多级膨胀法与现代技术相结合，为测量液体饱和蒸汽压提供了一种便捷、经济且有效的创客化学实验。整套设备由一个插入水浴装置的注射器、温度控制器和与计算机连接的气压传感器组成。相较于传统三级膨胀法利用三组体积和压力数据产生的较大误差，改进后的实验通过数据拟合工具可以获得与文献值较为一致的结果，且重现性高。此外，通过 Clausius-Clapeyron 方程，实验数据还可用于计算摩尔蒸发焓。数据处理、现代设备及其构建过程融合了创客运动理念，为学生提供了探索化学基本概念的极好的体验式学习机会。这门化学实验课程适用于本科生，甚至可在高中生中普及。由于其体积小、易操作、无毒、安全性高以及具有成本效益等优点，这门课程也更适合在线教学和家庭化学实验。

相关论文发表在 Journal of Chemical Education 上，南京师范大学2020级本科生郭雨林为文章的第一作者，南京师范大学附属中学王琳老师为共同第一作者，南京师范大学吴勇教授、苏志教授为通讯作者。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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