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應(yīng)用型新化學(xué)實(shí)驗(yàn)的開發(fā)論文
0 引言
在大學(xué)化學(xué)的基礎(chǔ)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)占有很重要的地位�；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)是鞏固基礎(chǔ)理論知識(shí)，訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)基本技能，培養(yǎng)學(xué)生的研究能力和創(chuàng)新意識(shí)。隨著教學(xué)改革的深入進(jìn)行，很多高等學(xué)校已經(jīng)意識(shí)到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容僅僅停留在以演示型和驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)模式，已經(jīng)不能滿足21世紀(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要,越來越多的綜合性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)要充實(shí)到教學(xué)中。因此,如何選擇一些與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合緊密，并且具有研究應(yīng)用性質(zhì)的課題引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)教學(xué)中，而且既要安全,簡(jiǎn)便,易操作，又可以使學(xué)生在查閱資料的同時(shí)，鞏固基礎(chǔ)理論，運(yùn)用理論知識(shí)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果M,這是我們每個(gè)教學(xué)工作者需要思考的課題。
可膨脹石墨的生產(chǎn)至今已有30多年歷史，它是利用天然的鱗片石墨進(jìn)行化學(xué)深加工后，獲得的一種優(yōu)良的工程材料。石墨本身是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，層面上的碳原子為sp2雜化,碳原子與碳原子之間為共價(jià)單鍵，同時(shí)層面上還有大T鍵；而層間為范德華力，結(jié)合力較弱。這樣層間可以通過化學(xué)反應(yīng)插入或容納多種不同的物質(zhì),形成種類繁多、性質(zhì)奇異的插層化合物。石墨層間插入其他的物質(zhì)后，形成石墨插層復(fù)合材料，即可膨脹石墨。這時(shí)石墨層面及層間的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生了很大的變化，其他的光、電、磁、催化以及機(jī)械等性能也十分誘人。石墨層間插入的物質(zhì)種類不同，所形成的可膨脹石墨的性能也有所不同。不同類型的可膨脹石墨可以加工作為高導(dǎo)電材料、發(fā)熱材料、密封材料、吸附材料、催化劑等，應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、電力、化工、冶金、機(jī)械甚至航空等領(lǐng)域�；诳膳蛎浭珣�(yīng)用廣泛，制備方法簡(jiǎn)單，安全,制備過程中既涉及化學(xué)的基礎(chǔ)理論,又可訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)基本操作。同時(shí)通過學(xué)生自己查閱資料，選擇不同的插層物質(zhì)，可以制備出不同性質(zhì)的產(chǎn)品，把可膨脹石墨的制備作為研究應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)開設(shè)，可以激發(fā)學(xué)生的研究興趣和培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。
1可膨脹石墨的實(shí)驗(yàn)方法
1.1制備方法及工藝流程
將鱗片石墨加入濃硝酸浸泡10min,再加入高錳酸鉀混合均勻，選擇不同種類的插層物質(zhì)，在40°C下反應(yīng)1h,洗滌至pH為5到6,100C以下干燥,得到可膨脹石墨。若將可膨脹石墨在900C時(shí)膨化30s,體積迅速增大100~320倍,就得到膨脹石墨。插入石墨層間的物質(zhì)不一樣，生產(chǎn)出的可膨脹石墨種類就不同，膨脹倍數(shù)不同，性質(zhì)也不同（見表1)。無機(jī)插層物質(zhì)可以是硫酸,磷酸,磷酸酐；有機(jī)插層物質(zhì)可以是乙酸，乙酸酐。工藝流程圖如圖1。
1.2合成機(jī)理
石墨屬于六方晶系，具有特殊的層狀結(jié)構(gòu)。層面內(nèi)碳原子之間是共價(jià)鍵,具有極強(qiáng)的鍵合能,而層間的碳原子之間僅以微弱的范德華力相結(jié)合,氧化處理后，許多分子或原子及原子團(tuán)能輕易地突破層間結(jié)合力而插入石墨層間，形成石墨層間化合物即可膨脹石墨。
1.3可膨脹石墨的性質(zhì)M
表1為學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB10698-89中的測(cè)試方法，通過測(cè)其產(chǎn)品pH值、膨脹容積、水分、灰分和揮發(fā)分等性質(zhì)，可以評(píng)價(jià)可膨脹石墨的質(zhì)量。pH值:產(chǎn)品的酸堿性;膨脹容積:產(chǎn)品的回彈性;灰分和揮發(fā)分:產(chǎn)品的純度。從表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,得出以下結(jié)論：
(1)石墨與硫酸合成的產(chǎn)品膨脹容積大，但硫酸作為插層物質(zhì),HSO4離子進(jìn)入層間，腐蝕性強(qiáng)；
(2)石墨與硝酸合成的產(chǎn)品，由于不加入其他插層物質(zhì),硝酸既是介質(zhì)，又可作為插層物質(zhì)進(jìn)入層間，使成本降低,但膨脹容積��；
(3)石墨與乙酸或乙酸酐合成的產(chǎn)品，由于有機(jī)物高溫易揮發(fā),所以灰分小,純度高,但膨脹容積也小,成本較高；
(4)石墨與磷酸或磷酸酐合成的產(chǎn)品膨脹容積大,但灰分大，純度低。
2實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)方法
將學(xué)生分成幾組,首先給出實(shí)驗(yàn)提綱,包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙饬x、實(shí)驗(yàn)基本要求、涉及的理論知識(shí)、思考題、參考書和文獻(xiàn)范圍等等。
(1)學(xué)生從查閱文獻(xiàn)開始,設(shè)計(jì)合成步驟,提交設(shè)計(jì)方案，由教師檢查是否合理。
(2)不同組別選擇不同的插層劑合成產(chǎn)品。在合成過程中，摸索實(shí)驗(yàn)條件,如尋找酸性介質(zhì)與氧化劑和插層物質(zhì)的最佳配比,反應(yīng)時(shí)間和溫度,膨化時(shí)間和溫度等等。
(3)進(jìn)行產(chǎn)品性質(zhì)測(cè)試。測(cè)其產(chǎn)品pH值、膨脹容積、水分、灰分和揮發(fā)分等。
(4)幾組進(jìn)行對(duì)比研究，并展開討論。各自評(píng)價(jià)自己合成產(chǎn)品的特點(diǎn),給出其應(yīng)用范圍。
(5)提交與論文相似的研究報(bào)告。
3實(shí)驗(yàn)效果
通過開設(shè)應(yīng)用型化學(xué)實(shí)驗(yàn),使學(xué)生學(xué)會(huì)查閱文獻(xiàn)資料,進(jìn)一步了解石墨的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及經(jīng)過深加工后石墨產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用，完成一個(gè)將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的過程。整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，由學(xué)生自主設(shè)計(jì)，獨(dú)立操作,貼近實(shí)際。這種訓(xùn)練過程使學(xué)生鞏固基礎(chǔ)理論,強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)技能,提高觀察和分析問題、解決問題的能力。激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)培養(yǎng)了科學(xué)研究意識(shí)。
4結(jié)語
科學(xué)研究、生產(chǎn)實(shí)際與教學(xué)相結(jié)合是大學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì),開設(shè)研究應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)的積極性,拓寬了知識(shí)面,增強(qiáng)了創(chuàng)新意識(shí)。為優(yōu)秀本科生早期從事科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。教學(xué)科研化、實(shí)驗(yàn)綜合化、基礎(chǔ)專業(yè)化是教學(xué)改革的方向。
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