无机合成及实验

无机合成及实验（精选7篇）

无机合成及实验 篇1

0引言

纳米粒子填充高分子的结构和性能调控是纳米材料科学的研究前沿和热点,优势在于添加少量的纳米粒子就可以明显提高材料的力学性能、热稳定性和阻隔性能等[1,2,3]。但实现纳米复合材料高性能化的关键问题是控制纳米粒子在聚合物基体中的分散和调控聚合物基体与填料间的界面作用,工业化的难点在于降低制备无机纳米粒子的分散成本和提高制备方法的可操作性。目前,采用乳液、悬浮、分散、原位聚合等方法制备的核壳型有机-无机粒子均为固态,虽然能在一定程度上提高无机纳米(粒径小于20nm)颗粒的亲油性,减轻团聚倾向,但很难得到单包覆的核壳纳米复合粒子, 而且作为聚合物熔融共混或复合纺丝的无机粒子母料,存在粒子后处理过程复杂,熔融共混或纺丝粘度大,难以大规模应用而且也很难通过剪切力消除小的粒子聚集体等缺陷,大大限制固体纳米粒子在复合纤维中的应用。因此,发展新的改性技术制备低粘度、结构可控的单分散核壳纳米粒子,对于解决以上问题能起到关键作用,是发挥粒子纳米效应有效途径之一。2005年Giannelis[4]在SiO2、γ-Fe2O3纳米粒子表面接枝季铵化的硅烷偶联剂,然后与聚氧乙烯功能化的有机长链进行离子交换,使无机纳米粒子在无溶剂的条件下具备类似于液体的流动性,粒子自组装有序排列,呈现单分散核壳粒子结构。这种结合纳米粒子自身物理化学性质和流体的流动性能于一身的类流体是一种宏观上的均相体系,即每一个“溶质”粒子周围紧密结合了自己的那部分“溶剂”,这些 “溶剂”不迁移、不挥发,具有绿色 环保、分散稳定 性好等优 势,使这种体系具备广泛的应用前景和研究价值[5,6,7,8]。本文将综述这种具有类液行为的有机-无机离子纳米粒子的合成方法、结构及性能以及在高分子复合材料领域的应用前景。

1有机-无机离子纳米粒子(NIMs)的合成方法

通常认为的纳米流体是指把金属或非金属纳米粉体分散到水、醇、油等传统换热介质中,制备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质,是一种多相体系。而本文中的有机-无机离子纳米粒子是以纳米粒子为核,外面包覆颈状层分子(通常是硅烷类的改性剂),冠状层分子(有机长链离子)通过静电作用与颈状层分子相连。颈状层和冠状层相当于溶剂,使纳米粒子核在无溶剂情况下呈现类似液体流动性质,是一种均相体系。目前合成NIMs(即纳米类流体)的常用方法归纳起来主要有两种。一种是离子交换法(两种带相反电荷的配体之间的静电作用)。粒子表面的劲状层分子一般是硅烷类的季铵盐,水解后形成硅醇基与粒子表面 羟基反应 形成共价 键,得到粒子有机盐,然后表面含有长链季铵盐的纳米粒子与冠状分子进行离子交换得到NIMs。该反应属于离子交换反应,所需反应条件温和,并且在反应过程中无有毒物质的参与和生成。采用这类方法得到的无溶剂纳米类流体被称为第一代类流体,其合成反应示意如图1所示。这一类超分子离子液体主要包括ZnO[9]、SiO2[10]、Fe2O3[10]、TiO2[11]、海泡石[12]等。另一种是酸碱反应法,这种方法是在Giannelis等[8]报道的第二代类流体制备方法的基础上经适当简化与调整而得到的。酸碱交换法是基于分别带酸性基团和碱性基团的两种配体间的酸碱反应。首先用酸性硅烷偶联剂对纳米粒子进行表面修饰,然后用碱性的带有PEG链段的叔胺与前者进行酸碱反应,制得目标产物。酸碱反应速率快, 反应彻底,反应条件温和,产物纯度高,采用这类方法得到的无溶剂纳米类流体被称作第二代类流体。合成示意图如图2所示。用这一类方法制备得到的超分子离子液体主要包括SiO2[13,14]、碳纳米管[15,16,17,18,19,20]、富勒烯[21,22]、Au[23]等。

李琦等[24]研究了离子交换法和酸碱反应法制备SiO2类流体的特点,发现两种方法都能得到比 较理想的 纳米类流 体,其中离子交换法(萃取)能够很容易地将小离子移除出反应体系,从而得到理想的类流体产物;并且,这种方法无须加入过量的阴离子表面活性剂来进行离子交换,使得产物的提纯也比较容易。而采用酸碱反应法,利用粒子表面接枝物的酸碱反应,能够快速制备出不同结构的纳米类流体,后处理过程简单,但是成本太高,无法大规模生产。郑亚萍等[25]在总结离子交换法和酸碱反应法的基础上,提出了基于无机粒子-有机分子之间氢键自组装合成新的纳米类流体,直接用两端带有羟基的 聚环氧乙 烷-block-聚氧化乙 烯-block-聚环氧乙烷(PEO-b-PPO-b-PEO)嵌段共聚物与无机粒子表面羟基相互作用形成氢键,从而在粒子表面接上有机长链分子,这种方法后处理过程简单,有助于大规模生产。

2零维、一维和二维离子纳米粒子合成及性能

由于各种无机纳米粒子的形状、尺寸及表面化学不同, 每一类无溶剂纳米类流体的制备方法还需要根据纳米材料自身的性质进行区分。根据无机粒子在空间的维度不同,通常将纳米粒子分为零维、一维、二维和三维。下文将重点介绍不同维度的无机-有机纳米复合粒子合成及性能。

2.1零维离子纳米粒子合成

最具有代表性的零维纳米粒子是球形粒子如碳60、SiO2及其他金属球形纳米粒子。由于这些球形粒子表面富含大量羟基,通常采用离子交换法(第一代方法)制备有机-无机纳米流体粒子。在这类方法中,首先使用带有离子基团的有机硅烷偶联剂与纳米粒子进行化学接枝,该反应是基于硅烷偶联剂上的硅羟基与纳米粒子表面羟基之间的脱水缩合;然后用带有柔性长链的离子液体置换硅烷偶联剂带电基团上的小离子,通过离子键的作用使柔性长链离子锚固在包有硅烷偶联剂的纳 米粒子表 面。 采用这种 方法,已制备出 基于SiO2[10]、Fe2O3[10]、TiO2[11]等粒子的无溶剂纳米类流体。本课题组采用第二代酸碱法制备出不同结构SiO2纳米类流 体,通过改变长链有机物的分子链长度,得到不同流变行为类流体。对于那些本身不具有表面羟基或表面羟基含量太低的纳米粒子,在用硅烷偶联剂改性前,需采用化学方法对粒子表面进行处理,使其表面产生足够多的羟基,然后再利用硅烷偶联剂接枝技术制备无溶剂纳米类流体。如碳酸钙纳米粒子表面羟基含量不足,直接与硅烷偶联剂反应活性点较少,因此直接偶联反应得到的纳米粒子盐呈固体,无法呈现流体特征。熊传溪等[26]通过调节体系pH值为碱性,使碳酸钙纳米粒子表面能够产生大量羟基,从而可以利用硅烷偶联剂接枝技术得到碳酸钙类流体。这种粒子表面预处理技术扩展了零维纳米粒子制备类流体的种类。虽然纳米类流体制备方法较多,技术也逐渐成熟,但是目前关于零维纳米类流体的理论研究较少,关键的流动机理至今尚未弄清楚。 目前仅Agarwal等[27]在总结前人的工作基础上,以SiO2纳米类流体为理论模型,成功建立了零维纳米类流体的物理框架,研究发现具有不同接枝密度与接枝链长的零维纳米类流体可以用3种不同的物理模型来定义:(1)类似于星形多臂聚合物模型;(2)类似于传统纳米粒子悬浮液模型;(3)类似于软玻璃类材料模型。

2.2一维离子纳米粒子合成

一维纳米材料主要以碳纳米管、二氧化钛纳米管等为代表,表面羟基和羧基量少,但经过混酸处理后也能产生足够多的含氧官能团,这些含氧官能团可以与偶联剂反应生成有机离子盐,通过与柔性长链离子有机物的离子交换或酸碱反应可以制得一维纳米管类流体。熊传溪等[18]采用离子交换法制备了MWCNT类流体,60 ℃左右类流体从蜡状固体向液态转变,冷却后又可逆回复到固态。同样,郑亚萍等[12]采用离子交换法制备了棒状的海泡石纳米类流体,室温下呈现流体状态。此外,他们采用另外一种方法也成功制备了CNT类流体,其方法是在CNT表面接枝一定分子量的超枝化聚合物,通过控制聚合物分子量能够调控类流体流变行为[28]。 张娇霞等[23]利用带有巯基的偶联剂处理Au粒子,然后与 (PEO-b-PPO-b-PEO)嵌段共聚物改性的CNT进行氢键 自组装作用,制备了一维和零维杂化类流体,这种类流体在45 ℃左右发生固液转变,而且这种转变是可逆的,该方法为改善杂化粒子在聚合物中分散提供了新的途径。郑亚萍等[25]采用(PEO-b-PPO-b-PEO)嵌段共聚物直接与表面羧基化的多壁碳纳米管 (MWCNT)共混,得到了MWCNT类流体。 该方法非常简单、环保,有望实现难于加工的“固体”碳纳米管像普通高分子、胶体甚至液体一样进行加工。目前,仅雷佑安等[17]对一维纳米类流体进行了理论模型研究。他们将稳态剪切模型与实验结果结合,研究发现了碳纳米管表面功能化密度、长径比以及体积分数与碳纳米管类流体宏观流变性的定量关系式,为特定流变行为碳纳米管类流体的制备提供了理论基础,通过酸氧化碳纳米管的简单控制可调控一维纳米类流体的流变行为。这为一维纳米类流体制备提供了理论模型和技术支持。

2.3二维离子纳米粒子合成

二维纳米材料主要以石墨烯、层状蒙脱土等材料为主, 其特点是这类材料通过化学处理后形成片层结构,比表面积较大,被广泛用于电子元器件、高分子复合材料领域。然而这类材料在溶剂存在下容易呈现分散状态,溶剂处理或挥发后材料团聚严重,很难实现其应用价值,纳米类流体技术能够很好地实现石墨烯等二维纳米材料均匀分散。李琦等[29]在氧化石墨烯表面接枝三硅羟基丙磺酸(SIT),然后与氢氧化钠反应得到石墨烯有机离子盐,经与壬基酚聚氧乙烯醚季铵盐进行离子交换,制备了石墨烯类流体,其在室温条件下就能发生流动,远低于石墨熔点在3000 ℃才发生流动。张立群等[30]采用带负电荷的荧光粉(VBL)修饰氧化石墨烯,使其表面带上负电荷,然后与末端带正电荷氨基的长链有机分子(Jeffamine M2070)进行静电相互作用,从而制备了石墨烯基类流体。刘琛阳等[31]先用氮烯 化学法处 理氧化石 墨烯 (GO)得到表面含有羟基的GO-OH,然后SIT进行接枝 反应,最后与Jeffamine M2070进行酸碱反应,制备了石墨烯基类流体,这种方法能够通过控制GO表面羟基含量来调控流体的粘弹性能。目前关于二维纳米流体理论模型研究较少, 其流动机理有待研究。

3离子纳米粒子在高分子复合材料领域的应用

由于离子纳米粒子流动性好、粘度低、高度均匀分散,且表面有机分子导电、耐高温、柔韧性好,与聚合物基体界面相容性好,能够实现其在高分子复合材料领域应用,并赋予高分子材料多功能化,越来越多的研究者把目光聚焦在纳米类流体的应用上。(1)利用纳米类流体的粘度低、结构稳定、绿色环保、能够实现无溶 剂加工,从而提高 材料的力 学性能。 Wu Fei等[32]用带有磺酸盐官能团的硅烷接枝MWCNT,再用叔胺取代阳离子得到了MWCNT类流体,用1%(质量分数)的MWCNT类流体改性环氧树脂,发现相对纯EP树脂来说其弯曲强度和韧性分别提高了12.1%和124%。杨应奎等[5]用2,2′-(亚乙二氧基)-二乙基胺改性MWCNT制备出室温下是液态的MWCNT类流体,仅仅0.5%(质量分数) 的添加量,环氧树脂性能就得到很大提升,杨氏模量、储存模量、拉伸强度以及断裂应力相对未改性的MWCNTs,分别提高了28.4%、23.8%、22.9% 和66.1%。这是由于MWCN类流体为液态,在环氧树脂中分散性以及界面结合性更好, 因而拥有更高的力学性能强化效果。(2)利用纳米类流体表面有机长链离子的质子传导功能和分解温度高等特点实现复合材料抗静电性能和耐高温。熊传溪等[17,18]制备了炭黑类流体/PVC和碳纳米管类流体/PVC复合材料,发现碳系材料不仅能够实现聚氯乙烯增塑、增强、增韧,而且提高了复合材料耐热性,电导性能提高了1~2个数量级,在抗静电材料方面有应用潜力。(3)利用SiO2、TiO2等纳米类流体的高透明性和成膜性,制备功能性纳米涂层。John Texter等[33]在纳米SiO2表面接枝两类硅烷改性剂的纳米类流体,从而得到了带有官能反应活性的纳米类流体,与丙烯酸树脂杂化键合得到的新型复合材料不同于传统的复合材料,通过控制丙烯酸功能化纳米类流体的加入量可以得到柔韧度可控的新型材料,其储存模量也反常地保持不变或略有降低,在防护服透明涂层、塑化方面有潜在应用。(4)纳米类流体本质上是一种带有离子液体结构的功能化纳米粒子,具有与离子液体相似的零蒸汽压、非燃性、高热稳定性、高电导率等结构和特性[34],将其应用于聚合物电解质体系中能够显著改善和提高体系的电导率以及力学性能,是聚合物电解质方向的研究热点。Matsumoto等[35]在常见的聚氧化乙烯/LiTFSI聚合物电解质中加入了离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二(氟磺酸)亚胺,得到的聚合物电解质电导率达到1.16~2.09× 10-4S/m,热分解温度超过220 ℃。Karmakar等[35]用离子液体1-丁基-1-甲基吡咯二(三氟甲基磺酸)亚胺改性PEO/ LiTFSI体系同样有效地增加了体系的电导率,25 ℃下离子电导率达到3×10-4S/cm。随着纳米类流体的功能特性不断被开发,一系列的研究引起了大量科研工作者的兴趣,关于这方面的报道如雨后春笋般出现,不断完善和拓展纳米类流体的应用、纳米类流体固有的离子导电特性、易功能化等特性必将使其成为研究热点,这一新兴材料在高分子复合材料、电导等方面将具有广阔的研究潜力。

4目前存在的问题

虽然纳米类流体制备技术已经成熟,其优点是能广泛用于高分子复合材料领域,但前期研究发现纳米类流体结构-性能关系及在应用中仍存在一些问题。

(1)离子纳米粒子合成机理及成本问题。目前用于纳米粒子表面修饰的有机硅烷改性剂成本较高,制备过程中溶剂消耗量比较大,产量比较低,在相同条件下得到的流体粘度相差较大,而且工艺条件不成熟,仍无法大规模生产。在纳米粒子原材料选择上目前主要以粒子的水溶液为原料(如硅溶胶分散液)合成类流体,成本较高,较少直接采用市场购买到的粉体纳米粒子合成,另外离子液体结构与性能之间的关系研究得还不够深入,利用离子液体合成出的纳米材料种类较少,对离子液体和纳米材料之间的相互作用机理不清楚, 特别是相关理论研究比较落后,所建立模型很难解释纳米类流体的流动与结构之间联系。此外,目前研究大多侧重其流动机理研究,而有关导热导电机理研究较少,相关理论模型尚未建立。

(2)离子纳米粒子与聚合物基体界面相互作用问题。类流体作为增强材料必须要与聚合物基体界面相互作用强,这样才能使负载转移到纳米粒子上,不发生表面滑动。另外, 常规的增塑剂在高温下容易迁移到聚合物表面,降低材料力学性能,因此如何表征纳米类流体(相当增塑剂)在聚合物高温热处理过程中的迁移问题,尚无人研究。目前研究还主要采用宏观力学性能来定性表征粒子表面有机分子链与基体相互作用力。而采用流变学的方法既能较好地表征有机分子链长度、种类、接枝率等因素对界面相互作用影响,也能表征类流体在聚合物中迁移,有关工作本课题组正在开展。随着科学技术的进步,制备材料的成本降低,这种技术将来肯定能广泛运用于高分子材料领域,实现材料功能多样化,促进材料领域的发展。

摘要：有机-无机离子纳米粒子在无溶剂的条件下具备类似于液体的流动性、导电性能和耐热性能好、粒子自组装有序排列、呈现单分散核-壳粒子、结构稳定及具有绿色环保性等优点,能在纳米材料领域广泛应用。重点介绍了有机-无机离子纳米粒子的制备方法、分类、原理及在高分子复合材料领域的应用前景,并指出其在实际应用中遇到的瓶颈。

关键词：纳米粒子,有机-无机,复合材料,流动性

无机合成及实验 篇2

2无机微型化实验的教学现状

2.1无机微型化学实验教材的编写日趋完善

1986年, 美国化学家Mayo等编写了《微型有机化学实验》一书, 该书基本覆盖了高等院校基础有机化学实验的教学内容, 不仅如此, Mayo等人研制出了微型化学仪器, 并在有机化学基础实验中得以使用取得了较好的效果。有机化学实验微型化的研究成果的取得, 带动了无机化学微型化实验的研究。20世纪90年代初期, Zvi Szafram和他的合伙人编著并出版了《微型无机化学实验》和《微型普通实验》等一系列教材, 使得无机微型化实验教学体系日趋完善。[6]

1992年, 我国微型化学研究中心的周宁怀教授组织编写了《微型化学实验》一书, 使得有关微型化学实验的研究与教学在我国得以推广, 由此有关无机化学实验微型化的研究也相应展开, 截至目前正式出版的微型化学实验书籍已经超过20本, 研究性论文超过800余篇。[7]

2.2微型化学实验理念逐渐被师生所接受

随着有关微型化学实验教学的专著及一系列教材的出版, 特别是一些国家级的微型化学实验教学成果的取得, 使得微型化学实验理念获得了广大师生的认可。这主要表现在一方面教师在教学过程中不仅热衷于向学生传授微型化学实验的相应技能, 而且致力于探讨如何更好地将无机化学实验微型化。另一方面由于微型化学实验更适合于一人一组实验, 极大地调动了学生的实验热情, 激发了学生的学习兴趣。

2.3微型化学实验研究交流平台的建立大大加速了微型化实验的研究进展及教学推广

迄今, 我国已经召开了九届微型化学实验研讨会, 并成立了中国微型化学实验研究中心网站, 先后与美国、德国、日本、新加坡、德国等地区的相关学者建立了友好的学术联系。为众多致力于此项研究的学者提供了较为便捷的交流平台。[8]

3无机微型化学教学中存在的问题

3.1无机化学实验微型化和微量化学概念的混淆

微量化学是微量或者痕量分析化学中采用的微量或痕量组分的定量测定的理论和技术。然而在无机微型化学实验中, 试剂的用量不是要采用微量或者痕量, 是在保证实验顺利进行的条件下, 试剂用量尽可能的少。例如, 五水合硫酸铜结晶水的测定实验, 如果采用微量药品进行实验, 将对学生观察实验现象和计算实验结果带来很大的困难。

3.2微型化实验和常规化学实验在教学中的比重问题

相比于常规化学实验, 微型化学实验具有化学试剂用量少, 节约空间, 降低环境成本, 节约实验成本和教学效果好等优点。但是在看到其优点的同时, 微型化学实验也存在一些难以避免的缺陷。例如一些常规的基本操作, 学生利用微型化学实验仪器很难掌握。[9]且仪器的微型化和较少的药品用量不利于初学者学习实验技能和观察实验现象。特别是无机化学实验通常为高等院校化学系学生所开设的第一门实验课程, 必须要注重学生实验技能和实验素质的培养。所以不能盲目地将所有实验都改为微型化实验。这就需要教师根据学生的掌握程度及具体实验题目的性质进行灵活掌握, 将微型化实验和无机化学常规实验较好都结合起来。

4无机微型化实验需要完善的地方

4.1微型化实验内容设置要考虑学生的素质

相比于常规化学实验, 微型化实验药品用量少, 仪器型号小, 所以需要实验人员在操作过程中具有较高的精度和较好的实验习惯。但是无机化学实验课程所面对的学生大多为初学者, 较难精准的掌握所需实验技巧和掌控实验流程。所以基于此, 我们在设计微型实验课程时, 尽可能地将一些较容易进行操作, 现象明显的化学反应进行微型化实验。而涉及复杂操作过程的化学实验应尽量使用实验常规化学实验方法。

4.2教师应深刻理解微型化学实验的内涵

微型化学实验理念之所以受到了人们的广泛关注, 不仅仅是由于其具有药品用量少和仪器规格小的优势, 更主要是其在节约了实验成本的同时减少了环境污染, 适应了21世纪对于资源的可持续发展战略和加强环境保护的理念的重视。 所以要充分利用微型化实验的优势, 实现无机化学实验的绿色化教育。

4.3加强对高校教师微型实验技能的培训

微型化学仪器不仅仅是常规化学仪器的缩小后的产品, 有些仪器的使用方法, 连接方式以及注意事项与常规实验仪器有很大不同。目前, 由于微型化实验推广时间短, 部分高校教师并没有熟练掌握微型化学仪器的实验技能, 因此有必要组织相关的培训和指导。

4.4编写无机微型化实验仪器操作规范的讲义

由于我国对于微型化学实验的研究历史并不长, 部分高校微型化学实验仪器的操作与使用偏离于规范化和标准化, 这就需要全面提高教师的微型化学实验操作素质, 提高教师的微型化学实验操作规范化意识和加强对学生微型化实验技能的培养。 我校化学化工学院无机化学教研室准备编写适合无机微型化仪器规范化操作的讲义, 并通过实际教学对讲义内容逐步修正和总结, 尽快使无机微型化实验操作规范化和标准化。

4.5合理设置微型实验操作和常规操作的考评比重

由于目前各个高校的实验课的考评内容以常规实验操作为主, 使得部分学生不重视掌握微型化学实验仪器的操作技能, 学习积极性不高, 不利于微型化学实验的推广。所以在结业考试时适当地添加微型实验仪器操作内容, 迫使学生重视微型化学实验技能的掌握也是改进无机微型化实验教学的必要方式。

5结束语

本文概括了微型化学实验的发展历程, 总结了微型化学实验所具有的优势, 揭示了无机化学微型实验的发展现状及存在的问题, 并对无机微型化实验教学提出了一些建议。希望无机化学实验教学朝着微型化和绿色化的方向发展。

参考文献

[1]师素芳.推广微型化学实验, 深化中中学教学改革[D].武汉:华中师范大学, 2005-05-01.

[2]李长声.微型化学实验运用于课堂教学的实践研究[D].苏州:苏州大学, 2013-11.

[3]胡益民.探究式微型化学实验设计与研究[D].南京:南京师范大学, 2005.

[4]王丽辉, 徐玲, 段莉梅, 白锁柱.有机化学实验教学现状分析与对策[J].中国现代教育装备, 2014 (5) :59-61.

[5]唐劲军, 黄瓅, 王凡.中学微型化学实验的实施现状及对策研究[J].化学教育, 2014 (3) :69-72.

[6]刘宗瑞, 李增春.树立绿色化学理念, 推广微型化学实验[J].内蒙古民族大学学报, 2009, 15 (4) :6-8.

[7]吴文华, 史同娜, 施镇江, 朱冰洁, 罗伟强, 杨伟.微型实验在材料加工中探索与实践[J].实验室研究与探索, 2015, 34 (1) :48-51.

[8]张海舰, 苗深花, 韩庆奎.微型实验中几个问题探析[J].临沂师范学院学报, 2014, 26 (6) :137-139.

无机合成及实验 篇3

1 合理安排并整合实验内容, 提高实验学习效果

根据专业性质, 同无机化学实验相比, 该专业对分析化学实验的要求较高。因此, 在教学内容的设置上, 在分析化学实验方面的内容所占比重稍大。表1是实验内容的安排。其次, 在实验进度方面, 尽可能与理论课保持一致, 有利于学生理解实验内容, 掌握实验原理。另外, 安排综合性实验内容所占的学时比例在30%以上。从实验内容可以看出, 虽然实验只有7次, 共36学时, 但实验内容涉及了实验教材中的12个实验, 特别是分析化学的实验, 每一种标准溶液配置和标定后, 都相应地安排一个测试实验, 保证学生在配制并标定好标准溶液后, 明白这些溶液的用途, 从而更好地理解化学分析方法在实际应用中的操作程序。同时, 每个学生自己配制并标定好的溶液, 自己用来测定其他物质的含量, 会使学生增加对实验的认识和兴趣, 实验过程中更加细心、认真, 使实验效果得到极大的提高。

2 改革教学方法, 精心组织实验教学

实验课教学和理论课教学有着较大的差别, 既包含了理论内容的讲授, 更重要的是要培养学生的操作技能和动手能力, 还要使学生学会观察实验现象、记录实验数据、处理实验数据写出实验结论的方法。但实验课的时间主要以实验操作、观察实验现象、记录实验数据为主, 这就要求学生课前预习一定做好。因此, 我们把实验课分为三个间断, 第一间断是预习实验, 学生在课前必须做好实验目的、实验原理、实验内容及操作方法的预习, 同时总结实验注意事项及安全守则, 并完成实验习题, 不能完成的做好记录, 在实验课上与教师讨论, 每次实验课指导教师留出约半小时的时间讲解实验原理、和学生一起讨论预习过程中存在的问题, 并对一些实验操作做示范, 在学生动手做实验之前, 使学生在实验原理、操作方法、安全问题等方面做到心中有数。第二间断是实验间断, 教师观察指导学生的操作, 及时提醒实验注意事项, 并解答学生在实验过程中出现的问题。学生在做实验过程中观察实验现象, 并记录实验数据。如果第一间断做得好, 第二间断就非常轻松了。第三间断是书写实验报告, 由学生在课下完成, 教师根据其预习报告、实验现象记录、实验数据记录以及实验报告完成情况, 给出每一次实验的综合成绩。

3 分组实验, 加强指导

为了能够更好地指导学生实验, 我们将开设实验课的各个班分为两组, 一般情况下每个组的人数为10~15人, 两组学生分别在两个实验室由两位老师分别指导进行实验。由于实验学生数量少, 一方面有利于教师观察学生实验情况, 发现问题及时进行指导, 并对学生的问题进行详细解答;另一方面, 有利于指导教师在实验开始前和学生进行良好的互动, 解决学生在实验预习过程中遇到的问题。通过这样的分组方式, 能够使每一位学生在彻底理解实验原理的情况下, 明明白白进行每一步操作, 是每一位学生都得到良好的训练, 并有利于提高学生分析问题解决问题的能力。

4 完善实验考核办法

良好的考核制度是促进和推动学生主动认真学习实验课程的有效手段之一, 因此, 建立良好的考核制度也是教学改革的重要内容之一。为了使实验成绩能更加客观、公平地体现学生的学习情况, 目前我们把实验成绩分为平时成绩和考试成绩两部分, 其中平时成绩占总成绩的60%, 期末成绩占总成绩的40%。平时成绩由每一次实验的综合成绩确定, 每一次实验成绩由三部分组成, 第一部分是实验预习情况, 占单次成绩的30%;第二部分是实验现象和数据记录情况, 占单次成绩的20%;第三部分是实验报告书写、实验总结情况, 占单次成绩的50%。期末考试分两种方式, 一种是操作考试, 另一种是理论考试。理论考试由教师命题进行笔试, 这种方式现在比较少用, 因为这种方式不能很好体现学生的动手能力和操作技能。因此, 常采用操作考试, 教师给定实验内容, 学生提前预习好后, 在实验室独立完成实验, 教师在实验内容中设立得分点, 正确完成得分, 不能完成或操作错误不得分。

通过这几方面的改革, 目前我们对于该实验课的教学效果比较满意, 在学时较少的条件下, 既能达到学生培养计划的既定目标, 又能够使学生比较系统地学习无机及分析化学实验的内容。同时, 也可以较好地学习实验课程中涉及的操作方法, 有利于学生进行后续实验课程的学习。

参考文献

[1]李胜清, 薛爱芳, 康勤书, 等.农科院校无机及分析化学实验基础课的研究性教学初探[J].实验室科学, 2010, 13 (2) :28-30.

[2]郭小群.探讨无机及分析化学实验教学[J].广东化工, 2010, 37 (11) :200-201.

[3]王宏胜, 陈新华, 许志红, 等.无机及分析化学实验教学内容改革的探索[J].广州化工, 2011, 39 (21) :161-162.

[4]侯振雨, 段凌瑶, 侯超逸, 等.农科专业无机及分析化学实验教学平台建设的探索[J].河南科技学院学报, 2012, (2) :115-117.

[5]朱团, 陈丽华, 刘立红, 等.新建本科院校无机及分析化学实验教学改革与实践[J], 科技资讯, 2012 (36) :112.

[6]王丽红, 朱团.无机及分析化学实验教学改革的研究[J].科技创新导报, 2012 (15) :158.

无机合成及实验 篇4

关键词：《无机及分析化学》,实验教学,教学效果

《无机及分析化学》是我院石油化工生产技术专业、应用化学专业和煤化工专业大一新生所学的第一门专业必修课, 是一门理论性强、应用范围广的学科基础课。要学好这门课, 实验教学起着举足轻重的作用。实验教学, 不仅可以使学生掌握相关的理论知识和基本操作技能, 还可以培养学生严谨的思维方式、认真求实的学习态度和环境保护意识。

1. 实验教学现状

通过亲身的实验教学工作, 我发现实验教学过程中学生普遍存在以下问题:实验态度不端正, 不能严格按实验要求进行实验;实验基本操作不规范, 操作技能水平比较低;实验过程学生的主动性差, “照方抓药”, 不认真思考;药品浪费严重, 缺乏环保意识;高职学生认为自己是高考的失败者, 缺乏应有的自信心。针对上述现状, 我对《无机及分析化学》实验教学内容和方法进行了一些改革与探索, 想以此培养学生的操作动手能力和运用所学知识解决问题的能力, 达到强化实验教学效果的目的。

2. 教学内容的选取

《无机及分析化学》这门课的实验内容主要是分析化学部分的四大滴定和吸光光度法。我在实验原理讲授过程中将原理的实际应用案例结合进来, 激发学生的学习兴趣和参与实验的热情。如重量法的基本原理讲解之后, 告诉学生化工厂区空气质量的检测, 其中一项就是空气中总悬浮颗粒物的测定, 测定原理就是基于重量法:抽取一定体积的空气, 将其通过已恒重的滤膜, 使悬浮微粒阻留在滤膜上, 根据采样前后滤膜重量之差及采气体积, 计算出总悬浮颗粒物的质量浓度。在四大滴定原理讲完之后, 我列出化工厂用水及排水需检测的指标有酸、碱度, 硬度, 氯离子含量, 化学需氧量等都可用滴定方法解决。许多化工生产过程中, 对水中氯离子含量要求特别严格, 氯离子含量过高, 对催化剂的活性有毒害作用, 氯离子含量的测定常用莫尔法:在中性或弱碱性溶液中, 以K2Cr O4为指示剂, 用Ag NO3标准溶液进行滴定。在讲解了分光光度法的基本原理之后, 介绍了室内污染的“刽子手”———甲醛的检测主要采用分光光度法, 另一类污染物酚类化合物, 人类长期接触低浓度的酚, 会引起头昏、出疹、瘙痒、贫血及多种神经系统疾病, 而水中酚含量高于5mg/L时会使鱼类死亡。工业废水中酚含量的测定, 也是用分光光度法。通过以上实际应用介绍, 消除学生的枯燥感, 使学生不再感觉学到的只是一些空洞的理论, 而是和现实生活及自己将来的职业息息相关的, 从而大大激发学生的学习热情。

3. 树立环保意识, 建立绿色化学的思维方式

利用课余时间组织学生观看工业“三废”造成环境污染的短片, 使学生意识到环境污染对人类生存的威胁, 树立环保意识, 并在课堂上及时引入绿色化学。所谓绿色化学, 又称为环境友好化学, 是指在制造和应用化学品时, 应有效利用原料, 消除废物和避免使用有毒、危险的化学试剂, 并建立环境友好的生产工艺, 使化学工业可持续发展。其中美国Stanford大学Trost教授提出的原子经济性指标是量化绿色化学中的“绿色度”指标之一。通过引导学习, 学生意识到化学工业在促进社会发展的同时, 也是造成环境污染的“罪魁祸首”。作为准化工人, 我们要意识到人类生活环境要改善, 就要从自身做起。故在每次实验前都要认真预习, 熟悉原理和实验步骤, 在实验过程中做到用尽可能少的化学药品, 达到该实验操作的目的, 养成节约药品、减少浪费的好习惯, 也使学生牢固树立起绿色化学的思维模式。

4. 强化具体实验操作过程

高职院校育人目标是培养高素质、高技能型的技术人才。这就要求高职院校在教学实施过程中注重培养学生的动手能力, 而动手能力的培养和提高是通过具体的实验、实训获得的。故在基本操作训练阶段, 我将分析天平、酸碱滴定管、锥形瓶、移液管和容量瓶的操作方法给学生演示一遍, 然后要求学生用自来水和其他学生粗盐提纯的产品反复练习以上仪器的基本操作直至熟练。我对学生操作中存在的问题及时纠正, 并要求学生在练习以上仪器的使用方法时, 正确记录实验数据, 树立量的概念。分析实验的结果是否准确, 既取决于实验操作的熟练程度, 又取决于数据的记录是否符合仪器的实际精度, 故树立正确的量的概念非常重要。每一个学生的基本操作技能达标后, 方可开始酸碱标准溶液的配制和标定。严格的基本操作训练, 为学生的后续实验打下良好的基础。

具体的实验过程中, 每个实验前都给学生几道思考题, 如自来水总硬度测定实验的思考题: (1) 铬黑T指示剂是怎样指示滴定终点的? (2) 配位滴定中为什么要加入缓冲溶液? (3) 用EDTA法测定水的硬度时, 哪些离子存在干扰?如何消除?让学生带着问题去预习。明白这些问题之后, 学生在实验时就更有针对性。如果实验过程中出现问题, 学生就会自己检查, 小组内部讨论来自行解决, 而不是马上去问老师为什么。在完成了实验教学之后, 我让学生写出本学期实验教学的心得体会, 学生普遍写道:通过实验操作增强了他们的自信心, 他们不再害怕化学, 不再恐惧实验, 不再觉着自己高考失利, 没有什么前途。学生相信通过三年的学习, 一定能成为一名合格的化工人。

5. 教学效果

通过实验教学, 学生的动手能力、分析问题的能力明显提高。我系08级、09级学生参加“化工分析工”技能鉴定, 学生娴熟的操作技能、积极向上的精神风貌获得了在场领导的好评, 通过率达90%以上。

职业教育的舞台很大, 职业院校教师发展的空间也很大, 我将继续探索, 为职业教育的明天更美好而努力。

参考文献

[1]沈玉龙, 魏利滨, 曹文华等.绿色化学[M].北京:中国环境科学出版社, 2004.

[2]季红兵, 奈远斌.化工进展[J].2007, 26, (5) :605.

无机合成及实验 篇5

1 新建本科院校无机及分析化学实验教学改革的必要性和紧迫性

新建本科院校主要是由地方各专科学校在合并整合的基础上升级形成的教学型本科院校, 实验设施比较落后。随着高等教育的发展和高考制度的改革、扩大招生, 学生普遍存在化学基础薄弱的状况, 而无机及分析化学实验作为大学一年级的重要专业基础实验课, 目前实验内容主要是验证课堂上讲授的理论, 综合性、设计性实验偏少, 化学科学发展的新技术、新成就难以反映到实验教学中去, 不利于学生创新能力和实践能力的训练。因此, 为了培养具有创新精神、创新能力和实践能力的高素质21世纪化学科技人才, 改革无机及分析化学实验是当前一项刻不容缓的任务。

2 新建本科院校无机及分析化学实验课程体系的建设

高校无机及分析化学实验是构成高等学校课程教学的重要组成部分, 课程体系建设必须以科学发展观为指导, 坚持以学生为本, 树立“融知识、能力、素质全面协调发展”的教育教学理念, 根据“体系重组、内容贯通”的原则, 以强化学生实践技能、培养创新精神和实践能力为目标, 以加强无机及分析实验教学体系的建设为核心, 从实验课程结构、实验教学内容以及实验教学方法等方面综合进行改革与整合, 形成了从低到高、从基础到前沿、从基础知识型到综合能力型的逐级提高的实验课程新体系。

3 整合与优化实验内容, 提高教学质量

无机及分析化学实验是构成新建本科院校化学课程的重要组成部分, 在实验教学中, 不断深化教学改革, 强化实验教学在人才培养过程中的作用, 进行实验内容的整合与优化, 涵盖无机化学实验与分析化学实验常用的基本理论、基本技术和基本技能, 包括常用化学基本实验仪器的使用化学基本操作技能训练, 重要化学原理的验证, 实验数据的处理分析等, 从而实现学生的“基础性”共性的培养, 使学生掌握化学实验必备的基本技术和基本技能, 重在训练大学一年级学生的基本实验操作的规范性和标准化, 培养学生求真务实的科学态度和认真细致的工作作风, 不断提高教学质量。

4 综合运用多媒体技术, 提高教学效果

随着计算机技术的不断普及与发展多媒体技术已经成为高校教学工作中不可或缺的一种辅助教学手段。采用现代化的多媒体教学与传统教学相结合的方法, 针对实验教学内容多而教学课时少的状况运用多媒体教学, 逐步提高多媒体技术和网络技术在实验教学中的应用比例, 增强对无机及分析化学实验课程主要内容和重点难点知识讲解的实效, 使学生加深对实验内容的理解, 启发创新思维, 培养创新能力, 提高实验教学容量和教学效果。在实验仪器方面, 积极推广微量操作技术与方法, 对于投资较大的实验, 部分开设“虚拟实验”, 利用计算机模拟实验, 解决在实验过程中难于理解的问题, 提高实验教学的效果。

5 增开具有专业特色的综合设计性实验培养学生的创新能力

在实验课程教学中, 实验内容除了反映化学专业的培养目标和基本要求以外增设与现实紧密相关的实验。在实验类型上不仅提高综合型、设计型、创新型实验的比例, 增加综合性选做实验的数量, 而且内容不断改进、充实、丰富和提高, 给学生们提供更多的选择和扩展的余地, 实现学生的“专业性”和“特色化”培养, 突出办学特色, 培养学生的创新能力。

6 实施开放创新实验教学模式, 提高学生的创新能力和实践能力

根据本校的教学和科研优势, 利用学生的自主学习时间, 针对学生各人的志趣而设立的开放式实验教学模式, 注重引导学生把所学知识与专业技能有效结合起来, 提高学生的综合素质, 提高学生走向社会参与竞争的能力。实验题目来自于教师的科研课题和学生的科研项目, 选择优秀的学生到科研实验室, 直接参与科学研究实地参与科研实践, 学生自愿组合, 自由选题, 在教师的指导下, 直接参加科研项目利用所学知识对实验中出现的问题, 设计出不同的解决方案, 独立完成实验设计、研究、总结和报告, 并积极撰写论文和研究报告形成研究成果, 充分发挥学生的主体作用, 使学生受到科研的全程训练, 参加大学生创新设计大赛, 为学生提供更多的实践机会, 提高学生的创新能力和实践能力。

7 完善实验考核体系科学评价学生成绩

完善实验教学质量监控和教学质量评价体系, 建立按实验过程、实验结果和实验考试等内容综合评定学生实验成绩的考核体系, 使学生在知识、能力和素质等方面协调发展, 实行实验室主任负责制和实验课程主讲教师责任制, 加强实验教学的质量评估。实验考评改变过去单一的闭卷考试方式, 代之实施一套闭卷+开卷+课程论文等多种有利于学生创新能力培养的考试方法, 考试重点从获取知识量向知识、能力、综合素质的评价转移。采取平时与期末考评相结合的方法, 期末考评采用实验操作考核、实验理论笔试与实验操作考核、命题试验考核等多种形式, 激发学生的创新意识, 充分调动学生学习的积极性, 全面测试和提高学生的实验能力与创新能力。

8 结语

无机及分析化学实验教学改革是一项长期、复杂的系统工程。在教学中要打破传统的化学实验教学模式, 在无机及分析化学实验教学实践中积极改革, 开拓创新, 加强课程体系的建设, 不断总结经验, 加大改革力度, 探索与无机及分析化学实验教学相对应的教学方法和教学规律, 提高教学质量, 充分发挥实验教学的优势, 不断提高学生的创新能力和实践能力, 培养出能够适应未来社会发展需要的化学人才。

摘要：本文针对目前新建本科院校无机及分析化学实验教学中存在的问题, 加强无机及分析化学实验教学改革, 以创新和应用为主导, 改革教学内容, 优化课程结构, 加强课程建设, 对化学实验进行创新和发展研究, 培养学生分析问题、解决问题的能力, 提高创新能力和实践能力。

关键词：化学实验教学,多平台体系,建设,实践

参考文献

[1]朱团.现代教育技术在化学实验教学中的应用[J].中国科教创新导刊, 2011 (4) .

无机合成及实验 篇6

关键词：绿色化学,绿色化学理念,绿色化学试剂

化学是一门承上启下的科学, 与人类文明也有着非常密切的关系。但是化学在自身发展过程中为人类创造财富的同时, 也给人类的环境带来了危难[l]。我们所知的一些环境事件都与化学相关, 多数由于缺乏根本的环保意识, 没有重视在化学工业过程中产生的废气和废渣导致的。实施绿色化学是针对世界环境日趋恶化提出的一个全面切实可行有效的方案。绿色化学又称环境友好、化学环境无害化学或清洁化学[2], 是指充分利用化学反应和过程中参与反应的每个原子, 从源头上实施预防污染。绿色化学作为高层次的环境友好化学其具体内容遵循以下12项基本原则: (1) 防止先污染后处理; (2) 最大限度地使反应物转化为产物; (3) 保证反应中使用和生成的物质对人类和环境危害性最小; (4) 化学产品的设计要保持其安全性; (5) 辅助剂的使用和选择安全的溶剂; (6) 能量使用应最小并且充分利用设计中产生的能量; (7) 最大限度地使用可回收的原料; (8) 避免衍生物的生成; (9) 催化剂的用量优于化学计量试剂; (10) 设计容易降解的物质; (11) 在线监测污染; (12) 从化学反应的安全上防止事故发生。

无机及分析化学是高等近化学类专业工业院校化工、轻工、应用化学、生物工程、食品等相关专业的第一门必须课程。无机及分析化学课程旨在培养学生所具备的基本化学概念及思路。旨在培养学生的理论运用到实践的动手能力、分析问题、解决问题的能力和创新能力。高校的实验作为环境污染的一部分常常被人们忽略。排放量虽然不多, 但实验项目广, 所用试剂繁多, 重要的是很多实验都要用到有毒试剂[3,4,5]。在这种前提下, 只有将绿色化学的教育观念融入实际教学实验中, 才能加强人们的绿色化学环保意识。一方面, 对传统无机及分析化学教学进行绿色化改革;另一方面, 实验以绿色化学为主, 让学生亲自参与到防治化学污染实践中。绿色化学的实施离不开绿色化学的教育。绿色化学的教育也必须应用于绿色实验中。

1 实现无机及分析绿色化的措施

1.1 树立绿色化教学实验理念

每个化学教师应有意识地进行保护环境教育以提高学生防止环境污染的行为和意识。让学生认识要实施绿色化环境的措施只有从根本上切断污染的根源。一些应对实验污染的绿色化改革内容可以在实验原理讲解的同时穿插进去。鼓励学生做绿色环保的提倡者, 以达到良好的实验教学效果。以周边地区典型的环境恶化事件为例, 让学生体验到化学污染门的危害, 培养学生对实施绿色化学保护环境的责任感和重要性。如:氯气的泄漏, 不仅仅造成农民庄稼、蔬菜的枯死, 还会引起人呼吸困难, 情节严重的会损害人们的身体健康等。近几年酸雨的危害, 我们也是有目共睹的 (如图1所示) 。一方面酸雨能使非金属建筑材料表面腐蚀硬化, 从而损坏建筑物。另一方面酸雨能加快矿物质营养元素在土壤的流失导致土壤贫瘠化, 直接影响植物正常发育导致产量下降。这可以启发教师在对氮硫化合物讲解时, 分析酸雨形成的成分、途径、原因及其危害。还有, 涉及我们实验中增加环境中水的硬度的“杀手”如含有Mg2+和Ca2+的试剂。让学生从思想上意识到化学实验严格按照实验规章制度操作实验, 认识到化学污染的严重性和危害性。明白使用好化学药品、处理好废液才能有效地解决化学实验造成的污染问题, 牢固树立绿色化学理念。

1.2 选用绿色化学试剂

绿色化学要求反应物及反应过程中应采用无毒、无害的原料, 产品应是环境友好的, 绿色化学的核心就是要从源头消除污染。在目前的化学工业生产中, 我们看见仍然使用一些剧毒的原料。为了人类的可持续发展, 在化工生产过程中, 迫切需要采用无毒或低毒的化学原料来代替有毒的原料, 使用绿色试剂, 淘汰有毒原料。所以在实验过程中尽量选取绿色环保的化学试剂。有机溶剂的选择以毒性和挥发性小为原则, 可以用去离子水代替的用去离子水。传统实验中的沉淀离子大部分是Pb (N03) 2, Ag N03, K2Cr O4等有毒重金属, 会严重污染水资源且属于贵重金属。我们以Na OH为沉淀剂选用的沉淀离子为Cu2+, Fe3+可以减少使用有毒重金属试剂。对Br-和I-的检测用双氧水替代氯水, 既可以去除制备氯气的烦琐操作以及对身体和环境造成伤害。

1.3 实验装置的微型化

实验装置的微型化以尽可能少的化学试剂而获得比较清晰明白的反应结果和化学信息的一种实验方法。如图2所示的氯气制备与性质微型实验。减少了对环境的污染, 是实现绿色化学实验的一个重要途径[6]。实验装置的常规实验试剂用量减少了90%以上, 时间缩短1/3左右。装置的微型化采用价格低廉且为不易破损的塑料制品提高了实验的安全性。微型化实验具有以下特点: (1) 成本低, 反应器可以利用废弃物制作; (2) 试剂用量少, 为常规实验的试剂耗量的1/10至1/100; (3) 节省时间, 如在酸碱滴定实验中, 50 m L的酸式滴定管被4 m L的酸式滴定管替代, 不仅仅使浓度降低了一个数量级, 还减少了废液量的产生。同时也可保证实验的误差在允许范围内。如用K2Cr2O7基准物质标定Na2S203标准溶液时, 我们选用100 m L容量瓶而不是250 m L容量瓶配制K2Cr2O7, 移取K2Cr2O7的量为20 m L而不是25 m L, 在3次平行实验后减少了K2Cr2O7的排放量, 降低了K2Cr2O7污染。再加入KI, H2SO4后, 用Na2S203滴定生成I2。总之, 采用微型化实验可简化实验装置, 节约仪器费用成本, 试剂和能源少, 节省空间, 缩短试验时间, 减少污染, 提高安全系数, 有利于环境保护。

1.4 合理安排实验和提倡组合循环实验

实验项目的次序进行合理安排, 可以把第一个化学反应的产物转变成下一个实验的反应物。彼此间相互链接循环, 这样就充分利用每一个反应的原材料, 使中间环节的原料减少。有利于学生对整个实验工艺流程之间相互关联的了解。例如研究Fe2+, Fe3+的性质实验, 可以先用废铁屑为原料制实验中所需要的试剂硫酸亚铁和硫酸亚铁铵 (NH4) 2Fe (SO4) 2试剂。验证Fe (Ⅱ) 的还原性:缓慢滴加Na OH溶液到含有 (NH4) 2Fe (SO4) 2试剂的试管中, 观察是否有Fe (OH) 2沉淀的生成。当沉淀放置一段时间, 观察沉淀颜色是否有变化, 滴加稀盐酸沉淀是否溶解。了解Fe (Ⅲ) 的溶解性:将溶液分成两份, 一份滴加KSCN溶液, 作为Fe3+的定性检验;另一份滴加K4[Fe (CN) 6]溶液, 看是否有普鲁士蓝沉淀生成。另一个绿色化学实验措施就是将独立的单个实验以化学反应的关联的形式连起来, 可把化学试剂进行了最大限度地使用[7]。例如, 在教学中可把氯气的制备与氯气的性质实验、酸碱中和滴定实验、二价锰盐的性质与二氧化锰的回收实验组合起来。不但可以极大地提高产物的利用率, 而且不会污染环境, 还使二氧化锰变成可再生的资源。其操作次序为:首先, 将制取氯气实验反应中生成的氯气作为原料, 用于氯气的性质实验中消耗掉;其次, 将实验产物作为未知浓度的待测酸溶液, 用于酸碱中和滴定的实验中;然后, 将中和滴定的产物 (含有氯化钠的氯化锰溶液) 作为二价锰的性质实验的原料;最后回收二氧化锰。在整个实验过程中, 只生成食盐和水。整个实验就是绿色组合实验, 防止了氯气的制备与性质实验的浪费和它对环境的污染, 使酸碱中和滴定实验节约了配制未知溶液的化学试。使二价锰盐的性质与二氧化锰的回收实验节省了二价锰盐, 且回收的二氧化锰可供氯气的制备与性质实验循环使用。

1.5 重视实验废弃物的回收利用

废弃物在实验过程中会大量产生这是无法避免的, 倘若不加以处理而随便排放到空气、水、土壤中会对环境造成严重的污染。对废弃物的处理主要按变废为宝、化害为利、分别处理采用不同的处理方法。然后在条件允许的情况下, 可以让学生自己设计废液处理分离方案并加以实施。实验产生的废液常用到处理方法有: (1) 酸碱废液, 采用酸碱中和法, 首先集中收取废酸、废碱溶液, 然后用酸碱中和反应进行处理, 最后调节废液p H为中性后排放; (2) 含有锌、汞、铅、铜、锰等重金属化合物的废液, 首先调节废液的p H值到8~10, 然后加入废碱、碳酸盐或Na2S, 让重金属离子转变为氢氧化物、碳酸盐或硫化物沉淀, 最后再将废液的p H调到6~8后排放; (3) 有毒废液, 含Pb2+废液首先用石灰乳做沉淀剂, 生成Pb (OH) 2沉淀, 吸收CO2的Pb (OH) 2会形成为解度更小的Pb CO3; (4) 有机废液, 采用掩埋法、焚烧法、氧化分解法。我们在实验中对产生的废液除按常规化学方法处理外[8,9,10]可以对一些产品进行分析、分类回收。浓度高的用来配制下一个实验的标准溶液。纯度不高的用来配制待测溶液或做其他实验的原材料;回收的废酸像硫酸、盐酸可用来冲洗厕所;含银废液可制成硝酸银变废为宝;重金属及其盐可加碱或硫化钠使其形成氢氧化物或硫化物沉淀, 过滤分离出固体等。

2 结束语

将绿色化学的意识渗透到我们基础化学教学实验中, 能够强化学生的绿色环保意识。在教学过程中时刻引导学生注意采用绿色化学试剂, 实验装置的微型化, 合理安排实验和提倡组合循环实验, 重视废弃物的回收利用。这样有效地减少了环境污染, 而且使学生深切地感受到绿色化学教育, 加强了环保意识, 积极完善和探索无机及分析化学教学实验的绿色化, 为人类和谐绿色环境做出我们的贡献。

参考文献

[1]马红霞, 王一菲, 程琼.无机及分析化学实验绿色化的改革实践[J].教育改革, 2011 (10) :15-16.

[2]张秀兰.高师无机及分析化学实验绿色化的研究与实践[J].广州化工, 2011 (9) :179-180.

[3]王立霞, 王琦.实验废弃物的回收利用与分析化学实验的绿色化[J].沧州师范专科学校学报, 2006 (3) :5l-53.

[4]钟国清, 蒋琪英.无机及分析化学实验教学的绿色化探索与实践[J].实验室研究与探索, 2010 (91) :150-153.

[5]邱树君.实现无机及分析化学实验绿色化的探讨与研究[J].科技息, 2014 (11) :134.

[6]钟囤清.化学实验教学的绿色化改革与实践[J].实验技术与管理, 2006 (12) :18-19.35.

[7]陈自然, 杨丽华.实现无机及分析化学实验绿色化的探索[J].四川职业技术学院学报, 2007 (1) :115-116.

[8]赵桦萍, 李莉, 赵丽杰.无机及分析化学实验教学中进行绿色化学教育的尝试[J].化工时刊, 2010 (2) :76-77.

[9]陈俊平, 吴翠霞, 周开梅.工科分析化学实验中常见废液的处理与回收[J].江汉大学学报 (自然科学规版) , 2003 (3) :26-29.

无机合成及实验 篇7

1 实验部分

1.1 合成

Fe、P、Li和碱源分别为FeSO4·7H2O、H3PO4、LiOH·H2O和氨水。Fe∶P∶Li∶NH4OH的摩尔比列于表1。除非特殊注明, 典型的合成方法是:将由 (FeSO4+H3PO4+H2O) 组成的A溶液和由 (LiOH+H2O+NH4OH) 组成的B溶液同时滴入纯DMSO。沉淀反应在氩气氛保护的有磁力搅拌的回流条件下进行。DMSO与总水量的体积比为3∶2, 回流温度可达117℃。滴液步骤完成后回流陈化16h。所得沉淀物经离心分离、洗涤后在80℃真空干燥。干燥后的沉淀物在5%H2/95%Ar气氛中焙烧后生成磷酸铁锂微晶材料。

1.2 表征

样品的结构特征用Panalytical X'Pert Pro粉末X射线衍射仪 (XRD) 测定。样品的形貌等织构特征用JEOL JSM-7001F场发射电子显微镜 (FESEM) 观察。样品的一次颗粒平均尺寸用FESEM电镜图像估测得到。

2 结果与讨论

2.1 无机替代碱用量的影响

如表1所示, 采用不同的物料配比, 用沉淀法制备了一系列未焙烧和已焙烧的无碳Li-Fe-P-O材料。图1显示了不同无机替代碱用量下所制LFP材料的XRD谱图。“A0”柱状线代表磷酸铁锂的标准XRD图谱 (Triphylite, JCPDS No.83-2092) 。样品A1的合成原料中, Fe/P/Li为1/1/3 (摩尔比, 下同) , 没有使用氨水, 完全用LiOH作为锂源和碱源, 在本研究中作为对比例使用, 其XRD谱图证明该样品为磷酸铁锂并且没有明显的杂质峰。样品A2的合成原料中, Fe/P/Li/NH4OH为1/1/1/2.1, 用LiOH为锂源而非碱源, 用氨水为碱源, 其XRD谱图证明该样品同样为磷酸铁锂并且没有明显的杂质峰。样品A3的合成原料中, Fe/P/Li/NH4OH为1/1/1/2.15, 氨水用量有所增加, 其XRD谱图证明虽然该样品主要为磷酸铁锂, 但是含有Fe (III) 杂质峰, 即含有少量Fe3O4相 (JCPDS No.75-0033) 以及类Fe2O3相 (JCPDS No.39-1346) 杂质。随着氨水用量的进一步增大, 样品A4、A5和A6中均存在Fe3O4相杂质峰, 而且在2θ值为29.7°处的 (020) 峰越来越显出左侧单翼下端的 (非左右对称) 翘起扩宽, 暗示了某种未知杂质相的生成。这种情况与衍射峰双侧翼的左右对称扩宽现象是不同的。后者一般预示着样品中存在许多较小晶粒, 因为大晶粒对衍射峰峰尖高度的贡献较大, 而小晶粒则对衍射峰两侧峰翼扩宽的贡献较大。当氨水用量增至Fe/P/Li/NH4OH为1/1/1/3.0时, 合成产物 (样品A7) 中存在大量杂质相, 磷酸铁锂相的衍射峰明显变形并向右偏移, 已经不能归属于严格意义上的磷酸铁锂相了。这些结果说明无机替代碱的用量对磷酸铁锂产品的纯度具有重大影响。

a“N/A”指没有执行焙烧步骤

2.2 合成条件的影响

在合成原料中, Fe/P/Li/NH4OH为1/1/1/2.1的前提下, 研究了回流温度、回流时间、焙烧温度等合成条件对产物结构的影响。图2显示了回流温度对合成产物结构的影响, 在117℃回流温度下合成的样品A2具有磷酸铁锂结构, 而在100℃回流温度下合成的样品A8则完全不具有磷酸铁锂结构, 这说明回流温度的高低对合成产物的结构形成具有非常重要的影响。

图3显示了回流时间对合成产物结构的影响, 在回流温度均为117℃的情况下, 回流时间为16h时合成的样品A2具有磷酸铁锂结构, 而回流时间为8h时合成的样品A9虽然具有磷酸铁锂结构, 但是同时也含有类Fe2O3杂质相。此外, 样品A9在2θ值为32.2°处的 (301) 峰出现了明显的裂分现象, 暗示其结晶度明显劣于样品A2。这些结果说明回流时间的长短对合成产物的结构具有一定的影响。

图4显示了焙烧温度对合成产物结构的影响。样品A11仅经历了沉淀法合成步骤, 而没有经历任何焙烧步骤, 其衍射谱图说明该样品主要为磷酸铁锂相, 同时含有类Li4P2O7 (JCPDS No.03-0222) 等杂质相。样品A10系将样品A11在5%H2/95%Ar气氛中经过400℃的焙烧而制成, 其衍射谱图说明焙烧后磷酸铁锂相的衍射峰没有明显改变, 类Li4P2O7杂质相的衍射峰消失, 而类Fe2PO5 (JCPDS No.36-0084) 杂质相则生成。样品A2系将样品A11在5%H2/95%Ar气氛中经过500℃的更高温度焙烧而制成, 其衍射谱图说明在该温度焙烧后样品中仅存在磷酸铁锂相, 而杂质相的衍射峰则消失。这些结果说明焙烧温度的高低对合成产物的结构具有相当的影响。

图5显示了分别用氢氧化锂和氨水作为碱源制得的磷酸铁锂微晶材料的场发射扫描电子显微图像。样品A1系用氢氧化锂为锂源和碱源所制得的, 其FESEM图像说明, 该LFP样品由平均粒径约为50nm的球形或椭球形一次颗粒所簇集组成, 粒径分布较窄。样品A2系用氢氧化锂为锂源而氨水为碱源所制得的, 其FESEM图像说明该LFP样品由平均粒径约为200nm的米粒状一次颗粒所簇集组成, 粒径分布也较窄。这些结果说明使用廉价的氨水作为替代碱时磷酸铁锂产品的平均粒径会比使用氢氧化锂作为碱源时有所增大, 其200nm左右的平均粒径相当具有吸引力, 值得开展进一步的研究。

3 结论