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應用型新化學實驗的開發論文
0 引言
在大學化學的基礎教學中，實驗教學占有很重要的地位。化學實驗的主要任務是鞏固基礎理論知識，訓練實驗基本技能，培養學生的研究能力和創新意識。隨著教學改革的深入進行，很多高等學校已經意識到實驗內容僅僅停留在以演示型和驗證型實驗為主的教學模式，已經不能滿足21世紀實驗教學的需要,越來越多的綜合性和設計性的實驗要充實到教學中。因此,如何選擇一些與生產實際結合緊密，并且具有研究應用性質的課題引入實驗教學教學中，而且既要安全,簡便,易操作，又可以使學生在查閱資料的同時，鞏固基礎理論，運用理論知識分析實驗結果M,這是我們每個教學工作者需要思考的課題。
可膨脹石墨的生產至今已有30多年歷史，它是利用天然的鱗片石墨進行化學深加工后，獲得的一種優良的工程材料。石墨本身是一種具有層狀結構的物質，層面上的碳原子為sp2雜化,碳原子與碳原子之間為共價單鍵，同時層面上還有大T鍵；而層間為范德華力，結合力較弱。這樣層間可以通過化學反應插入或容納多種不同的物質,形成種類繁多、性質奇異的插層化合物。石墨層間插入其他的物質后，形成石墨插層復合材料，即可膨脹石墨。這時石墨層面及層間的一些結構參數發生了很大的變化，其他的光、電、磁、催化以及機械等性能也十分誘人。石墨層間插入的物質種類不同，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電材料、發熱材料、密封材料、吸附材料、催化劑等，應用于食品、醫藥、電力、化工、冶金、機械甚至航空等領域。基于可膨脹石墨應用廣泛，制備方法簡單，安全,制備過程中既涉及化學的基礎理論,又可訓練實驗基本操作。同時通過學生自己查閱資料，選擇不同的插層物質，可以制備出不同性質的產品，把可膨脹石墨的制備作為研究應用型實驗開設，可以激發學生的研究興趣和培養創新意識。
1可膨脹石墨的實驗方法
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，在40°C下反應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不一樣，生產出的可膨脹石墨種類就不同，膨脹倍數不同，性質也不同（見表1)。無機插層物質可以是硫酸,磷酸,磷酸酐；有機插層物質可以是乙酸，乙酸酐。工藝流程圖如圖1。
1.2合成機理
石墨屬于六方晶系，具有特殊的層狀結構。層面內碳原子之間是共價鍵,具有極強的鍵合能,而層間的碳原子之間僅以微弱的范德華力相結合,氧化處理后，許多分子或原子及原子團能輕易地突破層間結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M
表1為學生實驗數據的平均值。根據國家標準GB10698-89中的測試方法，通過測其產品pH值、膨脹容積、水分、灰分和揮發分等性質，可以評價可膨脹石墨的質量。pH值:產品的酸堿性;膨脹容積:產品的回彈性;灰分和揮發分:產品的純度。從表1實驗數據分析,得出以下結論：
(1)石墨與硫酸合成的產品膨脹容積大，但硫酸作為插層物質,HSO4離子進入層間，腐蝕性強；
(2)石墨與硝酸合成的產品，由于不加入其他插層物質,硝酸既是介質，又可作為插層物質進入層間，使成本降低,但膨脹容積小；
(3)石墨與乙酸或乙酸酐合成的產品，由于有機物高溫易揮發,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品膨脹容積大,但灰分大，純度低。
2實驗指導方法
將學生分成幾組,首先給出實驗提綱,包括實驗目的及意義、實驗基本要求、涉及的理論知識、思考題、參考書和文獻范圍等等。
(1)學生從查閱文獻開始,設計合成步驟,提交設計方案，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品。在合成過程中，摸索實驗條件,如尋找酸性介質與氧化劑和插層物質的最佳配比,反應時間和溫度,膨化時間和溫度等等。
(3)進行產品性質測試。測其產品pH值、膨脹容積、水分、灰分和揮發分等。
(4)幾組進行對比研究，并展開討論。各自評價自己合成產品的特點,給出其應用范圍。
(5)提交與論文相似的研究報告。
3實驗效果
通過開設應用型化學實驗,使學生學會查閱文獻資料,進一步了解石墨的結構、性質以及經過深加工后石墨產品的實際應用，完成一個將理論知識應用于實際的過程。整個實驗環節，由學生自主設計，獨立操作,貼近實際。這種訓練過程使學生鞏固基礎理論,強化實驗技能,提高觀察和分析問題、解決問題的能力。激發學習興趣，同時培養了科學研究意識。
4結語
科學研究、生產實際與教學相結合是大學實驗的發展趨勢,開設研究應用型實驗調動了學生的學習的積極性,拓寬了知識面,增強了創新意識。為優秀本科生早期從事科學研究奠定基礎。教學科研化、實驗綜合化、基礎專業化是教學改革的方向。
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