中学化学-创意型微实验-的开发与实践本科毕业论文.doc

本 科 毕 业 论 文
（2011届）

题 目 中学化学“创意型微实验”的开发与实践
学 院 医药化工学院
专 业 化学

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导师签名： 日期： 年 月 日

摘要：在化学教学中, 注重创意实验的开发和教学应用, 引导学生探讨问题, 从而形成富于思考的思维品质和具备创新的意识、习惯和能力。

关键词：化学教学; 创意实验; 教学设计

Abstract: In chemistry teaching, pay attention to the development and creative experimental teaching application, guide students to explore problems, forming a thoughtful thinking quality and innovation consciousness, habit and ability.
Keywords: Chemistry teaching; SCreative experiment; The teaching design

目录
1 前言 1
2 创意 2
2.1 什么是创意 2
2.2 创意与创造力培养的关系 2
2.3 创意的教育价值 3
3 创意实验 3
3.1 羟基磷灰石的合成与表征 3
3.1.1 羟基磷灰石的合成 3
3.1.2 HAP红外光谱的表征 3
3.1.3 HAP的氮吸附作用试验 4
3.2 4-硝基苯酚标准曲线的制作 4
3.3 HAP对4-硝基苯酚吸附作用的因素影响 4
3.3.1 pH值对吸附的影响 4
3.3.2 振荡时间对吸附的影响 5
3.3.3 温度对吸附的影响 6
3.3.4 初始浓度对吸附的影响 7
3.4 吸附等温线 8
3.4.1 Langmuir方程线性拟合 8
3.4.2 Freundlich方程线性拟合 8
3.5 吸附热力学 9
4 结论 10
参考文献 10
谢辞 11

中学化学创意型实验的开发
1 前言
20世纪，生物材料学及领域取得了飞速发展，无机生物医用材料的研究及其应用十分活跃，同时随着生产力的发展，环境功能材料的研究、开发与生产，更多的是追求良好的使用性能和可循环利用。在人类生存环境日趋恶化的当今，新型环境功能材料的合理开发和有效利用显为突出。其中备受关注的是羟基磷灰石(hydroxyapatite，简称HAP)活性陶瓷材料的研究和临床应用[1]。羟基磷灰石属表面活性材料，它与生物体硬组织有相似的化学成分和结构，被广泛地用作生物材料[2]。HAP具有良好的生物活性和相容性，植入人体后对组织无刺激和排斥作用，能与骨形成很强的化学结合，用作骨缺损的充填材料，为新骨的形成提供支架，发挥骨传导作用，是理想的硬组织替代材料。在人类生存环境日趋恶化的当今，新型环境功能材料的合理开发和有效利用显为突出。由于HAP其特殊的晶体化学特征，具有良好的离子交换性能，能吸附并回收利用地下水中的F－、工业废水中大多重金属和有机高分子污染物，特别是对多种金属离子具有广泛的容纳性和良好吸附固定作用，与环境具有良好协调性，同时也不易造成二次污染，从而成为一种新型环境功能材料-吸附材料[3]，受到人们强烈关注。HAP使用的原料来源丰富、制备工艺多而且简易。其制备方法大致可分为湿法和干法。湿法包括沉淀法、水热合成法、溶胶一凝胶法、超声波合成法及乳液剂法等[4]。干法为固态反应法等，但这些方法各有优点和不足之处。
4-硝基苯酚是一种重要的精细化工中间体，用作农药、医药和染料的生产原料，生产中排放大量的含4-硝基苯酚废水[5]。4-硝基苯酚是一种高毒性、很难被生物降解的有机物，不仅有碍于水生物的生长和繁殖，而且也有害于人体健康，它是美国环保局的优先控制污染物, 也是我国水中优先控制污染物黑名单上的有毒污染物,从废水中去除4-硝基苯酚主要方法有萃取法、吸附法以及光催化降解法[6]。吸附法与萃取法和光催化氧化法相比，由于不引入新的污染物和不需要光照射，能耗较低，且能从废水中富集分离有机污染物，实现废物资源化，因而受到广泛的重视[7]。羟基磷灰石作为新型高效吸附剂，与目前常用的吸附剂相比，原料来源丰富、制备工艺多而且简易，吸附性能较好等优点，而在水和废水处理中得到较广泛的应用。
近年来，国内外不少学者对HAP的新型合成、改性以及在污染治理中的应用，进行了积极的探索。如胥焕岩等对羟基磷灰石(HAP)固定水溶性Cd2+的影响因素进行了较为系统的实验研究，得出去除率与Cd2+初始浓度呈负相关，在Cd2+初始浓度小于10 mg/L时，与作用时间、pH值、HAP用量呈正相关，温度对去除率的影响较小，通过正交实验确定了最佳吸附条件：HAP用量为5 g/L，pH值为6，作用时间5 min[8]。Miyake等研究了羟基磷灰石对水溶液中锌离子的吸附动力学。研究结果表明羟基磷灰石对水溶液中锌离子的吸附符合Langmiur等温吸附:ρR/q=0.15297ρR+0.12247;该吸附反应符合二级反应，动力学方程:1/ρR=0.01084t+0.49689;反应速率k和温度T之间的关系符合阿仑尼乌斯(Arrhenius)公式:lnk1=-0.89525×1/T+0.15541,吸附的活化能为Ea=7.444 J/mol[9]。胡恋等合成了羟基磷灰石生物活性材料并对其吸附重金属离子进行了理论研究：以鸡蛋壳为原料,利用水热法合成HAP，所合成HAP的Ca/P比为1.74，以制备的HAP吸附去除模拟废水中的Pb2+、Cd2+的研究表明HAP对Pb2+、Cd2+去除率接近100%，HAP对Pb2+、Cd2+的最优吸附条件为:pH<3.5、搅拌时间为1 h、吸附温度为25 ℃,在此条件下,HAP对1000 mg/L的含铅模拟废水Pb2+的吸附容量200 mg/g。HAP用量5 g/L,pH值为6,作用时间5 min,在Cd2+初始浓度小于10 mg/L时,处理后的含镉废水可达到排放标准[10]。目前把羟基磷灰石及其复合材料作为吸附剂应用于有机污染物的去除及测定的报道较少。本文拟利用溶胶-凝胶法，合成羟基磷灰石并对4-硝基苯酚的吸附行为进行研究以期进一步拓展其在环境治理中的作用[11]。
2 实验部分
2.1 实验仪器及试剂
仪器：85-2型恒温磁力搅拌器(巩义市英峪予华仪器厂),DEL-TA320pH计(METTLER TOLED Group),Gminiv表面分析仪（美国麦克公司），FA2004A电子天平（上海精天电子有限公司），D2F-6021型恒温干燥箱（宁波南仪器长），调速多用振荡器(江苏望华科技仪器厂)，岛津FTIR-8400型红外光度计（日本岛津），岛津UV-2401 PC型紫外分光光度计（日本岛津），800型离心沉淀器。
药品和试剂：H3PO4，Ca(OH)2，HCl，NaOH(均为分析纯)；水为二次蒸馏水。
2.2羟基磷灰石的合成
参照文献[12]的合成方法，实验装置如图1所示。在40 ℃水浴条件下，将一定量的Ca(OH)2置于水溶液中，搅拌，形成乳浊液，再将H3PO4加入到搅拌中的乳浊液里，同时，通过调整H3PO4加入速度来控制整个溶液体系的pH值大于7，即保持碱性环境。反应后的体系形成溶胶，陈化12 h，得到溶胶，抽滤，并放于恒温干燥箱110 ℃条件下干燥24 h后,再放在马弗炉中900℃下焙烧2 h，研磨，即得纯的羟基磷灰石粉末，并称重。

图1 溶胶—凝胶法合成羟基磷灰石的实验装置示意图
Fig.1 Experimental Device of Synthesis of HAP by Sol – Gel Methods
1.恒温浴槽; 2.搅拌器控制装置; 3.半圆底铁架台;
4.搅拌器; 5.精密酸度计;6.平底烧杯; 7.反应溶液
2.3 4-硝基苯酚的吸附实验
2.3.1 4-硝基苯酚浓度的测定[13]
利用分光光度法，以蒸馏水为参比溶液，在417.5 nm波长下，用1 cm比色皿测量4-硝基苯酚的吸光度，利用外标法计算其浓度。
2.3.2 4-硝基苯酚的吸附实验
准确称取0.5 g羟基磷灰石，置入一系列100 mL锥形瓶中，用移液管移取不同体积的4-硝基苯酚标准液，加入蒸馏水配置所需浓度的溶液，用0.01 mol/L HCL或NaOH溶液调节pH值，在恒温振荡器中振荡至平衡，离心过滤，取适当的滤液在417.5 nm处用紫外分光光度计测定其吸光度，根据以下公式计算吸附量：G=V（C0-Ce）/m
式中，G为吸附量（mg/g），V为溶液体积（L），C0和Ce分别为原溶液和平衡时溶液的浓度（mg/L），m为羟基磷灰石的用量（g）。
3 结果与讨论
3.1 羟基磷灰石的合成与表征
3.1.1 羟基磷灰石的合成
在40℃水浴条件下，将7.4 g Ca(OH)2置于水溶液中，再加入1.48 mol/L 40.5 mL的H3PO4到乳浊液中里进行反应。所得产物干燥研磨后为白色粉末状颗粒，称重11.84 g，产率为70.81%。
3.1.2 HAP红外光谱的表征
所得产物经红外光谱分析见图2.

图2 溶胶-凝胶法合成 HAP的红外光谱图
Fig.2 IR Spectrum of HAp Synthesized by Sol-Gel Method
由图2可以看出磷酸根的主要吸收带位于572，602，962，987，1043 cm-1，在632，3572 cm-1 处还有结构羟基引起的微弱吸收，2341和2360 cm-1两个吸收峰，它是反应过程中碳酸根进入羟基磷灰石晶体结构的原因，与羟基磷灰石的标准R谱图相吻合，说明所得产物为目标产物。
3.1.3 HAP的氮吸附作用试验
为了进一步研究产品的吸附性能，对合成产物进行了氮吸附作用实验，对比表面积进行测定,其测定结果为5.03 m2/g,并与传统水热法[14]、沉淀法[15]合成的羟基磷灰石进行了比较，结果如表1：
表1 羟基磷灰石的比表面积比较
Table 1 Comparision of Specific Surface Area of Different HAP
合成方法
水热法
沉淀法
本法溶胶-凝胶法
比表面积
3.94
4.87
5.03
从表中可看出用溶胶-凝胶法合成的羟基磷灰石有较大比表面积，吸附性能较好。
3.2 4-硝基苯酚标准曲线的制作
用移液管从100 mg/L的标准溶液中分别移取2，4，6，8，10 mL于50 mL容量瓶中，用蒸馏水定容，再用1 cm比色皿测定其吸光度，并作标准曲线。
其线性回归方程为y=0.0726x-0.0026,相关系数为0.9996（x为吸附后溶液浓度，y为吸光度）。
3.3 HAP对4-硝基苯酚吸附作用的因素影响
3.3.1 pH值对吸附的影响
在室温条件下，当4-硝基苯酚的初始浓度为30 mg/L，HAP的用量为2 g/L，振荡时间为30 min，按实验方法2.3.2考察不同pH值对吸附作用的影响，其结果见表2，作pH值与吸附量G、吸附率R的关系图见图3，图4
12

表2 pH值对吸附的影响
Table 2 Influence of PH Value for Adsorption
pH
5.14
5.92
7.22
8.24
9.26
9.81
11.04
12.36
G/mg/g
1.5799
5.4063
5.9917
6.9215
7.3800
8.8499
12.3620
12.3420
R %
0.8611
0.8721
0.8799
0.9823
0.9850
0.9180
0.9648
0.9646

图3 pH值对吸附量的影响 图4 pH值对吸附率的影响
Fig.3 Effect of the pH Value on Adsorption Capacity Fig.4 Effect of the pH Value on Adsorption Rate
由图3可知，随着pH的增大，HAP对4-硝基苯酚的吸附量也增大,这是因为在碱性溶液中，4-硝基苯酚发生离子化，以C6H4NO2O- 形式存在，和磷酸根离子发生交换从而加大了吸附量。所以HAP对4-硝基苯酚的吸附不仅有其表面积的物理吸附，还存在通过离子交换的化学吸附，因此，其相对吸附量也增大。又由实验现象看来，溶液酸性太大时，HAP有微弱的溶解，这也是在酸性溶液中，吸附量较低的一个原因。从图中还可以看出，在pH为11时其吸附量最大，所以本实验取pH值为11 。
3.3.2 振荡时间对吸附的影响
在室温条件下，当4-硝基苯酚的初始浓度为30 mg/L，HAP的用量为2 g/L，pH为11，按实验方法2.3.2考察振荡时间对吸附作用的影响，其结果见表3，作振荡时间t与吸附量G、吸附率R的关系图见图5，图6。

表3 振荡时间对吸附的影响
Table 3 Influence of Oscillation Time for Adsorption
t/min
2
5
8
10
20
30
45
60
G/mg/g
11.439
11.469
11.570
11.811
11.860
11.980
11.908
11.901
R %
0.9525
0.9529
0.9543
0.9575
0.9577
0.9585
0.9588
0.9581

图5 振荡时间对吸附量的影响 图6 振荡时间对吸附率的影响
Fig.5 Effect of the Oscillation Time on Adsorption Capacity Fig.6 Effect of the Oscillation Time on Adsorption Rate
由图5可知，HAP对4-硝基苯酚的吸附量随着振荡时间的延长而增大，当振荡时间达30 min时，吸附基本达到平衡。所以，选择30 min作为最佳作用时间。
3.3.3 温度对吸附的影响
当4-硝基苯酚的初始浓度为30 mg/L，HAP的用量为2 g/L，振荡时间为30 min，pH为11，按实验方法2.3.2考察温度对吸附作用的影响，其结果见表4，作温度与吸附量G、吸附率R的关系图见图7，图8。
表4 温度对吸附的影响
Table 4 Influence of Temperature on Adsorption
T/℃
15
25
35
45
55
65
75
G/mg/g
10.0172
10.2617
10.2789
10.3065
10.3394
10.1860
9.7142
R %
0.9669
0.9702
0.9704
0.9708
0.9720
0.9691
0.9629

图7 温度对吸附量的影响 图8 温度对吸附率的影响
Fig.7 Effect of the Temperature on Adsorption Capacity Fig.8 Effect of the Temperature on Adsorption Rate
由图7可知，随着温度的升高，吸附量先增大，趋于平缓，后下降，所以选50 ℃为最佳反应温度。
3.3.4 初始浓度对吸附的影响
在室温条件下，HAP的用量为2 g/L，振荡时间为30 min，pH为11，按实验方法2.3.2考察初始浓度对吸附作用的影响，其结果见表4，作初始浓度C与吸附量G、吸附率R的关系图见图9～10
表5 初始浓度对吸附的影响
Table 5 Influence of Initial Concentration for Adsorption
C/mg/L
10
20
40
60
80
100
120
140
G/mg/g
3.8705
8.1198
14.9035
21.3946
27.5069
33.3402
35.4562
35.9841
R %
0.9548
0.9524
0.9490
0.9426
0.9375
0.9334
0.9182
0.9028

图9 初始浓度对吸附量的影响 图10初始浓度对吸附率的影响
Fig.9 Effect of the Initial Concentration on Adsorption Capacity Fig.10 Effect of the Initial Concentration on Adsorption rate
由图9可知，随着4-硝基苯酚浓度的增大，HAP对4-硝基苯酚的吸附量也增大了，但其增大量与4-硝基苯酚的浓度不完全的成正比例关系，即浓度达到一定数值后，吸附量的增加率变缓而达到饱和。
3.4 吸附等温线
3.4.1 Langmuir方程线性拟合
根据Langmuir方程1/G = 1/Xm + 1/XmaLCe 做1/G-1/C曲线图如图11

图11 Langmuir等温吸附线
Fig.11 Langmuir Adsorption Isotherm
由图可得，其等温方程为y = 0.1027x + 0.0149，相关线性系数为R = 0.9875。由此可知羟基磷灰石对4-硝基苯酚的吸附基本符合Langmuir型[16]。
3.4.2 Freundlich方程线性拟合
根据Freundlich方程LnG = LnKF + 1/n LnCe做1/G-1/C曲线图如图12

图12 Freundlich等温吸附线
Fig.12 Freundlich Adsorption Isotherm
由图可得，其等温方程为y = 0.5481x + 2.3308，相关线性R=0.9805。结果表明羟基磷灰石对4-硝基苯酚的吸附基本符合Freundlich型[17]。
3.5 吸附热力学
羟基磷灰石对4-硝基苯酚的吸附规律可以通过热力学函数△G，△H，△S的计算得以解释[18]。因此可以根据以下热力学计算式：
△ G= - R T ln K (1)
△ G = △H–T △S (2)
由上两式得：ln K = -△H / RT + △S / R (3)
由式（1）可得△G，根据（3）式以ln K对1/T做图，进行线性拟合所得的直线方程y = -0.0823x - 1.2456，可得出△H和△S值，结果见表6
表6 羟基磷灰石吸附4-硝基苯酚的热力学函数值
Table 6 Thermodynamics Parameters for Adsorption of p-Nitrophenol on HAPs
T/K
△G/KJ/mol
△H/KJ/mol
△S/J/mol/k
288
-24.6846
-1.2456
-0.0823
298
-25.7986
308
-26.6841
318
-27.5843
328
-28.5689
338
-29.1679
348
-29.4941

图13 羟基磷灰石吸附4-硝基苯酚的热力学函数曲线图
Fig.13 The Curve of the Thermodynamics Parameters for Adsorption of p-Nitrophenol on HAPs
由表可知，4-硝基苯酚在HAP上的吸附焓变值△H＜0，自由能变值△G＜0，说明吸附过程为自发的放热过程。
在固液吸附体系中，溶质分子吸附的同时必然伴随着溶剂分子脱附。溶剂分子吸附在吸附剂上，自由度减小，是一个熵减少的过程，而溶剂分子的脱附是一个熵增加的过程，吸附过程的熵变是二者的总和。表中4-硝基苯酚吸附的熵变值△S＜0，表明其吸附过程为熵减小的过程。根据表中的△H可知，4-硝基苯酚在HAP上的吸附具有物理吸附特征，吸附剂与吸附质之间的相互作用主要为范德华力。
4 结论
（1）与水热法和沉淀法相比较可知，溶胶凝胶法合成的HAP有较大比表面积,适宜作吸附材料。
（2）HAp对4-硝基苯酚具有较好的吸附作用，吸附基本符合Langmuir 、Freundlich等温吸附模型。

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谢　　辞
感谢导师梁华定教授、韩德满副教授的热切关心、指导和教诲。本人实验期间在两位教师的精心指导下进行的。俩人渊博的学识、敏锐的思维、民主而严谨的作风使学生受益匪浅，并对人对事时刻充满热情的态度永远激励着我，并使学生终生难忘。在此，我表示衷心的感谢！
同时也感谢实验员张利龙老师等在实验过程中的指导，感谢他们在整个论文过程中给予的极大支持和热心帮助。
最后，向所有帮助和支持过我的老师、同学和朋友们表示衷心的感谢。