1、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班级2011级化学（1）班学号1132010019学生姓名指导教师完成日期2015年4月1日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权台州学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密，在一年后，解密适用本授权书。无密级。（请在以上相应方框内打“”）作者签名日期年月日导师签名日期年月日摘要在化学
2、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ABSTRACTINCHEMISTRYTEACHING,PAYATTENTIONTOTHEDEVELOPMENTANDCREATIVEEXPERIMENTALTEACHINGAPPLICATION,GUIDESTUDENTSTOEXPLOREPROBLEMS,FORMINGATHOUGHTFULTHINKINGQUALITYANDINNOVATIONCONSCIOUSNESS,HABITANDABILITYKEYWORDSCHEMISTRYTEACHIN
3、GSCREATIVEEXPERIMENTTHETEACHINGDESIGN目录1前言12创意221什么是创意222创意与创造力培养的关系223创意的教育价值33创意实验331羟基磷灰石的合成与表征3311羟基磷灰石的合成3312HAP红外光谱的表征3313HAP的氮吸附作用试验4324硝基苯酚标准曲线的制作433HAP对4硝基苯酚吸附作用的因素影响4331PH值对吸附的影响4332振荡时间对吸附的影响5333温度对吸附的影响6334初始浓度对吸附的影响734吸附等温线8341LANGMUIR方程线性拟合8342FREUNDLICH方程线性拟合835吸附热力学94结论10参考文献10谢辞111中
4、学化学创意型实验的开发医药化工学院化学专业学生指导教师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
5、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
6、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
7、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10MG/L时，与作用时间、PH值、HAP用2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5G/L，PH值为6，作用时间5MIN8。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
8、温吸附R/Q015297R012247该吸附反应符合二级反应，动力学方程1/R001084T049689反应速率K和温度T之间的关系符合阿仑尼乌斯ARRHENIUS公式LNK10895251/T015541,吸附的活化能为EA7444J/MOL9。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174，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PH35、搅拌时间为1H、吸附温度为25,在此条件下,HAP对1000MG/
9、L的含铅模拟废水PB2的吸附容量200MG/G。HAP用量5G/L,PH值为6,作用时间5MIN,在CD2初始浓度小于10MG/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21实验仪器及试剂仪器852型恒温磁力搅拌器巩义市英峪予华仪器厂,DELTA320PH计METTLERTOLEDGROUP,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），D2F6021型恒温干
10、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FTIR8400型红外光度计（日本岛津），岛津UV2401PC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，CAOH2，HCL，NAOH均为分析纯；水为二次蒸馏水。22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CAOH2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12H，得到溶胶，抽滤，并放于恒温干燥箱110条件下干燥24H后,再放
11、在马弗炉中900下焙烧2H，研磨，即得纯的羟基磷灰石粉末，并称重。3图1溶胶凝胶法合成羟基磷灰石的实验装置示意图FIG1EXPERIMENTALDEVICEOFSYNTHESISOFHAPBYSOLGELMETHODS1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234硝基苯酚的吸附实验2314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4175NM波长下，用1CM比色皿测量4硝基苯酚的吸光度，利用外标法计算其浓度。2324硝基苯酚的吸附实验准确称取05G羟基磷灰石，置入一系列100ML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
12、水配置所需浓度的溶液，用001MOL/LHCL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4175NM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GV（C0CE）/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31羟基磷灰石的合成与表征311羟基磷灰石的合成在40水浴条件下，将74GCAOH2置于水溶液中，再加入148MOL/L405ML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1184G，产率为7081。312HAP红外
13、光谱的表征所得产物经红外光谱分析见图24图2溶胶凝胶法合成HAP的红外光谱图FIG2IRSPECTRUMOFHAPSYNTHESIZEDBYSOLGELMETHOD由图2可以看出磷酸根的主要吸收带位于572，602，962，987，1043CM1，在632，3572CM1处还有结构羟基引起的微弱吸收，2341和2360CM1两个吸收峰，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。313HAP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503M2/G,并与传统水热法14
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TABLE1COMPARISIONOFSPECIFICSURFACEAREAOFDIFFERENTHAP合成方法水热法沉淀法本法溶胶凝胶法比表面积394487503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。324硝基苯酚标准曲线的制作用移液管从100MG/L的标准溶液中分别移取2，4，6，8，10ML于50ML容量瓶中，用蒸馏水定容，再用1CM比色皿测定其吸光度，并作标准曲线。其线性回归方程为Y00726X00026,相关系数为09996（X为吸附后溶液浓度，Y为吸光度）。33HAP对4硝
15、基苯酚吸附作用的因素影响331PH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30MG/L，HAP的用量为2G/L，振荡时间为30MIN，5按实验方法232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表2PH值对吸附的影响TABLE2INFLUENCEOFPHVALUEFORADSORPTIONPH51459272282492698111041236G/MG/G157995406359917692157380088499123620123420R0861108721087990982309850091800964809646468101
16、24681012G/MG/GPH5678910111213086088090092094096098RPH图3PH值对吸附量的影响图4PH值对吸附率的影响FIG3EFFECTOFTHEPHVALUEONADSORPTIONCAPACITYFIG4EFFECTOFTHEPHVALUEONADSORPTIONRATE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
17、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。332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30MG/L，HAP的用量为2G/L，PH为11，按实验方法232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。6表3振荡时间对吸附的影响TABLE3INFLUENCEOFOSCILLATIONTIMEFORADSORPTIONT/MIN2581020304560G/MG/G1143911469115701181111
18、860119801190811901R09525095290954309575095770958509588095810102030405060114115116117118119G/MG/GT/MIN010203040506009520953095409550956095709580959RT/MIN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FIG5EFFECTOFTHEOSCILLATIONTIMEONADSORPTIONCAPACITYFIG6EFFECTOFTHEOSCILLATIONTIMEONADSORPTIONRATE由图5可知，HAP对4硝基苯酚的吸附量随着振荡时间的
19、延长而增大，当振荡时间达30MIN时，吸附基本达到平衡。所以，选择30MIN作为最佳作用时间。333温度对吸附的影响当4硝基苯酚的初始浓度为30MG/L，HAP的用量为2G/L，振荡时间为30MIN，PH为11，按实验方法232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TABLE4INFLUENCEOFTEMPERATUREONADSORPTIONT/15253545556575G/MG/G10017210261710278910306510339410186097142R0966909702097040970809720096
20、910962971020304050607080979899100101102103104G/MG/GT/1020304050607080096209640966096809700972RT/图7温度对吸附量的影响图8温度对吸附率的影响FIG7EFFECTOFTHETEMPERATUREONADSORPTIONCAPACITYFIG8EFFECTOFTHETEMPERATUREONADSORPTIONRATE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。334初始浓度对吸附的影响在室温条件下，HAP的用量为2G/L，振荡时间为30MIN，PH为11，按实
21、验方法232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910表5初始浓度对吸附的影响TABLE5INFLUENCEOFINITIALCONCENTRATIONFORADSORPTIONC/MG/L1020406080100120140G/MG/G3870581198149035213946275069333402354562359841R09548095240949009426093750933409182090280306090120150010203040G/MG/GC/MG/L020406080100120140160090091092093
22、094095096097RC/MG/L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FIG9EFFECTOFTHEINITIALCONCENTRATIONONADSORPTIONCAPACITYFIG10EFFECTOFTHEINITIALCONCENTRATIONONADSORPTIONRATE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8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。34吸附等温线341LANGMUIR方程线性拟合根据LANGMUIR方程1/G1/XM1/XMALCE做1/G1/C
23、曲线图如图110005101520250000050100150200250301/G1/C图11LANGMUIR等温吸附线FIG11LANGMUIRADSORPTIONISOTHERM由图可得，其等温方程为Y01027X00149，相关线性系数为R09875。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。342FREUNDLICH方程线性拟合根据FREUNDLICH方程LNGLNKF1/NLNCE做1/G1/C曲线图如图121510050005101520253030323436LNGLNC图12FREUNDLICH等温吸附线FIG12FREUNDLICHADSORPT
24、IONISOTHERM由图可得，其等温方程为Y05481X23308，相关线性R09805。结果表明羟基磷灰石对49硝基苯酚的吸附基本符合FREUNDLICH型17。35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GRTLNK1GHTS2由上两式得LNKH/RTS/R3由式（1）可得G，根据（3）式以LNK对1/T做图，进行线性拟合所得的直线方程Y00823X12456，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TABLE6THERMODYNAMICSPARAMETERSFORADSORPTIO
25、NOFPNITROPHENOLONHAPST/KG/KJ/MOLH/KJ/MOLS/J/MOL/K2882468461245600823298257986308266841318275843328285689338291679348294941图13羟基磷灰石吸附4硝基苯酚的热力学函数曲线图FIG13THECURVEOFTHETHERMODYNAMICSPARAMETERSFORADSORPTIONOFPNITROPHENOLONHAPS10由表可知，4硝基苯酚在HAP上的吸附焓变值H0，自由能变值G0，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。
26、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S0，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。11参考文献1石和彬羟基磷灰石的性能研究J武汉化工学院学报,1999,21334372于方丽,周永强,张卫珂等
27、羟基磷灰石生物材料的研究现状制备及发展前景J陶瓷，2006,41278793唐文清,曾光明,李小明等环境功能材料羟基磷灰石改性的研究进展J衡阳师范学院学报,2005,62623254方丽,周永强,张卫珂等羟基磷灰石生物材料的研究现状、制备及发展前景J陕西科技大学材料科学与工程学院学报,2006,2544455唐森本,王欢畅,葛碧洲环境有机污染化学M北京冶金工业出版社,199530316唐登勇,郑正,苏东辉等活性炭纤维吸附废水中对硝基苯酚及其脱附研究J环境污染治理技术与设备,2006,1768697潘家永,林开利,董满江等纳米轻基磷灰石制备及其对溶液中苯酚吸附的优化设计J化学通报,2006,12
28、536968胥焕岩,刘羽,彭明生羟基磷灰石吸附水溶液中镉离子的动力学研究J矿物岩石,2004,136379MIYAKEM,SUZUKITSYNTHETICHYDMXYAPATITESASZNIONEXCHANGERSJJCHEMSOCFARADAYTRANS,1990,20132532710胡恋,陈朝猛,谢水波羟基磷灰石生物活性材料处理重金属废水的机理及效果研究J南华大学学报,2005,15101211胡文云吸附材料羟基磷灰石的合成与表征J武汉工业学院学报,2006,2312孙淑珍,雷家珩溶胶一凝胶法合成羟基磷灰石J无机盐工业,1992,3242513孙明礼,成荣明,徐学诚等苯酚及取代酚在碳纳
29、米管上的吸附研究J化学研究与应用,2006,181262814伍沅,周玉新水热法合成羟基磷灰石J无机盐工业,1991,415815徐光亮,聂轶霞,赖振字等沉淀法合成羟基磷灰石粉体的研究J无机材料学报,2005,17360060416SAWAMURAK,SUZUKIK,SYNTHETICHYDROXYAPATITESASPBIONEXCHANGERSJJCHEMSOCFARADAYTRANS,1990,86424317齐勇,刘羽羟基磷灰石吸附水溶液中ZN2影响因素的研究J环境污染治理技术与设备,2006,5710410618沈学优,卢瑛莹,朱利中4硝基苯酚在水/有机膨润土界面的吸附行为热力学特征及机理J中国环境科学,2003,23436737012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。
