無機(jī)化學(xué)實驗是一門實踐性的獨(dú)立課程，不僅是驗證理論知識，更是通過實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、推理、判斷、歸納總結(jié)的能力，訓(xùn)練科學(xué)的實驗方法和技能，培養(yǎng)獨(dú)立工作和解決問題的能力［1］。但在實際的教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的無機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)中存在著某些明顯的不足，如藥品用量較大、實驗現(xiàn)象不明顯等。如何對現(xiàn)有的無機(jī)化學(xué)實驗進(jìn)行改進(jìn)從而有效降低藥品的用量，減少實驗產(chǎn)生的廢液對降低環(huán)境污染非常有意義。
4月22日上午，水利部抗震救災(zāi)供水保障組前方工作組冒雪到規(guī)劃中的新寨村災(zāi)民安置點進(jìn)行考察，將災(zāi)民安置點供水與農(nóng)村供水結(jié)合考慮，深入養(yǎng)老院、居民點詳細(xì)了解供水現(xiàn)狀，初步提出供水方案。
“二氧化碳制備及其相對分子量的測定”是無機(jī)化學(xué)中的經(jīng)典實驗［2］。教材中用6mol/L的鹽酸與石灰石反應(yīng)制備CO2。實際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)該實驗存在幾個問題［3］：1、浪費(fèi)嚴(yán)重。實驗結(jié)束后的廢液中含有大量未反應(yīng)完的鹽酸，回收困難。同時，作為廢液處理既造成環(huán)境污染，又大大增加了實驗成本。2、反應(yīng)生成的CO2含有大量的HCl氣體。本文希望對實驗條件進(jìn)行優(yōu)化，探討鹽酸濃度對氣體發(fā)生量和發(fā)生速率的影響，從而降低實驗成本，減小環(huán)境污染，提高教學(xué)效果。
將過量的石灰石（主要成分為碳酸鈣）置于啟普發(fā)生器中，分別加入1、2、3、4、5、6mol/L的鹽酸溶液400mL。利用排水集氣法收集產(chǎn)生的CO2。
圖1為不同濃度鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)收集到的CO2體積與時間關(guān)系。圖1顯示，在反應(yīng)初期，隨著反應(yīng)時間延長，CO2發(fā)生量逐漸增大。6mol/L的鹽酸溶液與碳酸鈣反應(yīng)的初始速度盡管較快，但5min后曲線很快趨于平緩，CO2的發(fā)生量明顯下降，因此在實驗過程中，如果采用6 mol/L的鹽酸溶液與碳酸鈣反應(yīng)，必須控制好相應(yīng)的反應(yīng)時間。從圖1中還能清楚地觀察到，隨著鹽酸濃度逐漸增加，收集到的CO2體積也逐漸增大。當(dāng)鹽酸濃度增大到4 mol/L以上時，收集到的CO2的體積變化不再明顯。因此實驗過程中，可能使用4mol/L鹽酸更加合適。
圖1 400mL不同濃度鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)收集到的CO2體積與時間的關(guān)系
圖2 二氧化碳的發(fā)生速率與時間的關(guān)系
圖2 為相同體積下，不同濃度鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)所收集到的二氧化碳的發(fā)生速率與時間的關(guān)系。由圖2可以看出，隨著反應(yīng)進(jìn)行，二氧化碳的反應(yīng)速率卻在不斷下降。6mol/L的鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)的初始速度盡管較快，但5min后反應(yīng)速率迅速下降。而4mol/L的鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)速率比較平穩(wěn)，因此選用4mol/L鹽酸可能更加合適。
表1為相同體積（400mL）、不同濃度的鹽酸與石灰石反應(yīng)所制備的二氧化碳的體積及鹽酸的利用率。6mol/L的鹽酸與石灰石反應(yīng)的利用率僅僅72.1%，隨著鹽酸濃度的降低，二氧化碳的體積也隨之減小，但鹽酸的利用率卻在增加。由于產(chǎn)物氯化鈣的溶解度較大（30o，102g）［4］，可以排除產(chǎn)物析出的影響。因此，影響其產(chǎn)率的主要原因與高濃度的鹽酸中的HCl氣體容易隨著CO2逸出有關(guān)。綜合考慮，實驗室制備二氧化碳時鹽酸濃度以4mol/L為宜。
表1 400mL不同濃度的鹽酸與石灰石反應(yīng)得到的二氧化碳量及鹽酸利用率
鹽酸濃度/mol/L CO2體積/mL鹽酸利用率/%6 5 4 3 2 1 20810 72.1 19310 80.3 15670 81.5 11930 82.7 8060 83.8 4140 86.1
本文探討了鹽酸濃度與二氧化碳發(fā)生量與發(fā)生速率之間的關(guān)系。結(jié)果表明：
建筑施工中可能通過增強(qiáng)建筑自然采光面積與技術(shù)、安裝太陽能電池板等技術(shù)充分利用太陽能。①充分利用自然光，增加門窗面積是目前常用的自然光利用方法，但在施工中需要注意密封性、材料選擇等問題。②安裝太陽能電池板，合理采集太陽能，為施工所需的電能與熱能提供保障。
1、二氧化碳的生成量與鹽酸濃度成正比，鹽酸的利用率與鹽酸濃度成反比。
2、4mol/L的鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)制備二氧化碳，能夠獲得較快和相對平穩(wěn)的氣體發(fā)生速率。
最優(yōu)折衷解一般位于Pareto前端的中間段，選擇折衷解的方法有多種，如基于信息熵理論的Pareto集選優(yōu)方法[7]和TOPSIS法[20]。為了更靈活地表達(dá)設(shè)計者對不同優(yōu)化目標(biāo)的偏好，本文采用TOPSIS法幫助設(shè)計人員選擇最優(yōu)折衷解。
3、經(jīng)過改進(jìn)后的實驗?zāi)軌驕p少1/3的鹽酸用量，同時大大降低了由于廢液排放而造成的環(huán)境污染。
參考文獻(xiàn)
［1］ 王新，唐亞文.“氫氣的制備”實驗教學(xué)內(nèi)容探討［J］.化學(xué)教與學(xué)，2010（5）：73-74
［2］ 北京師范大學(xué)、華中師范大學(xué)、南京師范大學(xué)、東北師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室，無機(jī)化學(xué)實驗［M］.北京：高等教育出版社，2004：77-79
［3］ 陳冬梅.實驗室制取二氧化碳及其性質(zhì)實驗的改進(jìn)［J］.實驗教學(xué)與儀器，2015（4）：27-28
［4］ 顧慶超，樓書聰.化學(xué)用表［M］.江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1979：2.116
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