侯向陽(yáng)，侯秀芳，柴紅梅，王智香，高樓軍

(延安大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 延安 716000)

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既可培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，又可促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理化學(xué)基本概念和原理的深入理解，對(duì)化學(xué)、化工相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)具有不可替代的作用。針對(duì)“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與其相關(guān)理論內(nèi)容教學(xué)相脫節(jié)”、“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容過(guò)于單薄，與學(xué)生的實(shí)踐性教學(xué)、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教育等環(huán)節(jié)銜接較少”及“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容滯后物理化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域研究”等問(wèn)題；結(jié)合溶液吸附法測(cè)定活性炭比表面積實(shí)驗(yàn)，對(duì)其教學(xué)內(nèi)容、方法進(jìn)行了探討[1，2]。以達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革和課程建設(shè)的目標(biāo)。溶液吸附法測(cè)定活性炭比表面積是化學(xué)、化工相關(guān)專業(yè)必開(kāi)的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生深入理解界面與膠體相關(guān)概念、原理有很好的幫助作用[3]。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有待探究的問(wèn)題

溶液吸附法測(cè)定活性炭比表面積實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)以下問(wèn)題認(rèn)識(shí)模糊或錯(cuò)誤：

(1)教材對(duì)亞甲基藍(lán)是這樣描述“亞甲基藍(lán)是具有矩形結(jié)構(gòu)的陽(yáng)離子型表面活性劑，陽(yáng)離子大小是(17.0×7.6×3.25)×10-30m3，被活性炭吸附時(shí)，亞甲基藍(lán)有三種不同吸附取向和相應(yīng)投影面積：(a)被平面吸附時(shí)，投影面積為135×10-20m2，(b)被側(cè)面吸附時(shí)，投影面積為75×10-20m2，(c)被端基吸附時(shí)，投影面積為39×10-20m2，活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)采用端基取向吸附，δA=39×10-20m2”[4，5]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)亞甲基藍(lán)的描述理解模糊，即不能正確回答“為什么會(huì)存在三種不同方向上的取向、三種吸附取向下亞甲基藍(lán)的投影面積是如何計(jì)算的及為什么亞甲基藍(lán)最終被活性炭采取端基取向吸附”的問(wèn)題。

(2)實(shí)驗(yàn)要求采用非石墨型顆?；钚蕴?，但對(duì)“非石墨型活性炭有何本質(zhì)特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)為什么選用非石墨型活性炭而不用其他類型活性炭”等問(wèn)題未做說(shuō)明[6，7]。

(3)教材要求當(dāng)活性炭質(zhì)量為0.1 g左右時(shí)，亞甲基藍(lán)溶液的質(zhì)量百分比濃度為0.2%[8，9]。學(xué)生對(duì)此產(chǎn)生的問(wèn)題“(a)為什么活性炭質(zhì)量為0.1 g左右時(shí)，亞甲基藍(lán)溶液濃度必須為0.2%；(b)活性炭質(zhì)量增大后，亞甲基藍(lán)溶液濃度應(yīng)怎樣合理變化及亞甲基藍(lán)溶液濃度改變對(duì)吸光值測(cè)定時(shí)有無(wú)影響”沒(méi)有深入思考，甚至有部分學(xué)生就沒(méi)有考慮到該問(wèn)題的存在。若能幫助或引導(dǎo)學(xué)生徹底解決該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的這些難點(diǎn)問(wèn)題，無(wú)疑對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的保證、學(xué)生實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的形成、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力的提升有很好的幫助。在該實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過(guò)量化計(jì)算、學(xué)科前沿知識(shí)的引入，加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中難點(diǎn)問(wèn)題的深入探究以及增加實(shí)驗(yàn)操作、豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容兩方面的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，進(jìn)行溶液吸附法測(cè)定活性炭比表面積實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以提高該實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果并對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)起到師范作用。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中亟需改進(jìn)的內(nèi)容

2.1 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中難點(diǎn)問(wèn)題的深入探究，進(jìn)行教學(xué)改革

對(duì)實(shí)驗(yàn)涉及的難點(diǎn)理論問(wèn)題，往往是學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中易忽略的問(wèn)題。但若能徹底理解相關(guān)重難點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)、學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生的深度思維及探究能力非常重要。

(1)關(guān)于亞甲基藍(lán)陽(yáng)離子大小及被活性炭吸附時(shí)取向的問(wèn)題，從理論計(jì)算角度進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖1。采用Gaussian軟件在b3lyp/6-311++g**水平優(yōu)化亞甲基藍(lán)陽(yáng)離子的結(jié)構(gòu)，使用Multiwfn軟件計(jì)算分子的長(zhǎng)、寬、高，用VMD軟件顯示圖形，計(jì)算出平面、側(cè)面、端基面三個(gè)不同方向吸附時(shí)投影面積的大小；亞甲基藍(lán)陽(yáng)離子的大小是(16.62×7.88×4.18)×10-30m3；其三個(gè)吸附面面積大小分別是：16.62×7.88=131.0×10-20m2；16.62×4.18=69.5×10-20m2；7.88×4.18=32.9×10-20m2。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，無(wú)定型炭的結(jié)構(gòu)是包括12～25個(gè)碳原子(3～7個(gè)苯環(huán))，按照“近程有序，遠(yuǎn)程無(wú)序”的原則隨機(jī)連接而成[10]。實(shí)驗(yàn)以15個(gè)碳原子(4個(gè)苯環(huán))為活性炭基本單元，組合成無(wú)定型多孔活性碳從三個(gè)不同方向?qū)喖谆{(lán)吸附進(jìn)行模擬理論計(jì)算，吸附熱結(jié)果如圖1(b)所示。計(jì)算結(jié)果表明：端基吸附、側(cè)面吸附(N端)、側(cè)面吸附(S端)三個(gè)不同方向吸附熱的大小分別是-16.4、-14.1、-12.1 kJ·mol-1。雖然不同方向的吸附熱值大小差別較小，但這也是以15個(gè)碳原子(4個(gè)苯環(huán))為無(wú)定型碳結(jié)構(gòu)單元計(jì)算的吸附結(jié)果，無(wú)定型碳實(shí)際包含的碳原子或苯環(huán)數(shù)目非常多，隨苯環(huán)數(shù)目增加三個(gè)方向吸附熱及不同吸附熱之間的差值會(huì)逐步增大。根據(jù)不同方向吸附熱數(shù)值大小，足以說(shuō)明無(wú)定型碳吸附亞甲基藍(lán)采取端基吸附模式；同時(shí)計(jì)算結(jié)果也發(fā)現(xiàn)活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)的平面吸附模式不可能存在，圖1(c)解釋了原因。計(jì)算之前，將活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附模式假定為平面吸附，但理論計(jì)算過(guò)程、結(jié)果發(fā)現(xiàn)活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附模式在逐步變化，最終成為側(cè)面吸附(N端或S端)，且其吸附熱數(shù)值也和直接假定為側(cè)面吸附模式(N端和S端)的計(jì)算結(jié)果一致。N端側(cè)面吸附熱比S端側(cè)面吸附熱的數(shù)值大，說(shuō)明在兩種側(cè)面吸附模式中N端側(cè)面吸附幾率較大一些。通過(guò)理論計(jì)算就很清楚的解釋了這一問(wèn)題，也使學(xué)生對(duì)理論計(jì)算化學(xué)有初步了解，意識(shí)到實(shí)驗(yàn)課程和其它學(xué)科之間的聯(lián)系。

圖1(a)亞甲基藍(lán)分子大小示意圖；(b)活性炭吸附吸附亞甲基藍(lán)示意圖及吸附熱數(shù)值；(c)活性炭平面吸附亞甲基藍(lán)變化過(guò)程示意圖

(2)關(guān)于活性炭描述的問(wèn)題，結(jié)合學(xué)科前沿知識(shí)，就炭材料概念及相關(guān)知識(shí)給予介紹，使學(xué)生對(duì)此有清晰了解。炭材料分為石墨、高比表面積石墨、活性炭等三類，很少見(jiàn)有非石墨型活性炭、石墨型活性炭的提法，但有石墨化提法?；钚蕴勘举|(zhì)是SP2炭，是長(zhǎng)程無(wú)序，多孔結(jié)構(gòu)，習(xí)慣上稱為無(wú)定型的炭，而石墨是晶體材料。所以有教材要求采用的非石墨型顆?；钚蕴繎?yīng)該是長(zhǎng)程無(wú)序、多孔結(jié)構(gòu)的無(wú)定型炭，其堆積密度低，具有大的比表面積，吸附的容量大，可吸附多種類化合物，吸附作用力大，可發(fā)生化學(xué)吸附，發(fā)生反應(yīng)的可能性高。這樣，學(xué)生不僅對(duì)活性炭有正確的認(rèn)識(shí)，也理解了為什么要選用這樣的活性碳材料進(jìn)行吸附亞甲基藍(lán)的實(shí)驗(yàn)。最終意識(shí)到物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)不單純與物理化學(xué)方面有聯(lián)系，也與材料化學(xué)等學(xué)科密切關(guān)聯(lián)。

2.2 增加實(shí)驗(yàn)操作、豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)行教學(xué)改進(jìn)

在實(shí)驗(yàn)中增加活性炭制取步驟，有關(guān)活性炭的制取方法已有大量的文獻(xiàn)資料報(bào)告，且操作簡(jiǎn)單，學(xué)生在查閱文獻(xiàn)資料，和老師、學(xué)生討論的基礎(chǔ)上可獨(dú)立完成；該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的增加，即豐富實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，也平添學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、分析問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。并將亞甲基藍(lán)溶液濃度涉及的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作方法的改變、自身實(shí)驗(yàn)來(lái)解決。最終，學(xué)生形成活性炭制備方案，利用自制活性炭及優(yōu)化亞甲基藍(lán)濃度基礎(chǔ)上平行進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1、2、3和圖2。

活性炭制備方法：將蘆葦秸稈洗凈，干燥、破碎(1～2 cm)后用配置好的ZnCl2溶液(45%)浸漬24 h，浸漬比為2∶1、溫度為60 ℃，將浸漬好的蘆葦秸稈置于干燥皿中，在90 ℃條件下干燥24 h后置于坩堝中，蓋好蓋子(保證碳化在缺氧或貧氧的前提下進(jìn)行)，將坩堝置于馬弗爐中，關(guān)好爐門(mén)，控制器溫度為600 ℃，1 h后將加熱控制器關(guān)閉，待馬弗爐內(nèi)溫度降至安全溫度以下后，再將樣品取出，置于燒杯中，加入一定量的1 mol·L-1的HCl，煮沸20 min后取下，待其冷卻后，用蒸餾水洗滌，直至將多余的ZnCl2雜質(zhì)完全除去后干燥、研磨、篩選得到100目成品活性炭。

表1是亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液及其原始溶液濃度的測(cè)定結(jié)果，根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)得到亞甲基藍(lán)溶液的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線如圖2(a)。按照表2配制不同濃度的亞甲基藍(lán)溶液，分別準(zhǔn)確加入活性炭約0.1 g左右，振蕩平衡后，測(cè)定其吸光度。表3是實(shí)驗(yàn)中活性炭質(zhì)量、活性炭吸附亞甲基藍(lán)溶液平衡后吸光度數(shù)值，以及計(jì)算得到的亞甲基藍(lán)被吸附前濃度、吸附后濃度、活性炭吸附量和比表面積的結(jié)果值。圖2(b)是活性炭吸附亞甲基藍(lán)的吸附量(Γ)與濃度(c)的關(guān)系曲線圖，由圖可知，隨亞甲基藍(lán)溶液濃度增大，Γ-c關(guān)系由曲線變成直線出現(xiàn)平臺(tái)，充分說(shuō)明活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附在亞甲基藍(lán)溶液濃度較小時(shí)是不飽和吸附，隨亞甲基藍(lán)溶液濃度合理增大，吸附趨于飽和并最終剛形成飽和的單分子層吸附。圖2(c)是c/Γ-c關(guān)系曲線，由該曲線的斜率值計(jì)算出活性炭吸附亞甲基藍(lán)為飽和單分子層時(shí)的最大吸附量值。

表1 亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液及其原始溶液濃度測(cè)定結(jié)果

表2 活性炭吸附亞甲基藍(lán)平衡溶液的配制

表3 平衡溶液吸光度測(cè)定及相關(guān)濃度和比表面積計(jì)算結(jié)果

圖2 (a)亞甲基藍(lán)溶液濃度與吸光度標(biāo)準(zhǔn)工作曲線；(b)Г-c吸附等溫線；(c)c/Γ-c關(guān)系曲線

3 結(jié)論

論文從引入量化計(jì)算、學(xué)科前沿知識(shí)加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法設(shè)計(jì)難點(diǎn)問(wèn)題的深入探究及增加實(shí)驗(yàn)操作、豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)，以提高實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)質(zhì)量。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)涉及重難點(diǎn)問(wèn)題的詳細(xì)探討，使學(xué)生對(duì)物理化學(xué)學(xué)科前沿有一定了解，可開(kāi)闊學(xué)生學(xué)習(xí)視野，增加實(shí)驗(yàn)興趣；增加必要實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更可培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。論文主要目的是提高溶液吸附法測(cè)定活性炭比表面積實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，并對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到師范效應(yīng)。