综合实验讲义Word版

PAGE/NUMPAGES化学综合实验讲义化学化工学院专业实验中心实验一：纳米金敏感膜阻抗传感器制作、测定仪组装及分析实验二：共沉淀-水热合成法制备稀土掺杂铝酸锶长余辉材料实验三：聚苯胺的化学合成、表征及性能研究实验四：光催化剂-介孔钛硅分子筛的合成与表征实验五：槐花米中芸香苷的提取、分离和鉴定实验六：2-苄基-2-溴化锡的合成、纯化与表征实验七：玉米中SOD的提取、纯化及活性测试实验八：氧化石墨烯的制备、表征与性能研究实验一：纳米金敏感膜阻抗传感器制作，测定仪组装及分析(32课时)1.内容提要采用两相法合成硫醇包裹的纳米金（8课时）；采用红外、紫外、热重（电镜依据条件可选）等表征其结构（12课时）；以叉指电极为基底，包裹的金纳米颗粒或微米碳粉掺杂聚合物为敏感膜制作气体化学阻抗传感器（4课时）；按照电路图连接测定电路，组装一台气体分析传感测定仪，完成可挥发性有机物测定(8课时)。实验总课时32课时。2．目的要求1）了解纳米技术与现代科技相结合的研究现状2）了解纳米金制备的原理和方法；3）了解数字电子技术基础，学习传感器的工作原理与测试方法。3.实验关键1）金纳米颗粒的合成（或碳粉/聚合物混合物的制备）；2）传感器敏感元件的制作；3）测试电路的组装与连接。4.预备知识传感器（sensor）是一种能把物理量或化学量转变成可测定的信号的器件。国际电工委员会（IEC）的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转变成可供测量的信号”。通常传感器是由敏感元件和转换元件组成。化学阻抗传感器是基于阻抗变化进行化学分析的一种传感器，由平行金属电极（测定电极间的阻抗）和沉积在电极表面的敏感膜构成。敏感膜可以是修饰了有机化合物的的金属纳米粒子、导电聚合物或半导体化合物等；金属电极可以采用单对平行电极或多对平行电极（叉指电极，图1）。当被测目标物与敏感膜发生作用时（如吸收，吸附，结合），膜的电阻率和介电常数改变，导致金属电极间的阻抗发生变化。阻抗变化值与物质浓度具有定量关系。传感器阻抗变化可以由电桥测定。电路如图2所示。其中R1表示传感器。根据分压原理，在电路ADC支路上R2的电压降:(1)在ABC支路上R3的电压降:(2）则输出电压：　　(3)只要满足,则。当桥臂电阻R1发生变化时，。对（3）式进行微分得：（4）当电阻改变较小时，输出电压与传感器电阻R1变化值成线性关系。图1涂敷有金纳米敏感膜的叉指微电极图2惠斯通电桥电路图`传感器电阻R1改变值可采用如下方法测量：零位读数法：当电阻R1发生变化，使电桥失去平衡；如果在电桥中接入一个可变电阻，调节可变电阻，使电桥恢复平衡，这个可变电阻调节值与电阻R1变化有对应关系。通过测量这个可变电阻调节值来测量电阻R1改变值的方法称为零位读数法。直读法：不用可变电阻，直接测量电路失去平衡后的输出电压，再换算成改变值，这种方法称为直读法（或偏位法）。本实验中采用直读法直接测量输出电压的大小，由输出电压与被测定物量（温度或浓度）的校正曲线进行未知量测定。5.实验原理化学阻抗传感器对可挥发性有机气体（VOCs）的响应是基于传感器敏感膜对VOC的物理吸收。本实验采用叉指微电极，敏感膜为有机物包裹的纳米金敏感膜和碳黑掺杂的聚合物膜。当VOC进入敏感膜后，导致膜发生膨胀，敏感膜中金纳米粒子的间距增加；同时，VOC吸附在敏感膜上改变膜的介电常数，使得电子传输受阻，电阻增加。其变化可用电表、电桥等仪器测量。当VOC解吸后，敏感膜复原。阻抗的变化值决定于敏感膜膨胀的程度，也即气体的吸附量（浓度）、金纳米粒子的结构和性质等。对于一定的传感器，通过测定阻抗的改变量可以实现VOC的定量；而通过改变纳米金的包裹材料，可以得到针对不同VOC的区分响应。6仪器、药品及材料仪器：恒温磁力搅拌器，超声波振荡器，万用表，有机合成仪；电子原件：9V交流变压器，芯片：LM336，μA741，LM317，LM337，二极管（IN4007）、电阻器(1K、5K、10K)/1/4W、电容器（4700F/16V、1000F/25V、10F/25V）电位器（3296:10K、200），叉指微电极（本研究小组自行 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ，委托公司制作）；材料：小五金，面包板，连接电线药品：氯金酸(AR),甲苯(AR)，丙酮，无水乙醇(AR)，四辛基溴化铵(AR,TOAB)，十二烷基硫醇或辛基硫醇(AR)，硼氢化钠(AR)，碳粉（微米级），聚表氯醇（PECH）或其他聚合物。7实验步骤7-1纳米金合成a)将0.1g氯金酸固体溶解于20mL二次蒸馏水中；将0.8g相转移试剂TOAB溶解于40mL甲苯。b)搅拌将两溶液混合，加入18L的十二烷基硫醇,混合搅拌3~5分钟。c)将0.16g的NaBH4溶于5mL的二次蒸馏水，缓慢的将NaBH4溶液逐滴加入到上述混合溶液中（保持搅拌），在室温下搅拌3h,得到黑色溶液。d)得到的黑色溶液加入30mL水洗，分离，弃掉水溶液，减压蒸馏，加入100mL乙醇，重结晶，得到黑色纳米金。HAuCl4/H2O0.1Au:TOAB=1:5TOAB/Tol室温，搅拌混合液硫醇C8SHAu:S=4:1搅拌3~5minNaBH4Au:NaBH4=1:10室温，继续搅拌>3h一次水洗2次减压蒸馏<50°C乙醇洗纳米金7-2表征红外：取纯KBr研磨，分成两份，一份压片制作空白，另一份加入微量产品研磨均匀，压片，操作在红外灯下进行以免吸潮，测定其红外吸收光谱，与 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 谱图对照，解解析谱图。紫外：取纳米金少量，溶于甲苯，测定紫外吸收光谱，同时测定溶剂的紫外吸收谱，做背景扣除后比较谱图扣除前后的差异，解释谱图。热重分析：取适量纳米金固体，做热重分析，解释结果，并计算出金与有机物的摩尔比，与加入值比较。7-3传感器制作1)纳米金传感器：将适量纳米金溶液滴涂在叉指电极表面，待有机溶剂挥发，50°C恒温干燥1-2小时，得到电阻稳定的传感器。敏感膜理想电阻值为200~500。2）碳粉/PECH聚合物传感器：a)称取10mgPECH,放入试管内，加入10mL甲苯。超声波振荡，直至PECH与甲苯溶液充分混合，形成透明均一溶液，不出现PECH的团聚物。b)称取5mg碳粉，倒入PECH/甲苯溶液。超声波振荡2h,使碳粉均匀分散在PECH中。c)边超声波振荡边将上述混合液滴涂在叉指电极表面，待有机溶剂挥发，50°C恒温干燥1-2小时，得到电阻稳定的传感器。敏感膜理想阻值为200~500。7-4测定电路组装传感器测定电路包括直流供电电源和测试电路俩个部分，其电路图以及各功能芯片LM336，KA337，LM317及放大器μA741的电流输出与输入情况见图3。按图3连接电路，R1为制得的化学阻抗传感器，选择R2，R3，R4的电阻与传感器电阻尽量相同。注意连接的正负方向及接地情况，避免线路或原件短路。采用可变电阻测试电路。图3.传感器测定电路：直流供电电源和测试电路及各功能芯片图7芯片LM336,LM337,LM317和μA741的引脚示意图7-5测定装置装配以及气体测试1).测量池为60mL的广口瓶，用橡胶塞密闭瓶口，将制作好的纳米金传感器和小磁子放入瓶内，引出导线，连入电路。通过橡胶塞上的毛细管向测量池内进样。广口瓶固定于恒温磁力搅拌器水浴锅内，水温60°C。2).调节电位器PR1使输出电压为零。3).用微量进样器抽取25L丙酮，每次注入瓶内5L，期间用电磁搅拌仪不断搅拌。待液体挥发完后， 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 输出输出电压,记入表1。直到25L丙酮全部注入检测池，记录最后一个数值后方可拔掉进样器。共记录5组数据。4).以丙酮浓度为横坐标，输出电压信号为纵坐标，制作工作曲线。5).采用碳黑/PECH传感器，完成相同测定。6).比较纳米金传感器和碳黑/PECH传感器的灵敏度差异7).比较放大前后数据的变化，分析误差来源表1.浓度输出电压（放大前）输出电压（放大后）8思考 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 (1)测量时为什么要调零，调零的原理是什么？不调零会影响数据处理吗？(2)实验中所用到的各芯片的功能是什么？连接线路时需注意什么问题？(3)在目前的实验条件下，怎样才能进一步提高传感器的灵敏度？(4)如何测定放大前后的输出电压？参考文献姚守拙，化学与生物传感器，北京：化学工业出版社，2006。倪星元，张志华，传感器敏感功能材料及应用，北京：化学工业出版社，2005。Q.Y.Cai,J.Park,D.Heldsinger,M.D.Hsieh,E.T.Zellers,Vaporrecognitionwithanintegratedarrayofpolymer-coatedflexuralplatewavesensors,SensorsandActuatorsB,2000,62(2):121-130.Q.Y.Cai,E.T.Zellers,Dual-chemiresistorGCdetectoremployinglayer-protectedmetalnanoclusterinterfaces,Anal.Chem.,2002,74(14):3533-3539.（指导教师：蔡青云）实验二：共沉淀-水热合成法制备稀土掺杂铝酸锶长余辉材料（32课时）内容提要：长余辉发光材料简称长余辉材料，又称夜光材料。它是一类吸收太阳光或人工光源所产生的光而发出可见光，在激发停止后仍可继续发光持续几十分钟到数小时的物质，是一种储能节能的发光材料。尤其是稀土激活的碱土铝酸盐长余辉材料的余辉时长可达12h以上，具有白昼蓄光，夜间发射的长期循环蓄光发光的特点，应用广泛。共沉淀合成法及水热合成法广泛应用于超细粉体材料的制备研究中，二者有机结合可得到化学纯度高，含氧量小，体系稳定，晶粒发育完全的材料。本实验采用共沉淀法与水热合成法相互结合，利用尿素作为沉淀缓冲剂，分别以氨水和碳酸铵做为沉淀剂制备稀土掺杂铝酸锶长余辉发光材料。通过单因素优选法，探究影响因素对目标产物发光性能的影响，并对目标产物进行X射线衍射、扫描电镜、荧光光谱性能等分析。目的要求：掌握共沉淀-水热合成法制备稀土掺杂铝酸锶长余辉材料的方法；了解X射线衍射分析在稀土掺杂铝酸锶长余辉材料结构表征中的作用；了解扫描电镜分析在稀土掺杂铝酸锶长余辉材料形貌表征中的作用；熟悉荧光光谱分析在稀土掺杂铝酸锶长余辉材料发光性能研究中的作用。实验关键：稀土硝酸盐溶液的制备；共沉淀-水热合成过程的设计与控制；稀土掺杂铝酸锶长余辉材料合成条件的优化；稀土掺杂铝酸锶长余辉材料的结构与性能表征。实验原理：长余辉发光材料被激发以后，能长时间持续发光，关键在于有适当深度的陷阱能态。光激发时产生的自由电子(或自由空穴)落入陷阱中储存起来，激发停止后，靠常温下的热扰动而释放出被俘的陷阱电子与发光中心复合产生余辉光。随着陷阱逐渐被腾空，余辉光也逐渐衰减至消失。对于各个过程具体是如何进行的，虽尚未完全弄清，但部分理论科研工作者提出能够被接受的空穴转移模型、位型坐标模型、电子陷阱模型、热致发光及能量传递这五个模型。实验仪器与药品：氨水、尿素、硼酸、硝酸锶、氧化铕、氧化镝、碳酸铵、颗粒状活性炭、九水合硝酸铝。电子天平、紫外三用仪、箱型电阻炉、増力搅拌器、水热反应釜、电热真空干燥箱、荧光光谱仪、X射线衍射仪器、冷场发射扫描电镜。实验步骤：1.溶液的配制(1)稀土硝酸盐水溶液的配制0.1mol/LEu(NO3)3水溶液的制备：称取适量的Eu2O3于烧杯中，取少量去离子水润湿固体，60℃下搅拌并逐滴滴加适量的浓HNO3，盖上表面皿，反应一段时间，待Eu2O3完全溶解后，80℃下加热搅拌蒸发溶液中多余的HNO3和水份，蒸至粘稠后停止加热。加入一定量的去离子水搅拌使生成的Eu(NO3)3溶解后，冷却至室温，转移至容量瓶中，定容待用。0.1mol/LDy(NO3)3的制备与Eu(NO3)3的制备方法相同，故此不再详述。(2)其他溶液配制：1mol/LAl(NO3)3水溶液的配制：快速称取375.13g(1mol)九水合硝酸铝固体，放入700mL烧杯中，加入一定量的去离子水加热搅拌完全溶解后，冷却至室温，转移至1L的容量瓶内，摇匀后，定容待用。1mol/L的Sr(NO3)2，0.2mol/L的H3BO3溶液，1mol/L的(NH4)2CO3溶液，体积分数为25%的氨水溶液等溶液配制方式与1mol/LAl(NO3)3水溶液的配制相同，故不再重复。2.共沉淀-水热合成法制备稀土掺杂铝酸锶长余辉材料称取2.88g(24mmol)尿素于烧杯中，加入20mL去离子水，常温磁力搅拌溶解后，依次向烧杯加入16mL的Al(NO3)3和8mL的Sr(NO3)2溶液，以及一定体积的Eu(NO3)3和Dy(NO3)3溶液，搅拌30min，用滴液漏斗缓慢滴加体积分数为25%的氨水溶液，调节溶液pH，当pH至4.0左右时开始出现白色胶状沉淀，当pH到5左右时沉淀量突然增多，适时加大搅拌速度及适度加入一定量的去离子水，放缓氨水滴加速度，直至调节反应体系的pH到一定值时，停止滴加氨水，剧烈搅拌2h后，转移至聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，在140℃下恒温反应12h，冷却至室温、抽滤、用去离子水洗涤2~3次后，在80℃下鼓风干燥12h后，称重后放入玛瑙研钵中，并加入一定量的固体硼酸作为助熔剂，充分研磨后得到前躯体。取一定量的前躯体于刚玉坩埚内，氢气氮气的混合气体为还原气氛，在电阻炉内高温保温2h，即制得发光粉体。沉淀剂为碳酸铵溶液时，其他制备过程同上，故不再重复叙述。3.稀土掺杂铝酸锶长余辉材料的表征与发光性能评价：通过X射线衍射仪、场发射扫描电镜对目标产物的晶型、形貌进行分析；通过荧光光谱分析，研究稀土掺杂铝酸锶长余辉材料的发光性能。思考题：稀土掺杂铝酸锶长余辉材料的发光与稀土离子电子结构的关系？PH值的大小对稀土掺杂铝酸锶长余辉材料发光性能的影响？沉淀剂的种类对稀土掺杂铝酸锶长余辉材料发光性能的影响？（指导教师：郭栋才）实验三：聚苯胺的化学合成、表征及性能研究（32课时）1内容提要：导电聚合物的合成和性能研究是材料科学领域的研究热点。导电聚苯胺因其良好的稳定性、较高的室温电导率、可逆的氧化还原特性等，被广泛应用于电化学催化、电致变色、超级电容器、金属防腐等诸多领域。本实验以过硫酸盐为氧化剂，在酸性介质条件下采用化学氧化聚合法合成性质基本相同、电导率高、稳定性好的聚苯胺。采用红外光谱仪对材料进行表征，采用数字式四探针测试仪对合成样品进行导电性测量，并采用电化学工作站测定其电容性能。目的要求：掌握化学氧化聚合合成导电聚苯胺的方法了解聚苯胺的结构特点及导电机理熟悉聚合物结构与性能的分析检测3实验关键：(1)苯胺的提纯(2)聚苯胺合成条件（苯胺与氧化剂的配比、氧化剂滴加速度等）的控制(3)测试样品的制备4预备知识：聚苯胺的结构1987年，A．Gc．MacDiarmid等提出了后来被广泛接受的苯式一醌式结构单元共存的模型。其中y值用于表示聚苯胺的氧化还原程度，不同的y值对应于不同的结构组分及电导率。全苯式，y=l，全还原态单醌式，y=0.5双醌式，y=O，全氧化态聚苯胺处于全还原态和全氧化态的状态都为绝缘体，在0 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 :……式1式1中:U·mL-1—SOD酶活力单位；△A325—邻苯三酚自氧化速率；△A´325—SOD样液抑制邻苯三酚自氧化速率；V—所加SOD样液体积，单位为毫升(mL)；D—样液的稀释倍数；4.5—反应液总体积，单位为毫升(mL)。②固体样品计算公式：……式2式2中:V—加人SOD样液体积，单位为毫升(mL)；△A325—邻苯三酚自氧化速率；△A´325—SOD样液抑制邻苯三酚自氧化速率；D—样液的稀释倍数；V1—样液总体积，单位为毫升(mL)；m—样品质量，单位为克(g)；4.5—反应液总体积，单位为毫升(mL)。5．实验流程6．实验步骤称取10kg市售玉米洗干净后浸泡过夜，取出沥干；沥干后的玉米称重，按质量比1:1.5的比例加水磨浆；浆液离心去掉玉米渣，保留上清液，并测试活性，量出上清液体积，计算总SOD的活性；将所得清液置于冰箱冷冻柜里，冷却至0oC以下后按体积120%的量加入冰冻丙酮，于冰箱中静置30min，离心取沉淀，用去离子水洗涤沉淀后离心，取清液测活性，对比浓缩倍数，并量取清液体积，计算活性保持率。继续将清液冷冻至0oC以下后按体积120%的量加入冰冻丙酮于冰箱中静置30min，倒去上层清液（清液要回收）后离心，离心得沉淀，沉淀干燥得到SOD干粉，检测干粉的活性。（指导老师：詹拥共）实验八：氧化石墨烯的制备、表征与性能研究（32学时）1内容提要石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300W/m•K，高于碳纳米管和金刚石，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω•cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。目前，石墨烯的制备方法主要有微机械剥离法，气相沉积法，溶剂热法以及化学氧化-还原法等。其中化学氧化-还原法制备成本低廉且容易实现，成为制备石墨烯的最佳方法，而且可以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯不易分散的问题。氧化-还原法是指将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO)，经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层氧化石墨)，加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团，如羧基、环氧基和羟基，得到石墨烯。本实验是采用改进的Hummers法将石墨氧化成氧化石墨，并通过超声剥离得到氧化石墨烯溶液，并采用水合肼对其还原，通过紫外，红外，XRD等仪器对其还原前后的性能进行表征。2目的要求①了解石墨、氧化石墨及石墨烯的结构。通过氧化石墨的制备掌握制备氧化石墨的一般方法与步骤。②掌握氧化石墨的剥离与还原方法。③学会用紫外等仪器的使用，并会分析氧化石墨与还原的氧化石墨的紫外、红外等实验数据。3实验关键石墨的预氧化及二次氧化，离心分离。4预备知识过滤操作、离心清洗操作、紫外光谱、红外光谱的实验操作方法，浓硫酸的使用。5仪器、药品及材料仪器：圆底烧瓶（250mL，500mL），布氏漏斗，抽滤瓶，烧杯，离心机，玻璃棒，电子天平，滤纸，称量纸，磁子，集热式加热搅拌器，真空泵，紫外分光光度计，真空干燥箱，红外。药品及材料：pH试纸，乙醇，石墨，硫酸，高锰酸钾，五氧化二磷，过二硫酸钾，硝酸钠，超纯水，盐酸，过氧化氢。6实验步骤（1）预氧化将5mL浓H2SO4,1gK2S2O8,和1gP2O5配成混合液，加热到80°C，再加入2g石墨粉，会得到蓝色的混合物，放置6h并冷却至室温。然后用蒸馏水稀释，过滤并反复清洗，直至滤液为中性。滤饼在真空氛围下干燥一整夜，即可得到预氧化的石墨。（2）二次氧化取6gKMnO4和1gNaNO3加入到46mLH2SO4中，冷却至0°C，缓慢加入2g氧化石墨粉并不断搅拌和冷却，其温度不应超过20°C。然后将混合物升温至35°C，不断搅拌，保持至少2小时，反应后缓慢92mL水。15分钟后，加入280mL水和5mL质量分数为30%的H2O2溶液，此时溶液会变成亮黄色。加入体积比为1:10HCl(500mL)溶液，搅拌半小时后静置数小时，将上清液倒掉，重复此步骤三次，然后用乙醇和水离心并清洗氧化石墨三次，真空干燥。（3）氧化石墨的还原将100mgGO放置于250mL圆底烧瓶中，加入100mL水，超声数小时后得到均匀的黄褐色溶液，即为剥离的氧化石墨烯溶液。加入1.00mL（32.1mmol)肼，并在100°C下油浴回流24h，GO逐渐变为黑色。过滤，并用水乙醇洗涤数次，干燥后即得到