氮气在化学实验中的作用范文
时间：2023-10-23 17:37:31
氮气在化学实验中的作用篇1
关键词 氨氮废水；硝化；资源化；预处理
中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）01-0183-03
Resource Utilization Pretreatment of Ammonia Nitrogen Wastewater
PENG Sheng-nan ZHU Hong-guang * CHENG Xiao-wei
（Modern Agricultural Science and Engineering Institute，Tongji University，Shanghai 201804）
Abstract The submerged membrane bioreactor was used to study the resource utilization of ammonia nitrogen wastewater. The results showed that when the pH of inlet water was 7-8，DO was 3-5 mg/L，the HRT was about 24 hour，the water temperature was controlled under 28 ℃，the ammonia nitrogen wastewater achieved a better conversion in the membrane bioreactor. The nitrogen loss was 10%-20%，the effluent water was acidic and the pH value was 5-6. Nitrogen element existed in the form of ammonia nitrogen，nitrate nitrogen and nitrite nitrogen. The results can lay a foundation for the subsequent membrane concentration.
Key words ammonia nitrogen wastewater；nitrification；resource utilization；pretreatment
近年来，氨氮废水成为了环境水体污染的重要来源，相继开展了许多关于氨氮废水处理的相关研究。氨氮废水主要来源于化工业，如焦化废水、印染废水、食品加工废水、垃圾渗滤液、养殖废水等。因此，也出现了许多不同行业的氨氮废水处理研究。如夏素兰等[1]对城市垃圾渗滤液氨氮吹脱研究；洪俊明等[2]对A/O膜生物反应器组合工艺处理活性染料废水的试验研究；朱 杰等[3]对厌氧氨氧化工艺处理高氨氮养殖废水研究等。传统的观点是从脱氮的角度对氨氮废水进行处理，这些方法有物理方法（比如蒸馏法）、化学法离子交换法、氨吹脱、生物脱氮法。对于传统生物废水处理而言，氨氮利用生物方法转变成氮气，达到了脱氮的目的，但未考虑到对氨氮资源进行转变回收。本研究从对氨氮资源化回收利用的角度出发，提出通过膜浓缩预处理实现对氨氮废水的资源化，把高氨氮废水转变为氮肥，而膜浓缩由于易堵和氮素挥发常考虑加酸调节，故本研究探究酸性状态下的资源化预处理。通过生物曝气法对氨氮废水进行处理，使得氨氮废水在不需加酸的条件下转变为稳定的形态，由于微生物作用，通过亚硝酸菌和硝酸菌把氨氮转变为亚硝态氮和硝态氮，伴随着硝化作用的进行会产生一定的酸度，为下一步膜浓缩创造了适宜的条件。而选择膜生物反应器进行预处理是因为传统的预处理利用活性污泥法，而活性污泥法存在的一个主要问题是污泥和微生物随排水容易流失，硝化细菌的生长速度较慢，世代周期长，在传统工艺里硝化细菌会伴随出水而流失。生物处理池内硝化菌浓度低，不利于硝化作用的顺利进行，而膜生物反应器通过膜组件对固液的高效分离作用，截留了污泥，为硝化细菌的生长创造了有利的条件。因此，本试验通过模拟氨氮废水，利用膜生物反应器对氨氮废水实现一定的资源化预处理，探究了膜浓缩资源化预处理的初步条件。
1 材料与方法
1.1 试验装置与方法
试验采用一体式膜生物反应器，膜组件采用中空纤维膜，中空纤维膜膜丝外径2.4 mm、内径1.0 mm，其截留孔径为0.2 μm，膜材质为聚乙烯。采用4组膜片，每组膜片有效面积为0.12 m2。反应器由有机玻璃制成，长50 cm，宽35 cm，高50 cm。反应器分为生化区和膜区，生化区容积为38.5 L，膜区容积为49 L，试验中HRT控制在24 h左右，SRT为30 d左右。反应器采用微孔底部曝气，由曝气泵上安置的转子流量计控制曝气量。含氨氮的人工无机废水自配水桶通^蠕动泵打入反应池中，出水通过自吸泵抽吸而出，为了防止膜污染和长时间抽吸采用继电器控制间歇式工作，抽吸10 min，停3 min，试验装置见图1。
1.2 试验用水及接种污泥
试验用水采用人工配置的无机氨氮废水，主要成分为氯化铵、磷酸二氢钾、碳酸氢钠及微量元素（由CaCl2・2H2O、CuSO4・5H2O、MnSO4、NiCl2・6H2O、CoCl2・6H2O、H3BO3、MnCl2・4H2O、ZnSO4・7H2O等配置而成）。接种污泥取自嘉定污水处理厂，采用快速排泥法挂膜，将接种的活性污泥与污水混合泵入反应器，静置8 h，使污泥与膜起到充分的接触作用，之后再全部排放掉，然后连续进不含污泥的污水，并逐渐增大进水流量驯化7 d，直到膜上积累较厚的黄褐色污泥，挂膜结束。
1.3 分析方法
试验过程中分析的项目有pH值、DO值、NH4+-N、NO2--N、NO3--N。pH值采用玻璃电极法；DO值采用电极法；NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法；NO2--N采用N-（1-奈基）-乙二胺分光光度光度法；NO3--N采用紫外分光光度法。
2 Y果与分析
2.1 进水氨氮指标
本试验连续不间断运行，进水每天更换1次，逐步稳定地增加进水氨氮浓度。
前面7 d进行污泥的驯化，氨氮浓度稳定在较低浓度（10～20 mg/L），等微生物成功在膜上面附着生长，肉眼看呈褐色时，再检测进水出水氨氮浓度，等出水中能检测到硝态氮和亚硝态氮时，再逐步加大氨氮的进水浓度，试验7～39 d，氨氮浓度从10 mg/L逐步增加到600 mg/L左右（图2）。
2.2 进水pH值
由图3可以看出，氨氮进水的pH值处于动态稳定的碱性条件。进水的pH值控制在碱性条件下，处于7～9稳定的波动状态。进水的pH值模拟碱性状态，探究在碱性条件下氨氮废水在膜生物反应器中发生硝化酸化反应的程度与能力。
2.3 反应器上清液各指标
由图4可以看出，经过逾30 d的连续运行，控制反应器溶解氧为2～4 mg/L，因为微生物的硝化作用需要硝化细菌和亚硝化细菌的正常生长，硝化微生物均为好氧微生物，需要维持一定的溶解氧才能够正常生长和繁殖。
由图5可以看出，在前10 d反应器中的溶解氧有下降趋势，因为污泥驯化之后，硝化细菌处于不断增长繁殖的阶段，需要不断地消耗水体中的溶解氧，在10 d之后，增大曝气量，为微生物生长提供更多可以利用的溶解氧，直到20 d之后微生物生长污泥浓度升高，当溶解氧浓度维持在3～4 mg/L时，反应以硝化细菌的硝化作用为主，上清液中的硝态氮维持在40～90 mg/L时，亚硝态积累量很少，当反应进行到35 d，由于溶解氧迅速减少到2 mg/L，反应表现为以亚硝化作用为主，亚硝酸氮得到积累，而硝化作用受到抑制。整体的氨氮转化进程也受到抑制。上清液中氮主要还是以氨氮的形态存在。
2.4 出水指标
反应器连续不间断运行，实时监测出水pH值的变化。由图6可以看到，pH值一直处于7以下，呈现稳定的动态波动。在膜生物反应器发生的硝化反应能实现出水呈酸性状态。
反应器连续运行，水力停留时间控制在24 h左右，通过抽吸泵出水，得到出水铵态氮、亚硝态氮和硝态氮。
从图6可以看出，反应过程的pH值处于上下波动的情况，最小值在5.274，最大值在6.898，整个出水状态处于酸性条件。因为硝化反应的进程消耗碱，如果污水中没有足够的碱度，随着硝化反应进行pH值会急剧下降。
硝化反应是指废水中的氨氮在好氧菌的作用下，最终氧化生成硝酸盐的反应。其反应如下：
2NH4++3O22NO2-+4H++2H2O
2NO2-+O22NO3-
总反应为：
NH4++2O2NO3-+2H++H2O
传统的方法对氨氮废水的处理即利用生物硝化把氨氮转化为氮气，做到氨氮的减量化，有研究表明硝化反应的最佳pH值为7.0～7.8，而本试验不以硝化脱氮为目的，不追求氨氮的高转化率，而是探究在酸性条件下，不添加任何调节剂，做到氮素尽可能小的损失而氮素又以氨氮、硝态氮的稳定形态存在。由图6、7可以看出，试验7～15 d，在进水氨氮
2.5 氮损失量
对进水的氮素以及出水的氮素进行物料衡算，其数据变化见图8。可以看出，对于氨氮废水在膜生物反应器中，水力停留时间控制在24 h左右，通过生物反应，氮素前后的变化不大，氮素损失率维持在10%～20%之间。对于氮素的损失有可能是氨氮以氨气的形式挥发了一小部分，还有可能是微生物以絮体结构存在，造成内部可能会局部缺氧，反硝化菌会利用硝酸盐氮和亚硝酸盐氮为电子供体，将其转化为氮气而造成损失。相比于传统的生物处理法，以氮气的形式逸散到空气中而流失氮素，本方法得到了资源的回收利用。氮元素较好的以稳定的形态保存了下来。
2.6 各形态氮元素比重
反应过程中，不调节反应的碱度，让反应一直处于酸化状态，试验7～39 d，出水中氨氮、硝态氮、亚硝态氮三者之间的比重见图9。可以看出，试验7～39 d，出水氨氮的比重占到出水所有氮元素的50%以上；7～13 d出水中亚硝态氮处于动态变化的过程，可能与水体中pH值一直降低以及溶解氧的变化有关系；第7～31天，出水中硝态氮的比重占到30%～40%，反应器中溶解氧维持在3 mg/L以上，能够维持硝化细菌的正常生长与工作。试验34～39 d，出水中亚硝酸氮突然明显增加，这可能跟这段时间溶解氧浓度低于2 mg/L有关，在低氧的条件下，亚硝化细菌发挥作用，使得出水中亚硝酸态氮增加。
反应中氨氮的转化率相比传统的微生物处理脱氮过程中氨氮的转化率较低，张 爽等[4]A/O膜生物反应器处理高浓度氨氮废水试验研究中，A/O膜生物反应器设额定通量为2 L/h，HRT为10 h，曝气量为0.2 m3/h，好氧池DO值为1.8～2.7 mg/L，缺氧池DO值为0.3～0.5 mg/L。在整个试验期间（136 d），无剩余污泥排出，MLSS为2～13 g/L，通过投加NaHCO3调节pH值在6.5～8.0。当进水氨氮从30.00 mg/L增加至342.00 mg/L过程中，出水氨氮为0.14～139.40 mg/L，去除率为22.10%～99.80%，平均去除率为66.40%。刘鹏飞等[5]在无泡曝气膜生物反应器去除高氨氮废水的试验研究中，进水氨氮浓度稳定在230 mg/L左右时，pH值为7～8，获得了65%的氨氮去除率。与有关对氨氮废水以脱氮为主的研究相比，试验目的在于找到最佳工艺参数来尽可能提高氨氮转化效率，pH值是硝化的一个重要因素。已有研究表明，一般认为氨氧化菌的最适pH值为7.0～7.8，而亚硝酸盐氧化菌在pH值为7.7～8.1时活性最强[6]。Hayes等[7]认为，硝化反应的适宜pH值在7.5～9.0之间，硝化活性最高的pH值在8.0～8.5，pH9.8硝化速率将下降50%。本试验反应过程中不添加碱控制碱度，不仅能实现一定的硝化作用产生氨氮的转变，而且还通过硝化作用产生内源氢，调节出水pH值在5～6之间，能很好地达到膜浓缩预处理对浓缩液的要求。
3 结论
利用膜生物反应器，对pH值处于7.5～8.6、溶解氧控制在2～4 mg/L、浓度在20～600 mg/L的氨氮废水，在不添加酸的情况下，通过曝气微生物的硝化作用，能够使反应器出水的pH值处于酸性状态（在5.274～6.898之间），能实现膜浓缩预处理对浓缩液处于酸性的要求，为下一步的膜浓缩研究提供依据。
在逾30 d的连续不间断反应过程中，氨氮废水在酸性状态下转化率仍能达到30%～60%，部分氨氮转化为硝态氮和亚硝态氮，出水中氮主要以这3种形态存在。
氨氮废水经过膜生物处理，出水相对进水来说，氮素损失率只有10%～20%，大部分还是在出水中能资源化回收，相比起花费一定的经济价值来脱氮，既节省经济成本又创造一定效益。
4 参考文献
[1] 夏素兰，周勇，曹丽淑，等.城市垃圾渗滤液氨氮吹脱研究[J].环境科学与技术，2000（3）：26-29.
[2] 洪俊明，洪华生，熊小京，等.A/O膜生物反应器组合工艺处理活性染料废水的实验研究[J].厦门大学学报（自然科学版），2005（3）：441-444.
[3] 朱杰，黄涛，范兴建，等.厌氧氨氧化工艺处理高氨氮养殖废水研究[J].环境科学，2009（5）：1442-1448.
[4] 张爽，宋靖国，杨平，等.A/O膜生物反应器处理高浓度氨氮废水试验研究[J].环境污染与防治，2009（2）：38-41.
[5] 刘鹏飞，朱文亭，刘旦玉，等.无泡曝气膜生物反应器去除高氨氮废水的试验研究[J].给水排水，2006（8）：48-51.
[6] 戚以政，王叔雄.生化反应动力学与反应器[M].2版.北京：化学工业出版社，1999：53-89.
氮气在化学实验中的作用篇2
一、“氨铵盐”的核心内容及其教学价值
从物质分类的角度看,溶于水,溶液呈碱性,是学生在中学阶段接触到的唯一一种碱性气体,由此推测氨气可以与酸反应,转化为铵态氮;从价态的角度看,N处于最低价(-3价),具有还原性,可以被氧化,转化为硝态氮,而且氮元素是学生在中学阶段接触到的变价最为丰富、最为复杂的元素。通过氨气性质的探讨,有助于学生建立从物质的所属类别和核心元素化合价这两个角度学习某一具体物质性质的思路和方法。
氨是非金属氢化物的重要代表(新课程中唯一一种系统研究的氢化物)。通过本节学习,有助于学生初步形成氢化物—单质—氧化物—含氧酸—含氧酸盐的非金属的知识体系。同时,上一单元中学生对于钠、铝、铁的学习为本节课的学习奠定了知识和方法基础。特别是本单元对于硫的化合物的学习,学生进一步理解了元素观的一些基本观点。通过本节课的教学有助于学生深刻理解:无论金属元素还是非金属元素,都存在着自身的系列变化,即由同种元素组成的不同物质间可以相互转化。而变化系列中都有两条线:一条是氧化还原线;另一条是非氧化还原线,即常说的离子反应线。最终将学生的认识转化为氮元素的单质及其化合物转化的二维关系图。转化关系图,既可以预测其他含氮物质的性质,也能寻找相应的反应路径。比如,寻找实验室制备氨气的途径,在选修1第四章寻找含氮()废水的净化路径等等。
二、学生学习“氨铵盐”的基础与困难分析
关于“氨”,学生现有的知识水平是:在初中对于铵态氮肥已有初步的认识,前面又学习了氮和硫的氧化物的知识,知道了由的转化路线,初步形成了研究非金属及其化合物的一般步骤和方法。但是学生对于从物质类别和化合价变化两个角度认识物质的性质还有很大欠缺,而这既是元素观的基本内涵,也是学生应该掌握的重要方法。通过本节课的学习,学生应该在这方面得到长足的发展。
通过前三个单元的学习,学生有了一定的实验技能和分析、观察能力,但在对比学习和实验设计方面缺乏训练。而且对刚升入高中不久的学生来说,大部分学生的抽象思维比较弱,不太会灵活运用所学知识,学习方法上往往更多地习惯死记硬背,不习惯对知识的理解记忆和独立思考,在动手探究能力方面则更为欠缺。因此,教师应该让学生通过观察、讨论、实验探究等方式理解和掌握氨和铵盐的性质,通过建构和应用“含氮物质间转化的二维关系图”发展对物质间转化的认识。
三、基于实验支持的“氨 铵盐”教学活动设计
1.整体教学结构
氮及其化合物是高中化学教学的重要内容,是学生在中学阶段所学习的元素化合物知识的重要组成部分。为了整体把握氮元素家族不同物质间的转化,将必修模块和选修模块做了重新布局和组合,力求学生对元素观的理解呈现螺旋上升的趋势。简单分解如下。
必修1:将第四章3、4两节内容重组,把含硫元素的物质和含氮元素的物质分别集中,突出“元素中心”,通过物质间的转化研究物质的性质、制法等。即将硫、二氧化硫、三氧化硫、硫酸、硫酸盐作为一个整体,将氨(铵盐)、一氧化氮、二氧化氮、硝酸、硝酸盐作为一个整体。对于含氮化合物的学习,借鉴鲁科版教材思路,与人教版教材整合,分三课时完成教学内容。即将氮气、一氧化氮、二氧化氮作为第一课时,氨气和铵盐作为第二课时,硝酸和硝酸盐作为第三课时。第一课时熟悉几种常见的含氮物质,了解自然界中由氮气转变为硝酸盐的过程;第二课时构建含氮物质间转化的二维关系图;第三课时直接运用转化关系预测并验证硝酸的性质。
选修1:以含氮污水的处理为素材,进一步从离子反应和氧化还原角度,深入探究含氮物质间的转化,由必修阶段对含同种元素物质间转化的研究,过渡到按照预定的方向和目标改造物质。
高三总复习阶段:运用化学反应原理分析氮元素化合物间转化的条件,进一步体现化学的应用价值和社会价值。
通过本节内容的学习进一步巩固和深化了氧化还原反应、离子反应理论。更为重要的是,本节课通过从物质转化的角度,利用二维关系图预测性质,寻找反应路径,有助于学生从以物质为中心、记忆单个物质的性质转变为以元素为中心、从宏观上整体把握常见含氮物质间的转化,为学生学习元素化合物提供了工具和方法。本节课的整体教学结构如图1。
2.关键教学环节
观念和方法的形成不可能在一节课内完成,因此本教学设计将课前、课中、课后有机结合,使学生思维循序渐进,呈现螺旋上升的趋势。学生通过课前预习,将前一节课学习过的含氮物质初步画在二维关系图上(以物质类别为横坐标,以氮元素主要化合价为纵坐标)。课上通过实验完善二维关系图,并应用二维图寻找实验室制氨的途径。课后进一步应用二维关系图预测硝酸的性质。本教学设计中的主干知识采用实验建构,用图示加深理解,用化学方程式进行强化。以下三个关键教学环节的设计和实施体现了上述教学构想。
(1)预习交流,推测性质的教学活动设计
[活动2]组织小组讨论:请你依据二维关系图,预测氨的化学性质,并说明预测依据。从学生的讨论结果看,多数学生能从氨中氮元素的化合价预测出氨能被氧化,具有还原性。而对于氨与酸反应的预测更多的是借助于氨水显碱性的经验,而不是由氨的所属类别推测出的。通过活动发现,学生对于氢化物比较陌生,缺乏系统性认识。
(2)实验探究,建构转化关系的教学活动设计
[实验1]教师演示,氨气溶于水的喷泉实验(见图2)。
[问题]在喷泉实验中观察到什么现象?分析原因。实验中体现了氨的哪些性质?
[设计意图]氨的主干知识是水溶液呈碱性。此实验设计有两个功能:功能之一是丰富学生对于气体溶于水的实验方法设计。通过氯气、二氧化硫、二氧化氮的学习,学生已经知道了几种验证气体在水中溶解性的实验方法。本实验则更加直观,使学生印象深刻。功能之二是由喷泉的颜色引出氨水的碱性,自然过渡到氨的化学性质,建立起氨与氨水的联系。
[实验2]实验视频,“变色蝴蝶”实验(见图3)。
[问题]“变色蝴蝶”实验中观察到什么现象?如何解释这一现象?
[设计意图]通过纸蝴蝶由白变红,加热后又由红变白的现象分析,形成对可逆反应的深层认识。与实验1结合,突出了氨的水溶液呈碱性这一主干知识,形成对氨气与氨水之间实现相互转化的完整认识。
[实验3]学生分组实验,氨气与氯化氢的反应(见图4)。
在培养皿一侧滴入1滴浓盐酸,另一侧滴入1滴浓氨水(二者不要接触),立即盖上表面皿并不再打开,观察现象。再把整套装置颠倒过来,观察培养皿底部生成物的颜色和状态。
[问题]氨气以氮肥的身份进入人们的视野。通过学习你认为氨气和氨水适合做氮肥吗?为什么?有没有什么方法可以解决这个问题?
[设计意图]植物是通过根部吸收氮肥,而氨气难于作用于植物根部,氨气转变为氨水之后,虽然能够被植物吸收,但是由于氨水不稳定,会造成肥分损失,也不适合作氮肥。气态的(氨气)不行,液态的(氨水)不好,学生的思维自然想到要转变为固态的铵盐。但是由氨气直接转变为铵盐,还是先转变为氨水,再转变为铵盐,学生的想法是模糊的,更多的学生更倾向于后者。此实验设计正可以解决上述疑问,同时从另一角度补充了学生对于氢化物的认识。根据物质的所属类别和化合价,按照实际需要和预设方向改造物质,并通过实验探究提供实证,既是学习元素化合物的方法和思路,更是学习元素化合物的意义。
[实验4]学生分组实验,与浓NaOH溶液的反应(见图5)。
[问题1]参照的产品使用注意事项,推测铵盐可能具有哪些性质?
[问题2]观察两瓶不同存放方式的碳酸氢铵,找出不正确存放的那一瓶。你是依据什么找出来的?
[问题3]打开盛有碳酸氢铵的广口瓶,闻气味,试写反应方程式。
[问题4]依据二维关系图推测铵盐与碱反应可能的生成物是什么?
[设计意图]通过实验探究逐步建构含氮物质之间的可能转化关系,形成对氨、氨水、铵盐之间转化的完整认识。同时有助于学生从辩证的角度理解物质间的转化。从氨、氨水到铵盐的转化通过与酸反应实现,反过来由铵盐到氨或氨水的转化就要通过与碱反应实现。这样就为研究物质的性质和物质间的转化提供了工具和方法上的支持。
(3)总结应用教学活动设计
[问题2]如何认识和使用二维关系图?
[问题3]请你利用二维关系图寻找适合于实验室制的反应路线。
[设计意图]二维关系图是学习元素化合物的工具和方法,应用二维关系图可解答性质预测及物质制备等比较复杂的物质转化问题。指导学生从宏观上,立足于元素的角度认识物质,把握物质间的转化,再具体到从类别和价态角度综合分析性质,寻找制备物质的可行途径,按照预定的方向和目标改造物质等。
氮气在化学实验中的作用篇3
关键词：困实验整合；亲身体会；意外；分组讨论
文章编号：1008-0546（2014）03-0056-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
一、设计思想
人教版高中化学教材《必修1》第四章第三节内容讲解二氧化氮和一氧化氮的性质时，仅仅用了很少的文字和三个方程式说明了二氧化氮和一氧化氮的来源和性质。如果教师在讲授这部分内容时仅仅是就教材讲知识，显然学生没有亲身的体会，仅仅是靠机械的记忆，这样获得的知识显然是不牢固的，更谈不上激发学生学习的兴趣了。笔者在教学的过程中，将这部分内容与硝酸和铜的反应整合起来，通过实验让学生真切感受二氧化氮和一氧化氮生成的过程以及它们的性质，达到了较好的效果。
二、教学设计
[引入]（1）观看视频，了解大气中一氧化氮、二氧化氮的来源及对环境的影响。
（2）引导学生阅读“资料卡片”，知道一氧化氮、二氧化氮的用途。
设计意图：通过直观的画面感受大气中NO、NO2的来源及其对环境的影响，培养学生提取信息的能力、辩证看问题的思想以及环境保护的意识。
[实验探究]二氧化氮和一氧化氮的性质
自主设计铜与浓硝酸反应的实验装置如左图所示。
该装置的优点：能够随时控制铜与浓硝酸反应的开始与停止；将对环境的污染降到最小；橡皮塞上的小孔便于闻气体的气味、注入溶液和气体、吸收尾气；从分液漏斗的下端放出溶液，便于观察硝酸铜溶液的颜色。
[实验过程]向分液漏斗中加入4mL浓硝酸，将铜丝伸入液面以下，几秒钟后，提起铜丝，观察现象。
[生]观察并记录实验现象。
[师]板书方程式，并说明实验室中可通过此反应制备少量的二氧化氮。问：有没有同学愿意闻一下二氧化氮的气味？
[生]通过橡皮塞上的小孔，用“招气入鼻”法闻二氧化氮的气味，并告诉其他同学自己的亲身感受。
[师]用蘸有浓氢氧化钠的棉花球堵住橡皮塞上的小孔，防止二氧化氮逸散到空气中。
设计意图：通过铜与浓硝酸的反应制取二氧化氮，为硝酸性质的学习做铺垫，同时让学生亲身感受二氧化氮的颜色、气味，通过切身的体会习得的知识远比老师直接告知的知识牢固。
[设疑]二氧化氮的水溶性如何呢？能否通过实验来证明呢？
[生]可以通过橡皮塞上的小孔向分液漏斗中注水，观察现象。
[师]将反应后的溶液从分液漏斗的下口放出，然后用洗瓶直接向分液漏斗中注入水，并及时堵住小孔。同学们注意观察现象并记录。
[生]观察到红棕色的气体消失了，分液漏斗中的溶液呈无色。提出疑问：二氧化氮哪里去了呢？如果是简单地溶于水，溶液应该是有颜色的呀？
[师]请同学们带着疑惑阅读教材中的相关内容，看看二氧化氮溶于水究竟发生了怎样的变化？
[生]阅读教材，结合观察到的实验现象，得出结论：二氧化氮易溶于水并能与水反应生成无色的一氧化氮气体，写出正确的化学方程式和离子方程式，并分析该氧化还原反应。
设计意图：及时抓住学生的认知冲突，适时地引导学生看书，通过自己的能力解决问题，并用氧化还原的理论指导元素化合物知识的学习，学以致用。
[师]设疑：一氧化氮又有哪些性质呢？引导学生阅读教材并结合刚才的实验得出结论。
[生]通过刚才的实验，不难得出：一氧化氮为不溶于水的无色气体。通过阅读教材，知道：一氧化氮很容易与氧气化合生成二氧化氮气体。
[师]如何通过实验进行验证呢？
[生]可以通过橡皮塞上的小孔向分液漏斗中注入空气。
[师]肯定学生的想法。通过注射器向分液漏斗中注入空气，学生观察现象。
[生]观察到漏斗中的气体变为浅红棕色。
[师]向漏斗中再注入水，然后再注入空气，循环进行，直至注入空气后气体颜色无明显变化。
引导学生写出该过程中发生反应的方程式。
[展示]“资料卡片”：工业制硝酸的原理。
设计意图：学生通过观察实验现象，阅读教材自然而然得出二氧化氮和一氧化氮的性质，同时对两者之间的相互转化有更直观的了解。通过资料卡片的展示让学生了解工业制硝酸的原理，不仅拓展了知识面，也是学以致用的很好体现，同时让学生体会到化学是一门有用的学科，培养学生辩证的看待事物的思想。
本以为这节课的设计环环相扣，每一个知识点都是由学生自己得出，实验设计也很巧妙，学生的学习过程也很轻松自然，学习效果当然也不会差。谁料在教学的过程中，实验出现了意外，并没有完全按照设计的过程发展，以下是这节课的部分课堂实录。
三、课堂实录
实验过程中直到向分液漏斗中注入水，观察反应后溶液和气体的颜色都很顺利，接下来验证一氧化氮与氧气反应，向分液漏斗中注入空气后，并没有出现意料中的红棕色，仍然是无色。实验“失败”了，究竟是什么原因呢？学生开始有小小的骚动，怎么办？索性将这个问题抛给学生，学生立即按照平时的分组迅速展开了讨论，得出了以下几种可能的原因：
①生成的一氧化氮从橡皮塞上的小孔逸出了；
②生成的一氧化氮浓度太低了；
③空气中氧气浓度不够；
④一氧化氮与氧气反应生成的二氧化氮又溶于水了；
⑤向二氧化氮中注入水后的分液漏斗中根本没有一氧化氮生成。
听到同学们的这些回答，我不禁从心底里喊出“你们太棒了！”接着我又引导学生们分析哪种原因最有可能，可以如何改进实验进行验证。很快，他们排除了第一种可能，因为一氧化氮跑得没那么快！（同学们发出笑声）。接着，他们又开始小声地讨论，有的同学在翻书，几分钟后，得出了以下改进方法和结论：
原因①排除；
原因②可以让铜丝和硝酸多反应会儿，增大二氧化氮的浓度，以生成更多的一氧化氮；
原因③可以用纯氧代替空气注入分液漏斗；
原因④2NO+O2[=]2NO2，3NO2+H2O[=]2HNO3+NO，两个反应几乎同时发生，所以看不到红棕色；
原因⑤本实验中用排空气法收集二氧化氮，其中混有氧气，发生了反应：4NO2+O2+2H2O[=]4HNO3，所以当向分液漏斗中注入空气时，因为不存在一氧化氮，当然不可能出现红棕色。
（其中②和③可以通过实验进行探究、验证）
集体的智慧是无穷的！对于本节课学习目标的达成无需多言，通过这次的“意外”，他们不仅达成了既定的知识目标，同时解决了教材中的“科学探究”：⑴请你设计实验，要求尽可能多地使二氧化氮被水吸收。⑵你的设计对工业生产硝酸有什么启示？这时我再给出工业生产硝酸的“资料卡片”，真正起到了学以致用，水到渠成的效果。在同学们意犹未尽的时候，下课铃响了，我又顺势提出了一个问题：能否设计一个实验，制备并验证一氧化氮的性质（颜色、水溶性、与氧气反应）？这个问题的提出不仅再次激起了学生强烈的求知欲，也为后面铜与稀硝酸的反应作了铺垫。我相信，有这节课的表现，下节课同学们一定能交上一份满意的答案。
四、教学反思
叶澜教授曾说：“课堂应是向未知方向挺进的旅程，随时都有可能发现意外的通道和美丽的图景，而不是一切都必须遵循固定路线而没有激情的行程。”课堂教学不是预设的、一成不变的、僵化的程序。课堂教学中的一些“意外”或许会打乱原有的教学节奏，但教师千万不能轻易放弃或听之任之，而是要凭借教学机智及时的捕捉这样的生成性资源，对教学进度和教学方法做出调整。只要教师善于捕捉、灵活应用课堂中的“意外”，许多不曾预约的精彩也会不期而至。
参考文献
氮气在化学实验中的作用篇4
关键词：树脂，抗氨氮冲击，气升式环流反应器
污水处理系统在生化法氨氮降解环节存在一个共性的问题，即当系统的进水氨氮浓度突然升高时，系统恒定的微生物系统无法承载过大的负荷冲击，造成出水水质氨氮不达标，甚至破坏原有生化系统。目前改善抗氨氮冲击负荷的解决方法主要集中在提高污泥浓度方面，生物活性碳滤池[1]实质上也是增大系统污泥浓度。免费论文，抗氨氮冲击。生物沸石滤池[2]是利用沸石做离子交换剂，利用其对铵离子的吸附交换能力，提高对氨氮的抗冲击负荷能力。沸石对铵离子交换容量通常在0.75mmol/g，强酸性离子交换树脂的交换容量大于3.5mmol/g，因此本实验采用大孔阳离子交换树脂作为离子交换剂，将大幅度提高系统抗氨氮冲击负荷。环流生物反应器能够有效提高溶解氧效率，对氨氮生化去除率高，因此本实验采用自行研制的序批式气升环流生物反应器，与强酸离子交换树脂耦合，利用离子交换作用和微生物生化作用去除氨氮，考察耦合系统对进水氨氮的抗冲击负荷性能。
2实验装置与方法
2.1实验装置
本实验采用简易的气升式环流反应器装置（示意图见图1），其中流化床的壳体由有机玻璃加工而成，高1.5m，摘要两个完全相同的气升式内循环反应器以及模拟原水罐、曝气装置、进出水管道阀门和时间继电器自动控制部分。
图1气升环流反应器示意图
Fig1Schematic diagram of airlift loop reactor
2.2树脂选择
试验中，所选树脂要在环流反应器中进行环流，因此比重不宜过大，比较了两种常见的强酸型离子交换树脂：732型凝胶树脂和D001大孔离子交换树脂，两者性能相似，但后者有更好的物理及化学稳定性如耐渗磨压力，耐磨损等，及更好的抗氧化性能，且具有大孔结构。通过考察D001型大孔树脂在流化床反应器中的环流状态，其比重适合形成环流。最终选择了D001大孔强酸性阳树脂，其粒度（0.315–1.25）mm≥95%，含水量42–50%，质量全交换容量（干）≥4.30mmol/g，湿视密度0.75–0.85g/ml，湿真密度1.23-1.28g/ml。
2.3试验试剂
试剂：氯化铵，碳酸氢钠，均为化学纯。
树脂：D001-Z大孔强酸性阳树脂，浙江争光实业股份公司。
2.4分析方法
本实验采用的分析方法见下表1。
表1 分析方法
Tab1 Analytical method
氮气在化学实验中的作用篇5
关键词：实验改进与创新；氨气喷泉实验；氨和氯化氢反应；铜与浓硝酸反应
文章编号：1005C6629（2017）2C0069C03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
化学是一门以实验为基础的自然学科，高中化学课程标准中明确指出要“树立绿色化学思想、形成绿色化学的观念”，表明绿色化学思想已成为化学课程与教学的一项重要的目标和内容。新课改理念中强调要突出化学实验在教育教学中的重要性。《基础教育课程改革纲要（试行）》中倡导学生要主动参与、乐于探究、勤于动手，提高搜集和处理信息、获取新知识、分析和解决问题以及交流与合作的能力，增强社会责任感；教师应创设能引导学生主动参与的教育环境，激发学生的学习积极性，培养学生掌握和运用知识的态度和能力，使每个学生都能得到充分的发展。
在高中化学教学中，人教版化学1（必修）教材第四章的氮族元素主要介绍含氮元素的物质，包括：氮气、氮的氧化物、硝酸及硝酸盐等。元素化合物在高中阶段属于重要的学习内容，对元素化合物的学习通过化学实验以及实验改进与创新来展开，有助于学生在学习掌握新知识的同时，借助化学实验培养观察现象、分析问题、解决问题的能力。通过实验改进，开发学生潜能，发展学生个性，拓展学生视野，提升学生的科学素养。本文主要以“氮族元素”为例，介绍几则有关含氮元素物质的实验改进，以供参考借鉴。
1 实验室制氨气及喷泉实验的改进
仪器：小试管、胶头滴管、圆底烧瓶（集气瓶等）、带导气管的单孔塞、矿泉水瓶、棉花、镊子
药品：氯化铵、氢氧化钠、浓氨水，红色石蕊试纸（或浓盐酸）、水
原理：NaOH固体溶于水放热，促进NH3・H2O分解放出NH3。
改进方案（见图1、2）：
改进优点：
（1）教材中的实验方案是对混合物氯化铵和氢氧化钙固体加热制备氨气，反应装置需要酒精灯进行加热[1]；而本改进实验装置简单，操作方便，不需要加热装置，只需要向盛有氯化铵和氢氧化钠混合物的试管中加入浓氨水于常温下即可快速制备氨气。
（2）喷泉实验改进后，实验现象明显，通过矿泉水瓶变形，可让学生直观地看到瓶内外形成了压强差。
2 氨气和氯化氢反应实验的改进实验
仪器：小试管、橡胶塞、注射器针头、棉花
药品：浓氨水、浓盐酸、冷水
原理：浓氨水和浓盐酸易挥发，气体相遇形成白烟。
NH3+HCl=NH4Cl
改进方案（见图3）：
改进优点：
（1）实验仪器常规，操作过程简单。
（2）药品用量少，只需向棉花上滴几滴浓氨水或浓盐酸，现象明显。
（3）实验在密闭仪器中进行，气体不会逸出，不会污染环境，体现绿色环保理念。
替代仪器：用带瓶盖的广口瓶，分别向瓶盖内部和瓶底部滴几滴浓氨水和浓盐酸即可（也可将广口瓶换成培养皿）；或用橡胶管连接的2个干燥管，挤压胶头滴管使少量浓盐酸或浓氨水进入干燥管中，打开止水夹，观察现象即可（如图4）；也可用图5装置进行该实验，两支注射器分别装浓盐酸和浓氨水，推动注射器压缩柄使少量试剂进入试管中即可观察实验现象。这些仪器改进均使氨和氯化氢反应在密闭容器中进行，不会污染环境，虽然药品用量极少，但现象非常明显。
3 铜与浓硝酸反应实验的改进
3.1 改进一[2]
仪器：烧杯、2支塑料注射器（规格：5mL和20mL）、塑料输液袋（规格：100mL）
药品：细铜丝、浓硝酸、蒸馏水
实验原理：
铜与浓硝酸反应产生红棕色气体二氧化氮，二氧化氮遇水反应产生无色气体一氧化氮，一氧化氮遇空气又变为红棕色气体二氧化氮。
Cu+4HNO3（猓=Cu（NO3）2+2NO2+2H2O
3NO2+H2O=2HNO3+NO
2NO+O2=2NO2
改进方案（见图6）：
用一注射器吸取少量浓硝酸（约2mL）注入空的透明塑料输液袋。将细铜丝绕成圈放于另一注射器内，排除空气，插入上述装有浓硝酸的塑料输液袋，抽提注射器压缩柄使袋内浓硝酸进入针筒内。观察反应现象一段时间后，按下注射器压缩柄，使注射器内的气体、液体进入输液袋内，拔出注射器。用注射器向输液袋中注入蒸馏水（约10mL），充分振荡，产生的红棕色气体NO2与H2O充分反应，观察到红棕色气体变为无色气体NO。再用注射器向输液袋中注入空气（约15mL）（注：此时不振荡），NO与O2反应，观察到无色气体又变为红棕色气体NO2。充分振荡，观察到红棕色气体又变为无色气体NO。
改进优点：
（1）实验装置简单，不仅节约材料和药品，且操作方便，现象明显，具有趣味性。
（2）实验便于控制，可随时停止，操作安全。
（3）突出环保意识，虽然实验中产生NO和NO2都是有害气体，但在整个实验中没有泄漏，且尾气处理在密闭的体系内进行，不会造成环境污染，实现了实验的绿色化。
（4）输液袋还可以作为NO2气体的储存装置，便于取用。
（5）该装置具有多功能性：可作为NO2和NaOH溶液反应、NO与NO2混合气体和NaOH溶液反应、化学平衡移动知识中NO2和N2O4相互转化的实验装置，探究铜和浓硝酸反应溶液的颜色变化等。
3.2 改进二
仪器：大试管、小试管、橡胶塞2个、带胶头滴管的橡胶塞1个
药品：铜片、浓硝酸、浓氢氧化钠溶液
实验原理：
铜与浓硝酸反应产生红棕色气体二氧化氮和硝酸铜溶液，二氧化氮遇氢氧化钠溶液反应被吸收，硝酸铜溶液与氢氧化钠溶液反应产生蓝色沉淀。
Cu+4HNO3（浓）=Cu（NO3）2+2NO2+2H2O
2NO2+2NaOH=NaNO3+NaNO2+H2O
Cu（NO3）2+2NaOH=Cu（OH）2+2NaNO3
改进方案（见图7）：
将放有铜片的小试管放入盛有少量NaOH溶液的大试管中，塞紧带胶头滴管（滴管内盛有浓硝酸）的橡胶塞，挤压滴管滴入几滴浓硝酸于小试管中与铜片接触，观察到有红棕色气体产生；停止反应时，倾斜试管使大试管中的氢氧化钠溶液与小试管中的溶液混合即可。
改进优点：
（1）实验操作简单，现象明显，在密闭体系中进行实验，对环境无污染，实现零排放，有利于学生树立环保意识。
（2）通过实验，让学生从氧化还原理论知识的角度，了解产物NO2和氢氧化钠的反应，掌握 NO2的尾气处理方法。
（3）倾斜该装置，使小试管内反应后的溶液和大试管中的溶液接触，观察现象――产生蓝色沉淀，引导学生分析推断其原因，即：产物Cu（NO3）2溶液和NaOH溶液发生了反应。
可将大小不同的两个试管换成其他仪器，如不同大小的培养皿[3]，或内部放小试管的广口瓶[4]（见图8），或连续反应装置[5]等。
化学实验是高中化学教学的重要手段，借助化学实验学生不仅可以学习掌握新知识，还可通过发现和改进化学实验的问题有助于培养学生的实验设计、改进与创新能力、实验观察能力、实验操作能力及表达能力，有助于培养学生创造性思维，开发学生潜能，发展学生个性。作为一线化学教师，在日常教学活动中，重视对教材中现有的化学实验的改进与创新。
参考文献：
[1]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书・化学1（第三版）[M].北京：人民教育出版社，2007.
[2]代黎娜，王小庆.铜与浓硝酸反应实验的创新[J].中国现代教育装备，2015，（10）：64～65.
[3]彭晓泉.铜与浓、稀硝酸反应的投影实验[J].中学化学教学参考，2002，（5）：43.
[4]李东林.铜和浓硝酸反应实验的改进操作[J].中学化学教学参考，1998，（8～9）：57.
氮气在化学实验中的作用篇6
关键词：化学史；科学发展观；按需设计；教学情境
文章编号：1008-0546（2017）01-0022-03 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.01.006
化学是一门中心的、实用的、展现创造魅力的学科，化学对人类文明的贡献功不可没。用诺贝尔奖获得者、著名有机化学家伍德沃特的话来说，化学家们“在老的自然界旁边又建立起一个新的自然界”，化学的发展史几乎就是一部发明创造史。
化学史中大量的发现或发明，都遵循着按照人类需求而发展的“按需设计”的规律。当世界面临着粮食危机时，哈伯在1909年发明用锇作催化剂的高压合成氨工艺，满足了人类的粮食需求；当人类在与各种传染病激烈抗争时，抗生素应运而生，提高了人类至少25年的平均寿命。“按需设计”是化学推动人类文明进步的重要方式。
“按需设计”体现出化学发展的人文理念――科学发展观。科学发展观是“坚持以人为本，全面、协调、可持续的发展观”，“按需”即“以人为本”，笔者将本文的“科学发展观”界定为“以人为本”的发展观。
在经济飞速发展的当代，环境、能源、食品安全等问题困扰着人们，于是人们将这些问题聚焦在化学上，甚至闻“化”色变。然而“化学不是问题，化学解决问题”，在中学课堂中如何让学生明白这一道理是当务之急。笔者认为在课堂中除了传授系统的化学学科知识之外，还应开发化学人文资源，渗透化学史中的科学发展观，开展学科内涵教育。
“按需设计”的教学情境是化学史中科学发展观的有效载体。笔者有意识地挖掘了部分教学素材中科学发展观的学科内涵并创设了“按需设计”的教学情境，现与大家做如下分享：
案例 1：氯气与漂白剂
[讲述]1774年，舍勒发现了氯气，并且发现氯气能够漂白有色鲜花和绿叶，由此舍勒推断出氯气具有漂白性。
[对比实验]氯气与干燥的红色小花、氯气与湿润的红色小花。
设计意图：以化学史为切口，通过探究实验，引导学生关注氯水的漂白性。
[过渡]氯水中起漂白作用的有效成分是次氯酸。
[学生活动]书写氯气与水反应的化学方程式。
[讲述]次氯酸不仅具有漂白性，还具有强氧化性，能杀菌消毒，1897年英国首次使用氯气给自来水消毒。
[讲述]1785年，法国化学家贝托雷提出将氯水的漂白作用应用于纺织工业，实际应用中，发现放置一段时间的氯水漂白作用明显减弱。
[演示实验]次氯酸的分解。
[学生活动]从氧化还原反应的角度，推导次氯酸分解的产物。
[提问]次氯酸见光易分解，表明次氯酸具有不稳定性，所以久置后氯水的漂白作用减弱，那么如何保证次氯酸的漂白性呢？
设计意图：鉴于次氯酸见光易分解的事实，提出如何改进漂白剂的问题，激发学生的认知兴趣，引起学生“按需设计”的意识。
[讲述]化学家贝托雷偶然情况下把氯气通入草木灰的水溶液中，发现稳定性提高很多。
[视频实验]氯气通入草木灰水溶液后，对其产物进行光照。
[讲述]草木灰是一种碱性的物质，次氯酸是一种酸，二者反应生成了盐，此实验证明次氯酸盐比次氯酸更加稳定。次氯酸钠制备成本较高，限制了以次氯酸钠为有效成分的漂白剂的推广。1789年，英国化学家台耐特把氯气通入石灰乳中，制得现在仍广泛使用的、价格低廉的漂白粉。
设计意图：在“提出需求―按需设计―提出新需求―按需优化”的漂白剂设计过程中，调动学生的探究热情，引导学生感受到“按需设计”在漂白剂发展历史中发挥的重大作用。
案例 2：氨气与氮肥
[设疑]植物生长需要氮肥，空气中有大量的氮气，但植物并不能直接吸收，如何将空气中的氮单质转化为氮肥？
[讲述]1909年哈伯发明合成氨工艺，将氮气转化为氨气，实现人工固氮。氨气是气体，不适宜直接作为氮肥，可制成氨水再使用，如何证明氨气溶于水？
[演示实验]塑料瓶变瘪实验、喷泉实验。
[学生活动]氨气与水反应方程式的书写，氨水性质分析。
[提问]在六七十年代的时候，氨水作为氮肥，曾经广泛地使用于农业生产，不过近些年，却不再被大力推广了。为何氨水不能成为氮肥的主角？
设计意图：氮气―氨气―氨水，从人工固氮讲到早期使用的氮肥，为氮肥的“按需设计”做铺垫。
[讲述]氨水易挥发且加热易分解，不稳定是氨水作为氮肥最大的弊端，于是科学家们将液态的氨水与酸反应转化为固态的铵态氮肥。
[学生活动]氨水与硫酸、硝酸、盐酸反应的化学方程式的书写。
[讲述]早期的铵态氮肥主要是硫酸铵，硫酸铵一度在意大利、英国、日本和印度等国的氮肥生产中所占比例特别高。氨气经过催化氧化可以得到硝酸，硝酸与氨水反应生成硝酸铵，使氮肥工厂避免了运输硫酸的困扰。我国著名实业家侯德榜发明侯氏制碱法后，氯化铵作为侯氏制碱法的副产物，成为我国主要的氮肥来源。
[讲述]农民伯伯在高温天气下施氮肥时，经常会戴着口罩。碳酸铵、氯化铵等固态氮肥在加热条件下会分解。
[学生活动]碳酸铵和氯化铵加热分解反应的化学方程式的书写。
[讲述]无机氮肥不仅加热易分解，高温天损失肥效；而且无法更新土壤有机质，使用频繁后，土壤会出现不同程度的板结。于是有机氮肥――尿素在此背景下得以合成，成为当前使用程度最大的氮肥。
[讲述]全世界每年化学工I的固氮量，只能达到生物固氮量的1/4左右。因此，在不断设计的人工固氮方法中，生物固氮的模拟过程最受人瞩目。当前化学家们围绕固氮酶催化固氮活性中心这一问题展开模拟工作。人们正期待突破性的氮肥品种出现，这将会是继哈伯合成氨工艺后，又一载入史册的转折性的科技成果。
设计意图：通过感受氮肥“按需设计”、不断发展的科学过程，体悟化学家们积极探索的科学品质、甘于奉献的社会情怀和日臻至美的理想信念。
案例 3：原电池与化学电源
[讲述]公元1800年，伏打把含食盐水的湿抹布，夹在银和锌的圆形板中间，堆积成圆柱状，制造出最早的电池――伏打电池。不久后，伏打发现，用任何两种金属代替锌和银都可以产生电流。这种将不同的金属片插入电解质水溶液形成的电池，通称伏打电池。
[提问]伏打电池在使用时，电流电压不稳定。伏打电池的模型是单液原电池，请你分析造成问题的原因，并试着提出问题的解决办法。
[学生活动]得出结论：锌与硫酸铜溶液直接接触，将锌与硫酸铜溶液进行隔离。
[讲述]1836年丹尼尔将铜片和锌片分别浸在硫酸铜溶液和硫酸锌溶液中，用多孔陶瓷将两种溶液隔离，发明了丹尼尔电池。
设计意图：伏打电池和丹尼尔电池在化学电源发展史上有不可估量的地位，与中学化学里讲解的单液原电池和双液原电池有直接关系。学生能够独立参与到电池改进中，切身体会“按需设计”的。
[讲述]丹尼尔电池不便于携带和使用，于是科学家们又开始投入电池的设计工作中。1887年，英国科学家赫勒森发明了世界上最早的干电池。干电池的电解液为糊状，不会溢漏，方便携带，获得了广泛应用。
[讲述]当前家电越来越小型，电子产品越来越多功能，人们迫切需要小型化、多功能化的电池，于是人们制造出了纽扣电池。
[过渡]由供电不稳到供电稳定，由不便携带到方便轻盈，由功能单一到功能多样，化学电源的设计越来越完善。但电池使用过后，如若废弃，对环境的污染较为严重。如何保证化学电源的生态环保，成为化学家们的研究课题。
[讲述]可充电的二次电池应运而生，铅蓄电池、镍镉电池等二次电池在生活中屡屡可见；绿色高效的燃料电池大放异彩，氢氧燃料电池、甲烷燃料电池等清洁电源越来越受到关注。
设计意图：化学电源在化学发展史上是浓墨重彩的一笔，是化学家们贡献给世界的一份厚礼。但化学电源的发展并非一帆风顺，科学家们不断地遇到挑战，不断地取得突破。通过化学电源“按需设计”的学习体验，让学生感受到在实际应用过程中，问题会不停显现，面对问题最佳的态度，应该是积极思考与认真解决。
苏霍姆林斯基曾说：“在人的内心深处，都有一种根深蒂固的需要，那就是希望自己是一个发现者和探索者。”通过融入“按需设计”的教学情境，学生得以在化学的历史海洋中去发现，去探索。发现渗透在化学史中以人为本的人文情怀，发现蕴含在化学史中不断探索的科学精神。发现之余，做一个探索者，不断践行以人为本的科学发展观，为今后化学的进步贡献力量。
参考文献
[1] 王祖浩等.化学案例教学论[M].合肥：安徽教育出版社，2012
氮气在化学实验中的作用篇7
【关键词】 吸氧排氮
Nitrogen output and bubbles formation during decompression after denitrogenation in rabbits
【Abstract】AIM: To analyse quantitatively the efficiency of nitrogen elimination at different denitrogenation time. METHODS: Twentyfour rabbits were randomly pided into control group， denitrogenation 30， 60 and 120 min groups. The rabbits were anesthetized and ventilated by mechanical ventilator. After 0， 30， 60 and 120 min of denitrogenation， the rabbits were exposed to 11000 m for 30 min. The nitrogen output was analysed by chromatography and the gas bubbles generated in the body of rabbits were monitored by Doppler ultrasound method. RESULTS: The nitrogen concentration and nitrogen output decreased sharply (approximately 93%) in the first 5 min of denitrogenation， then decreased gradually with the prolonged denitrogenation time. Accumulative number of bubbles decreased with the elapse of denitrogenation time. Accumulative number of bubbles was negatively correlated with denitrogenation time (P
【Keywords】 denitrogenation; nitrogen output; decompression; gas bubble formation; rabbits
【摘要】 目的： 定量分析不同吸氧排氮方案时家兔的吸氧排氮效率，为制定我国航天员出舱活动吸氧排氮方案提供理论依据. 方法： 24只家兔随机分为对照组、吸氧排氮30， 60和120 min组4组. 麻醉后行机械通气，分别吸氧排氮0， 30， 60和120 min，收集呼出气，定量分析不同吸氧排氮时间的氮排出量，并用超声多普勒检测低压舱上升至11 000米停留30 min的气泡产生情况. 结果： 在吸氧排氮的前5 min，呼出气氮体积分数和氮排出量降低幅度最大（约93%），之后随着吸氧排氮时间的延长逐渐缓慢降低；累积气泡数随着吸氧排氮时间的延长而减少，吸氧排氮60和120 min组家兔累积气泡数较对照组显著减少（P
【关键词】 吸氧排氮；氮排出量；减压；气泡形成；兔
0引言
当前航天减压病已经成为威胁航天员生命安全的潜在危险因子［1］，除提高飞行器座舱和航天服的压力外，低压暴露前预先在地面吸氧以增加排氮量是目前有效的预防措施［2］，并为各航天大国所采用. 但世界各国采用的吸氧排氮方法各异，吸氧排氮时间也不完全统一［3］.
我们通过定量分析不同吸氧排氮方案时家兔呼出气中氮体积分数及氮排出量变化，并观察低气压暴露时减压气泡的发生情况，旨在进一步阐明吸氧排氮规律，验证不同吸氧排氮方案预防减压病的效果，为制定我国航天员的出舱活动吸氧排氮方案提供理论依据.
1材料和方法
1.1材料健康家兔24只，雌雄不拘，体质量（2.1±0.2） kg，随机分为4组，每组6只：对照组（A组）、吸氧排氮30 min组（B组）、吸氧排氮60 min组（C组）和吸氧排氮120 min组（D组）.
1.2方法实验装置见Fig 1. 将家兔用30 g・L-1戊巴比妥钠（30 mg・kg-1）静脉麻醉，仰卧固定，行气管插管术，气管插管与动物呼吸机（上海第二军医大学）相连. 调节动物呼吸机，使其潮气量为30 mL，呼吸频率为30・min-1，吸入气氧浓度为100%. 动物呼吸机与舱外的氧气瓶相连的吸入气端有一缓冲袋，以保证在减压时家兔呼吸的氧气压力与舱压相等，用气体采集袋收集呼出气后利用DMP04氧氮分析仪（大连科纳科技有限公司）分析氮体积分数. 利用超声气泡检测器（上海交通大学潜水生理研究所）检测心前区气泡音，其探头置于家兔心前区，用夏普盒式录音机记录气泡音和回放判听. 将家兔、动物呼吸机、气体缓冲袋及多普勒超声检测器一并放入动物低压舱内. 完成预定吸氧排氮时间后关上舱盖，以300 m・s-1的速度迅速上升至11 000 m停留30 min，在高空停留阶段，不断向缓冲袋内送入氧气以保证动物氧气供应. 在上升前、上升及高空停留整个过程中，全程实时用耳机监听气泡并录音.
统计学处理：实验数据以x±s表示. 采用“SPSS 10.0 for windows”对4组间气泡产生量进行非参数秩和检验，累积气泡数与吸氧排氮时间的关系采用直线相关与回归分析.
图1实验装置示意图 (略)
2结果
2.1吸氧排氮后呼出气氮体积分数的改变4组家兔的呼出气氮体积分数在吸氧排氮前最高. 动物吸氧排氮后前5 min，呼出气氮体积分数迅速下降，降低了约93％；而后随着吸氧排氮时间的延长，呼出气氮体积分数总体呈降低的趋势，但降低的幅度逐渐减小（Tab 1）.
表1吸氧排氮不同时间呼出气氮体积分数的变化 (略)
2.2吸氧排氮时呼出气氮排出量的变化4组家兔的氮排出量在吸氧排氮前最大. 动物开始吸氧排氮后，氮排出量在吸氧排氮后前5 min迅速下降，降低了约93％；而后随着吸氧排氮时间的延长，氮排出量总体呈降低的趋势，但降低的幅度逐渐减小（Tab 2）.
表2吸氧排氮不同时间氮排出量的变化 (略0
2.3低气压暴露时气泡产生情况各组动物在高空停留期间均有气泡产生. 对照组6只家兔全部有气泡产生，而吸氧排氮组则有少部分动物无气泡产生，且检出的气泡等级随着吸氧排氮时间的延长而逐渐降低（Tab 3）. 随着吸氧排氮时间的延长，动物在高空停留30 min期间累积气泡数逐渐减少. 吸氧排氮60和120 min组，累积气泡数较对照组显著减少（P
表3不同吸氧排氮时间气泡产生量的变化 (略)
图2累积气泡数与吸氧排氮时间的相关关系 (略)
3讨论
在低压暴露前，预先在地面呼吸一段时间氧气以排出体内的氮气，可以预防减压病的发生，此过程称为“吸氧排氮” . 有人用肺计量法对13人20次吸氧排氮测定，得出累积排氮量（Q， mL）经验公式为：Q＝705-641e-0.0122t，t为时间（min），进一步证实了累积排氮量和时间呈指数关系［4］. Behnke等（1937）仔细地研究了吸氧排氮的过程，将体内氮气分成排出较快的水溶性部分和排出较慢的脂溶性部分. 本实验结果表明，吸氧排氮过程的特点为先快后慢，即在吸氧的前5 min，呼出气氮体积分数和氮排出量降低幅度最大，之后逐渐缓慢降低. 其原因可能主要是溶解在血液中及血管丰富的组织中的氮气较容易排出，吸氧排氮初期所排出较快的部分主要是这部分氮气；脂肪及其他血液供应较差或氮溶解量较多的组织，则需要较长的排氮时间，吸氧排氮过程中氮气排出较慢的部分主要是这部分氮气向血液中逐渐弥散的结果.
本实验中，在吸氧排氮较长时间后，由于呼出气氮体积分数和氮排出量已降至很低水平，两者降低的趋势已不很明显. 这部分氮气可能主要是脂肪及其他血液供应较差或氮溶解量较多的组织中氮气不断向血液中弥散所造成的，由于本实验在呼出气体的收集和测量过程中存在的误差，以及仪器测量精度的限制，已难以区分其差别.
当环境压力迅速降低时，机体组织由于气泡形成引发减压病［5］，尤其在肺内的小血管内，气泡会由于血压的降低而变大［6］. 目前，超声多普勒检测装置已经广泛地应用于减压病的研究领域［7］.
本实验发现，气泡产生量随着吸氧排氮时间的增加而减少，累积气泡数与吸氧排氮时间呈负相关关系. 分析其原因，可能是因为呼吸纯氧时，由于肺泡中的氮分压降低，溶解在静脉血中的氮气不断通过肺毛细血管弥散到肺泡中被呼出，从而使血液中的氮气分压逐渐降低，于是溶解在身体各种组织、体液中的氮气，又向血液中弥散，最后被弥散到肺泡中呼出体外［8］. Arieli 等［9］研究证实，吸氧排氮时组织中氮气分压降低及气核减少都可以使减压气泡减少. 本实验中，吸氧排氮60 min和120 min组家兔气泡产生量显著减少，表明这两种方案可有效地预防高空减压病的发生.
本研究进一步揭示了吸氧排氮时氮排出量的变化规律，再次证明了吸氧排氮对预防高空减压病的确定性作用，为进一步制定我国航天员出舱活动吸氧排氮方案提供了理论依据，对保障航天员的健康安全具有重要意义.
致谢： 本实验得到航天医学工程研究所彭远开、费锦学同志的大力协助.
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氮气在化学实验中的作用篇8
论文关键词：草炭，氨氮，CHF工艺，硝化
腐殖质滤池（Humus Filter，HF）是利用垃圾填埋场中筛选出的腐殖垃圾作为填料，构筑形式与生物滤池类似的一种新型惰性填料生物反应器。HF工艺由于其优越的污水净化效率和废物资源化的理念，现已被广泛推广，主要应用领域：生活污水和家禽厂污水的处理。但是HF工艺和其他滴滤池一样有堵塞和污染物负荷较低的缺陷【1-2】。循环腐殖质滤池（Circulating Humus Filter， CHF）：通过腐殖填料循环提高处理效能，解决填料堵塞问题的腐殖填料滤池技术。立足CHF工艺特点硝化，通过采用草炭为填料调节工艺运行参数和方式分析了其处理高浓度氨氮废水的效果，为CHF工艺应用于高浓度氨氮废水提供了依据。
1、实验材料、装置与方法
实验选用草炭为填料论文格式范文。草炭具有较高的氨氮吸附量【3】和较高的阳离子交换量CEC约为126.4cmol/kg，轻质纤维状具有良好的透气功能且水力负荷较一般滴滤池高【4】。高氨氮污水选用生活污水、葡萄糖和氯化铵配制。
图1 草炭处理高浓度氨氮废水装置图
实验装置见图一。填料柱为3个DN100高1m的PVC管。草炭装填高度90cm，柱底装填5cm的碎石承托层；实验时将3根填料柱交替串联使用其中两根，另一根闲置，闲置周期为3天。采用蠕动泵间歇自上而下进水湿干比为40min：140min，水力负荷0.5m/d，进水适当曝气控制进水溶解氧大于2ppm。研究内容包括草炭的物化性质和工艺不同污染物负荷处理效果及其稳定性。主要水质分析项目COD、氨氮、总氮，分别采用重铬酸钾法、水杨酸-次氯酸盐分光光度法、碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法。
2、结果与讨论
2.1草炭吸附特性研究
2.1.1 pH对其吸附性能影响
配置50mg/l的NH4+溶液，分别取4份75ml该溶液于4个100ml锥形瓶中，并且用稀NaOH溶液调节PH至6、7、8、9，各加入2.00mg经65℃干燥的草炭。置于摇床中调节温度25℃，转速120r/min，时间为24h。待吸附平衡后测定吸附后溶液的NH4+浓度。
图2 pH对草炭吸附氨氮的影响
实验表明：在一定范围内硝化，随着溶液pH增大草炭对于氨氮的吸附呈增大趋势，同时偏碱性环境有利于硝化细菌的增值促进硝化反应的顺利进行论文格式范文。
2.1.2静态吸附等温线实验
分别称取5份草炭（2.00mg）分别置于100的锥形瓶中，加入浓度分别为10、25、50、100、200mg/l NH4+溶液，控制温度为25℃，在恒温振荡器中以120r/min的转速震荡24h，使吸附达到平衡。测定平衡后吸收液中的NH4+浓度。
图3 草炭静态吸附动力学实验
实验表明：随着氨氮浓度的增大，草炭的吸附量逐渐增大，且在低于100mg/L时草炭吸附量增加明显，高于100mg/L时吸附量基本维持在0.6mg/g，这表明草炭能更高效的吸附氨氮浓度较高的废水。
2.1.3静态吸附动力学实验
将2.00g草炭加入到初始浓度为50mg/L的NH4+溶液中，控制温度为25℃，振荡器以120r/min不停震荡。每隔一段时间（5min、7min、10min、20min、25min、0.5h、40min、1h、2h……）取样分析其浓度变化，吸附平衡为止，作出吸附时间与吸附量的关系曲线。
图4 草炭吸附氨氮平衡实验
图4表明草炭具有高效的氨氮吸附能力硝化，仅30min左右草炭对50mg/L的NH4+溶液吸附达到平衡，平衡时间短。
综上所述，草炭独特的吸附特性能够在较短时间内吸附大量氨氮，这有利于提高工艺进水力负荷、缓解填料层高度和工艺堵塞。
2.2 CHF工艺处理效果分析
图5 草炭为填料的CHF工艺COD处理效果
该工艺对污染物的去除主要是由填料的吸附和微生物降解共同作用完成。系统运行的初期内部的微生物环境尚不成熟，废水中的COD、氨氮、总氮主要是依靠草炭的高效吸附去除；如图5所示，由于草炭高效吸附性能和阳离子交换量使进水初期氨氮基本被完全去除，出水氨氮浓度低于10mg/L；随着吸附量逐渐达到饱和出水中各项水质指标短期内稍有回升；最终经过约2周的驯化系统内部生物环境达到稳定，驯化周期明显短于一般的生物滤池处理工艺，当进水COD浓度为150-240mg/L时，COD的去除效率稳定在80%-85%之间，出水浓度约35-45mg/L；当进水COD提升至300mg/L时系统的COD去除效率基本不变，出水颜色呈浅黄色。
图6 草炭为填料的CHF工艺氨氮处理效果
草炭具有良好的透气性能【5】，当进水DO约为2ppm其出水上升至5-6ppm，为硝化细菌的增值提供了充足的氧气；数据表明填料柱内实现了稳定高效的硝化反应。如图6所示硝化，当进水氨氮负荷分别为150、200、300mg/L时，出水氨氮浓度均稳定在2mg/L以下，去除率接近100%。同时工艺采用间歇式进水为系统内部微生物自身代谢创造了条件，有效的防止了由于微生物过度繁殖造成填料柱堵塞，系统稳定运行后渗透系数未发生明显变化论文格式范文。
图7 草炭为填料的CHF工艺总氮处理效果
由于进水中溶解氧过高和碳源不足的限制导致系统内部反硝化细菌增殖受到制约，系统反硝化不充分导致总氮去除率较低，系统在第14天到第22天时控制进水总氮为200mg/L-230mg/L去除率约为15-20%；第23天时提升总氮至400mg/L左右时总氮去除率为50-55%，这是由于添加了碳源，进水取消曝气并将COD提升至300mg/L，系统反硝化得到强化。
3、结论
（1）草炭独特的物化性质适合作为CHF工艺处理高浓度氨氮废水填料。主要表现为：较高氨氮吸附量约0.56mg/g，吸附平衡时间短约30min，pH在6-9范围内吸附量岁碱性增大而增大，而此范围内适合硝化细菌增殖。
（2）该工艺适合处理生化性较好的高浓度氨氮废水。进水pH控制在8-9之间（过高会影响草炭的稳定性,导致出水色度增加），当进水负荷为0.5m/d、温度为20℃硝化，进水COD、氨氮、TN浓度分别为150-180mg/L、150-160mg/L、190-220mg/L时，采用间歇式进水（湿干比40min：140min）其出水较为清澈稳定后COD、氨氮、TN去除率分别为：85%-90%、约100%、15%-20%；当进水氨氮浓度提升至300mg/L，COD浓度提升至200-250mg/L时，COD、氨氮、TN去除率分别为：80%-85%、约100%、45%-50%，填料柱去除效果较稳定；出水颜色有浅黄色。
（3）该工艺抗堵塞且具备高效的硝化功能，但总氮的去除效果不明显。研究表明，可通过出液回流，溶解氧以及添加碳源提升总氮的去除效率；也可以添加后续厌氧单元提升反硝化效果。
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