化工本科畢業(yè)論文指導思考

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摘要：本科畢業(yè)論文作為學業(yè)的重要組成部分，除了最終論文的撰寫外，對于化工專業(yè)實踐性強的理工學科，專業(yè)規(guī)范、學科思維、分析與解決問題的能力及創(chuàng)新精神是學位論文實踐過程中指導的重點。對于培養(yǎng)具有專業(yè)素質、能適應化工及相關專業(yè)工作、能夠解決工作中問題及具有創(chuàng)新思維的畢業(yè)生具有重要的意義。

關鍵詞：化工本科；畢業(yè)論文指導；專業(yè)規(guī)范；學科思維；創(chuàng)新能力

一、專業(yè)的規(guī)范性

化工產品的開發(fā)和生產中，從原料、中間體到成品，大都具有易燃、易爆、有毒、有害等危險性；化工工藝過程復雜多樣，高溫、高壓、深冷等不安全因素很多。由于化工行業(yè)危險因素多、事故易發(fā)的特點，錯誤與不當?shù)牟僮?，可能帶來嚴重的后果。在畢業(yè)論文過程中，有些學生是初生牛犢不怕虎，在從事毒性很強試劑的操作時，疏于防護，也有些學生對化學藥品過于恐懼，做實驗時畏手畏腳。因此，在畢業(yè)論文完成過程中，專業(yè)規(guī)范性的訓練對于本學科尤其重要。就化工來說，安全是首要考慮的。首先讓學生養(yǎng)成對于所要接觸的化學試劑，一定要先查詢這些試劑性質的習慣，熟悉化工試劑使用中的危險性、防范措施、以及發(fā)生意外時的處置方法。其此詳細了解與認真學習所用的實驗設備的操作規(guī)程，嚴格按照操作規(guī)程進行實驗工作，養(yǎng)成規(guī)范操作的習慣，且不可圖方便隨意操作。化學實驗過程中，原料的預處理、加料順序及加料方式、反應過程的監(jiān)控以及實驗結束后廢化學試劑的處理等實驗的細節(jié)是指導的重點，一定使學生不能有絲毫的疏忽。例如對于反應中要求無水的原料，一定要嚴格進行除水的預處理，不然輕則導致實驗失敗，重則由于副反應等引發(fā)燃燒爆炸等危險性。實驗完的廢試劑，除了不可隨便直接丟棄或倒入下水道外，在倒入廢液桶時還要注意不能使酸性和堿性、氧化性和還原性廢試劑混裝，以免反應造成廢液桶燃燒或爆炸。反應后剩余的活潑廢料，如金屬鈉，需要用無水乙醇處理，以免發(fā)生燃燒爆炸；強毒性的汞也需要進行無害化的處理才能丟棄。對于化工反應，需要確定優(yōu)化的原料配比。實驗過程中，指導學生把握量的概念非常重要。此外，反應原料的加入順序與加入方式也都特別重要。對于非常迅速的反應，如果一次性的加入原料，可能發(fā)生試劑噴出傷人甚至爆炸。涉及到劇烈反應，讓學生根據(jù)實際需要，采取原料分多次加入或是慢慢滴加的方式。2016年9月發(fā)生在東華大學的生化實驗室爆炸事故，就是由于學生用濃硫酸與高錳酸鉀氧化石墨粉，在制備氧化石墨烯的過程中，一次性加入氧化劑的量過多，造成急劇反應所致?？傊?，化工專業(yè)本科畢業(yè)論文的研究，相對來說由于是比較長時間的實踐過程，是培養(yǎng)學生專業(yè)規(guī)范性的重要途徑。

二、基于學科本質的思維能力

在現(xiàn)代科學技術發(fā)展過程中，任何一個最終形成的學科，必定有其學科的一些本質特點。因此，畢業(yè)論文指導過程中，讓學生了解本學科的特點是重點。化學變化的本質是分子的變化，其中的元素并未改變，從分子的角度來思考問題，是化學化工學科的基礎?；瘜W反應形成新物質，反應的進行宏觀上可以通過熱力學判斷。在微觀上從分子的角度思考，有利于形象化的理解。反應過程本質是原先分子的破壞，分子中的元素重新結合形成新分子。元素活性高，說明其原子或者有多的電子急需給予，或者缺少電子急于獲得。含氟的高分子材料非常穩(wěn)定，由于氟原子的強結合力，新反應要將其與原來結合的原子分開非常困難。苯環(huán)由于電子多，容易給出電子與需要電子的原子結合。設計新化學反應，如近年來熱門的甲烷活化催化研究中，考慮與想象反應過程中原子的相互作用，為催化劑的開發(fā)提供思路。對于反應后得到新物質，通常都是與其他物質混在一起的，需要分離。其中精餾與蒸餾是很重要的分離工藝過程，與氣液相平衡密切相關，例如有些組分形成正偏差體系，說明氣化時組分容易進入到氣相中。混合體系是否形成正偏差可以從分子作用的角度進行定性的判斷。例如乙醇與水體系，由于乙醇分子中含有疏水的乙基CH3CH2-，它與水分子在一起相對來說排斥作用比與相同分子大，混合體系必然趨向于有更大的距離，因此，容易變?yōu)闅庀?，形成正偏差體系?？偟膩碚f，分子大小、形狀及相互作用差別大的混合體系，分離相對容易。因此，從分子的組成與結構考慮，首先為分離工藝過程提供了定性的參考。液相的表面張力是重要物理特性，主要由于表層分子受到內側分子的吸引引起。不同混合體系表面張力大小可以從分子角度進行定性判斷。例如水中加入無機鹽如NaCl，由于NaCl以鈉離子與氯離子分散水分子中，離子之間的相互作用比分子之間的作用強，因此，水中加入鹽必然導致表面張力增加。選擇添加劑來改變表面張力時，從分子角度來看給出定性依據(jù)。材料是社會發(fā)展的物質基礎與先導，其組成與結構決定了性能。例如碳材料，雖然都是碳原子，但是不同結合所形成的不同分子，其性能完全不同。目前最硬的金剛石，由碳原子以四面體的形式結合。近年來熱門的石墨烯，碳原子在二維平面上通過六面體的形式結合，具有非常優(yōu)良的導熱導電等性能，開創(chuàng)了21世紀的新材料紀元，將給世界帶來實質性的變化。從分子角度考慮材料的合成是化工的優(yōu)勢。

三、創(chuàng)新與解決問題的能力

本科畢業(yè)論文不僅是論文的撰寫，也是一個重要的教學環(huán)節(jié)。在指導的過程中，分享學科發(fā)展史上經典案例及創(chuàng)新方法，有利于啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維與解決問題的能力。確定氣體的壓力與體積的關系。由于氣體體積的變化引起壓力很小，采用一般活塞圓筒式來測量，會存在固體與容器摩擦與密封之間的矛盾。因為如果密封很好，會使得摩擦力太大，而如果摩擦力太小的話，可能就密封不好，測定的結果有很大的誤差。玻義耳采用了一種新的密封方式，這是直到目前也在用的測定氣壓方法，即采用液態(tài)水銀進行密封。水銀是液體，其表面張力很大，一般的氣體不能滲透進去，能夠很好的密封氣體，而且由于是液體，與固體的摩擦力很小。玻義耳通過水銀密封這種創(chuàng)新的方法，獲得氣體壓力與體積的關系，為理想氣體狀態(tài)方程確定奠定了基礎。合成氨的工業(yè)化。由于反應需要在高溫高壓下進行，需要耐高壓與高溫的反應器。要找到既能夠耐高溫又能夠耐高壓的材料很困難，工業(yè)化生產難以實現(xiàn)，因此很難制備出反應器。德國的博施設計了一個套管式反應器，反應器有兩層，內層反應器耐高溫，外層耐高壓。反應原料壓縮到高壓后先進入內外層之間，在此條件下保持比較低的溫度，然后進入內層加熱到高溫進行反應。在雙層反應器中，控制內外層壓力相當。對于內層反應器來說，由于內外壓力相當，不需要耐高壓；而外層反應器，由于溫度低，無需耐高溫。因此，反應器制備采用耐高壓材料作為外層，耐高溫材料作為內層即可，有很多材料可選，從而實現(xiàn)工業(yè)化。不囿于傳統(tǒng)，這是創(chuàng)新的重要前提。焦耳的熱功當量的實驗，是科學史上重要的經典案例。其一設計巧妙的實驗方法。在量熱器里盛液體，中間安裝帶有葉片的轉軸，下物帶動葉片旋轉。由于葉片和液體的摩擦，液體變熱。由重物下落的高度算出轉化的機械功，而根據(jù)量熱器內液體升高的溫度，可計算液體內能的升高值，兩者比較即可求出熱功當量值。其二嚴謹與堅持的精神。為了得到準確的數(shù)值，焦耳嘗試了不同的液體，近20年時間進行了400多次的實驗，才得到比較理想的結果。讓學生知道，在解決問題的過程中，除了采用創(chuàng)新的方法外，耐心與嚴謹同樣重要?；ぷ罱K是要生產出合適的產品，具體工藝過程對產品存在很大的影響。例如脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉（AES）來配置液體洗滌液時候，一定要將AES溶解到水中，如果反過來，把水加入到AES中，可能形成凝膠，得不到需要的產品。因此，化工工藝的細節(jié)是畢業(yè)論文指導的重點。在制備出所需要產品過程中，工業(yè)上典型解決問題的技巧值得與學生分享。玻璃由于原料中含有少量二價鐵離子而偏綠色，要得到白色玻璃，直接考慮當然就是直接去除鐵離子。然而如果直接分離除去鐵離子，由于含量很低，成本非常高。工業(yè)上通過加入適量二氧化錳，在玻璃熔化過程中氧化二價鐵離子為三價鐵離子，二氧化錳中錳則被還原為三價錳。三價鐵偏黃色，而三價錳偏紫色，兩者互補變?yōu)榘咨?。生產中由除去某組分改變?yōu)榧尤脒m量其他組分，使產品達到使用性能為我們解決問題提供了新思路。化工產品組分的含量對性能有重要的影響，對組成含量差別很大的工業(yè)原料，直接控制含量往往很困難。例如鋼材的性能與含碳量密切相關，在英國掀起工業(yè)革命的貝塞麥煉鋼法，采用將空氣灌入熔鐵，利用其中氧氣與鐵中碳反應生成二氧化碳，帶走部分的碳，得到合適鐵碳比的優(yōu)質鋼。在最初工業(yè)化生產中，由于不同的鐵礦石原料含碳的差別很大，通過控制加入空氣的量來得到鐵碳比難度很大。后來，馬希特將工藝改為先加足夠的空氣，移除鐵中的所有碳，然后再摻回定量的碳，很容易得到合適鐵碳比的鋼材。在化工本科畢業(yè)論文的指導中，通過進行化工發(fā)展史上經典創(chuàng)新案例及分析解決問題方法的交流，是培養(yǎng)學生創(chuàng)新與分析解決問題能力的重要途徑?？傊?，化工專業(yè)本科畢業(yè)論文是本科學業(yè)的重要環(huán)節(jié)。在畢業(yè)論文課題研究的實踐過程中，指導學生把握本學科規(guī)范、了解學科的本質、借鑒學科發(fā)展史上經典創(chuàng)新與分析解決問題的方法，對于培養(yǎng)學生的專業(yè)素質、盡快適應化工及相關專業(yè)的工作、解決問題與創(chuàng)新思維等方面具有重要的意義。

參考文獻：

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作者：陳晉陽 單位：上海大學環(huán)境與化工學院