化工本科畢業(yè)論文指導(dǎo)思考

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摘要：本科畢業(yè)論文作為學(xué)業(yè)的重要組成部分，除了最終論文的撰寫外，對(duì)于化工專業(yè)實(shí)踐性強(qiáng)的理工學(xué)科，專業(yè)規(guī)范、學(xué)科思維、分析與解決問題的能力及創(chuàng)新精神是學(xué)位論文實(shí)踐過程中指導(dǎo)的重點(diǎn)。對(duì)于培養(yǎng)具有專業(yè)素質(zhì)、能適應(yīng)化工及相關(guān)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(guān)鍵詞：化工本科；畢業(yè)論文指導(dǎo)；專業(yè)規(guī)范；學(xué)科思維；創(chuàng)新能力

一、專業(yè)的規(guī)范性

化工產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)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(xiǎn)性；化工工藝過程復(fù)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(xiǎn)因素多、事故易發(fā)的特點(diǎn)，錯(cuò)誤與不當(dāng)?shù)牟僮?，可能帶來?yán)重的后果。在畢業(yè)論文過程中，有些學(xué)生是初生牛犢不怕虎，在從事毒性很強(qiáng)試劑的操作時(shí)，疏于防護(hù)，也有些學(xué)生對(duì)化學(xué)藥品過于恐懼，做實(shí)驗(yàn)時(shí)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(xùn)練對(duì)于本學(xué)科尤其重要。就化工來說，安全是首要考慮的。首先讓學(xué)生養(yǎng)成對(duì)于所要接觸的化學(xué)試劑，一定要先查詢這些試劑性質(zhì)的習(xí)慣，熟悉化工試劑使用中的危險(xiǎn)性、防范措施、以及發(fā)生意外時(shí)的處置方法。其此詳細(xì)了解與認(rèn)真學(xué)習(xí)所用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作規(guī)程，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作，養(yǎng)成規(guī)范操作的習(xí)慣，且不可圖方便隨意操作。化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，原料的預(yù)處理、加料順序及加料方式、反應(yīng)過程的監(jiān)控以及實(shí)驗(yàn)結(jié)束后廢化學(xué)試劑的處理等實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)是指導(dǎo)的重點(diǎn)，一定使學(xué)生不能有絲毫的疏忽。例如對(duì)于反應(yīng)中要求無水的原料，一定要嚴(yán)格進(jìn)行除水的預(yù)處理，不然輕則導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，重則由于副反應(yīng)等引發(fā)燃燒爆炸等危險(xiǎn)性。實(shí)驗(yàn)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(shí)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(yīng)造成廢液桶燃燒或爆炸。反應(yīng)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(qiáng)毒性的汞也需要進(jìn)行無害化的處理才能丟棄。對(duì)于化工反應(yīng)，需要確定優(yōu)化的原料配比。實(shí)驗(yàn)過程中，指導(dǎo)學(xué)生把握量的概念非常重要。此外，反應(yīng)原料的加入順序與加入方式也都特別重要。對(duì)于非常迅速的反應(yīng)，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(yīng)，讓學(xué)生根據(jù)實(shí)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(xué)的生化實(shí)驗(yàn)室爆炸事故，就是由于學(xué)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(yīng)所致?？傊?，化工專業(yè)本科畢業(yè)論文的研究，相對(duì)來說由于是比較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐過程，是培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)規(guī)范性的重要途徑。

二、基于學(xué)科本質(zhì)的思維能力

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展過程中，任何一個(gè)最終形成的學(xué)科，必定有其學(xué)科的一些本質(zhì)特點(diǎn)。因此，畢業(yè)論文指導(dǎo)過程中，讓學(xué)生了解本學(xué)科的特點(diǎn)是重點(diǎn)?；瘜W(xué)變化的本質(zhì)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(xué)化工學(xué)科的基礎(chǔ)?；瘜W(xué)反應(yīng)形成新物質(zhì)，反應(yīng)的進(jìn)行宏觀上可以通過熱力學(xué)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(yīng)過程本質(zhì)是原先分子的破壞，分子中的元素重新結(jié)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(qiáng)結(jié)合力，新反應(yīng)要將其與原來結(jié)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(jié)合。設(shè)計(jì)新化學(xué)反應(yīng)，如近年來熱門的甲烷活化催化研究中，考慮與想象反應(yīng)過程中原子的相互作用，為催化劑的開發(fā)提供思路。對(duì)于反應(yīng)后得到新物質(zhì)，通常都是與其他物質(zhì)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(guān)，例如有些組分形成正偏差體系，說明氣化時(shí)組分容易進(jìn)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(jìn)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(duì)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)闅庀啵纬烧铙w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(duì)容易。因此，從分子的組成與結(jié)構(gòu)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(nèi)側(cè)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(jìn)行定性判斷。例如水中加入無機(jī)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(qiáng)，因此，水中加入鹽必然導(dǎo)致表面張力增加。選擇添加劑來改變表面張力時(shí)，從分子角度來看給出定性依據(jù)。材料是社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)，其組成與結(jié)構(gòu)決定了性能。例如碳材料，雖然都是碳原子，但是不同結(jié)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(jié)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(jié)合，具有非常優(yōu)良的導(dǎo)熱導(dǎo)電等性能，開創(chuàng)了21世紀(jì)的新材料紀(jì)元，將給世界帶來實(shí)質(zhì)性的變化。從分子角度考慮材料的合成是化工的優(yōu)勢(shì)。

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(gè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。在指導(dǎo)的過程中，分享學(xué)科發(fā)展史上經(jīng)典案例及創(chuàng)新方法，有利于啟發(fā)學(xué)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(guān)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(cè)量，會(huì)存在固體與容器摩擦與密封之間的矛盾。因?yàn)槿绻芊夂芎?，?huì)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(cè)定的結(jié)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(cè)定氣壓方法，即采用液態(tài)水銀進(jìn)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(jìn)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(guān)系，為理想氣體狀態(tài)方程確定奠定了基礎(chǔ)。合成氨的工業(yè)化。由于反應(yīng)需要在高溫高壓下進(jìn)行，需要耐高壓與高溫的反應(yīng)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(chǎn)難以實(shí)現(xiàn)，因此很難制備出反應(yīng)器。德國(guó)的博施設(shè)計(jì)了一個(gè)套管式反應(yīng)器，反應(yīng)器有兩層，內(nèi)層反應(yīng)器耐高溫，外層耐高壓。反應(yīng)原料壓縮到高壓后先進(jìn)入內(nèi)外層之間，在此條件下保持比較低的溫度，然后進(jìn)入內(nèi)層加熱到高溫進(jìn)行反應(yīng)。在雙層反應(yīng)器中，控制內(nèi)外層壓力相當(dāng)。對(duì)于內(nèi)層反應(yīng)器來說，由于內(nèi)外壓力相當(dāng)，不需要耐高壓；而外層反應(yīng)器，由于溫度低，無需耐高溫。因此，反應(yīng)器制備采用耐高壓材料作為外層，耐高溫材料作為內(nèi)層即可，有很多材料可選，從而實(shí)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(dāng)量的實(shí)驗(yàn)，是科學(xué)史上重要的經(jīng)典案例。其一設(shè)計(jì)巧妙的實(shí)驗(yàn)方法。在量熱器里盛液體，中間安裝帶有葉片的轉(zhuǎn)軸，下物帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)化的機(jī)械功，而根據(jù)量熱器內(nèi)液體升高的溫度，可計(jì)算液體內(nèi)能的升高值，兩者比較即可求出熱功當(dāng)量值。其二嚴(yán)謹(jǐn)與堅(jiān)持的精神。為了得到準(zhǔn)確的數(shù)值，焦耳嘗試了不同的液體，近20年時(shí)間進(jìn)行了400多次的實(shí)驗(yàn)，才得到比較理想的結(jié)果。讓學(xué)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(yán)謹(jǐn)同樣重要。化工最終是要生產(chǎn)出合適的產(chǎn)品，具體工藝過程對(duì)產(chǎn)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(shí)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(chǎn)品。因此，化工工藝的細(xì)節(jié)是畢業(yè)論文指導(dǎo)的重點(diǎn)。在制備出所需要產(chǎn)品過程中，工業(yè)上典型解決問題的技巧值得與學(xué)生分享。玻璃由于原料中含有少量二價(jià)鐵離子而偏綠色，要得到白色玻璃，直接考慮當(dāng)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(jià)鐵離子為三價(jià)鐵離子，二氧化錳中錳則被還原為三價(jià)錳。三價(jià)鐵偏黃色，而三價(jià)錳偏紫色，兩者互補(bǔ)變?yōu)榘咨?。生產(chǎn)中由除去某組分改變?yōu)榧尤脒m量其他組分，使產(chǎn)品達(dá)到使用性能為我們解決問題提供了新思路?；ぎa(chǎn)品組分的含量對(duì)性能有重要的影響，對(duì)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(guān)，在英國(guó)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(yīng)生成二氧化碳，帶走部分的碳，得到合適鐵碳比的優(yōu)質(zhì)鋼。在最初工業(yè)化生產(chǎn)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(dǎo)中，通過進(jìn)行化工發(fā)展史上經(jīng)典創(chuàng)新案例及分析解決問題方法的交流，是培養(yǎng)學(xué)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(xué)業(yè)的重要環(huán)節(jié)。在畢業(yè)論文課題研究的實(shí)踐過程中，指導(dǎo)學(xué)生把握本學(xué)科規(guī)范、了解學(xué)科的本質(zhì)、借鑒學(xué)科發(fā)展史上經(jīng)典創(chuàng)新與分析解決問題的方法，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)、盡快適應(yīng)化工及相關(guān)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。

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作者：陳晉陽 單位：上海大學(xué)環(huán)境與化工學(xué)院