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【關(guān)鍵詞】熱膨脹;軸位移
神華寧煤烯烴項(xiàng)目二氧化碳壓縮機(jī)試車過(guò)程中,由于減速機(jī)軸位移超標(biāo),導(dǎo)致連鎖跳車。經(jīng)過(guò)充分考慮變速箱傳動(dòng)軸熱膨脹引起的誤差,重新設(shè)置報(bào)警值和跳車值后,設(shè)備運(yùn)行正常。
1、問(wèn)題的產(chǎn)生
1.1壓縮機(jī)參數(shù)
透平(驅(qū)動(dòng)機(jī))型號(hào)SST-600,壓縮機(jī)型號(hào)STC-GV
透平參數(shù):功率16813Kw,轉(zhuǎn)速:7200rpm。
減速箱參數(shù):與透平連接的輸入端7200rpm,與壓縮機(jī)連接的輸出端1500rpm
1.2試車過(guò)程
在壓縮機(jī)組試車時(shí),每當(dāng)運(yùn)行到70分鐘時(shí),就會(huì)發(fā)生減速箱軸位移量超標(biāo)跳車。
減速箱結(jié)構(gòu)和軸位移傳感器安裝位置見(jiàn)(圖一)。
設(shè)備供應(yīng)商設(shè)置的原始報(bào)警值±0.185mm、跳車值±0.215mm。
試車運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)(表一),軸向壓縮機(jī)方向的移動(dòng)量取正值,反方向取負(fù)值,零點(diǎn)為移動(dòng)范圍的中心點(diǎn)。
2、分析和處理
2.1原因分析
將減速箱拆開(kāi)后,實(shí)測(cè)推力瓦間隙值為0.37mm,推力瓦架熱膨脹產(chǎn)生的間隙為0.1336mm,熱態(tài)時(shí)總間隙為0.37m + 0.1336mm m= 0.5036mm,與原始設(shè)定的減速箱低速軸軸位移報(bào)警值±0.185和跳車值±0.215一致。(推力瓦架熱膨脹量計(jì)算:推力瓦固定架材質(zhì)為不銹鋼,在0℃--100℃之間熱膨脹系數(shù)為0.0167,推力瓦固定架長(zhǎng)度0.2m,由25℃提高到65℃時(shí),熱膨脹量0.2×0.0167×(65-25)=0.1336mm)
由于軸位移傳感器安裝在推力瓦支撐位置的軸另一側(cè)端面處,所以其讀數(shù)應(yīng)當(dāng)為實(shí)際軸位移量與軸熱膨脹量之和,軸熱膨脹量0.334mm(軸熱膨脹量計(jì)算:軸材質(zhì)為不銹鋼,在0℃--100℃之間熱膨脹系數(shù)為0.0167,軸有效膨脹長(zhǎng)度0.8m,由25℃提高到50℃時(shí),熱膨脹量0.8×0.0167×(50-25)=0.334mm)與實(shí)測(cè)間隙0.37mm相當(dāng),是不能被忽略的因素,當(dāng)軸在正常的位置(推力瓦中間)工作時(shí),隨著溫度的上升位移量不斷升高,當(dāng)達(dá)到0.215時(shí)跳車,如果解除跳車連鎖,位移傳感器顯示的軸位移量可以達(dá)到0.334mm。這也解釋了跳車時(shí)推力瓦溫度沒(méi)有明顯升高和明顯磨損的原因。
分析結(jié)果:設(shè)備供應(yīng)商在設(shè)定減速箱軸位移報(bào)警值和跳車值時(shí),沒(méi)有充分考慮軸熱膨脹的影響,設(shè)定值不合理導(dǎo)致壓縮機(jī)跳車。
2.2解決方案
2.2.1計(jì)算報(bào)警值和跳車值并重新設(shè)定
實(shí)測(cè)總位移量0.37mm,推力瓦架熱膨脹產(chǎn)生的間隙為0.1336mm,軸熱膨脹量0.334mm。向透平側(cè)移動(dòng)為負(fù)值,向壓縮機(jī)方向移動(dòng)為正值。當(dāng)以兩推力瓦中點(diǎn)為零點(diǎn)時(shí),向透平側(cè)移動(dòng)最大值為-0.334-(0.37+0.1336)/2=-0.5858mm,向壓縮機(jī)方向移動(dòng)最大值為-0.334+(0.37+0.1336)/2=-0.0822mm
為了更直觀的了解軸位移,將零點(diǎn)設(shè)置在推力瓦透平側(cè),向透平側(cè)移動(dòng)最大值為-0.334-0.1336/2=-0.4008mm,向壓縮機(jī)方向移動(dòng)最大值為-0.334+0.5036=-0.1696mm(初始工作時(shí),受預(yù)緊力的作用,軸位于推力瓦的壓縮機(jī)側(cè),初始值為0.37)。
最終將零點(diǎn)設(shè)置在推力瓦透平側(cè),報(bào)警值為±0.35mm,跳車值為±0.40mm。
2.2.2試運(yùn)行
經(jīng)過(guò)72小時(shí)試車,運(yùn)行正常。移交生產(chǎn)后,使用正常。
3、結(jié)論
熱膨脹引起軸向位移導(dǎo)致不正常的報(bào)警和連鎖跳車,屬于壓縮機(jī)設(shè)計(jì)缺陷。目前,大多數(shù)此用途變速箱已經(jīng)取消此報(bào)警和連鎖跳車功能。熱膨脹在設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行中普遍存在,應(yīng)提前預(yù)防。
關(guān)鍵詞:外貿(mào)依存度、外資依存度碳排放、VAR模型
一、引言
在經(jīng)濟(jì)全球化,日益一體化的大背景下,貿(mào)易對(duì)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到日益重要的作用。而為應(yīng)對(duì)全球性的氣候變化,低碳排放日益成為全球關(guān)注的重點(diǎn)和討論的焦點(diǎn)問(wèn)題。傳統(tǒng)的文獻(xiàn)從環(huán)境庫(kù)茲涅佐曲線的角度論證了收入變化與環(huán)境污染的倒U型曲線關(guān)系,而貿(mào)易作為收入增長(zhǎng)的重要因素,碳排放作為環(huán)境污染的重要表現(xiàn)形式,兩者的關(guān)系研究對(duì)于庫(kù)茲涅佐曲線和積極減排作用的認(rèn)識(shí)顯得至關(guān)重要。以湖北省為例,探索湖北省貿(mào)易對(duì)碳排放的影響作用,是以一個(gè)新的視角來(lái)考慮碳排放的影響因素。湖北省位居中部,但伴隨著中部崛起戰(zhàn)略,以及湖北高新電子產(chǎn)業(yè)的興起,貿(mào)易日益在經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到日益關(guān)鍵的作用。而同時(shí)湖北省為節(jié)能減排做出巨大的努力,實(shí)施一系列的相關(guān)經(jīng)濟(jì)政策:碳排放權(quán)交易市場(chǎng)已經(jīng)如火如荼的展開(kāi),武漢兩型城市圈的不斷推進(jìn)與建立以及一些生態(tài)項(xiàng)目的實(shí)施等等。我國(guó)以1983年開(kāi)始改革開(kāi)放和對(duì)我貿(mào)易,湖北省作為中部大省,1990年開(kāi)始對(duì)外貿(mào)易有了顯著的規(guī)模,所以本文采取截取1990-2013年的較新的湖北省對(duì)外貿(mào)易相關(guān)數(shù)據(jù),運(yùn)用VAR模型具體分解分析對(duì)外貿(mào)易開(kāi)放對(duì)于湖北省碳排放的相關(guān)影響因素,為實(shí)現(xiàn)全省有效控制碳排放提出有針對(duì)性的建議。
二、文獻(xiàn)綜述
關(guān)于環(huán)境庫(kù)茲涅茲曲線,有很多研究者對(duì)此進(jìn)行了實(shí)證研究。至少表明環(huán)境質(zhì)量與收入水平之間的關(guān)系。從環(huán)境庫(kù)茲涅佐曲線角度研究貿(mào)易與二氧化碳之間的具體聯(lián)系,具有大量學(xué)者研究的文獻(xiàn)基礎(chǔ)。李秀香和張停(2004)以二氧化碳排放量為例分析了出口貿(mào)易增長(zhǎng)對(duì)我國(guó)環(huán)境質(zhì)量的影響,研究結(jié)果表明出口貿(mào)易的增長(zhǎng)在一定程度上降低了人均二氧化碳的排放。李小平和盧現(xiàn)祥(2010)運(yùn)用部分發(fā)達(dá)國(guó)家和中國(guó)各工業(yè)行業(yè)的二氧化碳排放量和貿(mào)易數(shù)據(jù),通過(guò)實(shí)證研究發(fā)現(xiàn)國(guó)際貿(mào)易能夠減少工業(yè)行業(yè)的二氧化碳排放總量和單位產(chǎn)出的二氧化碳排放量,所以中國(guó)并沒(méi)有因?yàn)閷?duì)外貿(mào)易而成為發(fā)達(dá)國(guó)家的"污染天堂"。這些大量的文獻(xiàn)論證了貿(mào)易與碳排放之間的實(shí)證聯(lián)系。而對(duì)于這種關(guān)系研究的計(jì)量方法也有很多,王源(2011)運(yùn)用LMDI因素分解法研究中國(guó)國(guó)際貿(mào)易中的隱含碳的問(wèn)題,龐軍基于MARIO模型研究中歐貿(mào)易隱含的碳排放問(wèn)題。大多數(shù)的文獻(xiàn)主要集中于研究國(guó)家貿(mào)易出口卻很少有將視角集中于省份的貿(mào)易對(duì)于碳排放的影響中。事實(shí)上貿(mào)易的政策傾向?qū)τ谑∈械慕?jīng)濟(jì)發(fā)展以及節(jié)能減排的實(shí)施都有一定的影響。本文以湖北省為例,通過(guò)VAR模型,研究貿(mào)易開(kāi)放程度對(duì)于碳排放的影響,以及提出相應(yīng)的政策建議。
三、VAR 模型及變量選擇
(一)變量選擇
本文根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《湖北省統(tǒng)計(jì)年鑒》中1990-2013年的較新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),作為研究對(duì)象。
以往研究貿(mào)易開(kāi)放與二氧化碳排放關(guān)系的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中,多數(shù)是采用對(duì)貿(mào)易依存度指標(biāo)來(lái)反映貿(mào)易開(kāi)放程度,而忽視了對(duì)其他貿(mào)易開(kāi)放度指標(biāo)的考察。僅僅考察對(duì)外貿(mào)易依存度是不夠的,其只能反映進(jìn)出口規(guī)模的變化情況,考慮到研究期內(nèi)多數(shù)年份外資企業(yè)的進(jìn)出口在湖北對(duì)外貿(mào)易總額中所占的比重較大。因此本文將貿(mào)易開(kāi)放程度表示為外貿(mào)依存度和外資依存度兩部分。外貿(mào)依存度即進(jìn)出口貿(mào)易總額與湖北地區(qū)生產(chǎn)總值之比,記為TR。外資依存度,是用當(dāng)年外商直接投資與湖北地區(qū)生產(chǎn)總值的比值來(lái)表示的,記為FD。
由于化石等能源消費(fèi)是碳排放的主要來(lái)源,所以在計(jì)算時(shí)主要以煤炭、石油和天然氣三種碳排放量大的能源為基礎(chǔ)對(duì)碳排放總量進(jìn)行測(cè)算;依據(jù)IPCC 提供的測(cè)算方法,碳排放量= Σ 能源i 的消費(fèi)量× 能源 i 的碳排放系數(shù)(i 為能源種類),能源消費(fèi)量必須換算成統(tǒng)一熱量單位的標(biāo)準(zhǔn)煤。另外,根據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所的研究結(jié)果,煤炭、石油、天然氣的碳排放系數(shù)分別為0.7476噸碳/噸標(biāo)準(zhǔn)煤、0.5825 噸碳/噸標(biāo)準(zhǔn)煤、0.4435 噸碳/噸標(biāo)準(zhǔn)煤。碳排放量記為C。為了避免在計(jì)量研究中出現(xiàn)異方差現(xiàn)象,以上序列均采取對(duì)數(shù)化處理,以ln(C)、ln(TR)、ln(FD) 作為研究序列。
(二)變量ADF檢驗(yàn)結(jié)果
為了防止虛假回歸,在建立VAR 模型之前,必須進(jìn)行單位根檢驗(yàn),以檢驗(yàn)該時(shí)間序列的平穩(wěn)性并確定單整階數(shù)。本文采用ADF 單位根檢驗(yàn)方法。首先,使用Eviews 對(duì)序列進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),其檢驗(yàn)形式應(yīng)設(shè)為既不含截距項(xiàng)也無(wú)時(shí)間趨勢(shì),并采用SC 信息準(zhǔn)則自動(dòng)設(shè)定最優(yōu)滯后階數(shù)。最終,得出檢驗(yàn)結(jié)果如表一 所示,變量ln(C)、ln(TR的ADF 統(tǒng)計(jì)量均大于其臨界值,是不平穩(wěn)的。當(dāng)一階差分后,所有序列在10%的顯著性水平上通過(guò)平穩(wěn)性檢驗(yàn)。當(dāng)二階差分后,所有序列在1%,5%,10%的顯著性水平上均通過(guò)平穩(wěn)性檢驗(yàn)。而ln(FD)經(jīng)檢驗(yàn)直接平穩(wěn), 所以ln(C)、ln(TR)、ln(FD) 均為平穩(wěn)序列。
(三)Johansen協(xié)整檢驗(yàn)結(jié)果
約翰森(Johansen)在1988年及在1990年與杰森留斯(Juselius)一起提出的一種以VAR模型為基礎(chǔ)的檢驗(yàn)回歸系數(shù)的方法,是一種進(jìn)行多變量協(xié)整檢驗(yàn)的較好方法。假設(shè)模型中無(wú)常數(shù)項(xiàng)和時(shí)間趨勢(shì)項(xiàng)情況下,對(duì)ln(C)、ln(TR)、ln(FD)進(jìn)行Johansen協(xié)整檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明,跡統(tǒng)計(jì)量和λ-max統(tǒng)計(jì)量在5%的顯著性水平下均拒絕R=0、R≤1的原假設(shè),接受R≤2的原假設(shè),說(shuō)明ln C、ln TR、ln FD之間存在協(xié)整關(guān)系,即湖北省的碳排放與外貿(mào)依存度和外資依存度之間存在長(zhǎng)期均衡的關(guān)系。
(四)格蘭杰因果關(guān)系檢驗(yàn)
上文的協(xié)整檢驗(yàn)證實(shí)了這三個(gè)變量間存在著長(zhǎng)期的協(xié)整關(guān)系,但具體方向的因果關(guān)系仍然不能確定。為了研究LnTC、LnTR、這三個(gè)變量之間具體的因果關(guān)系,利用Granger因果檢驗(yàn)分析他們的因果關(guān)系,檢驗(yàn)結(jié)果顯示:外貿(mào)依存度與二氧化碳排放存在著單向的因果關(guān)系,湖北省對(duì)外貿(mào)易的增長(zhǎng)是導(dǎo)致二氧化碳排放增加的Granger原因,而二氧化碳排放不是對(duì)外貿(mào)易增加的Granger原因。
外資依存度和二氧化碳排放存在著單向的因果關(guān)系,即外資依存度是導(dǎo)致湖北省的二氧化碳排放量變化的Granger原因,而二氧化碳排放量的變化卻是外資依存度的Granger原因。
(五)脈沖相應(yīng)函數(shù)
脈沖響應(yīng)函數(shù)刻畫了內(nèi)生變量對(duì)誤差變化大小的反應(yīng),它是測(cè)量其隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差沖擊對(duì)內(nèi)生變量當(dāng)前值和未來(lái)取值帶來(lái)的變化,它不僅能全面映射變量間的動(dòng)態(tài)關(guān)系還可以量化各變量間擾動(dòng)影響的數(shù)量關(guān)系。故運(yùn)用Eviews7.0 軟件對(duì)構(gòu)建的VAR 模型進(jìn)行脈沖響應(yīng)函數(shù)分析,在此主要分析ln(C)、ln(TR)、ln(FD)間動(dòng)態(tài)關(guān)系的路徑變化,本文設(shè)定滯后階數(shù)為10 期,脈沖響應(yīng)結(jié)果表明:碳排放對(duì)對(duì)外貿(mào)依存度的脈沖響應(yīng)曲線接近于倒U型曲線,外貿(mào)依存度對(duì)碳排放的的沖擊為長(zhǎng)期的正效應(yīng)隨著滯后期的推進(jìn),而后沖擊力度小幅減緩并趨穩(wěn)水平,說(shuō)明外貿(mào)依存度對(duì)碳排放的沖擊為持久效應(yīng),即湖北省對(duì)外貿(mào)易水平的高低會(huì)對(duì)碳排放的變動(dòng)產(chǎn)生持續(xù)影響,對(duì)外貿(mào)易規(guī)模的擴(kuò)大,會(huì)導(dǎo)致碳排放水平的穩(wěn)步增加。而外資依存度對(duì)碳排放的沖擊為長(zhǎng)期的負(fù)效應(yīng),除去在第三期的小幅度增加外,其負(fù)效應(yīng)持續(xù)推進(jìn),到第10期達(dá)到最低水平-0.004682,就滯后十期結(jié)果來(lái)看,其對(duì)于碳排放的負(fù)效應(yīng)較小。所以由此得到的是對(duì)外貿(mào)易依存度對(duì)碳排放的沖擊作用較大,而外資依存度對(duì)碳排放的沖擊作用較小。
(六)方差分解分析
方差分解是通過(guò)將每一個(gè)內(nèi)生變量分解為結(jié)構(gòu)沖擊各期方差的線性組合,計(jì)算結(jié)構(gòu)沖擊在不同期限內(nèi)方差總和占各內(nèi)生變量總方差的比例來(lái)度量結(jié)構(gòu)沖擊對(duì)內(nèi)生變量的影響,可以更具體的表示內(nèi)生變量相互影響的重要程度。它能夠提煉對(duì)內(nèi)生變量產(chǎn)生影響的每個(gè)隨機(jī)擾動(dòng)的相對(duì)重要性信息,能夠量化每一個(gè)沖擊對(duì)內(nèi)生變量變化的貢獻(xiàn)度,這里主要分析ln(C)、ln(TR)、ln(FD)所受沖擊對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)率,方差分解結(jié)果表明:對(duì)外貿(mào)易依存度對(duì)碳排放變動(dòng)的貢獻(xiàn)率最大,但第1期開(kāi)始貢獻(xiàn)率達(dá)到85%逐漸下降,說(shuō)明外貿(mào)依存度對(duì)碳排放不僅會(huì)產(chǎn)生即時(shí)效應(yīng)還會(huì)在長(zhǎng)期產(chǎn)生較強(qiáng)的影響,但這種影響逐步減弱,直至第10期的22.64%。外資依存度對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)率在在滯后第5期達(dá)到最大值7.06%后,小幅度逐步下降直至4.19%。說(shuō)明外資依存度對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)具有短期時(shí)滯性和長(zhǎng)期顯赫的影響。而外資依存度的平均貢獻(xiàn)度則只有2.08%。這個(gè)結(jié)果與上面脈沖響應(yīng)函數(shù)分析所得的結(jié)論是一致的,即外商接投資對(duì)二氧化碳排放的影響比進(jìn)出口貿(mào)易的影響要小。
四、結(jié)論與建議
第一,協(xié)整分析。單位根檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)二氧化碳排放量、外貿(mào)依存度和外資依存度三個(gè)變量均屬于I(1)序列。Johansen協(xié)整檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)二氧化碳排放量與外貿(mào)依存度之間存在正的協(xié)整關(guān)系,而與外資依存度之間存在負(fù)的協(xié)整關(guān)系。因此,從實(shí)證角度來(lái)看,湖北省的進(jìn)出口貿(mào)易產(chǎn)生了負(fù)的環(huán)境效應(yīng)而外商直接投資產(chǎn)生了正的的環(huán)境效應(yīng)。第二,Granger因果關(guān)系。Granger因果關(guān)系檢驗(yàn)的結(jié)果顯示了外貿(mào)依存度和外資依存度對(duì)于碳排放的影響關(guān)系。說(shuō)明了外貿(mào)依存度和外資依存度是影響二氧化碳排放的重要影響原因。第三,脈沖響應(yīng)?;赩AR模型的脈沖響應(yīng)函數(shù)分析的模擬結(jié)果表明,外貿(mào)依存度沖擊響應(yīng)累計(jì)值為正值,外資依存度位負(fù)值,兩者都有一定的滯后效應(yīng)。二氧化碳排放對(duì)外貿(mào)依存度的沖擊響應(yīng)曲線大致呈現(xiàn)出倒U型的軌跡的趨勢(shì),整條沖擊響應(yīng)曲線位于水平線的上方,長(zhǎng)期來(lái)看外貿(mào)依存度對(duì)二氧化碳排放產(chǎn)生了正面影響。即外貿(mào)規(guī)模的擴(kuò)大會(huì)促使湖北省二氧化碳排放量的上升。二氧化碳排放對(duì)外資依存度的沖擊響應(yīng)曲線大致呈現(xiàn)持續(xù)負(fù)下降的軌跡的趨勢(shì),長(zhǎng)期來(lái)看外資依存度對(duì)二氧化碳排放產(chǎn)生了負(fù)面影響。由外貿(mào)依存度和外資依存度的沖擊所導(dǎo)致的二氧化碳排放在全部響應(yīng)期內(nèi)的峰值(分別為0.22176和0.04682)來(lái)看,外貿(mào)依存度對(duì)二氧化碳排放的影響力度很大,外資依存度的影響力度則較小。這一結(jié)果顯示由于進(jìn)出口規(guī)模的擴(kuò)大所帶來(lái)的二氧化碳排放的增加相當(dāng)嚴(yán)重。這從側(cè)面反映當(dāng)前湖北省政府所制定的各種貿(mào)易政策對(duì)優(yōu)化進(jìn)出口結(jié)構(gòu)的作用仍有限或其效應(yīng)仍未顯現(xiàn)出來(lái),如何促使對(duì)外貿(mào)易結(jié)構(gòu)盡早向可持續(xù)性、環(huán)保的方向改進(jìn)仍然是政府在制定和執(zhí)行貿(mào)易政策時(shí)需要考慮的主要因素之一。第四,方差分解基于VAR模型的方差分解分析結(jié)果表明,在整個(gè)預(yù)測(cè)期內(nèi)外貿(mào)依存度和外資依存度對(duì)二氧化碳排放方差分解的貢獻(xiàn)度分別為46.84%和4.463%,雖然外貿(mào)依存度和外資依存度對(duì)二氧化碳排放的方差分解貢獻(xiàn)度差別較大,但都呈下降趨勢(shì)。這又說(shuō)明了湖北省當(dāng)前的貿(mào)易產(chǎn)業(yè)政策向低碳化轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)。
針對(duì)以上分析結(jié)果,可以看出外貿(mào)依存度和外資依存度這兩個(gè)衡量區(qū)域貿(mào)易開(kāi)放程度對(duì)于湖北的碳排放具有長(zhǎng)期持續(xù)的影響效應(yīng)。如果將我國(guó)的貿(mào)易區(qū)域分為東部、中部和西部地區(qū),東部沿海地區(qū)作為我國(guó)主要的對(duì)外貿(mào)易基地的現(xiàn)狀短時(shí)間不會(huì)改變,中部地區(qū)對(duì)外貿(mào)易開(kāi)放程度并不高。但是不高并不代表沒(méi)有,湖北作為中部崛起的重要省份,湖北的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平在全國(guó)處于中上游水平,盡管貿(mào)易的比重并不算高,但是逐年增長(zhǎng)也保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍水平。更重要的是,近年來(lái),湖北大力的建設(shè)經(jīng)濟(jì),轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式,發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),特別是光釬等高新電子行業(yè)企圖走出中國(guó),走向世界,這都進(jìn)一步說(shuō)明湖北省企圖擴(kuò)大貿(mào)易程度的傾向。鑒于外貿(mào)依存度和外資依存度對(duì)于碳排放的長(zhǎng)期作用相反,盲目的擴(kuò)大貿(mào)易規(guī)??赡軙?huì)增加碳排放的產(chǎn)生,而由于外資依存度對(duì)于碳排放的負(fù)效應(yīng)作用,湖北省可以依據(jù)自身狀況,積極引進(jìn)外資,擴(kuò)大外資規(guī)模。外資依存度在湖北省對(duì)于碳排放的負(fù)效應(yīng)的重要原因可能在于湖北的外資引進(jìn)主要集中于高新或金融產(chǎn)業(yè),引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)取代落后的技術(shù)是有利于減排的,引進(jìn)資金投資在新興產(chǎn)業(yè)也有利于減排。所在外資依存度的擴(kuò)大會(huì)有利于減少二氧化碳的排放。當(dāng)前國(guó)際貿(mào)易體系要求中國(guó)工業(yè)從粗放型向技術(shù)集約型轉(zhuǎn)變,這種轉(zhuǎn)型對(duì)于湖北省要求也是一樣的。這要求湖北省需要建立穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)的清潔能源產(chǎn)業(yè)體系,通過(guò)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型實(shí)現(xiàn)能源強(qiáng)度的降低和能源消費(fèi)總量的下降。通過(guò)大力加強(qiáng)自主創(chuàng)新,切實(shí)抓好節(jié)能減排,積極推進(jìn)工業(yè)化與信息化融合,先進(jìn)制造業(yè)與生產(chǎn)業(yè)融合,加快市場(chǎng)主體培育,堅(jiān)持集約、集聚、集群發(fā)展,努力構(gòu)建富有競(jìng)爭(zhēng)力的現(xiàn)代工業(yè)體系,加快推進(jìn)新型工業(yè)化,不斷提升工業(yè)整體實(shí)力和競(jìng)爭(zhēng)力,促進(jìn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展,推動(dòng)工業(yè)大省向工業(yè)強(qiáng)省跨越,為構(gòu)建促進(jìn)中部地區(qū)崛起的重要戰(zhàn)略支點(diǎn)提供首要支撐。
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【摘要】 目的 :觀察腦活素(施普善)對(duì)慢性低氧高二氧化碳大鼠學(xué)習(xí)記憶功能的影響及大鼠海馬中caspase-3表達(dá)的變化,并探討可能的作用機(jī)制。方法 :篩選八臂迷宮訓(xùn)練后清潔級(jí)的雄性SD大鼠32只,隨機(jī)均分為對(duì)照組、模型組、施普善1 mL/kg組和施普善2.5 mL/kg組。采用八臂迷宮觀察干預(yù)前后大鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力的變化,Western-blot法檢測(cè)大鼠海馬caspase-3蛋白的表達(dá)。結(jié)果:與對(duì)照組比較,模型組大鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力下降,海馬中caspase-3明顯增高。與模型組大鼠比較,2種劑量施普善干預(yù)組大鼠的學(xué)習(xí)記憶能力明顯改善,且海馬中caspase-3的表達(dá)減少。結(jié)論:施普善具有改善慢性低氧高二氧化碳大鼠空間學(xué)習(xí)記憶作用,可能與抑制海馬中caspase-3表達(dá)有關(guān)。
【關(guān)鍵詞】 施普善;低氧;高二氧化碳血癥;學(xué)習(xí)記憶;半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3;海馬;大鼠
Abstract: Objective: To observe the effects of cerebrolysin on the learning-memory function and the changes of caspase-3 expression in the hippocampus of rats model with chronic hypoxia and hypercapnia,and to explore the probable mechanism. Methods: Thirty-two male S-D rats trained by eight-arm radial maze were pided into four groups: rats in the control group without treatment ;rats in chronic hypoxia and hypercapnia group were placed in the special closed cabin with hypoxia and hypercapnia for 8 hr a day, 6 day a week, 4 weeks and injected intraperitoneally with saline ;the rats in two treating group were injected intraperitoneally with 1 mg/kg and 2.5 mg/kg cerebrolysin, respectively. The learning-memory ability was measured using eight-arm radial maze and the expression of caspase-3 in the hippocampus was decteced with Western-blot.Results: Compared with the control group,the learning-memory ability was declined markedly and the expression of caspase-3 was increased significantly in chronic hypoxia and hypercapnia group. Nevertheless, the improvement of learning-memory and the less caspase-3 expression were observed in rats treated by two doses of cerebrolysin. Conclusion: Cerebrolysin may improve the learning-memory ability in rats with hypoxia and hypercapnia, which may be associated with the inhibition of the expressin of caspase-3 in the hippocampus.
Key words: Cerebrolysin;hypoxia;hypercapnia;learning-memory;caspase-3;hippocampus;rats
慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者存在不同程度的認(rèn)知功能障礙[1],但其機(jī)制目前尚不清楚。王小同等[2]在一系列研究中,證實(shí)慢性低氧高二氧化碳動(dòng)物模型大鼠存在空間學(xué)習(xí)和記憶障礙。施普善含有85%的游離氨基酸和15%低分子量生物活性肽,極易通過(guò)血腦屏障,具有神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)作用,已廣泛應(yīng)用于癡呆、腦卒中、腦外傷等引起的腦功能障礙治療,取得良好的臨床療效。本研究建立慢性低氧高二氧化碳大鼠模型,觀察施普善對(duì)其學(xué)習(xí)記憶功能障礙的治療作用及腦組織caspase-3蛋白表達(dá)的變化,并探討其可能的機(jī)制。
1 材料和方法
1.1 材料
常壓低氧高二氧化碳艙(溫州醫(yī)學(xué)院肺心病研究室研制),Medlab生物信號(hào)采集處理系統(tǒng)(南京美易科技有限公司),八臂迷宮(溫州醫(yī)學(xué)院神經(jīng)藥理研究所),八臂迷宮飼餌(浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院),施普善(Cerebrolysin,奧地利Ebewe藥廠,批號(hào)608260),caspase-3 抗體(Cell Signaling Technology公司),GAPDH優(yōu)質(zhì)內(nèi)參(上??党缮锕こ逃邢薰荆?/p>
1.2 動(dòng)物分組和模型制備
清潔級(jí)SD大鼠(溫州醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供)44只,體重280~310 g,經(jīng)八臂迷宮訓(xùn)練淘汰12只。32只大鼠隨機(jī)均分為4組:①對(duì)照組;②慢性低氧高二氧化碳組(模型組);③慢性低氧高二氧化碳施普善(1 mL/kg)干預(yù)組(施普善1 mL/kg組);④慢性低氧高二氧化碳施普善(2.5 mL/kg)干預(yù)組(施普善2.5 mL/kg組)。后3組大鼠適應(yīng)性飼養(yǎng)3 d后,置于常壓低氧高二氧化碳艙(氧濃度在9%~11%,二氧化碳濃度在5.5%~6.5%,艙內(nèi)溫度23~26 ℃,濕度50%~70%)內(nèi),每天8 h,在入艙前半小時(shí)按規(guī)定劑量分別予以腹腔注射生理鹽水和施普善;其余16 h放置于正常環(huán)境中。每周6 d,連續(xù)4周。
1.3 行為學(xué)測(cè)試
八臂迷宮測(cè)試:訓(xùn)練方法參照文獻(xiàn)[3]方法進(jìn)行訓(xùn)練,稱量自由攝食狀態(tài)下大鼠的體重,訓(xùn)練前大鼠禁食1 d,其后限食1 d,使其體重降至原體重的85%左右,在整個(gè)訓(xùn)練期間限食并維持原體重的85%左右。大鼠在迷宮中預(yù)適應(yīng)2 d,每天1次,第1天在八個(gè)臂中均撒上餌片任其自由攝食餌片10 min,第2天在固定的四臂中散上餌片(1、2、4、7臂),任其在迷宮中尋找食物10 min。訓(xùn)練時(shí),在選定的(1、2、4、7)臂中放置餌片,該次序維持到訓(xùn)練結(jié)束不變,將大鼠放于迷宮中央?yún)^(qū),用小桶蓋住,在迷宮中適應(yīng)15 s后提起小桶放出大鼠,大鼠可以自由選擇任意一臂攝取餌片。大鼠進(jìn)入有餌片的臂并攝取了餌片為一次正確的選擇不做記錄,重新進(jìn)入放餌片的臂稱為工作記憶錯(cuò)誤(working memory error,WME),第一次進(jìn)入不放餌片的臂稱為參考記憶錯(cuò)誤(reference memory error,RME),兩者之和為總的記憶錯(cuò)誤(total memory error,TE)。訓(xùn)練成功的標(biāo)準(zhǔn):連續(xù)5次訓(xùn)練錯(cuò)誤選擇次數(shù)為≤1次,同時(shí)WME必須為零。
1.4 caspase-3測(cè)定
大鼠斷頭處死,全腦取出置于冰盤上,依次取出皮層、海馬,去除腦膜和血管,迅速稱重后保存于液氮備用。取部分組織按1:10(密度:體積)加入細(xì)胞裂解液,冰上勻漿,13 000 g離心20 min收集上清液,BCA法測(cè)定蛋白濃度,等量蛋白(20~50μg)經(jīng)12%SDS-PAGE電泳后,電轉(zhuǎn)移至PVDF膜上,5%脫脂奶粉TBST室溫封閉1 h;加入相應(yīng)一抗(Caspase-3及內(nèi)參抗體GAPDH,1:1 000)4 ℃孵育過(guò)夜,TBST洗膜3次;加入HRP標(biāo)記的相應(yīng)二抗(1:10 000)室溫?fù)u床孵育1 h,TBST洗膜3次;ECL試劑作用5 min,X光膠片曝光。沖洗并掃描后結(jié)果用quality one軟件分析雜交條帶灰度值,以GAPDH水平為內(nèi)對(duì)照。
1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理方法
組間比較采用單因素方差分析。
2 結(jié)果
2.1 各組八臂迷宮測(cè)試結(jié)果
與對(duì)照組比,模型組大鼠WME錯(cuò)誤次數(shù)和TE明顯增多,差異有顯著性(P
2.2 各組海馬中caspase-3的表達(dá)
如圖2所示。與對(duì)照組比,模型組海馬中caspase-3的表達(dá)明顯增高,差異有顯著性(3.287±0.682 vs 0.523±0.131,P
3 討論
本實(shí)驗(yàn)?zāi)P徒M大鼠的WME,TE的錯(cuò)誤次數(shù)均明顯增加,而RME增加不明顯??梢?jiàn),慢性低氧高二氧化碳模型大鼠有空間學(xué)習(xí)記憶和工作記憶能力受損,且以短時(shí)記憶受損為著,與臨床上COPD患者的表現(xiàn)相似。
既往研究[4]發(fā)現(xiàn),施普善具有類似神經(jīng)生長(zhǎng)因子樣作用,可重建皮層微管相關(guān)蛋白水平,恢復(fù)神經(jīng)元正常細(xì)胞骨架,增加海馬和皮層樹(shù)突分支和突觸密度,影響血腦屏障葡萄糖載體的表達(dá),增加大腦葡萄糖運(yùn)輸,改善神經(jīng)元的能量代謝,從而發(fā)揮其神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)活性。切除海馬穹隆傘造成學(xué)習(xí)記憶功能障礙的大鼠,給予施普善治療后,不僅改善記憶能力,而且改善獲得新信息的能力[5]。本實(shí)驗(yàn)顯示,施普善干預(yù)組大鼠的TE,WME,RME錯(cuò)誤次數(shù)較模型組明顯減少,認(rèn)知功能明顯改善,提示1 mL/kg和2.5 mL/kg兩種劑量施普善具有快速改善慢性低氧高二氧化碳引起的認(rèn)知功能障礙的作用。
動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí),慢性低氧可導(dǎo)致腦組織結(jié)構(gòu)和功能的損害,細(xì)胞凋亡在其中起著重要作用。喻林升等[6]研究發(fā)現(xiàn),與對(duì)照組相比,慢性低氧高二氧化碳模型大鼠腦微血管和神經(jīng)元的超微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,神經(jīng)元變性、壞死和凋亡,海馬神經(jīng)元的凋亡尤為明顯。徐浩等[7]實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明,慢性低氧高二氧化碳可誘發(fā)大鼠海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡。已有研究報(bào)道,大鼠學(xué)習(xí)記憶功能受損與海馬神經(jīng)元的凋亡有密切關(guān)系[8]。Barhwal等[9]發(fā)現(xiàn)低氧環(huán)境中雄性Sprague Dawley大鼠水迷宮測(cè)試中工作記憶能力下降,海馬中凋亡蛋白如caspase-3表達(dá)明顯增高。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)模型組大鼠海馬的凋亡因子caspase-3表達(dá)顯著增強(qiáng),而1 mL/kg和2.5 mL/kg兩種劑量施普善干預(yù)組大鼠海馬組織中caspase-3表達(dá)明顯下降??梢?jiàn),慢性低氧高二氧化碳增加了大鼠海馬組織的細(xì)胞凋亡,而施普善的干預(yù)抑制了大鼠海馬組織的細(xì)胞凋亡,從而減輕海馬組織的損害。
Hartbauer等[10]采用低血清(2%胎牛血清)培養(yǎng)基的雞胚端腦神經(jīng)元細(xì)胞應(yīng)激模型,觀察施普善對(duì)神經(jīng)元活性和程序性細(xì)胞死亡的影響,發(fā)現(xiàn)施普善治療后的培養(yǎng)基中神經(jīng)元,凋亡相關(guān)的染色質(zhì)改變顯著減少,證實(shí)腦施普善的肽類成分具有抗凋亡作用,從而發(fā)揮長(zhǎng)期的神經(jīng)保護(hù)效應(yīng)。Yuan等[11]等研究表明,施普善可能通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡級(jí)聯(lián)反應(yīng),尤其通過(guò)caspase等因子的激活,從而引起細(xì)胞色素C釋放、Apaf-1復(fù)合體形成等發(fā)揮作用。當(dāng)然,施普善對(duì)于海馬神經(jīng)元抗凋亡的保護(hù)機(jī)制目前仍不清楚,有待進(jìn)一步的研究證實(shí)。
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實(shí)驗(yàn)用品
350mL定制反應(yīng)容器(2個(gè))、pH傳感器(2個(gè))、pH采集器(2個(gè))、二氧化碳傳感器(2個(gè))、注射器(2個(gè))、制取二氧化碳的實(shí)驗(yàn)裝置和藥品、DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及設(shè)備。
實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象
將二氧化碳傳感器、pH傳感器與采集器、電腦連接。
用2個(gè)注射器分別抽取40mL飽和氫氧化鈉溶液和水。
分別將帶有二氧化碳傳感器、pH采集器、注射器的橡皮塞塞在盛有二氧化碳的反應(yīng)容器上。
打開(kāi)二氧化碳傳感器、pH傳感器開(kāi)關(guān),打開(kāi)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)0澹瑔螕簟懊摍C(jī)”,單擊“開(kāi)始”選項(xiàng),采集二氧化碳濃度。
待二氧化碳濃度示數(shù)穩(wěn)定后,將注射器中的氫氧化鈉溶液和水迅速注入專用反應(yīng)容器中,觀察圖像中顯示的二氧化碳濃度、pH值隨時(shí)間的變化。
待二氧化碳的濃度、pH值穩(wěn)定后,單擊“結(jié)束”并保存實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)。
現(xiàn)象1(如圖2所示):氫氧化鈉溶液消耗二氧化碳的量遠(yuǎn)多于水。
現(xiàn)象2(如圖3所示):氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)后,pH值變化范圍是11~7.14,水與二氧化碳反應(yīng)后,pH值變化范圍是6~5。實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新之處
通過(guò)采集二氧化碳的濃度、pH值,可以及時(shí)、準(zhǔn)確地通過(guò)圖像顯示化學(xué)反應(yīng)中人體感官不能感知的現(xiàn)象,提供了一種新的實(shí)驗(yàn)探究方法。
本裝置包含水與二氧化碳的反應(yīng),排除了氫氧化鈉溶液中溶劑水對(duì)二氧化碳消耗量減少的影響。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn),使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加明顯、準(zhǔn)確。
裝置簡(jiǎn)單,操作方便。明顯、直觀的現(xiàn)象使學(xué)生更易明白酸性氣體的處理方法,即用氫氧化鈉溶液吸收。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說(shuō)明
本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是關(guān)于等體積的氫氧化鈉飽和溶液、水分別與等濃度的二氧化碳反應(yīng),消耗二氧化碳、pH值變化的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。其中,二氧化碳與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)主要是排除氫氧化鈉溶液中水對(duì)二氧化碳濃度減少的影響。在實(shí)驗(yàn)器材的選擇上,制取二氧化碳的發(fā)生裝置采用啟普發(fā)生器,便于控制二氧化碳的收集2個(gè)反應(yīng)容器采用體積相同的定制反應(yīng)容器,便于用排水法收集較純凈的二氧化碳,并在安裝傳感器時(shí)應(yīng)盡量減少瓶中二氧化碳的損失及空氣的進(jìn)入;氫氧化鈉溶液和水的加入通過(guò)2個(gè)體積相同的注射器,能有效控制加入的速度,操作方便、簡(jiǎn)單。
該項(xiàng)目獲得第27屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎(jiǎng)。
1.知識(shí)與技能: A.了解二氧化碳在自然界碳循環(huán)中的作用及意義。B.認(rèn)識(shí)二氧化碳的主要物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì),例舉一些用途。
2.過(guò)程與方法: A.從性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的條件和現(xiàn)象歸納出二氧化碳的性質(zhì)。通過(guò)有關(guān)二氧化碳性質(zhì)的實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)、觀察和描述實(shí)驗(yàn)的能力; B.初步了解科學(xué)探究的方法,初步學(xué)會(huì)概括、對(duì)比等科學(xué)方法。
3.情感態(tài)度價(jià)值觀: A.了解二氧化碳在自然界碳循環(huán)中的作用以及對(duì)人類生活和生產(chǎn)的意義; B.培養(yǎng)學(xué)生求實(shí)、合作、創(chuàng)新的品質(zhì); C.學(xué)習(xí)全面的認(rèn)識(shí)與評(píng)價(jià)自然界中的物質(zhì)。
【重點(diǎn)難點(diǎn)】
1.探索并總結(jié)二氧化碳的主要性質(zhì)
2.運(yùn)用觀察、實(shí)驗(yàn)等方法獲取信息,并對(duì)獲得的信息進(jìn)行加工。
【課前準(zhǔn)備】通讀本節(jié)教材,對(duì)感興趣的問(wèn)題進(jìn)行討論思考等探究,搜集相關(guān)知識(shí),準(zhǔn)備課堂討論。
【實(shí)驗(yàn)器材】酒精燈、試管夾、試管、集滿二氧化碳的塑料瓶、集滿二氧化碳的集氣瓶、石蕊試液。
【實(shí)驗(yàn)藥品】石蕊試液、稀硫酸、石灰水,蒸餾水、汽水、實(shí)驗(yàn)室制二氧化碳的藥品。
【教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)】
【情景創(chuàng)設(shè)】展示英國(guó)貝丁頓“零碳”社區(qū)圖片,簡(jiǎn)單介紹。
【講解】所謂“低碳”就是較低的二氧化碳排放。為什么要努力減少二氧化碳等溫室氣體的排放呢?二氧化碳過(guò)多對(duì)我們的生活產(chǎn)生了怎樣的影響呢?它對(duì)我們的生活有沒(méi)有貢獻(xiàn)呢?
【過(guò)渡】大家能不能依據(jù)我們所學(xué)的知識(shí)或已有的經(jīng)驗(yàn),簡(jiǎn)單談?wù)勀銓?duì)二氧化碳的認(rèn)識(shí)呢?
【學(xué)生交流】談?wù)剬?duì)二氧化碳的認(rèn)識(shí)。
【引入】二氧化碳究竟是種什么樣的氣體呢?下面讓我們來(lái)認(rèn)識(shí)下這種奇妙的氣體。
奇妙的二氧化碳
一、二氧化碳的物理性質(zhì)
1.展示一瓶CO2氣體,請(qǐng)同學(xué)描述所感受到的有關(guān)二氧化碳的物理性質(zhì)。
2.【探究活動(dòng)一】補(bǔ)充二氧化碳溶解性實(shí)驗(yàn)。
用塑料瓶收集一瓶二氧化碳?xì)怏w,再倒入一些水,立即塞緊瓶塞,晃動(dòng),觀察現(xiàn)象。
現(xiàn)象:塑料瓶變癟了。 結(jié)論:二氧化碳能溶于水
講解:通常狀況下,1體積水中能溶解1體積的二氧化碳?xì)怏w,壓強(qiáng)越大,溶解得就越多,如汽水、啤酒就是高壓溶入較多的二氧化碳所形成的。打開(kāi)飲料瓶,可以看到許多氣泡從飲料瓶中逸出,這些氣體便是二氧化碳。
3.二氧化碳的三態(tài)變化。固體二氧化碳叫“干冰”
二、二氧化碳的化學(xué)性質(zhì)。
1.二氧化碳與石灰水反應(yīng)
展示:一瓶汽水,讓學(xué)生捏瓶壁,感覺(jué)堅(jiān)硬,打開(kāi)瓶蓋,聽(tīng)、看到有氣泡出來(lái)。再捏瓶壁,較軟。
提出問(wèn)題:產(chǎn)生的氣泡是什么物質(zhì)?如何檢驗(yàn)?zāi)兀?/p>
【探究活動(dòng)二】二氧化碳的檢驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簷z驗(yàn)汽水瓶中的氣體是否是二氧化碳
現(xiàn)象:澄清石灰水變渾濁。 結(jié)論:汽水中產(chǎn)生的氣體是二氧化碳
文字表達(dá)式:二氧化碳+氫氧化鈣碳酸鈣+水
小結(jié):用澄清的石灰水檢驗(yàn)二氧化碳?xì)怏w
啟發(fā)提問(wèn):打開(kāi)瓶蓋,為什么會(huì)有二氧化碳出來(lái)?
2.二氧化碳與水反應(yīng)
【探究活動(dòng)三】二氧化碳與水反應(yīng)
提出問(wèn)題:二氧化碳溶于水時(shí),會(huì)不會(huì)與水發(fā)生反應(yīng)生成新物質(zhì)呢?
知識(shí)準(zhǔn)備:紫色石蕊試液遇到酸性物質(zhì)會(huì)變成紅色。
實(shí)驗(yàn)藥品:稀鹽酸、蒸餾水、紫色石蕊試液、紫色石蕊試液染成的干燥的小花、二氧化碳溶于水后的液體。
實(shí)驗(yàn):1.稀鹽酸使石蕊試液變紅(酸性的物質(zhì)能使石蕊試液變紅)
2.二氧化碳溶于水后的液體使石蕊試液變紅
提問(wèn):到底是什么物質(zhì)使石蕊試液變紅的呢?如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明你的猜想?
【交流討論】:
實(shí)驗(yàn):3.將紫色石蕊試液染成的干燥的小花放入盛有二氧化碳的集氣瓶中(無(wú)現(xiàn)象)
結(jié)論:二氧化碳不能使石蕊試液變色
實(shí)驗(yàn):4.在紫色石蕊試液染成的干燥的小花上噴水(無(wú)現(xiàn)象)。
結(jié)論:水不能使石蕊試液變色。
實(shí)驗(yàn):5.將噴水后紫色石蕊試液染成的干燥的小花放入盛有二氧化碳的集氣瓶中(變紅)。
結(jié)論:二氧化碳的水溶液中產(chǎn)生酸性的物質(zhì),該物質(zhì)是碳酸
二氧化碳+水碳酸
實(shí)驗(yàn):6.加熱實(shí)驗(yàn)2所得的紅色液體
現(xiàn)象;溶液由紅色變成紫色。
結(jié)論:碳酸不穩(wěn)定,易分解。碳酸二氧化碳+水
講解:人們利用二氧化碳能溶于水且能與水反應(yīng)生成這一特性制成飲料,供人飲用,說(shuō)明二氧化碳無(wú)毒。
提問(wèn):既然二氧化碳無(wú)毒,為什么會(huì)有人昏迷?
三、二氧化碳與人體健康的關(guān)系
閱讀:二氧化碳與人體健康的關(guān)系
提出問(wèn)題:你能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)人能否安全地進(jìn)入久為開(kāi)啟的菜窖?(燈火試驗(yàn))
播放視頻:死狗洞
學(xué)生:談?wù)動(dòng)^后的感想
小結(jié):1.二氧化碳不能供給呼吸,密度大于空氣。
2.進(jìn)入久未開(kāi)啟的菜窖、深井、深洞,一定要檢測(cè)其中的二氧化碳濃度(燈火試驗(yàn))。
【板書設(shè)計(jì)】
第二節(jié) 奇妙的二氧化碳(一)
一、二氧化碳的物理性質(zhì):1、色、態(tài)、氣味。2、溶解性。3、三態(tài)變化。
二、二氧化碳的化學(xué)性質(zhì):
1.二氧化碳與氫氧化鈣反應(yīng)。現(xiàn)象:澄清的石灰水變渾濁。
結(jié)論:二氧化碳+氫氧化鈣 碳酸鈣+水。此反應(yīng)用于檢驗(yàn)二氧化碳
2.二氧化碳與水反應(yīng)
現(xiàn)象:石蕊試液由紫色變成紅色,加熱后試液又由紅色變成紫色。
【關(guān)鍵詞】二氧化碳;科學(xué)視野;學(xué)習(xí)興趣
初中化學(xué)新課標(biāo)指出:在化學(xué)教學(xué)中,通過(guò)幫助學(xué)生了解化學(xué)制品對(duì)人類健康的影響,懂得運(yùn)用化學(xué)知識(shí)和方法治理環(huán)境,合理地開(kāi)發(fā)和利用化學(xué)資源,逐步學(xué)會(huì)從化學(xué)的角度認(rèn)識(shí)自然與環(huán)境的關(guān)系,分析有關(guān)的社會(huì)現(xiàn)象。
本文以二氧化碳一節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)為例,在講授完畢本節(jié)內(nèi)容后,教師可以設(shè)置問(wèn)題或布置任務(wù):如果二氧化碳過(guò)度排放,將對(duì)人類產(chǎn)生什么危害呢?人類又將如何應(yīng)對(duì)呢?由此引導(dǎo)學(xué)生深入思考。然后老師可以依據(jù)調(diào)研情況向?qū)W生說(shuō)明:空氣中大量排放的二氧化碳導(dǎo)致地表溫度上升、冰川溶化、海平面上升、給人類帶來(lái)災(zāi)難。盡管目前還無(wú)法科學(xué)計(jì)量,但確有跡象表明CO2所引起的氣候變化是很顯著的??刂茰p少大氣中二氧化碳的含量已引起全世界科學(xué)家的重視,在努力尋找轉(zhuǎn)化的方法,以保護(hù)環(huán)境。那么如何做到CO2的減排、封存和利用呢。在此可以向?qū)W生講授當(dāng)今二氧化碳處理利用的現(xiàn)狀,以達(dá)到拓展學(xué)生科學(xué)視野、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、提高環(huán)保意識(shí)的目的。
1.生物技術(shù)
利用光合作用吸收儲(chǔ)存二氧化碳,是控制二氧化碳最直接、副作用最小的方法。減少大氣中二氧化碳含量最簡(jiǎn)單的辦法就是植樹(shù)造林,也是最廉價(jià)的解決方案。樹(shù)木在生長(zhǎng)的過(guò)程中從空氣吸收二氧化碳,放出氧氣,以木材的形式存儲(chǔ)碳。據(jù)估計(jì),全世界森林中總共存儲(chǔ)著近1萬(wàn)億噸碳。然而,利用植物光合作用降低二氧化碳的效率很低,因?yàn)樾枰罅康耐恋貋?lái)植樹(shù)或農(nóng)作物。據(jù)計(jì)算,要平衡目前全球二氧化碳排放值,人們必須每年種植相當(dāng)于整個(gè)印度國(guó)土那么大面積的森林,顯然這是不可能的。但生物吸收二氧化碳的方法并非窮途末路,研究發(fā)現(xiàn)海洋生物吸收二氧化碳的潛力巨大。日本科學(xué)家已經(jīng)篩選出幾種能在高濃度二氧化碳下繁殖的海藻并計(jì)劃在太平洋海岸進(jìn)行繁殖,以吸收附近工業(yè)區(qū)排出的二氧化碳。美國(guó)一些研究人員以加州巨藻為載體,繁殖一種可吸收二氧化碳的鈣質(zhì)海藻,形成碳酸鈣沉入海底,騰出的巨藻表面可供繼續(xù)繁殖。
2.能源革新
二氧化碳的排放在很大程度上取決于為獲得能量而進(jìn)行的礦物燃料燃燒,因此改革能源形式或能量來(lái)源稱為減少二氧化碳排放的一個(gè)突破口,這也符合污染控制的原則,從源頭上控制二氧化碳的生產(chǎn)。
(1)燃料脫碳:即以含碳量較低的燃料(如石油和天然氣)或無(wú)碳燃料(如氫氣)取代含碳量較高的燃料(如煤),使得每單位能耗量的平均二氧化碳排放量減少。20世紀(jì)80年代美國(guó)化工界就提出將煤、生物體等不清潔燃料與氫氣反應(yīng)生成甲烷、一氧化碳、氫以及固態(tài)焦炭等,再將甲烷高溫分解成氫,一氧化碳以及固體炭黑,然后氫與一氧化碳合成甲醇,未反應(yīng)的氫與一氧化碳作為原料循環(huán)使用。
(2)燃料電池:即以電化學(xué)氧化產(chǎn)生電力,直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,燃燒效率達(dá)到40%-60%(與之相比火力發(fā)電的效率僅為30%左右),大幅節(jié)約了初級(jí)能源,避免了大量污染。重要的是,燃料電池是以氫為燃料的,燃燒產(chǎn)物是水,既解決了能源產(chǎn)生和輸送,又避免了環(huán)境污染。
3.二氧化碳的收集
二氧化碳的人為排放源主要有汽車、工廠等。然而在眾多汽車上安裝收集二氧化碳的設(shè)備不現(xiàn)實(shí),目前把收集二氧化碳的工作重點(diǎn)放在了以燃燒礦物燃料為主的發(fā)電廠上,這些發(fā)電廠的二氧化碳排放量大約占全世界二氧化碳排放量的1/4。在吸收塔中二氧化碳與醇胺接觸發(fā)生反應(yīng),釋放出濃縮的二氧化碳,并還原成化學(xué)吸收劑。另外,比較理想的辦法是將收集到的二氧化碳輸送到地下或海洋深處埋藏起來(lái)。石油開(kāi)采行業(yè)中有些油田為了增加留在地層孔隙中難以開(kāi)采的石油產(chǎn)量,向地下注入壓縮二氧化碳,以增大地下壓力,增強(qiáng)原油流動(dòng)性,提高原油的采收率。目前,美國(guó)每年有近百個(gè)油田為提高原油產(chǎn)量向地下注入500萬(wàn)噸左右的二氧化碳。盡管封閉的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是人們最理想的二氧化碳儲(chǔ)存之處,但是一些科學(xué)家指出,深海才是未來(lái)溫室氣體最大的潛在儲(chǔ)存庫(kù)。海洋表面每天都要吸收2000萬(wàn)噸的二氧化碳。據(jù)估計(jì),以海水溶解方式總共儲(chǔ)有46萬(wàn)億噸二氧化碳,但其容量還要大很多。因此即使人類向海洋加入兩倍前工業(yè)時(shí)代大氣濃度的二氧化碳,海洋的碳含量的變化也不超過(guò)2%。而且,通過(guò)自然過(guò)程,排放到大氣中的二氧化碳早晚也會(huì)轉(zhuǎn)移到海洋中。
4.二氧化碳的資源化利用
二氧化碳作為新的碳源,開(kāi)發(fā)綠色合成工藝已引起普遍關(guān)注。綜合利用二氧化碳并使之轉(zhuǎn)化為附加值較高的化工產(chǎn)品,不僅為碳一化工提供了廉價(jià)易得的原料,開(kāi)辟了一條極為重要的非石油原料化學(xué)工業(yè)路線,而且在減輕全球溫室效應(yīng)方面也具有重要的生態(tài)與社會(huì)意義。隨著人們對(duì)二氧化碳性質(zhì)的深入了解,以及化工原料的改革,二氧化碳作為一種潛在的碳資源,越來(lái)越受到人們的重視,應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫接行ч_(kāi)發(fā)。
【參考文獻(xiàn)】
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[3]周歡懷,艾宇.二氧化碳減排與可持續(xù)發(fā)展[J].杭州化工,2005,32(2):15-18
【作者簡(jiǎn)介】
目的研究超臨界二氧化碳萃取荊芥穗有效成分的最佳工藝條件。方法單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用正交實(shí)驗(yàn)研究萃取溫度、萃取壓力、二氧化碳流量、提取時(shí)間對(duì)超臨界流體萃取的有效成分得率影響。結(jié)果各因素對(duì)提取率的影響次序?yàn)椋簳r(shí)間影響最大,萃取壓力次之,萃取溫度最小。優(yōu)化后的工藝參數(shù)為:萃取壓力20 MPa,萃取溫度50℃,提取時(shí)間90 min,二氧化碳流量40 L/h。結(jié)論該法簡(jiǎn)便,選擇性高,高效可行。
【關(guān)鍵詞】 超臨界二氧化碳萃取 荊芥穗
荊芥穗為唇形科植物荊芥Schizonepeta tenuifolia Briq的干燥地上部分。其干燥花穗即為藥材荊芥穗。荊芥生用解表、散風(fēng)、透疹,用于治療感冒、頭痛、麻疹不透、蕁麻疹初期、瘡癤;炒炭止血、治便血、崩漏。荊芥穗效同荊芥,其芳香氣烈,祛風(fēng)發(fā)汗作用較全草強(qiáng)烈[1]?,F(xiàn)代藥理研究表明荊芥穗顯示出明顯的抗補(bǔ)體作用,其主要成分胡薄荷酮具有抗炎作用,薄荷酮具有鎮(zhèn)痛作用[2]。
超臨界二氧化碳流體進(jìn)行中草藥有效成分的提取是近些年發(fā)展迅速的提取新技術(shù)[3,4]。該技術(shù)是通過(guò)改變二氧化碳的溫度和壓力使之處于超臨界狀態(tài),利用二氧化碳在此狀態(tài)下對(duì)有機(jī)物的溶解度差異來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物的提取分離過(guò)程。超臨界二氧化碳對(duì)有效成分提取具有溶解度大,傳質(zhì)速率高,提取溫度低,流程簡(jiǎn)單,溶劑可循環(huán)使用,對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),是一種理想的分離方法。據(jù)文獻(xiàn)檢索,到目前為止尚沒(méi)有使用超臨界二氧化碳流體提取荊芥穗中有效成分的技術(shù)研究。本實(shí)驗(yàn)對(duì)該過(guò)程的工藝條件優(yōu)化進(jìn)行了較細(xì)致的研究。
1 儀器與材料
荊芥穗(購(gòu)于濟(jì)南建聯(lián)中藥店);二氧化碳(純度>99.9%,杭州飛翔氣體有限公司)。
HA220-50-06型超臨界萃取裝置(江蘇省南通市華安超臨界萃取有限公司);DFY-400型搖擺式高速中藥粉碎機(jī)(溫嶺市大德中藥機(jī)械有限公司)。
2 方法
2.1 實(shí)驗(yàn)流程超臨界萃取實(shí)驗(yàn)裝置(見(jiàn)圖1),主要包括冷凍系統(tǒng)、萃取系統(tǒng)和二級(jí)分離系統(tǒng)。
將粉碎后的荊芥穗(200~900目)裝入1L萃取釜中,設(shè)定實(shí)驗(yàn)所需萃取溫度、分離釜I溫度為50℃、分離釜II溫度為30℃。從鋼瓶出來(lái)的二氧化碳經(jīng)冷凝后通過(guò)柱塞泵升壓,在預(yù)定的溫度和壓力下藥材與超臨界二氧化碳充分接觸進(jìn)行傳質(zhì)過(guò)程。分別調(diào)節(jié)閥門使萃取釜達(dá)到設(shè)定壓力,再進(jìn)一步逐一調(diào)節(jié)閥門使分離釜I壓力達(dá)到10 MPa,分離釜II壓力達(dá)到5 MPa。整個(gè)實(shí)驗(yàn)條件調(diào)節(jié)過(guò)程在10 min內(nèi)設(shè)置好,并且實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)較為穩(wěn)定。溶解了有效成分的超臨界二氧化碳通過(guò)降壓閥進(jìn)行逐級(jí)降壓,萃取物分別在分離釜Ⅰ和分離釜Ⅱ接收。二氧化碳通過(guò)柱塞泵又再次循環(huán)進(jìn)入萃取釜反復(fù)使用。
通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),分離釜I得到的都是脂肪酸等大分子化合物,分離釜II為實(shí)驗(yàn)研究需要的有效成分。以單位藥材所得到的有效成分質(zhì)量計(jì)算有效成分得率。
2.2 超臨界二氧化碳萃取實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)單因素研究萃取溫度(35~60℃)、萃取壓力(12~30 MPa)、二氧化碳流量(16~50 L/h)、提取時(shí)間(0~100 min)基礎(chǔ)上,從實(shí)驗(yàn)過(guò)程的穩(wěn)定性出發(fā),選擇主要因素萃取壓力(A)、萃取溫度(B)、提取時(shí)間(C)3個(gè)因素,設(shè)計(jì)3因素3水平正交實(shí)驗(yàn),以有效成分得率為考察指標(biāo),優(yōu)化過(guò)程工藝。
3 結(jié)果
3.1 萃取壓力的影響壓力是超臨界萃取中的重要工作參數(shù)。從圖2可看到,壓力為12~20 MPa之間時(shí),荊芥穗有效成分的萃取率隨壓力的升高而增大,開(kāi)始增加較為明顯,這是因?yàn)樵谝欢囟认码S著萃取壓力的升高,二氧化碳密度增大,從而使溶解能力也增加,萃取率也相應(yīng)提高。但壓力超過(guò)20MPa后,萃取率反而下降,可能是由于二氧化碳?jí)毫υ礁?,傳質(zhì)速度越慢,擴(kuò)散系數(shù)也隨之減少,不利于進(jìn)一步的提取。同時(shí),從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看,高壓會(huì)增加設(shè)備投資和操作費(fèi)用,因而壓力也并非越大越好。
3.2 萃取溫度的選擇當(dāng)增加溫度時(shí),一方面流體的傳質(zhì)速率增加,降低了溶質(zhì)內(nèi)聚能,有利于有效成分從藥材中脫附,但是溫度升高導(dǎo)致流體密度會(huì)相應(yīng)下降,溶解力下降,不利于萃取。圖3則反映了溫度變化兩種影響因素競(jìng)爭(zhēng)對(duì)有效成分得率的影響情況。有效成分得率在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)一般隨萃取溫度增加先增大后減少。
3.3 二氧化碳流量的影響二氧化碳流量是由泵的頻率決定的,它們之間的關(guān)系是增函數(shù)關(guān)系而非正比關(guān)系。二氧化碳流量越大,說(shuō)明萃取釜中溶劑超臨界二氧化碳的更新速度越快。CO2 流量對(duì)萃取率的影響主要有兩個(gè)方面:一是CO2 流量增加,相當(dāng)于萃取劑與被萃取物有較大比值,傳質(zhì)速度加快,有利于被萃取物從物料中向超臨界流體中擴(kuò)散,從而提高萃取率;二是CO2 流量增加,超臨界CO2 的停留時(shí)間減少,CO2未達(dá)到萃取平衡,與物料接觸不充分以及在此流量下被萃取物來(lái)不及在解析中析出就被沖回萃取釜而使萃取率不大。結(jié)果見(jiàn)圖4。在萃取溫度45℃,萃取壓力16 MPa,萃取時(shí)間100 min情況下,隨著CO2流量的增加荊芥穗油萃取率開(kāi)始增大,當(dāng)其流量為40 L/ h時(shí)達(dá)到最大值,之后隨著CO2 流量增加,荊芥穗油萃取率降低。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中調(diào)節(jié)二氧化碳流量對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有影響,因此之后的正交實(shí)驗(yàn)均在最佳流量40 L/h條件下進(jìn)行。
3.4 提取時(shí)間的影響每次實(shí)驗(yàn)分別在10,20,40,60,80,90,100
min取樣1次,一般前4~5次取樣已經(jīng)獲得較多的萃取物,之后萃取物量較少。隨著時(shí)間增加萃取量增加,并且在實(shí)驗(yàn)初始10 min增加較快,原因是初始藥材中荊芥穗油含量高,與溶劑超臨界二氧化碳中油濃度之間梯度大,傳質(zhì)效果好。之后兩相之間濃度梯度逐漸降低,提取速度下降。80~100 min增加趨緩。
3.5 超臨界二氧化碳提取有效成分的工藝優(yōu)化在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,進(jìn)行L9(34)正交實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析見(jiàn)表1~2。由表2可以看出提取時(shí)間是該工藝過(guò)程中極為顯著性因素。綜合因素水平的極差分析,影響超臨界二氧化碳萃取荊芥穗有效成分收率大小先后次序?yàn)椋禾崛r(shí)間>萃取壓力>萃取溫度。為了獲得較高的有效成分得率,本研究過(guò)程中最佳的工藝參數(shù)組合為:萃取壓力20 MPa,萃取溫度50℃,提取時(shí)間90 min,二氧化碳流量40 L/h,分離釜I壓力10 MPa,分離釜I溫度50℃,分離釜II壓力5 MPa,分離釜II溫度30°C。在該實(shí)驗(yàn)條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)兩次,平均有效成分得率為6.28%。表1 超臨界二氧化碳萃取有效成分的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算,表2 方差分析(略)。
4 結(jié)論
超臨界二氧化碳萃取荊芥穗有效成分過(guò)程中,萃取溫度和萃取壓力增加,有效成分得率先增加后減少,合適的二氧化碳流量有利于傳質(zhì),得率隨提取時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸升高。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,各因素對(duì)有效成分得率的影響次序?yàn)椋禾崛r(shí)間>萃取壓力>萃取溫度。
通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)得到優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合為:萃取壓力20 MPa,萃取溫度50℃,提取時(shí)間90 min,二氧化碳流量40 L/h,分離釜I壓力10 MPa,分離釜I溫度50℃,分離釜II壓力5 MPa,分離釜II溫度30℃。
參考文獻(xiàn)
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教學(xué)目標(biāo)
知識(shí)目標(biāo)
使學(xué)生了解在實(shí)驗(yàn)室中制取氣體的方法和設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上,研討二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室制法;
通過(guò)討論,掌握實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的藥品和反應(yīng)原理;
通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究,學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的裝置;
能力目標(biāo)
通過(guò)實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的藥品和裝置的探究,逐步提高學(xué)生的探究能力;
通過(guò)小組合作,培養(yǎng)學(xué)生合作能力、表達(dá)能力;
通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的裝置,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)室制取氣體裝置的設(shè)計(jì)思路;
通過(guò)篩選二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室制法,發(fā)展觀察能力并提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
情感目標(biāo)
在探究中,使學(xué)生體驗(yàn)合作、發(fā)現(xiàn)的樂(lè)趣;
在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置過(guò)程中,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力,以及嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。
教學(xué)建議
課堂引入指導(dǎo)
方法一:引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)到目前為止學(xué)生已經(jīng)掌握的可以得到二氧化碳?xì)獾姆椒?,逐一篩選出適合實(shí)驗(yàn)室制備二氧化碳的方法,讓學(xué)生在教師的帶領(lǐng)下學(xué)會(huì)選擇,學(xué)會(huì)判斷,從中真正體現(xiàn)學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體,實(shí)驗(yàn)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)。
方法二:從實(shí)驗(yàn)室制氣的要求入手,講清楚原則,讓學(xué)生自己總結(jié),思考到底實(shí)驗(yàn)室中用什么方法來(lái)制備二氧化碳。
方法三:?jiǎn)蔚吨比胂戎v實(shí)驗(yàn)室中制二氧化碳的原理,讓學(xué)生思考,實(shí)驗(yàn)室選擇這種方法的依據(jù)是什么?通過(guò)對(duì)比突出該方法的優(yōu)越性,總結(jié)出實(shí)驗(yàn)室制氣的原則。
知識(shí)講解指導(dǎo)
注意講解時(shí)的條理性,使學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)室制二氧化碳的原理、裝置;檢驗(yàn)方法;讓部分學(xué)生清楚選擇該方法的原因和實(shí)驗(yàn)室制氣方法選擇的依據(jù)。
注意理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合,避免過(guò)于枯燥或過(guò)于淺顯,缺乏理論高度。
聯(lián)系實(shí)際,講二氧化碳滅火器的原理,適用范圍,必要時(shí)也可講解常用滅火器的使用方法。
關(guān)于二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室制法的教材分析
本節(jié)課在全書乃至整個(gè)化學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中,所占有的地位十分重要。它是培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中制取某種氣體時(shí),藥品的選擇、裝置的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)的方法等思路的最佳素材。上好此節(jié)課對(duì)學(xué)生今后學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)、化學(xué)基本實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)探究能力都有深遠(yuǎn)的影響。
本節(jié)知識(shí)的學(xué)習(xí)比較容易,學(xué)生在前面學(xué)習(xí)元素化合物的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)討論便可解決。本節(jié)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)是能力訓(xùn)練。學(xué)生在前面學(xué)習(xí)的氧氣、氫氣的實(shí)驗(yàn)室制法,具備了一些氣體制備的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)也已經(jīng)具備,此時(shí),在課堂教學(xué)中體現(xiàn)學(xué)生主體,讓學(xué)生真正參與到教學(xué)過(guò)程中來(lái)正是時(shí)機(jī)。教師提出探究問(wèn)題、引發(fā)學(xué)生思考;通過(guò)小組合作,設(shè)計(jì)方案、表達(dá)交流、實(shí)施方案、總結(jié)表達(dá)等環(huán)節(jié)完成整個(gè)探究。
關(guān)于二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室制法的教學(xué)建議
為了完成對(duì)學(xué)生探究能力的培養(yǎng),設(shè)計(jì)2課時(shí)完成此節(jié)教學(xué);
本節(jié)是典型的探究學(xué)習(xí)模式。其中有兩個(gè)探究:制備藥品的探究(快、易)、制取裝置的探究(重點(diǎn)、慢)。
講授過(guò)程指導(dǎo)
二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室制法可結(jié)合實(shí)驗(yàn)六二氧化碳的制取和性質(zhì)進(jìn)行邊講邊實(shí)驗(yàn)。
注意運(yùn)用討論法,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性??蛇m當(dāng)與氧氣、氮?dú)獾膶?shí)驗(yàn)室制法進(jìn)行對(duì)比;結(jié)合裝置講解制二氧化碳裝置與制氫裝置的區(qū)別與聯(lián)系(均是固液反應(yīng)不需加熱制氣);結(jié)合二氧化碳?xì)獾男再|(zhì),講解二氧化碳?xì)獾臋z驗(yàn)和驗(yàn)滿方法。
課程結(jié)束指導(dǎo)
復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)室制二氧化碳原理、裝置及驗(yàn)滿方法。
布置學(xué)生進(jìn)行家庭實(shí)驗(yàn),用醋酸和雞蛋殼或水垢制二氧化碳。
布置作業(yè),注意計(jì)算和裝置圖兩方面的內(nèi)容。
教學(xué)設(shè)計(jì)方案一
教學(xué)過(guò)程:
【引言】
二氧化碳是一種有廣泛用途的氣體,實(shí)驗(yàn)室中如何制取二氧化碳呢?想一想到目前為止,你知道多少種能夠制得二氧化碳的方法。
(學(xué)生討論,并列舉學(xué)過(guò)的可以得到二氧化碳的方法。教師在黑板上逐一記錄)
1.堿式碳酸銅熱分解
2.蠟燭燃燒
3.木炭燃燒
4.石墨等碳單質(zhì)在氧氣中燃燒
5.木炭還原氧化銅
6.碳在高溫下還原氧化鐵
7.碳酸受熱分解
8.人或動(dòng)物的呼吸
9.高溫煅燒石灰石……
引導(dǎo)學(xué)生討論作為實(shí)驗(yàn)室制法的條件是:
1.制取應(yīng)簡(jiǎn)便迅速;
2.所制得的氣體純度高,符合演示實(shí)驗(yàn)的需要;
3.操作簡(jiǎn)單、安全,易于實(shí)現(xiàn)。
學(xué)生評(píng)價(jià)每一種制得二氧化碳的方法是否可以作為二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室制法。
【板書】第四節(jié)二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室制法
【小結(jié)】以上方法都不能作為二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室制法。
【講解】經(jīng)過(guò)不斷研究改進(jìn),實(shí)驗(yàn)室中常用石灰石或大理石與鹽酸反應(yīng)來(lái)制備二氧化碳。
【板書】一反應(yīng)原理
1.試劑石灰石或大理石鹽酸
【講解】碳酸鈣與稀鹽酸反應(yīng)生成氯化鈣和碳酸,碳酸不穩(wěn)定,分解生成二氧化碳和水,故最終產(chǎn)物為氯化鈣、水和二氧化碳。
【板書】2.原理:
CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2
【提問(wèn)】可不可以用稀硫酸與石灰石或大理石來(lái)制取二氧化碳?
【演示】在兩個(gè)表面皿中分別放有大小一樣的石灰石各一塊,一支試管中加入稀鹽酸、一支試管中加入稀硫酸。(讓學(xué)生觀察到開(kāi)始都有二氧化碳生成,隨后加入硫酸的試管,反應(yīng)速率越來(lái)越慢,最后停止。)
【結(jié)論】不能用硫酸與石灰石或大理石來(lái)制取二氧化碳。
【講解】為了收集到二氧化碳需要什么樣的裝置來(lái)制備二氧化碳呢?反應(yīng)條件反應(yīng)物的狀態(tài)等對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置有較大的影響。碳酸鈣是塊狀固體,鹽酸是液體,且反應(yīng)進(jìn)行時(shí)不需要加熱,根據(jù)這些特點(diǎn),我們可以選擇什么樣的反應(yīng)裝置呢?(必要時(shí)教師可以講解制氧氣、氫氣的裝置特點(diǎn))
【板書】二、反應(yīng)裝置:
(學(xué)生回答、教師歸納)
【講解】因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室制取二氧化碳和實(shí)驗(yàn)室制取氫氣的反應(yīng)藥品狀態(tài),反應(yīng)條件類似,故可以采用相似的裝置來(lái)制取。用投影顯示制氫氣和制二氧化碳的裝置圖
【討論】
1.長(zhǎng)頸漏斗是否可用普通漏斗代替?
2.錐形瓶可否用其他儀器來(lái)代替?
3.根據(jù)二氧化碳的性質(zhì),可以采用什么方法收集二氧化碳?
4.如何檢驗(yàn)二氧化碳是否收集滿?
(學(xué)生討論、回答,然后教師實(shí)驗(yàn)演示、講解)
【演示】用普通漏斗代替長(zhǎng)頸漏斗,結(jié)果沒(méi)有在集氣瓶中收集到二氧化碳。
【講解】
1.因?yàn)槠胀┒奉i太短,產(chǎn)生的二氧化碳?xì)鈺?huì)從漏斗處逸出。長(zhǎng)頸漏斗下端管口在液面下被液體封住,氣體不會(huì)從長(zhǎng)頸漏斗處逸出。
2.錐形瓶可以用廣口瓶、大試管等玻璃儀器代替。
3.氣體收集方法主要取決于氣體的密度和氣體在水中的溶解性。因二氧化碳可溶于水生成碳酸,故不宜用排水法收集。二氧化碳比空氣重,所以常采用集氣瓶口向上排氣法收集。
4.可以根據(jù)二氧化碳不能燃燒,也不支持燃燒的性質(zhì),可以將燃著的木條放在集氣瓶口,如火焰熄滅,則說(shuō)明二氧化碳已收集滿。
【板書】三收集方法:向上排氣法
驗(yàn)滿方法:將燃著的木條放在集氣瓶口,火焰熄滅,已經(jīng)收集滿。
【板書】四、實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳
【演示】制取并驗(yàn)證二氧化碳?xì)怏w。
【提問(wèn)】怎樣證明生成的氣體是二氧化碳?
(將氣體通入澄清石灰水中變渾濁)
【講解】上一節(jié)學(xué)過(guò)二氧化碳不能燃燒也不支持燃燒,可以用來(lái)滅火,如液態(tài)二氧化碳滅火器。還有其它一些二氧化碳型滅火器。
【錄像】各種二氧化碳型滅火器介紹
【演示】滅火器原理實(shí)驗(yàn)。
常用二氧化碳滅火器主要有:
(1)泡沫滅火器(2)干粉滅火器(3)液態(tài)二氧化碳滅火器
【小結(jié)】通過(guò)已學(xué)習(xí)過(guò)的氧氣、氫氣、二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室制取,歸納出氣體實(shí)驗(yàn)室制取的設(shè)計(jì)思路及方法,必須明確制取氣體的順序是:
1.了解實(shí)驗(yàn)室制取氣體所需藥品及相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式。
大氣中二氧化碳、甲烷、二氧化硫、氫氟烴等氣體濃度的增加,都可以導(dǎo)致溫室效應(yīng)的產(chǎn)生。其中一半原因是二氧化碳濃度的增加。
在地球的生物圈中,動(dòng)物、微生物和人類的呼吸產(chǎn)生二氧化碳,森林火災(zāi)、火山噴發(fā)也產(chǎn)生大量的二氧化碳,這是二氧化碳的自然產(chǎn)生過(guò)程;而綠色植物和海洋表面則吸收大量的二氧化碳。自然產(chǎn)生和自然吸收,使二氧化碳在大氣中的濃度處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡中,形成了生物圈內(nèi)碳的循環(huán)。但隨著城市化、工業(yè)化、交通現(xiàn)代化的發(fā)展以及人口的劇增,煤、石油、天然氣等化工燃料的大量消耗,使二氧化碳導(dǎo)致溫室效應(yīng)的氣體增加,參加自然界碳的循環(huán)。進(jìn)入80年代后,每年都有超過(guò)60億噸二氧化碳被排放到空中。海洋、綠色植物吸收二氧化碳的能力有限,多余的二氧化碳便滯留在大氣層中。二氧化碳可以強(qiáng)烈地吸收紅外線,多余的二氧化碳阻止熱量在夜間從受太陽(yáng)加熱過(guò)的地球逸散出去,結(jié)果熱量便聚集起來(lái),反過(guò)來(lái)加熱地球。地球的氣候便由此變暖,這就是所謂的溫室效應(yīng)。
溫室效應(yīng)的產(chǎn)生,影響著地面的熱平衡??茖W(xué)家預(yù)測(cè)如空氣中二氧化碳的濃度由現(xiàn)在的345ppm(ppm表示一百萬(wàn)份重量的溶液中所含溶質(zhì)的重量。百萬(wàn)分之幾,就叫幾個(gè)ppm)增加到690ppm,那么氣溫將比現(xiàn)在上升3.5~4.2℃。隨著地球溫度的上升,海水將出現(xiàn)熱膨脹現(xiàn)象,兩極冰雪的融化量增加,海平面升高。海拔很低的馬爾代夫、基里巴斯、巴哈馬等島國(guó),太平洋上著名的中途島、圣誕島、各國(guó)的沿海城市都將遭受滅頂之災(zāi),而且只要海平面稍有上升,風(fēng)暴、潮汐便會(huì)加劇。
溫室效應(yīng)正改變著全球的降雨量和土壤的溫度。熱帶地區(qū)降雨增多,濕度加大;大陸內(nèi)地將更加干燥。中國(guó)大部分地區(qū)位于亞歐大陸腹地,受溫室效應(yīng)的影響,極有可能加速大西北地區(qū)的干旱和沙漠化進(jìn)程。
環(huán)境是地球生命的支持系統(tǒng)。愛(ài)護(hù)環(huán)境,保護(hù)氣候已成為當(dāng)今世界的熱點(diǎn)問(wèn)題,是全人類的共同事業(yè)。要減少甚至消除溫室效應(yīng)的影響,就必須減少二氧化碳等導(dǎo)致溫室效應(yīng)的氣體的排放;同時(shí)加強(qiáng)生物圈對(duì)二氧化碳的吸收能力。
首先,節(jié)約能源,開(kāi)發(fā)新能源和再生能源。如大力開(kāi)發(fā)無(wú)污染的氫能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐和地?zé)豳Y源;積極發(fā)展仿生學(xué)、探討節(jié)能的奧秘等等。一旦成功,無(wú)疑會(huì)給令人頭疼的節(jié)能問(wèn)題開(kāi)辟一個(gè)新紀(jì)元。
其次,減少向大氣中釋放氫氟烴等氣體,阻止南、北極臭氧洞的擴(kuò)張和臭氧層的衰竭。