一、课程教学目标
课程目标1. 能够将化学的自然科学知识的原理和方法用于理解和表述化学、化工问题。
课程目标2. 能够将数学、物理、化学等基本原理用于识别复杂化学与化学工程问题的关键点和参数;能够将有机化学中的基本理论应用于化合物的活性的分析;能够掌握有机化合物结构的测试方法和解析方法
课程目标3:能够将化学与工程专业知识用于复杂化学与化学工程问题的解决方案;能够将有机化学的基础反应和反应机理应用于药物、化工产品的合成设计。
二、思政育人目标
借助有机化学学习中得名人传记、科技发展、实践应用,培养学生爱国精神、奉献精神、创新精神;批判性思维、正确的三观;科技强国理念。
三、课程思政典型教学案例设计
案例一:绪论(批判性思维的培养)
所属课程: 有机化学
教学内容:有机化学和有机化合物定义
育人目标: 通过介绍有机化学和有机化合物定义,培养学生批判性思维
教学过程:
绪论部分是一门课的第一次课,教材上的内容是非常简单的,但是要真的讲的非常好却不是那么容易,既要传授知识同时还要能提升学生的学习兴趣,在这两者同时具备的基础上如果再能将课程思政融入,在让学生学习专业知识的同时,还能帮助其提升综合素质,这才算是一节优质的绪论课。在讲有机化学的发展史时,提到了Wohler在加热氰酸铵时得到了尿素,通过该反应,实现了从无机物人工制成有机物的实例,颠覆了当时的生命力论,虽然Wohler的导师Berzilius是当时生命力的代表人物,但是Wohler却尊重自己所做的实验事实,对他的导师Berzilius勇敢地提出了质疑,并由此开辟了有机合成的新纪元。
根据上述的课程案例,我想到了对学生进行要树立严谨科学态度,尊重实验事实而不盲从权威的教育。实践是检验真理的唯一标准。指导学生认清实践是人们获得真理的重要来源,同样,我们理论课所学到的各种理论知识都可以在实验中或者在实践中进行检验。
所以在学习的过程中,当发现自己从老师那里或者书本上接受到的信息和自己的实验事实不一致时,要多问为什么,如果是自己理解的不对要及时改正过来,如果通过相关实例反复论证,发现了存在的问题,要勇于质疑,同时在以后的学习或者科学研究过程中要认真对待自己的每一次实验,如果发现自己的实验事实与现有的理论观点或者老师的观点不相符,要多做几组实验进行比对,如果通过多次的重复实验仍然与现有的观点或理论不相符,要学会分析原因,并持有一定的怀疑精神,当然怀疑精神不是盲目怀疑,不是一看到你做的结果和别人不一样就怀疑别人所做结果的错误,这是不对的,要经过反复论证之后,确实证明自己的结果是正确的,在这种情况下,我们要做的是尊重事实,而不是盲从权威。在做实验的过程中无论实验是失败还是成功,失败了要学会分析原因,成功了要认真总结成功的方法,积累经验。通过把这些思政元素融入有机化学课堂,培养学生实事求是的科学态度以及不盲从权威的怀疑精神。
案例二:烷烃的裂解反应(中国人告别了洋油点灯的日子)
所属课程:有机化学
教学内容:烷烃的化学性质
育人目标:学习老一辈科学家的爱国情怀、创新意识、奉献精神
教学过程:
烷烃的裂解反应属于烷烃化学性质之一,也属于石油催化裂化的一部分。所以在学习第一章烷烃的化学性质,讲到烷烃的裂解反应时,很自然地引入了中国催化裂化奠基人陈俊武。
陈俊武,1927年3月出生于北京,石油炼制工程专家,主要从事炼油工程设计和技术开发工作 。中国催化裂化奠基人。从1949年参加工作开始,他不仅创造了石油炼制、煤化工领域的多个中国第一、世界第一,退休后仍著书育人,为中国石化行业培养了一批优秀人才 。2019年10月,中宣部授予"时代楷模"荣誉称号。20世纪40年代末,陈俊武从北京大学化工系毕业。1949年建国前夕,他克服重重困难,带着母亲从台湾返回大陆,投身到国家建设中来。他怀着振兴石油石化工业的梦想,主动要求到生活条件艰苦的抚顺,从事人造石油项目设计与生产。20世纪60年代,他急国家之所急,刻苦攻关,打破外国技术封锁,带领团队完成了我国第一套流化催化裂化装置的开发和建设,催开了我国炼油技术的第一朵“金花”。他持续探索创新,主持完成的同轴式催化裂化、渣油催化裂化技术先后获得国家科技进步一等奖。20世纪90年代,他怀着为国分忧的满腔热忱,将目光转向国家石油替代战略研究,指导完成了甲醇制烯烃技术工程放大及工业化推广应用,为我国煤炭资源深度转化利用开辟了全新技术路线。陈俊武同志始终以国家需要为使命,以企业发展为目标,始终涵养家国情怀,不忘初心使命,把个人命运融入国家发展伟业,为国家石油石化工业发展而不懈努力。
他曾先后主持过多个炼油厂和上百套炼油装置的设计,开创了催化裂化工业实践的新理论和新方法。他以严谨的科学态度,深入实际,深入一线,准确计算,反复论证,力争每个项目的设计都有所创新,每次问题的解决都为日后同类装置的建设积累经验。在实践中遇到新问题,他总要用科学的方法去探究,在精细严谨的工作中寻求答案。他主编的《催化裂化工艺与工程》一书,系统总结了我国催化裂化技术的工业实践。全书在20多年间出版再版三次,内容丰厚、逻辑缜密,材料数据完善翔实,荣获第八届全国优秀科技图书二等奖,受到石化行业读者的广泛好评。陈俊武同志严以治学,聚精会神,精钻细研,一丝不苟,始终以“严、细、实、恒”的作风,精细严谨地对待工作。
多年来,他直面制约企业发展的技术难题,自我加压,持续探索,推动了石油石化工业技术的创新发展。在抚顺石油三厂工作时,他主动承担炼油设备的技术革新任务。面对技术复杂、资料缺乏的困难,他深入考察国外先进技术,收集国内相关研究成果,结合实际,创造性应用,在催化裂化领域开创性地研发了一系列反应-再生工程技术,使催化裂化技术从跟踪模仿转变到自主创新,实现了跨越式发展。进入耄耋之年,他以科学家的责任与担当,高度关注温室气体排放和低碳经济研究,出版了《中国中长期碳减排战略目标研究》专著,为国家碳排放政策的制定、能源结构的调整、能源使用效率的提高、确保经济持续发展提出了积极的科学建议。陈俊武同志始终致力于解放思想,实事求是,敢于创新,敢闯新路,以永不懈怠的精神、时不我待的追求,迎难而上,抢占先机,引领中国石化的未来发展。
《求是》2019年第24期这样评价陈老:心有大我、至诚报国,始终把"国家需要"扛在肩上;敢为人先、勇于登攀,在炼油工业领域创出共和国多个第一;老骥伏枥、奋斗不止,退休后三十年仍躬耕科研一线;淡泊名利、甘为人梯,为国家精心培养高水平石油石化专家 。中央广播电视总台2019年10月5日晚间播出的《新闻联播》节目以《陈俊武:许国七十载有志年华事竟成》为题报道时指出:陈俊武自觉把个人理想融入党和国家的事业中,攻坚克难,急国家之所急;矢志创新,与国家共奋进,这体现了一个知识分子深沉的爱国情怀和坚定的使命担当。
案例三:甲烷(生活中随处可见的能源)
所属课程:有机化学
教学内容:生活中的烷烃
育人目标:培养学生科技强国理念
教学过程:
烷烃中最小的分子是甲烷分子,甲烷是生活中很多燃料的主要成分,比如天然气、沼气、可燃冰、页岩气。它们都属于清洁能源。我们国家页岩气的储量居世界第一,为什么还要进口天然气呢?
页岩气是指附存于富有机质泥页岩及其夹层中,以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气,成分以甲烷为主,是一种清洁、高效的能源资源和化工原料,主要用于居民燃气、城市供热、发电、汽车燃料和化工生产等,用途广泛。
美国进行页岩气开采大约有近百年历史,是世界最大的页岩气生产国。全球页岩气技术可采资源量排名前5位国家依次为:中国、美国、阿根廷、墨西哥和南非。根据美国能源情报署(EnergyInformationAdministration)估计,中国的页岩气储量超过其它任何一个国家,可采储量有1275万亿立方英尺。这些储量足够中国使用300多年。2020年10月,我国首个商业开发的大型页岩气田——中国石化涪陵页岩气田累计生产页岩气400亿立方米,创国内页岩气累计产气新纪录,源源不断的绿色气源惠及长江经济带沿线6个省、70多个城市、2亿多居民。该气田于2012年12月开始建设,为当时北美以外世界首个页岩气重大商业发现;2014年3月提前进入商业开发,成为我国首个进入商业开发的大型页岩气田,也使中国成为美国、加拿大之后世界上第三个实现页岩气商业开发的国家。2017年如期建成百亿方年产能,每年可减排二氧化碳1200万吨,相当于植树1.1亿棵,停开轿车800万辆。涪陵页岩气田的成功开发树立了我国能源开发史上新的里程碑,开启了我国能源革命的新征程。2017年3月涪陵页岩气田如期建成100亿方年产能。2018年、2020年、2021年,累计产气分别突破200亿方、300亿方、400亿方,大踏步迈过4个百亿产量阶梯,实现跨越式发展。在储量方面,2020年10月,经自然资源部评审认定,涪陵页岩气田累计探明储量达7926.41亿立方米。涪陵页岩气田采用“丛式井”设计、“井工厂”施工、集中建设集气站点等,节约单井土地征用面积30%以上;投用国内首个页岩气产出水处理厂,实现废渣不落地、废水不外排、废气不上天。气田连续9年保持安全环保“四无”目标,被自然资源部评价为页岩气开发“绿色典范”,助力实现“双碳”目标。
纵观人类发展历史,科技创新始终是一个国家、一个民族发展的重要力量,也始终是推动人类社会进步的重要力量。所以科技创新必须担当起历史重任,以创新驱动发展,使我们国家迈向建设世界科技强国的新征程。
案例四:青蒿素(中医药给世界的一份礼物)
所属课程:有机化学
教学内容:天然有机化合物的分离
育人目标:培养学生的爱国意识、奉献精神、创新意识。
教学过程:
有机化学的两块非常重要的内容,一是分离提纯,二是结构鉴定。而天然产物中蕴含着大量的非常重要的有机化合物,比如青蒿素。于是很自然地提到2015诺贝尔生理医学奖获得者屠呦呦。
1930年12月30日,屠呦呦出生于浙江省宁波市,是家里5个孩子中惟一的女孩。"呦呦鹿鸣,食野之蒿",《诗经·小雅》的名句寄托了屠呦呦父母对她的美好期待。1951年,屠呦呦考入北京大学,在北大医学院药学系学习 ,专业是生药学; 在大学4年期间,屠呦呦努力学习,取得了优良的成绩。在专业课程中,她尤其对植物化学、本草学和植物分类学有着极大的兴趣。
20世纪60年代,在氯喹抗疟失效、人类饱受疟疾之害的情况下,在中医研究院中药研究所任研究实习员的屠呦呦于1969年接受了国家疟疾防治项目“523”办公室艰巨的抗疟研究任务。屠呦呦担任中药抗疟组组长, 从此与中药抗疟结下了不解之缘。
由于当时的科研设备比较陈旧,科研水平也无法达到国际一流水平,不少人认为这个任务难以完成。只有屠呦呦坚定地说:“没有行不行,只有肯不肯坚持。”通过整理中医药典籍、走访名老中医,她汇集了640余种治疗疟疾的中药单秘验方。在青蒿提取物实验药效不稳定的情况下,出自东晋葛洪《肘后备急方》中对青蒿截疟的记载——“青蒿一握,以水二升渍,绞取汁,尽服之”——给了屠呦呦新的灵感。通过改用低沸点溶剂的提取方法,富集了青蒿的抗疟组分,屠呦呦团队最终于1972年发现了青蒿素。
1972年,屠呦呦和她的同事在青蒿中提取到了一种分子式为C15H22O5的无色结晶体,一种熔点为156℃~157℃的活性成份,他们将这种无色的结晶体物质命名为青蒿素。青蒿素为一具有"高效、速效、低毒"优点的新结构类型抗疟药,对各型疟疾特别是抗性疟有特效。屠呦呦几十年来致力于严重危害人类健康的世界性流行病疟疾的防治研究,从中医药这一伟大宝库中寻找创新源泉,从浩瀚的古代医籍中汲取创新灵感,从现代科学技术中汲取创新手段,与她领导的研究团队坚持不懈,克服困难,联合攻关,成功地从中草药青蒿中提取出青蒿素,并研制出系列青蒿素类药品,这一成就挽救了全球特别是发展中国家数百万人的生命,在世界抗疟史上具有里程碑意义。
2015年10月5日 ,瑞典卡罗琳医学院在斯德哥尔摩宣布,中国女科学家屠呦呦和一名日本科学家及一名爱尔兰科学家分享2015年诺贝尔生理学和医学奖,以表彰他们在疟疾治疗研究中取得的成就 。屠呦呦由此成为迄今为止第一位获得诺贝尔科学奖项的本土中国科学家 、第一位获得诺贝尔生理医学奖的华人科学家 ,由此实现了中国人在自然科学领域诺贝尔奖零的突破。这是中国医学界迄今为止获得的最高奖项,也是中医药成果获得的最高奖项。屠呦呦说:“青蒿素是人类征服疟疾进程中的一小步,是中国传统医药献给世界的一份礼物。” 2016年2月14日,获"感动中国"2015年度人物。春草鹿呦呦:青蒿一握,水二升,浸渍了千多年,直到你出现。为了一个使命,执着于千百次实验。萃取出古老文化的精华,深深植入当代世界,帮人类渡过一劫。呦呦鹿鸣,食野之蒿。今有嘉宾,德音孔昭。
有谁能皓首穷经埋在古籍里,收集2000多种方药、筛选380余种中药提取物,只为快速找到抗疟灵感?
有谁能在经历了数不清的失败后,还能再坚定地多尝试一次,最终找到用乙醚提取青蒿素的方法,将对疟原虫抑制率提高到100%?
有谁能在试验环境简陋,没有通风系统、实验防护的情况下,患上中毒性肝炎后仍然坚守科研一线?
有谁能甘当“小白鼠”,以身试药,确保青蒿素的安全使用?
有谁能为了验证青蒿素的疗效,不顾自身安危,第一时间赶去海南疟区现场临床试用?
有谁能为了倾全力研制青蒿素,将女儿送去老家寄养?
屠呦呦都做到了。
案例五:黄鸣龙还原法(第一个以中国人名字命名的有机化学反应)
所属课程:有机化学
教学内容:羰基还原反应
育人目标:培养学生的爱国精神、奉献精神、不畏艰险勇攀登的精神
教学过程:
黄鸣龙(1898-1979),江苏扬州人 。有机化学家,中国甾族激素药物工业奠基人。1938-1940年,黄鸣龙先在德国先灵药厂研究甾体化学合成,后又在英国密得塞斯医院的医学院生物化学研究所研究女性激素。在改造胆甾醇结构合成女性激素时,首次发现甾体中的双烯酮反应,用于生产女性激素。
1940年,黄鸣龙取道英国返回祖国,在昆明中央研究院化学研究所任研究员,并在西南联合大学兼任教授。在当时科研条件极差、实验设备与化学试剂奇缺的情况下,他仍能想方设法就地取材。他从药房买回驱蛔虫药山道年,用仅有的盐酸、氢氧化钠、酒精等试剂,在频繁的空袭警报的干扰下,进行了山道年及其一类物的立体化学的研究,发现了变质山道年的四个立体异构体可在酸碱作用下成圈地转变,并由此推断出山道年和四个变质山道年的相对构型。这一发现,为以后中国外解决山道年及其一类物的绝对构型和全合成提供了理论依据。
1945年,黄鸣龙应美国著名的甾体化学家L.F.Fieser教授的邀请去哈佛大学化学系做研究工作。一次在做Kishner-Wolff还原反应时,出现了意外情况,但黄鸣龙并未弃之不顾,而是继续做下去,结果得到出乎意外的好产率。于是,他仔细分析原因,又通过一系列反应条件中的实验,终于对羰基还原为亚甲基的方法进行了创造性的改进。现此法简称黄鸣龙还原法,在国际上已广泛采用,并被写入各国有机化学教科书中。此方法的发现虽有其偶然性,但与黄鸣龙一贯严格的科学态度和严谨的治学精神是分不开的。1949-1952年黄鸣龙在美国默克药厂从事副肾皮激素人工合成的研究。1949年中华人民共和国诞生。当时黄鸣龙正在美国,从不断寄来的家书中,他呼吸到祖国的清新气息并受到了鼓舞。他贪婪地阅读来自祖国的画报、杂志。抗美援朝战争爆发了,一向埋头科研、自诩“不问政治”的他,订了两种报纸,墙上还贴起了大幅地图。他的小女儿回忆当时的情景说,“抗美援朝成了父亲的特殊科研项目,也成了全家议论的主题。他常常站在地图面前给家里人讲解战局的发展。他常对我们说‘一个人不能为科学而科学,应该为人民为祖国作出贡献’”。在垂暮之年迎来祖国的新生,黄鸣龙无限激动,他冲破美国政府的重重阻挠,趁应邀去德国讲学和做研究工作之机,摆脱跟踪,绕道欧洲辗转回国。
他把全部精力献身给祖国的科学事业。他重视自己的专业和科研工作与实际需要的结合,他说:他说:"一方面,科学院应该做基础性的科研工作,不应目光短浅,忽视暂时应用价值不显著的学术性研究。但另一方面,对于国家急需的建设项目,应根据自己所长协助有关部门共同解决,不可偏废,更不应将此两者相互对立起来。"
1952年黄鸣龙回国后的工作目标,主要是发展有疗效的甾体化合物的工业生产。当时,甾体激素药物工业已在世界上兴起,而我国却是一项空白。为了创立我国甾体激素药物工业,他带领一部分青年科技人员,开展了甾体植物的资源调查和甾体激素的合成研究。
1958年,中国药学史翻开了新的一页。在黄鸣龙领导下,以国产薯蓣皂素为原料,合成“可的松”成功了。这项原来安排在第三个五年计划的项日,提前数年得到实现。它不但填补了我国甾体工业的空白,而且使我国合成可的松的方法,跨进了世界先进行列。在合成可的松基础上,许多重要的甾体激素如黄体酮、睾丸素、地塞米松等都在20世纪60年代初期先后生产了。不久我国又合成了数种甾体激素药物。为此,当时作为资本主义国家王牌的可的松的价格不得不大幅下降。而我国的甾体激素药物也从进口变成了出口。当“可的松”投产成功,人们向黄鸣龙祝贺时,他满怀欢欣而又异常谦虚地说:“我看到我们国家做出了可的松,非常地高兴,我这颗螺丝钉终于发挥作用了。”
从此,我国的甾体激素药物接连问世,药厂也接连投产,不管是原料资源,还是合成路线,黄鸣龙总是竭尽全力,不辞辛劳,他经常奔波于实验室和工厂之间。与此同时,黄呜龙还亲自开课,系统讲授甾体化学,为祖国培养出一批甾体化学的专门人才。我国第一次甾体激素会议,也是在他的主持下召开的。因此,大家称黄鸣龙是我国甾体激素药物工业的奠基人,是我国甾体化学领域的开拓者。
1964年,身为中国科学院数理化学部委员的黄鸣龙,以他突出的贡献,当选为第三届人大代表。会上,听到周思来总理在政府工作报告中展示的“四化”宏图,听到周总理提出要重视计划生育,防止人口过快增长,他立刻联想到国外有关甾体激素可作避孕药的报道,决心响应周总理的号召,为人民继续发挥螺丝钉的作用。
1964年,黄鸣龙领导研制的口服避孕药甲地孕酮获得成功,受到全世界关注。不到一年时间,几种主要的甾体避孕药物很快投入了生产,接着在全国推广使用,受到了广大群众的欢迎。
1979年7月1日,黄鸣龙因病离开了人世。噩耗在报上发表后,海内外的同事、同行、学生纷纷发来唁电,同声悼念这位世界科学界著名的化学家、药学家。美国纽约《美洲华侨日报》还报道了他战斗的一生,对他为人类作出的卓越贡献表示崇高的敬意。在半个世纪的科学生涯中,他始终忘我地战斗在科研第一线,值得人们永远敬仰和怀念。
案例六:手性化合物拆分(不对称之美)
所属课程:有机化学
教学内容:对映异构
育人目标:通过教学培养学生学会分析问题的能力,理解手性药物命名的含义,并理解药物研发中的困难与成就;能够利用所学知识思考生活中常见的问题;使学生了解科研方法,从而培养学生跨学科分析问题的能力,并辅助学生树立正确的科学观。
教学过程:
上世纪五六十年代发生的医学悲剧,R构型的沙利度胺具有镇静作用,而S构型具有严重的致畸性。“反应停”事件开启了手性药物的研究,目前市售的药物中有50%都是手性药物。比如,这些常见药物的命名中有“左右”,结构中有“RS”。化学家们为了获取特定结构的分子不断努力,2001年诺贝尔化学奖就颁发给了研究不对称催化的化学家。这些体现科学严谨性的名称有什么含义呢?
在19世纪,人们发现葡萄酒桶底部的结晶呈现旋光性,巴斯德在显微镜下手工分离出右旋和左旋酒石酸盐,被评为“历史上最美的化学实验”,巴斯德严谨和锲而不舍的科研作风值得我们学习。这个实验证明了对映异构现象。那么什么是对映异构和对映体呢?这里要引入一个重要的概念,手性。“手性”,形象的说,就是手的性质。左右手彼此互为镜像,却无法重合。如果与碳原子相连的4个原子或基团都不相同,则该分子的镜像和该分子是无法重叠的,这个碳原子就是手性碳原子。具有手性碳原子的分子就会存在互为镜像但不能重合的立体异构体,称为对映体,这种现象称为对映异构。对映体具有旋光性,也称为旋光异构体。能够使偏振光振动方向向左旋转的对映体是左旋异构体,符号为(-),另一种为右旋异构体,符号为(+)。比如运动后使我们肌肉酸痛的乳酸分子是右旋的,而乳糖发酵出的乳酸是左旋的,它们等比例混合后就是外消旋乳酸。分子的旋光性可以用旋光仪测出。但是,我们在测定一个对映体的旋光性之前,该如何科学地描述它的构型呢?我们来学习RS构型的确定。将与手性碳原子相连的四个基团按顺序排列大小,把最小的基团放在离眼睛最远的地方,其他三个基团按由大到小的方向旋转,如果旋转方向为顺时针,手性碳为R构型,如果旋转方向为逆时针,手性碳为S构型,这里R和S来自拉丁文。
这里有一个问题,基团大小的顺序是如何判断的呢?简而言之,在元素周期表中原子序数大的原子优先,这是CIP顺序规则。比如,在该乳酸分子中,最小的氢原子里眼睛最远,氧比碳的原子序数大,所以最优先的基团是羟基,其次羧基和甲基中与碳原子相连的氧原子优先,羧基比甲基优先,逆时针旋转,该乳酸分子为S构型。
就像反应停那样,为什么同一种药物分子的对映体之间存在药理差异呢?就像插头与插座、钥匙与锁的关系一样,需要相互匹配,这就是药物分子对映体之间存在药理差异的原因。回到沙利度胺,虽然现在禁止孕妇使用,但是科学家们没有停止对它的研究,老药新用,它对于治疗很多病症具有良好的效果。科研难免会走一些弯路,如何把这些问题改正并利用到更合适的地方是值得我们思考的问题,这就是坚持不懈的科学精神。
为了更好地指导与规范手性药物的研发,各国陆续出台了多种相关的政策和指导意见。目前呢,人类还有许多尚待攻克的疾病,比如癌症、艾滋病等,手性药物的研发将会为人类最终攻克这些疾病提供巨大的支持。
大到宇宙星辰,小到生命体内的DNA等分子,都是具有对映异构现象的,这种体现生命之美的立体化学现象最初是由范托夫提出的,他是第一位诺贝尔化学奖得主。“不对称”之美让我们认识到了生命的各种神奇特征。期待某一天,手性药物可以攻克更多目前难以治疗的疾病,让“生命的不对称之美”绽放。
案例七:自由基聚合反应(高分子吸水保水材料)
所属课程:有机化学
教学内容:自由基聚合反应——聚丙烯酸钠的合成
育人目标:
1. 通过教学培养学生学会分析问题的能力,理解聚丙烯酸钠高吸水保水性的原因,并理解身穿成人尿不湿的医护人员的努力;能够利用所学知识思考生活中常见的问题。
2. 通过教学使学生了解科研方法,从而培养学生跨学科分析问题的能力,并辅助学生树立正确的科学观。
教学过程:
尿不湿的发明,一方面解放了家长的双手,另一方面也把宝宝的屁股从湿热的尿布中解救了出来。尿不湿为什么具有高吸水保水的效果呢?高吸水性聚合物又是如何制备的呢?这节课我们来学习自由基聚合反应,揭秘尿不湿的秘密。
烯烃是一种理想的聚合反应单体,烯烃聚合的本质其实是打断π键,生成σ键,从而形成链状高分子的过程。因此啊,能够打开双键并形成活性中间体的试剂往往也可以引发烯烃的聚合。根据烯烃中共价键断裂的方式以及反应机理,聚合反应的类型可分为自由基聚合、离子聚合、配位聚合等等。这节课我们学习自由基聚合反应。自由基是指共价键发生均裂而形成的具有不成对电子的原子或基团。自由基聚合反应是由自由基引发,聚合单体变为活性自由基,聚合链不断增长的反应。自由基聚合反应包括四个过程:慢引发、快增长、速终止、有转移。我们来看具体的过程。
我们可以把每一个丙烯酸钠单体中的π键拟人成一双抱紧自己的小手。在聚合反应发生以前,有无数抱紧自己的丙烯酸钠聚集在一起。这时候,引发剂过硫酸钾出现了,通过氧化还原反应产生了活性自由基。之后,类似于引发剂牵起单体的一只手,单体就空出了一只手,因此,一个引发剂就可以启动两条链式反应。这个过程叫做链引发。引发过程是慢速的,类似于前几天苏伊士运河中搁浅的货轮一旦启航,整个堵塞航道就疏通了,后续的链增长过程呢就快速发生了。这就是管理学中的木桶理论,盛水的高度取决于最低的那块木板,同学们可以思考一下自己的“短板”,并尽早弥补它。
接下来,带有自由基的单体又会继续牵起更多的单体,分子量逐渐增加,这个过程就是聚合反应的链增长。此时,聚合反应中同时存在增长的碳链、没有牵手的单体以及还没有来得及牵到手的引发剂等各种角色。
两条空出一只手的碳链牵起来之后,两个聚合反应就结束了,这个步骤称为链终止。链终止有耦合终止、歧化终止等类型。
如果空出一只手的碳链牵走了另外一个引发剂中的基团,那么这条聚丙烯酸钠碳链就终止了,而另外一条链又可以启动了,这个过程称为链转移。当反应中所有的分子都手牵手生成σ键以后,反应就结束了。
通过自由基聚合反应可以制备聚丙烯酸钠,尿不湿里的聚丙烯酸钠具有高吸水性,能够吸附自身重量近千倍的水,同时又具有保水性。就像是烧杯里的聚丙烯酸钠吸水后,把烧杯倒扣过来,水也不会流出,所以尿不湿能够确保宝宝屁股的干爽。
聚丙烯酸钠为什么具有高吸水保水的效果呢?加入交联剂,比如二乙烯基类化合物的聚丙烯酸钠,由支链型结构变为体型结构,该网络结构既有吸水性又不溶于水,且耐挤压,不易失水,因此具有高吸水保水效果。具体来看,吸水的第一阶段为毛细管吸附和分散作用;第二阶段为水分子通过氢键与树脂的亲水基团作用,亲水基团离解,离子之间的静电排斥力使树脂的网络扩张。网络内外产生渗透压,水份进一步渗入;第三阶段随着吸水量的增大,网络内外的渗透压差趋向于零,而网络扩张的同时,其弹性收缩力也在增加,逐渐抵消阴离子的静电排斥,最终达到吸水平衡。
现在不仅是婴幼儿使用,有些宠物也穿上了“尿不湿”出门,以保护公共卫生。还有供成人使用的尿不湿,大家请观看——医务工作者们身穿尿不湿,组成了抗疫期间一道道坚实的防护线。尿不湿是谁发明的?最初又用在哪里呢?上世纪六十年代初,航天事业崛起,宇航员以何种方式排尿成为迫在眉睫的问题,华人唐鑫源成为“尿不湿”的发明人,他被誉为“太空服之父”。希望同学们都能学有所得,为社会做出贡献。
化学改变生活,科技创造未来!
案例八:共振论(培养学生的爱国意识和奉献精神)
所属课程:有机化学
教学内容:共振论
育人目标: 通过介绍共振论的提出者鲍林一生对化学的贡献,对和平的热爱,引导学生学习老一辈科学家的大爱大义,以此过度到最美的逆行者等,培养学生的爱国意识和奉献精神。
教学过程:
共振论是由鲍林提出来的,鲍林的一生对化学的贡献是非常大的,他提出了电负性、价键理论、杂化轨道理论、共振论等概念,并两次获得诺贝尔奖,一次是诺贝尔化学奖,一次是诺贝尔和平奖。从鲍林身上我们学到了老一辈科学家的大爱、大义。生活中值得我们学习的人有很多,2019年年底新冠肺炎出现以来,全国上下在党中央的领导下,开始进行一场无硝烟的疫情防疫阻击战,在这场战争中,无数的白衣天使逆流而上,冲锋在抗疫一线,有的甚至献出了宝贵的生命。钟南山院士、陈薇院士更是身体力行,就连普通老百姓也积极响应国家的号召,居家隔离,全国上下十四亿中国人民心连心共同抗击疫情,我为我生在伟大的中国而骄傲。于此同时我也在思考,作为一名普通的人民教师,我能为国家做点什么呢?尽我本职,我能做的是在我的三尺讲台上尽我所能为国家多出一份力,将更多的正能量传递给我的学生。在讲好专业课的同时,在课堂中融入了大量的思政元素。都说榜样的力量是无穷的,疫情期间涌现了大量的有责任、有担当、有道义的人物:国民偶像钟南山院士,曾号召“把重病人都送到我这里来”,如今已近84岁高龄了仍再次挂帅出征,是榜样;少将陈薇院士,阻击非典、抗击埃博拉、在面临冠状病毒疫情时,义无反顾,再次冲在了抗疫第一线,是榜样;2015年诺贝尔奖获得者屠呦呦,虽然没有亲临抗疫一线,但是她研究的青蒿素被用于非洲的疟疾治疗,在这样一个非常时刻又添硕果,被证实可以用于治疗红斑狼疮,为国争光,是榜样;无数逆流而上的白衣天使,他们明知前路有风险,仍砥砺前行,是榜样;榜样可以是大人物也可以是小人物,网上有几组图片上了热搜,照片中孩子们专注学习的样子感动了很多人,雪山的山顶,邻家的屋顶,医院的病房,大队的队部,有信号的崖壁,都见证了孩子们的努力拼搏、不畏艰难、只为了心中的梦想,他们专注、拼搏、坚持、有梦想,难道不应该成为我们学习的榜样吗?什么是我们应该崇拜的人?什么是我们应该学习的榜样?投身疫情的院士、逆向而行的天使、疫情时期仍奋战在一线的所有工作者、为了梦想不畏艰难专注学习的孩子们,都应该是我们学习的榜样。回顾历史,人类与传染病之间的斗争从未停止,屠呦呦指出:在全球化时代,人类的命名是共通的,当疾病肆虐的时候,没有人可以独善其身。在这样的非常时刻,作为新时代的大学生,在疫情期间,当我们居家隔离时,我们能做的是什么?努力学习有朝一日能更好地报效祖国自不用说,在学习专业知识的同时,我们更要注重内涵的提升。无知识的道德很可怕,但无道德的知识更可怕。成绩很重要,所以我们要向专注学习的孩子们学习,但绝不是人生的前提和唯一。拥有知识,却没有内涵,只会给社会带来更大的杀伤力。榜样的力量是无穷的,我们要向他们学习,学习他们的大义、担当、奉献、爱国。除了成绩,我们更要学会付出、懂得感恩、学会担当。内我们可以做到克己自律,外我们可以做到悲悯担当,只有这样,我们的国家才会越来越好。有很多人总是会抱怨我们的国家、我们的社会、我们的政策,但时间可以向你证明一切,在每一个生死关头,我们总能化险为夷,因为什么?因为我们的身后总是站着一个人,这个人就是我们的母亲,她的名字叫“中国”。
案例九:烷烃的卤代反应(正确三观的培养)
所属课程:有机化学
教学内容:烷烃的卤代反应
育人目标:通过介绍烷烃卤代反应速控步的概念,培养学生树立正确的三观
教学过程:
烷烃卤代反应是有机化学第二章中非常重要的内容,该反应的反应机理为自由基机理,其中有一步是速率最慢的这一步,叫速率控制步骤。学生很难理解速率控制步骤的含义,在此处引入牧羊理论和木桶理论。让学生明白速控步含义的同时教育学生要学会认识自己的不足同时也要发现自己的长处。木桶中最短的一块板相当于我们的缺点,我们要通过努力不断的使其越来越长,这样我们才会越来越优秀。化学反应也是如此,认识速控步的重要性就在于我们可以通过改进我们的实验方法而提升反应速率。在帮助同学们理解速控步的概念的同时,提高了积极性,同时也培养了学生树立正确的三观。不盲目自信也不盲目自卑。同时还可以引入我们国家的脱贫攻坚战,只有处于底层的困难群众都实现脱贫才叫真的共同富裕。
四、课程思政实施成效及学生反馈
学生反馈说有机化学老师是他入大学以来最喜欢的老师、老师有满满的正能量。通过有机化学的学习不仅学到了专业知识,还领悟到了很多做人、做事的道理。