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关键词:水解 应用 浓度 酸碱性
盐的水解是指在溶液中盐电离出来的阳离子(或阴离子)与水电离出来的OH—(或H+)结合生成弱电解质的反应。它的实质是纯水中存在电离平衡:H2O H+ + OH—,此时C(H+) = C(OH—),溶液显中性。加入强碱弱酸盐或强酸弱碱盐时,弱离子结合H+或OH—,使水的电离平衡向电离方向移动,使得C(H+) ≠ C(OH—),故使得溶液显碱性或酸性;也使得这类盐溶液中存在两个平衡,即盐的水解平衡和水的电离平衡;这也使整个体系处于最稳定状态。那么盐类水解有那些应用呢?下面就简单分析一些盐类水解的应用:
一、溶液的配制或贮存
1、强酸弱碱盐在配制时,因弱碱根离子发生水解,为抑制其水解,通常加入相应的强酸,如配制FeCl3溶液时,由于Fe3+发生水解:Fe3++3H2O Fe(OH)3+3H+,从而导致所配溶液中的Fe3+浓度偏低,为抑制Fe3+的水解,通常将FeCl3固体溶解在相应的浓盐酸中,然后加水稀释至所需浓度,这样增大H+浓度,使Fe3+的水解平衡向
逆方向移动,Fe3+水解程度减小。
2、强碱弱酸盐在配制时,因弱酸根离子发生水解,为抑制其水解,通常加入相应的强碱,如配制Na2CO3溶液时,由于CO 发生水解:CO +H2O HCO +OH— ,从而导致所配溶液中CO 的浓度偏低,为抑制CO 的水解,通常加入少量NaOH,这样增加了OH—离子的浓度,使CO 的水解平衡向逆方向移动,CO 的水解程度减小。
3、保存强碱弱酸盐溶液时,通常用带有橡胶塞的试剂瓶,而不用玻璃塞,如Na2CO3溶液,由于其水解,导致水溶液显碱性,而碱会腐蚀玻璃。
二、判断盐溶液的酸碱性
一般地,强碱弱酸盐溶液,显碱性,如(2007年全国高考题)0.1mol/L NaHCO3溶液的PH值最接近多少,因为NaHCO3是强碱弱酸盐,HCO 会发生水解:HCO +H2O H2CO3+OH—,故溶液显碱性,再根据水解程度很小,就可选出是C项;强酸弱碱盐溶液,如AlCl3溶液,由于Al3+发生水解:Al3++3H2O Al(OH)3+3H+,所以其水溶液显酸性;强酸强碱盐溶液,显中性,如NaCl溶液;多元弱酸的酸式盐溶液,要视弱酸根离子的水解与电离程度的相对大小,如NaHCO3溶液显碱性,因在溶液中,存在水解:HCO +H2O H2CO3+OH—,也存在电离:HCO CO + H+,且其水解程度大于其电离程度,故显碱性;而NaHSO3溶液显酸性,因在水溶液中,存在水解:HSO +H2O H2SO3+OH—,也存在电离:HSO SO + H+,且其电离程度大于水解程度,故显酸性。
三、盐溶液中离子浓度的比较
由于强酸弱碱盐或强碱弱酸盐中,弱碱根离子或弱酸根离子的水解,导致各离子的关系与盐电子出的离子比例不相同。
例:(2000年广东卷)在甲酸溶液中加入一定量的NaOH溶液,恰好完全反应。对于生成的溶液,下列判断一定正确的是:
A.C(HCOO-) (Na+)
C.C(OH-)> C(HCOO-) D. C(OH-)
解析:甲酸跟氢氧化钠恰好完全反应,即等物质的量起反应,生成等物质的量的甲酸钠和水。由于HCOO-离子的水解:HCOO-+H2O HCOOH+OH-,因此溶液中HCOO-离子浓度要比Na+离子浓度小,则A项正确,B项不正确。而水解的HCOO-离子只是很小的一部分,所以生成的OH-离子浓度远不及HCOO-离子浓度大,即D项正确,C项不正确。
四、判断盐溶液蒸干时所得产物
1、水解生成挥发性酸的盐溶液,蒸干时得不到原溶质,如AlCl3 Al(OH)3
Al2O3,因AlCl3在蒸干时,Al3+发生水解:AlCl3+3H2O Al(OH)3 +3HCl ,然后2Al(OH)3 Al2O3+3H2O,所以产物不是AlCl3;若水解生成难挥发性酸的盐溶液,蒸干后仍得原溶液溶质,如Al2(SO4)3。
2、水解生成强碱的盐溶液,蒸干后一般能得到原溶质,如Na2CO3。
3、受热易分解的盐溶液,因其分解而得不到原溶质,如NaHCO3,此因其在蒸发过程中,发生反应:2NaHCO3 Na2CO3+CO2 +H2O ,故最后得到的不是原溶质,而是Na2CO3。
4、在空气中易氧化的盐溶液,一般因氧化而得不到原溶质,如Na2SO3,蒸发过程中,发生反应:2Na2SO3+O2 = 2Na2SO4,故最终产物是Na2SO4。
5、浓缩时易结合结晶水的盐溶液,浓缩时也得不到原溶质,如CuSO4溶液,蒸发浓缩时并不能得到CuSO4,而是得到结晶水合物CuSO4? 5 H2O。
五、利用盐溶液来制取H2
某些活泼金属与强酸弱碱盐溶液反应而产生气体。如:少量Zn投入到浓的NH4Cl溶液中,因NH 发生水解:NH + H2O NH3?H2O+ H+,导致溶液显酸性,故能产生H2,又由于反应消耗H+,使水解平衡向正向移动,故产生NH3。
六、在生产、生活中的应用
1、泡沫灭火器原理:用Al2(SO4)3与作用,Al2(SO4)3是强酸弱碱盐,NaHCO3是强碱弱酸盐,混合后发生双水解,反应离子方程式为:Al3+ + 3HCO = Al(OH)3 + 3CO2 。
2、制取净水剂:通常用铁盐、铝盐来制取净水剂,如用明矾(KAlSO4?12H2O)作净水剂,发生水解:Al3+ + 3H2O Al(OH)3+ 3H+,A l(OH)3胶体能吸附水中悬浮杂质,起到净水作用。
3、制取胶体:用饱和盐溶液水解来制取胶体Fe (OH)3,如用FeCl3饱和溶液滴入沸水中制取Fe(OH)3胶体:Fe3+ + 3H2O Fe(OH)3(胶体) + 3H+。
4、化肥合理使用:铵态氮肥不能与草木灰混用,因为NH 与CO 在水溶液中发生双水解:2NH + CO = 2NH3 +CO2 ,而造成氮的损失。
5、加强洗涤效果:热的纯碱溶液去污效果更好,因为在纯碱溶液中存在:CO +H2O HCO +OH—,HCO + H2O H2CO3+ OH—,升温,使上述两个平衡向右移动,水解程度增大,碱性增强,进而使油酯水解更彻底。
关键词:盐类水解;高中化学;高考热点
中图分类号:G632.3 文献标识码:B 文章编号:1002-7661(2014)04-184-01
《盐类的水解》位于选修四第三章第三节。高考考试大纲和考试说明中必考内容都有明确要求:了解盐类水解的原理、影响盐类水解程度的主要因素、盐类水解的应用。这一节既是高中化学的重点,又是高中化学的难点,同时也是高考的热点。笔者现对盐类的水解一节进行详细分析,以期和广大教师和同学们交流。
一、盐类水解的定义
在溶液中盐电离产生的离子与水电离产生的H+或OH-结合生成弱电解质的反应,叫做盐类的水解。认真理解、体会定义,可以进一步知道盐类水解的实质。
二、盐类水解的实质
盐电离出的离子与水电离出的离子反应生成弱电解质,破坏了水的电离平衡,促进了水的电离。注意:发生水解的盐溶液里同时存在两个平衡:水的电离平衡和盐的水解平衡。
三、盐类水解的规律
1、有弱才水解,无弱不水解;谁弱谁水解,都弱都水解。并不是所有的盐都能水解。若能水解的话,盐必须是强酸弱碱盐、强碱弱酸盐或弱酸弱碱盐;而具体水解的离子则是弱碱的阳离子或是弱酸的阴离子。
2、越弱越水解。电解质的电离程度越小,其离子水解的程度就越大。电解质的电离程度越大,其离子水解的程度就越小。
四、影响盐类水解的因素
1、内因:由于弱电解质的电离较微弱,且该过程可逆,是一个动态平衡;因此其电离出的离子就会水解,建立一个水解平衡。
2、外因:温度、浓度、溶液酸碱性的变化
①温度越高,水解程度越大(越热越水解)。
盐的水解是酸碱中和反应的逆反应。由于中和反应放热,故盐的水解是一个吸热过程。因此,温度升高,该动态平衡向吸热(水解)的方向移动。②浓度越小,水解程度越大(越稀越水解)。③加入其他物质,可抑制或促进水解(具体看水解平衡是否移动及移动的方向)。
五、盐类水解方程式的书写
1、一般水解过程
(1)一般水解程度不大,要写可逆符号,不写等号;一般不标沉淀和气体符号(剧烈的双水解除外)。(2)多元弱酸的阴离子分步水解。要分开写,不能合并;且以第一步水解为主(一般只写第一步)。(3)多元弱碱的阳离子水解的过程较为复杂,故高中简单化处理,写水解方程式时一步写出。(4)注意水解方程式与电离方程式的区别。
2、双水解
(1)一般的双水解:阴阳离子都水解,互相促进。但程度不是很大,仍能在溶液中大量共存。其水解离子方程式与一般水解相同。如NH4HCO3、(NH4) 3CO3等。(2)剧烈双水解:阴阳离子均水解,互相促进。水解较彻底,所以不能在溶液中大量共存。其离子方程式写等号,标沉淀和气体符号。
六、盐类水解的应用
1、溶液酸碱性的判断
(1)单一盐溶液
①正盐溶液的酸碱性符合“ 谁强显谁性,同强显中性”规律。即溶液的酸碱性和水解程度相对较小(或不水解)的离子保持一致。如:NH4Cl、NaHCO3、CH3COONH4的溶液分别显酸性、碱性、中性和中性。②若是强碱的酸式盐,其溶液的酸碱性,取决于酸式根离子的电离程度和水解程度的相对大小。
(2)混合溶液
① 酸与盐:如等浓度的CH3COOH和CH3COONa的混合溶液。由于一般情况下,电离都是大于水解的程度,所以显酸性。②酸与碱混合:需要具体计算,根据计算结果具体分析。
2、盐溶液的配置与保存
(1)在配制FeCl3、Al(NO3) 3、CuSO4、SnCl2等溶液时,为抑制水解,常先将盐溶于其对应的酸中,再加蒸馏水稀释到所需浓度。(2)Na2SiO3、Na2CO3、NaAlO2等碱性溶液不能贮存在玻璃塞的试剂瓶中,就是防止SiO2与它们水解产生的OH-反应。 (3)有些盐会完全水解,如硫化铝遇水发生完全水解,因此不能在湿态下获得硫化铝,只能由单质直接反应制取。
3、蒸干盐溶液后所余固体的判断
要考虑其水解后产生的酸或碱是否能脱离溶液。若有一方脱离,则会生成另一种物质;如:AlCl3蒸干后得到Al(OH) 3。若不能脱离溶液,则仍是盐本身。
4、其它应用
一、定义:盐的离子跟水电离出来的氢离子或氢氧根离子生成弱电解质的反应,称为盐类的水解。
二、其一般规律是:谁弱谁水解,谁强显谁性;两强不水解,两弱更水解,越弱越水解。
三、哪么在哪些情况下考虑盐的水解呢?
1.分析判断盐溶液酸碱性时要考虑水解。
如Na2CO3溶液呈现碱性是由于CO32-水解
2.确定盐溶液中的离子种类和浓度时要考虑盐的水解。
如Na2S溶液中含有哪些离子,按浓度由大到小的顺序排列:
C(Na+ )>C(S2-)>C(OH-)>C(HS-)>C(H+)
或:C(Na+) +C(H+)=2C(S2-)+C(HS-)+C(OH-)
3.配制某些盐溶液时要考虑盐的水解
如配制FeCl3,SnCl4 ,Na2SiO3等盐溶液时应分别将其溶解在相应的酸或碱溶液中。
4.制备某些盐时要考虑水解Al2S3 ,MgS,Mg3N2 等物质极易与水作用,它们在溶液中不能稳定存在,所以制取这些物质时,不能用复分解反应的方法在溶液中制取,而只能用干法制备。
5.某些活泼金属与强酸弱碱溶液反应,要考虑水解
如Mg,Al,Zn等活泼金属与NH4Cl,CuSO4 ,AlCl3等溶液反应.3Mg+2AlCl3 +6H2O=3MgCl2+2Al(OH)3+3H2
6.判断中和滴定终点时溶液酸碱性,选择指示剂以及当pH=7时酸或碱过量的判断等问题时,应考虑到盐的水解.如CH3COOH与NaOH刚好反应时pH>7,若二者反应后溶液pH=7,则CH3COOH过量。指示剂选择的总原则是,所选择指示剂的变色范围应该与滴定后所得盐溶液的pH值范围相一致。即强酸与弱碱互滴时应选择甲基橙;弱酸与强碱互滴时应选择酚酞。
7.制备氢氧化铁胶体时要考虑水解。FeCl3+3H2O=Fe(OH)3(胶体)+3HCl
8.分析盐与盐反应时要考虑水解。两种盐溶液反应时应分三个步骤分析考虑:
(1)能否发生氧化还原反应;
(2)能否发生双水解互促反应;
(3)以上两反应均不发生,则考虑能否发生复分解反应。
9.加热蒸发和浓缩盐溶液时,对最后残留物的判断应考虑盐类的水解
(1)加热浓缩不水解的盐溶液时一般得原物质。
(2)加热浓缩碳酸的钾盐、钠盐的盐溶液一般得原物质。
(3)加热浓缩易挥发性酸形成的盐溶液.最后得到氧化物和氢氧化物的混合 物,灼烧得氧化物
(4) 加热浓缩易挥发性酸形成的盐溶液。最后得到相应的盐
(5)加热蒸干(NH4)2CO3或NH4HCO3 型的盐溶液时,得不到固体。
(6)加热蒸干Ca(HCO3)2型的盐溶液时,最后得相应的正盐。
(7)加热Mg(HCO3)2、MgCO3 溶液最后得到Mg(OH)2 固体。
10.其它方面
(1)净水剂的选择:如Al3+ ,FeCl3等均可作净水剂,应从水解的角度解释。
(2)化肥的使用时应考虑水解。如草木灰不能与铵态氮肥混合使用。
(3)小苏打片可治疗胃酸过多。
(4)纯碱液可洗涤油污。
一、教学情景的创设
课堂教学的情景模式,是提高学生对课程内容的兴趣的关键所在,只有极大地激发学生对新知识的探究欲望,才能够更好的开启学生对新知识的探究动力.同理,高中化学课堂教学,以高质量高水准的课堂情境结构,能够更好地顺应教育事业的发展.而在高中化学课堂教学中,为提高教学的水准,我们通常是通过以下几个步奏来完成情景模式的创新的.
首先通过学生的提问形式来创设新的课程情景模式,在课堂教学中,老师也可以通过对化学课程的设计来完成启发学生对化学知识的联系,从而提高对新知识的发问兴趣,增加对未知领域的欲望.
其次,利用有效的化学实验来完成情景模式的构建,在教学中,如果不能够带来惊奇,那么就不能够激发学生对知识的渴望,而通过有趣的实验,学生们则可以对书本上的知识进行更为客观上的了解,这对于进一步的探究方面,都能够给与很好的启发.
最后,巧妙地利用假说法来给学生一种神秘感,让其对原有的知识产生一定的疑惑,这样可更自主地去探究其原理,实践自己的假说是否合理,是否正确.
举例来说,我们在《盐类的水解》这一节中,就可以先通过利用化学实验来构建新型课堂的教学情境,首先在实验室给学生备好相关的仪器和药品,如:玻璃棒、醋酸钠溶液、氯化钠溶液、氯化铵溶液、表面皿以及pH试纸或pH指示剂.在进行试验之前,对学生进行操作讲解,在明白盐类水解以后学生演示一下步奏,就可以开始实验了.最终确定了三份溶液的pH以后,进行小组间讨论.让学生们自主去思考,任其在小组间进行讨论,这对于激发学生的探究欲,能够给与很好的帮助.
二、自主探究引导
课堂的自主探究,主要是将在新型的课堂标准中,应用有效的教学模式来引导学生去自主进行知识的探究,让其真正理解其中的道理.而这其中,老师则是作为课堂教学中的一个引导者而已,教学中的主角仍旧是学生.在传统的教学中,我们往往忽视了学生的存在,只是单方面的进行灌输,导致其思维方面出现了缺陷,只会一味的被动接受,这样就大大的降低了教育的效率,同时也歪曲了教育的本意.
现代教育理念在宏观上认为,学生是在探究真知的过程中的主导.与此同时也是我们在进行教学任务中的主体存在,教师只是起到辅助的作用.建立以学为主的情景模式中,对于学生的自主学习问题,不能够依照传统的灌输式教学.应当大力发挥其自主探究的发展,提高学生的主观能动性,让学生能够自主安排时间进行相应的资料预读,去亲自设计实验,来了解书本中的知识是否是合理的.而这也能够给学生带来快乐,是学生主动学习的一个良好表现.
在现代社会的发展过程中,信息技术的迅速发展,在很大程度上,也影响了现代的教学秩序,在理念上,通过现代的信息教育模式,也可以通过网络的信息来进行实验的设计.理论上来说,现代的教学课程中,书本上列举的实例都比较陈旧,不具备对现代社会的概括,若学生学完这些课程而到社会上,仍需[JP3]要适应当代社会的实际需求,才能够更好地理解其中显示意义.[JP]
所以利用现代的信息技术,在很大程度上,可以让学生理解现实中的一些真实实例,通过我们在课堂上进行的知识教学来验证网络中的一些事情,是否是真的.这对于学生在理论和实践方面的培养上,都能够更好地给与教导意义上的帮助,能够很好的提高学生的动手实践能力.
三、教师和学生之间的探究合作
在过去,教学格局和教学模式的探究,通常都是几个老师坐在一块来分析几个班级的学生所呈现的一些基本特征,然后针对其学习过程中所遇到的问题进行相应的课程修正.而这也往往忽视了学生的感受,再怎么修正,也很难适应全体的学生发展.
在这里,我们所要说的是,适当和学生进行师生之间的情感交流,了解学生为什么对这一课程不感兴趣,通过信息的交流,来确定到每一个人身上,引证其思想上的懈怠,然后去验证,全班同学是不是都有这样的心理.最后让学生自己组队进行实验探究,对自己所学的进行验证.在合作探究的过程中,可以适当利用一些实践问题进行对整体课程的探究.然后让学生们对自己的探究结果中所出现的问题,进行总结,对集中体现的问题,来进行进一步的解说,与此同时,再利用课余时间针对一些极个别的问题,进行一对一的解说.
四、教学中的实例
以高中的盐类水解为主要的蓝本进行分析,我们可以通过以下几个例子来进行分析.
例如在判断弱酸强碱盐的pH大小对比问题中,如何简单直接地判断其酸碱强弱,就需要通过实验来进行验证,只有确保其研究的有效性,才能够更好地完成其间的研究,这对学生的能力提升方面,都能够提供很好的保障.如:氯化钠、硫酸铜、次氯酸钠这三种溶液,在进行区分的时候,我们可以通过离子的颜色首先来区分出硫酸铜溶液,然后通过酚酞试液进行滴定,确定出次氯酸钠,因为次氯酸钠可以水解出OH-离子,这样就会显示碱性,对于整体的酸碱度,都会有很大的影响,且通过酚酞滴定以后,可以很好地区分出来,而作为中性盐的氯化钠,则不会出现任何的颜色变化.
大家都知道在最近几天里,在西南发生了大干旱。新闻里那一张张图片,都是几个孩子睁着惊恐的眼睛,或是他们喝的水都是大锅里的脏水,让人产生深深的同情。
可是在同情的同时,我们是否有想过自己呢?也许我们一直认为水是用之不竭的,不用担心水会不会没有,可是看了他们的遭遇之后,是不是也会改变想法呢?水是我们生活中不可缺少的,没有了水,人也不能生活。为此,我们更应该节约水资源,要把可以利用的水给利用掉,而不是一味的浪费。
可我们在用着水,看着这些西南人民,我们好受吗?我们是不是该有所醒悟呢,也许这就是我们不珍惜水的后果。那时候,即使后悔也来不及了。所以,这次的西南大旱更教育了我们要珍惜水,珍惜水等于珍惜我们的生命啊。
为了让我们的土地不要龟裂,让我们不要口渴了却没有清凉的水喝。为了不要让世界上最后一滴水是我们的眼泪。
苍南县宜山一小学五年级:陈嘉琦
关键词:水稻;富亮氨酸类受体蛋白激酶;非生物胁迫;生物胁迫
中图分类号 S511 文献标识码 A 文章编号 1007-7731(2015)19-15-04
Study Progress of the Leucine-rich Receptor Like Kinase Involve in the Stress Rsponse in Rice
Shao Yingying et al.
(College of Chemistry and Life Sciences,Zhejiang Normal University,Jinhua 321004,China)
Abstract:Rice is an important food crop in China. However,with the expanding of the world's land salinization scope,decreasing of the precipitation,and the aggravating of the pest and disease damage,the product of rice was threatened severely. Plants receptor protein kinase,as a kind of membrane protein,which plays an important role in adjusting transduction process of the plant growth hormone signal and the stress response of biological and non-biological. Therefore,it aroused wide attention and has got some research results. In this paper,I will have a brief summary of the stucture and function of the leucine-rich repeat receptor-like kinases(LRKs)as well as the relationship between rice leucine-rich repeat receptor-like kinases family and the environment stress. And I hope it can provide some reference for this experiment in researching the relationship between the rice LRK gene family and resistance in rice.
Key words:Rice;Leucine-rich repeat receptor-like kinases;Non-biological stress;Biological stress
类受体蛋白激酶(receptor-likeprotein kinase,RLK)是一类定位于高等植物质膜上的蛋白激酶,其主要包括胞内激酶域(cytoplasmicprotein kinase domain)、胞外结构域(extracellular domain)和跨膜结构域(transmembran domain)[1],属于蛋白激酶的亚家族之一[2]。这类蛋白激酶的分子结构和功能类似动物受体蛋白激酶[3],并且绝大多数尚未鉴定出其配基[4]。RLK是植物体内普遍存在的一类蛋白激酶,是多种信号识别传递途径中的关键组分,作为质膜受体能够感受外界刺激,通过磷酸化作用参与胞内信号传递。其中富亮氨酸重复类受体蛋白激酶(leucine-rich repeat receptor-like kinases)是植物中已知的最大的一类跨膜类受体蛋白激酶,研究表明,拟南芥中约有600个类受体蛋白激酶[5],作为单子叶模式植物的水稻基因组中LRK数量大约是拟南芥的2倍[6],其在植物生长发育激素信号转导以及胁迫反应中具有重要的调控功能。
1 植物体类受体蛋白激酶的结构及分类
1.1 LRK的结构 植物LRK的氨基酸序列具有高度保守性,具有二叶状(bilobal)结构[7],由单次跨膜域、胞外结构域和胞内激酶域3个部分组成。
1.1.1 胞外LRR域 胞外LRR域由3~27个重复的LRR基序构成,每个基本序列都有保守序列lxxlxxlxxlxlxxnxlvgxip,其特异性是由在保守区内的可变氨基酸所决定的。一个LRR单元都含有一个α-螺旋和一个β折叠,它们之间是平行的关系,而这种平行关系都是对于一条轴而言的,这种独特的结构使LRR区域形成一个半桶形[8]。胞外结构域主要负责与胞外的小分子、离子等信号分子特异性结合,通过激活胞内激酶域磷酸化活性来完成跨膜信号传递的功能[9]。
1.1.2 单次跨膜域 单次跨膜域是细胞内外联系的通道,它包含22~28个氨基酸,起到将外界信号传递到胞内区的作用,是信号传递的工具[10]。
1.1.3 胞内域 类受体蛋白激酶的胞内域由激酶域、上游胞内近膜域和下游C末端域3个部分构成。其中激酶域由11个高度保守的亚结构域构成,而其余2个区域的保守性相对较差。胞内近膜域在激酶的激活上起着不可缺少的作用,而目前对于C末端域的研究较少,磷酸化位点是激酶结构域的重要特征。对于磷酸化残基的分类有丝氨酸/苏氨酸型和酪氨酸型2种,迄今在植物中所发现LRR类受体均属于丝氨酸/苏氨酸型[9-10]。
1.2 LRKs对植物生长发育与激素调节的作用
1.2.1 参与植物生长发育 植物生长和发育主要是通过接受来自未来的信号与启动相应的发育基因所决定的。研究证实CLV(CLAVATA)含有3个同源基因基因:CLV1,CLV2和CLV3,参与细胞分裂的调控作用。其中,CLV1是LRR-RLK基因中的典型基因,它由胞外21个亮氨酸结构域、跨膜区和胞内激酶域,其在细胞之间的通讯中起了很大的作用。近年来,在植物的不同部位都发现了蛋白激酶的调节发育作用。如花器官的脱落、表皮细胞特化等[8],由此可见,LRR在植物的生长发育发育中具有至关重要的调控作用。
1.2.2 参与植物激素的信号传递 LRKs胞外串联排列的LRRs基序能够接受外来的信号,这对于激素的调节有很大的作用。除了细胞分裂素等小分子化合物以外,它还能接受一些小分子多肽类激素的信号。近年来,被称为第六类激素的油菜素类固醇(BR)很受关注。BR能使茎伸长、幼嫩地下组织的细胞膨大,叶弯曲,如果缺少这种物质或者对其缺失应答,植物将会显现出矮小,叶子会呈深绿色等不良性状。BAK1(brassinoliide-insensitive1)一种富含亮氨酸重复序列的膜受体蛋白激酶,在拟南芥中研究证实其能够作为BR受体参与植物激素的信号转导[14-15]。
2 LRK基因与非生物胁迫的关系
水稻作为世界三大粮食作物之一,近50%的世界人口以大米为主食,我国也有近65%的人口以稻米为主食。在世界人口不断增长,耕地面积日益减少,淡水资源不足和盐渍化土地增多的情况下,研究水稻耐盐机制,开发利用耐盐育种水稻新品种,有效管理和利用盐碱土植物资源,对农业发展、粮食安全、生态环境等各方面都有着重要意义[16]。Junga等也发现辣椒的CALRR1可以在高盐、脱落酸(ABA)和伤害等非生物胁迫条件下表达,对这些LRR型受体激酶的深入研究,使对应答逆境胁迫信号转导途径的探索方向更为明确[17]。
2.1 LRK基因与盐胁迫的关系
2.1.1 土壤盐碱化及对水稻的影响 随着经济社会的发展,一些过度利用资源所带来的副产物环境问题正在肆虐,如土地盐碱化作为危害人类生存的重大自然灾害之一,严重影响着水稻的种植。水稻属于中度耐盐作物,曾被作为盐碱地开发的先锋植物,但种植在盐碱地的水稻通常会减产,甚至不能完成生活史[18]。研究发现,盐胁迫会延迟水稻种子萌发和出苗[19],抑制组织和器官的生长,扰乱其生育过程,而且严重影响水稻光合作用,呼吸作用和物质代谢,造成有毒物质在体内的蓄积。
2.1.2 耐盐水稻的国内外研究进展 Herralde等研究发现盐害是不可修复的[20],即使去掉坏境中的NaCl,植物受到的盐害症状也不会消失,因此培育高耐盐水稻十分重要。培育耐盐水稻,即充分利用耐盐基因培育出新的水稻耐盐品种,这是提高水稻耐盐性最经济、有效的方法[21]。耐盐育种工作中最重要的途径是利用现代生物技术育种。
2.1.3 LRK基因参与盐胁迫的功能研究 为了深入了解LRK基因在盐胁迫中的生物学功能,许多学者进行了广泛的研究。Lee等发现水稻LRR类受体蛋白激酶OsRLK1能够被低温和盐胁迫诱导表达[22],说明该基因极有可能在水稻抵抗低温和盐胁迫环境中发挥作用。程彦伟利用Western和免疫组化明确了OsRPK1受盐胁迫诱导,在蛋白质水平证实该激酶为盐胁迫响应蛋白[23]。Xu等从烟草中分离出2个LRK基因:NtLRR1和NtLRR2,并在研究中发现这2个基因都参与了烟草盐胁迫反应的调控过程[24]。余刚等将得到的四翅滨藜LRK基因AcLRR导入到酿酒酵母中,发现其在高盐、干旱、低温等胁迫下的存活率明显高于对照,表明其具有较好的抗盐、抗旱等能力[25]。综合上述实验结果发现,LRK基因会在盐胁迫条件下被诱导表达,并极有可能参与抗盐应答。
2.2 LRK基因与干旱的关系
2.2.1 干旱对植物的影响 干旱是影响很多农作物产量的主要非生物胁迫之一,其不仅影响了作物的产量,而且限制了植物的广泛分布。植物在遭受干旱、低温等逆境胁迫时,会导致体内活性氧产生与清除机制的失衡,引起膜系统损伤,尤其是线粒体和叶绿体的破坏,导致氧化胁迫[26]。寻求抗旱诱导基因能够提高作物抗旱能力和培育抗旱品种打下良好的基础。
2.2.2 干旱对水稻的影响 水稻耐旱性是一个包含发育、生理、生化和分子等多个方面的适应性变化的综合性状,比如根的生长发育的变化、保卫细胞的调控、渗透适应、光合作用的改变、保护性蛋白和抗氧化蛋白的合成等。这些调控途径的复杂性导致人们对它们的了解很少,所以它们仍然是目前研究的焦点[27]。近些年,水稻在耐旱育种方面取得了长足的进展,许多基因已被证实在耐旱中发挥了重要作用,并且实验室测定显示,其中一些基因的遗传转化可以改良水稻抗旱性。Capell等将燕麦精氨酸脱羧酶基因(Arginine deearboxylase,Adc)的水稻转基因株系显示在干旱条件下能够有效的减少叶绿素损失量[28]。
2.2.3 LRK基因参与干旱胁迫的功能研究 目前,已在植物中克隆和鉴定出了高盐、低温和干旱等多个逆境诱导的相关基因。例如,Hong等从拟南芥植株克隆得到RPKI基因,是一种类似受体的蛋白激酶基因,其在植物的根、茎、叶和花中都能够表达,在干旱或高盐胁迫下其表达量明显增高[29]。干旱胁迫会诱导有关特定基因表达,这些基因的表达和调控能使水稻抵御干旱胁迫所带来的伤害。本实验通过超表达过的LRK2转基因水稻,对其进行不同的干旱胁迫处理后测定相应的理化性质,以期证实LRK2参与干旱胁迫的相关功能及初步探明其介导与干旱相关的信号通路。
3 水稻LRK基因家族与生物胁迫的关系
3.1 水稻病害现象 植物在生长发育过程中受到各种外界病原生物的侵扰,病原生物包括病毒、细菌、动物等不同生物类型。虽然植物自身已有较完善的抵御机制,但在自然界和农业生产过程中,植物发生病害的现象经常发生,其中水稻的病害种类较多,主要有稻瘟病(Pyriculariagrisea)、纹枯病(Rhizoctoniasolani)、白叶枯病(Xanthomonaso―ryzae),由于其发生面积较广,流行性强及危害严重,被认为是水稻的3大病害[30]。水稻白叶枯病是是水稻生产上的重要病害之一[31],该病是由黄单胞杆菌水稻致病变种(Xanthomonas oryzae pv. oryzae,Xoo)引起的一种细菌性维管束病害。水稻一旦发生白叶枯病,轻则减产10%左右,严重的可减产50%~60%[32],所以人们对水稻枯叶病的研究越来越多。而水稻白叶枯病防治研究的重要内容是对抗性基因的研究,目前已有多个白叶枯菌基因组序列的完成以及水稻抗白叶枯病基因的克隆。人们对水稻抗白叶枯病的研究己经称为间接了解植物与微生物互作关系的一种模式。最近,许多外界所诱导的免疫应答和免疫反应介导的相应基因都与LRR-RLK基因有关,最典型的例子是水稻抗白叶枯病的XA21基因。因此LRK有关基因的研究对水稻白叶枯病抗性机理研究具有重要意义。
3.2 LRK基因关于植物病害的研究 目前,在植物中发现80多个抗病基因,其中多数抗病基因中包含一个LRR结构域。LRR是能够激发直接作用和决定该抗病基因的特异性,其可能参与了对类受体的识别。另有研究表明,LRR结构在其与病原体结合时发挥了重要的作用。而有些抗性基因所编码的蛋白质只有信号肽和LRR区,没有完整的激酶区,例如属于Xa21抗病基因家族的成员之一的X21D[37]。水稻受体激酶Xa21的胞外LRR结构能结合水稻白叶枯病原菌的无毒基因产物,从而使Xa21胞内激酶自磷酸化,产生一系列细胞反应,保护水稻不受该病原菌的侵害[36]。同水稻的Xa有类似结构的BRI1是拟南芥的油菜素内酯(brassinosteroid)的受体激酶,BRI1也是由LRR跨膜区和蛋白质激酶区组成。何祖华等[38]将BR11的LRR区和跨膜结构域与XA21蛋白的激酶结构域融合,并转入水稻悬浮细胞,发现新形成的受体在油菜素内酯的处理下能启动植物的防御反应。以上实验证明:决定下游的信号传导途径的是激酶区,LRR区可能与配体的结合有关,LRR对其配体结合的重要作用(病原体)。但目前已鉴定功能的RLK并不多,所以本实验通过检测野生型水稻与过表达的LRK2基因的水稻对白叶枯病的抗性情况,来进一步探测LRK基因有水稻抗病之间的关系。
4 结语
基于以上所述,本综述着力于水稻富亮氨酸类受体蛋白激酶基因参与外界胁迫应答的研究进展的分析,发现人们对富亮氨酸类蛋白激酶受体作用机制的研究表明:在研究水稻的抗逆性机制、开发利用抗逆性植物资源、培育抗逆性水稻新品种等方面已经取得一定的进展,但利用LRK基因的抗逆性提高水稻耐盐,抗旱,抗病害等抗逆性能力的研究还不深入,这也是以后研究需着力解决的突破点。
参考文献
[1]Hanks H K,Ouinn A M,HunterT.Thein kinase family:conserved feature and deduced phylogeny of the catalytic domains[J].Science,1988,241(4861):42-52.
[2]NIU J SH.Studies on plant and wheat prote in kinases[J].ActaBot.Boreal.accident.science,2003,23(1):143-150.
[3]Ullrich,SchlessingerJ.Signal transduction by receptors withtyrosine kinase activity[J].Cell,1990,61(2):203-212.
[4]Stone JM,Walker J C.Plant protein kinase families and signal transduction[J].Plant Physiol,1995,108(2):451-457.
[5]MIZUNO S,OSAKABE Y,MARUYAMA K,ITO T,OSAKABE K,SATO T,SHINOZAKI K,YAMAGUCHI-SHINOZAKI K.Recep-tor-like protein kinase 2(RPK 2)is a novel factor controlling anther development inArabidopsisthaliana[J].PlantJournal,2007,50(5):751-766.
[6]MORILLOSA,TAXFE.Functional analysis of receptor-like kinases in monocots and dicots[J].Curr.Opin.PlantBiol.,2006,9(5):460-469.
[7]LIU W,BIYP,LI ZH.Research advances on casein kinase I[J].Acta Bot.Boreal.-Occident.Sin.,2008,28(2):425-432.
[8]马媛媛,甘睿,王宁宁.植物富含亮氨酸重复序列型类受体蛋白激酶的生物学功能[J].植物生理与分子生物学学报,2005,31(4):331-339.
[9]查笑君,马伯军,潘建伟,等.植物富亮氨酸重复类受体蛋白激酶的研究进展[J].浙江师范大学学报(自然科学版),2010,3.
[10]林彦萍,王义,蒋世翠,等.植物类受体蛋白激酶研究进展[J].基因组学与应用生物学,2015,34(2):429-437.
[11]冯蕾,张海文,黄荣峰.植物LRR类受体蛋白激酶的研究进展[J].中国农业科学导报,2012,14(6):43-48.
[12]谭文勃,李玉花,徐启江.植物茎端分生组织中的茎干细胞调控机制[J].植物生理学通讯,2008(4).
[13]宋丽,李李,储昭庆,等.拟南芥油菜素内酯信号转导研究进展[J].植物学通报,2006(5).
[14]L ijianming,ChoryJ.Aputativeleucine-richrepeatreceptor ki-ase
[J].Cell,1997,90(5):929-938.
[15]NamKH,Lijianming. BAI1/BRK1,areceptorkinasepairmediating
brassinosteroidsignalinf[J].Cell,2002,110(2):203-212.
[16]叶武威,阴祖军,王俊娟.王德龙旱地盐碱地的利用是我国棉花生产发展的必由出路[C].2013.
[17]MONNA L,LIN X,KOJIMA S,et al. Genetic dissection of a genomic region for a quantitative trait locus,Hd3,into two loci,Hd3a and Hd3b,controlling heading date in rice [J].TAG Theoretical and applied genetics,2002,104(5):772-778.
[18]Junga EH,Junga HW,Lee SC,Hana SW,Heub S,Hwang BK. Identification of a novel pathogen-induced gene encoding a leucine-rich repeat protein expressed in phloem cells of Capsicum annuum[J].BiochimBiophysActa,2004,1676:211-222.
[19]郑英杰.盐胁迫对水稻的影响及水稻耐盐育种研究[J].北方水稻,2013,43(5):71-74.
[20]Girdhar IK. Effect of sodic water irrigating on the growth development product and chemistry system of rice on the salt soil[J].Salt-alkaline Soil Use,1992(1):45-50.
[21]Herralde F D,BielC,SaveR,et al. Effect of water and salt stresses on the growth,gas exchange and water relations in Argyranthemumcoronopifoliumplants[J].Plant Sci.,1998,139:9-17.
[22]杨晓慧,蒋卫杰,魏珉,等.提高植物抗盐能力的技术措施综述[J].中国农学通报,2006,22(1):88-91.
[33]Lee SC,Kima JY,KimaSH,etal.Trapping and characterization of cold-responsive genes from T-DNA tagging lines in rice[J].Plant Sci,2004,166:69-79.
[24]程彦伟,李亮,沈嵘等.水稻 LRR 型类受体蛋白激酶胞外区的原核表达及多克隆抗体制备[J].生物化学与生物物理进展,2008,35(9):1077-1083.
[25]Xu Z S,Xiong T F,Ni Z Y,et al. Isolation and identification of two genes encoding leucine-rich repeat( LRR)proteins differentially responsive to pathogen attack and saltstress in tobacco[J].Plant Sci.,2009,176:38-45.
[26]余刚,李敬涛,孙新华,等.四翅滨藜LRR类受体蛋白激酶基因在酵母中的表达及抗逆分析[J].吉林大学学报(理学版),2012,50(6):1257-1263.
[27]喻力圆,徐锡增.植物逆境生理研究进展[J].世界林业研究,2003,16(5):6-11.
[28]ZHU J K.Salt and drought stress signal transduction in plants [J].Annual review of plant biology,2002,53:247-273.
[29]Capell T,Escohar C,Liu H,ct al Overexpression of the oat arginine dcearboxylabecDNA in transgenic rice(Oryzasaiiva L.)affects normal development patterns in vitro and results in putresine accumulation in transgenic plants[J].TheorAppl Genet.,1998,97:246-254.
[30]HONG S W,JON J H,KWAK J M,et al. Identification of a receptor-like protein kinase gene rapidly induced by abscisic acid,dehydration,high salt,and cold treatments in Arabidopsis thaliana [J]. Plant physiology,1997,113(4):1203-1212.
[31]陈德西,何忠全,封传红,等.水稻主要病害发生区划研究[J].西南农业学报,2014(3).
[32]赵晶.影响水稻中LRR受体蛋白激酶类基因抗性特异性及生育期相关抗性的因子解析[D].武汉:华中农业大学,2009,4.
[33]周圣发.朱传圣水稻白枯叶病的发生与防治[J].现代农业科技,2008(22).
[34]Song W Y,Wang G L,Chen L L,et al.A receptor kinase-like peotein encoded by the rice disease resistance gene,Xa21[J].Science,1995,279:1804-1806.
[35]Song W Y,Pi L Y,Wang G L,et al.Evolution of the rice Xa21 disease resistance gene family[J].Plant Cell,1997,9:1279-1287.
[36]Andaya C B,Ronald P C.A catalytically impaired mutant of rice Xa21 receptor kinase confers partial resistance to Xanthomonasoryzaepvoryzae[J].Physiological and Molecular Plant Pathology,2003,62:203-208.
[37]He Z H,Wang Z Y,Li J M,Qun Zhu,Chris Lamb,Ronald P C,JoanneChory. Perception of brassinosteroids by the extracellular domain of the receptor kinase BRIL[J].Science,2000,288:2360-2363.
[38]Wang G L,Wu C,Zeng L,et al. Isolation and characterization ofrice mutants compromised in Xa21-mediated resistance to X. oryzaepv[J].oryzae. TheorAppl Genet,2004,108(5475):379-384.
[关键词] 微波;碱性品红;催化氧化;去除率
中图分类号: TV 文献标识码: A
前言
类Fenton是在Fenton工艺中引入紫外光等以提高·OH的产生率,提高氧化过程的动力学速率[1],如Fe2+/H2O2/UV等。该类技术由于处理费用高、加入的金属离子会引入二次污染等缺点而限制了该类技术的推广。
本研究以碱性品红为处理对象,以国产颗粒活性炭为载体负载铁、铜离子制备催化剂,对微波-类Fenton反应降解碱性品红染料废水进行研究,考察了负载不同的金属离子下的催化氧化降解反应,探讨了不同因素碱性品红降解率的影响,旨在开发一种成本低的催化氧化方法来处理色度高、有机物浓度大、难降解的染料废水。
1实验部分
1.1试剂和仪器
试剂:碱性品红(分析纯),市售; H2O2(质量分数:30%),GR,成都市科龙化工试剂厂;硝酸铜,AR,成都市科龙化工试剂厂;硝酸铁,AR,上海强顺化学试剂有限公司;
邻菲啰啉,AR,重庆博艺化学试剂有限公司;
乙二基二硫代氨基甲酸钠,AR,成都市科龙化工试剂厂。
仪器:MCL-2型微波化学实验仪,四川大学无线电系;pHs-25型数显酸度计,杭州雷磁分析仪器厂;752紫外可见分光光度计,天津市拓普仪器有限公司;DR4000分光光度计,哈希公司。
1.2 实验内容
1.2.1 载体活性炭制备
实验所选用的活性炭为重庆天池化工有限公司生产的椰壳活性炭,参数如下:粒度0.69mm-1.65mm(10-24目);比表面积1100±50㎡/g;碘值900-1100mg/g;苯酚吸附值150mg/g;四氯化碳吸附率50%-70%;亚甲蓝吸附值180±10mg/g。
将原活性炭用高纯水洗涤至洗液清澈后,在105℃下烘干后浸泡于体积分数为1%的HCl溶液中,并在20℃、200r/min条件下震荡4h以去除活性炭表面的灰分,用高纯水洗涤至洗液pH不再发生变化后,置于105℃烘箱中烘干12h。再在氮气保护作用下进行微波改性处理,改性条件为:载气流量30 L/h、微波功率100w、辐照时间3min,以改性后的活性炭作为载体负载催化剂。
1.2.2催化剂的制备
在焙烧管中加入3g活性炭,按所需量加入Fe(NO3)3、Cu(NO3)2溶液,浸渍24h后,于105℃烘箱中烘干12h,置于马弗炉中300℃焙烧2h后即得到负载型催化剂。
1.2.3碱性品红浓度的测定
① 波长扫描
配制质量浓度为10、50、100mg/L的碱性品红溶液,采用DR5000从190-700nm波长范围内扫描,结果如图1所示。
图1不同浓度碱性品红溶液波长扫描曲线
发现在波长544nm处,不同浓度的碱性品红溶液均显示出稳定的吸收峰,接下来的试验中采用最大吸收波长544nm来进行碱性品红溶液浓度的测定。
图2碱性品红浓度0-100mg/L标准曲线
② 标线制作
配制0~100mg/L浓度碱性品红标准液,在λ=544nm处分别测定其吸光度,作出浓度-吸光度标线如图2所示。
可以看出,碱性品红浓度与其对应的吸光度呈线性关系,相关性系数R2达到0.9992。利用标准曲线,通过测定碱性品红溶液吸光度计算其浓度。
1.2.4实验方法
取100mL质量浓度为100mg/L碱性品红溶液置于250mL锥形瓶中,加入一定量的催化剂、质量浓度30%的H2O2溶液,置于微波炉中,设定好微波功率和辐照时间,开启微波,对碱性品红进行催化氧化降解实验。取反应后的上清液测定碱性品红浓度,计算出相应的降解率。
2 结果与讨论
2.1催化剂的确定
在催化剂量0.2g、30%H2O20.1ml、微波功率300w及辐照时间4min的条件下,采用微波-类Fenton降解碱性品红,通过碱性品红的降解效果比较催化剂的催化性能,结果见表1。
表 1 不同催化剂对应的碱性品红降解率
负载金属种类及负载量 碱性品红降解率(%)
Fe3+-0.7wt% 42.84
Fe3+-1.0wt% 48.25
Fe3+-1.5wt% 48.30
Cu2+-0.7wt% 80.68
Cu2+-1.0wt% 92.35
Cu2+- 1.5wt% 90.69
Fe3+(0.7wt%)- Cu2+(1.0wt%) 92.85
Fe3+(1.0wt%)-Cu2+(1.0wt%) 94.25
Fe3+(1.5wt%)- Cu2+(1.0wt%) 92.42
从表1中可以看出,微波-类Fenton降解碱性品红,由于负载金属离子种类和负载量的不同,降解率在42%~95%之间,碱性品红的降解效果差异很大。负载Fe3+催化剂降解率在42%~49%之间,催化效果较差;负载Cu2+催化剂降解率在80%~91%之间,催化效果优于负载Fe3+催化剂;负载铁铜双金属离子催化剂降解率在92%~95%之间,催化效果最好。因此,适宜的催化剂为Fe3+(1.0wt%)-Cu2+(1.0wt%)。
2.2 微波/催化剂/H2O2催化降解碱性品红影响因素分析
2.2.1 初始pH的影响
初始条件: 质量浓度为100mg/L的碱性品红溶液100mL,催化剂投加1000mg/L,H2O2投加84.25mg/L,混合摇匀后置于微波炉中,开启微波炉,调节功率至300w,微波辐射时间5min。不同初始pH值对水中碱性品红降解如图3所示。
图3初始pH对碱性品红降解的影响
结合图3及其实验数据可知,在初始pH值为2.0-2.5之间时,碱性品红的降解率先随着初始pH值的增大而急剧上升,降解率从45%升到87.19%,相应的碱性品红浓度从55mg/L降到12.81mg/L;在pH值为2.5-3.5之间,碱性品红的降解率随着pH值的增大变化幅度不大(87.19%-80.91%);当pH从3.5增加到4.0时,碱性品红后随着初始pH值的增大而下降,降解率从80.91%%急剧降到48.93%,相应的碱性品红浓度从12.81mg/L升到51.07mg/L。从图中可以看出,在初始pH=2.5时,碱性品红的降解率达到最大值87.19%。这是由于一方面碱性品红矿化时会产生CO2,空气中也含有一定的CO2,当体系随着pH值的升高,溶液中CO32-的浓度愈来愈大,而CO32-是一种有效的·OH清除剂,因此,较高pH会使体系生成的CO2对碱性品红的降解造成不利影响[2]。另一方面,在高pH条件下H2O2容易分解为H2O和O2,造成H2O2的损失,给碱性品红的降解带来不利影响[3]。
另外,碱性品红属于胺类盐酸盐,在酸性条件下将解离成氯离子和铵类正离子。而活性炭载体零电荷pH在6.0—6.5范围内,在pH=2.0-4.0范围活性炭载体表面带正电。对于碱性品红在活性炭载体上的附着、继而进行催化反应,静电排斥作用是一个不利因素。考虑经济、操作简便性,适宜的pH取3.0。
2.2.2 催化剂投加量的影响
取100mL质量浓度为100mg/L的碱性品红溶液,pH取3.0,H2O2投加浓度为84.25mg/L,微波功率300w,微波辐射时间5min。不同催化剂投加量对碱性品红降解的结果如图4所示。
图4催化剂投加量对碱性品红降解的影响
可以看出,催化剂Fe3+-Cu2+/AC的投加量在500mg/L~1500mg/L之间变化时,碱性品红的降解率变化范围为84.36%~85.28%,相应的碱性品红浓度为15.64mg/L~14.72mg/L。反映出催化降解碱性品红中,当催化剂投加量达到一定程度,催化剂对碱性品红催化降解率提高的幅度逐渐减小,当催化剂投加量为1250mg/L时碱性品红降解率几乎不再变化。
非均相催化过程的基本特征是反应发生在催化剂表面的活性位上,对于多孔催化剂,反应主要发生在内孔表面,反应过程包括如下步骤:一、反应物自流体主体穿过催化剂外表面的界面膜层的扩散;二、反应物从外表面向内孔表面扩散;三、反应物在内表面上吸附形成表面物质;四、表面物质反应形成吸附态生成物;五、吸附态生成物脱附,然后沿上述相反的过程,扩散进入催化剂外面流体主体。这个过程的扩散速率、表面吸附速率、表面反应速率的最慢速率决定着整个催化反应过程,随着催化剂投加量的增大,体系流体主体反应物浓度降低、生成物浓度增加,扩散速率、表面吸附速率、表面反应速率都受到影响。盲目增大催化剂加量并不能达到经济、有效的降解水中碱性品红的目的,根据上面实验结果,适宜的催化剂投加量为1000mg/L。
2.2.3 H2O2投加量的影响
初始条件:质量浓度为100mg/L的碱性品红溶液100mL, pH为3.0,加入1000mg/L催化剂,微波功率300w,微波辐射时间5min。H2O2投加量对碱性品红降解的影响结果见图5。
图5H2O2投加量对碱性品红降解的影响
可以看出,当H2O2投加量从33.70mg/L增加到67.40mg/L时,碱性品红的降解率从92.51%上升到93.96%,对应的碱性品红浓度从17.49mg/L降低到16.04mg/L,变化幅度不大;当H2O2投加量从67.40mg/L增加到101.10mg/L时,碱性品红降解率下降,从93.96%下降到82.81%,对应的碱性品红浓度从16.04mg/L回升到17.19mg/L,变化幅度较大;当H2O2投加量从101.10mg/L增加到134.80mg/L时,降解率又升高到86.94%,变化幅度较大。H2O2投加量在较低或较高范围都可获得较高的碱性品红降解率。
在微波辐射下,通过催化剂的作用,H2O2分解可产生大量超强氧化性的·OH,从而促使碱性品红降解。因此,在一定范围内,碱性品红的降解率会随着H2O2投加量的增加而上升,但由于H2O2本身同时又是·OH的猝灭剂,投加量过多会导致·OH的猝灭(·OH+H2O2H2O+HO2·);生成的·OH也很容易发生自聚合反应,重新生成H2O2 (·OH +·OHH2O2)[4],从而不利于碱性品红的降解,故当·OH在有机物氧化降解中发挥主要作用,应避免投加过量H2O2。当H2O2继续增加,一方面氧化剂浓度增大,另一方面微波作用使碱性品红分子中各原子间键能受到削弱,非·OH氧化机制将在碱性品红氧化降解过程中发挥重要作用,故微波作用下较大H2O2投加量也可获得较高的碱性品红降解率。但对于经济、高效的碱性品红降解过程,适宜的H2O2投加量为67.40mg/L。
2.2.4 微波功率的影响
初始条件:初始pH为3.0的质量浓度为100mg/L的碱性品红溶液100mL,催化剂1000mg/L、H2O2浓度67.40mg/L,微波辐射时间5min。微波功率对碱性品红降解影响的结果如图6。
由图6可以看出,随着微波功率的增大碱性品红的降解率先急剧升高,然后缓慢下降。当微波辐射功率从100w增加到300w时,碱性品红的降解率从17.85%上升到93.96%,达到最大值,对应的1.碱性品红浓度为82.15mg/L~6.06mg/L;当微波功率从300w增加到500w时,碱性品红的降解率从93.96%下降到85.39%。
这反映出,微波功率较低时,随着微波功率的增大,高强度的微波能加剧反应物碱性品红分子的热运动,削弱分子内原子间键能,同时促进H2O2催化分解产生·OH,提高碱性品红去除率;微波功率增加到一定程度,高强度的微波能使体系温度骤然上升,H2O2在较高的温度下易分解生成氧气和水,故碱性品红降解率逐渐下降。根据实验结果,适宜的微波功率为300w。
图6微波功率对碱性品红降解的影响
2.2.5 不同辐射时间的影响
初始条件:初始pH为3.0,质量浓度为100mg/L的碱性品红溶液100mL,催化剂1000mg/L、H2O2浓度67.40mg/L,微波功率300w,微波辐射时间对碱性品红降解的影响结果如图7所示。
图7不同辐照时间对碱性品红降解的影响
可以看出,随着微波辐射时间的延长,碱性品红的降解率逐渐增加,但增加幅度逐渐降低。当辐射时间从1min增加到8min,碱性品红降解率从39.44%提高到94.76%,对应的碱性品红浓度从60.56mg/L降低到5.24mg/L。当辐射时间为5min时,碱性品红去除率为90.03%;继续延长辐射时间引起的碱性品红降解率变化很小,当辐射时间为6min时,碱性品红去除率为92.76%,7min时,碱性品红去除率为94.46%,8min时,去除率为94.76%。
这反映出,在体系开始阶段,足够的微波辐射时间,对碱性品红在微波诱导下发生催化降解反应特别重要,较长的微波辐射时间与较高的碱性品红降解率对应。但当微波辐射时间增加到一定程度,体系反应物浓度越来越低、生成物浓度越来越高,内、外扩散传质推动力越来越小,传质速率越来越低,故碱性品红催化降解越来越少。在碱性品红降解程度变化不大时,无谓的增加微波辐射时间意味着能量的无谓消耗,根据实验结果,适宜的微波辐射时间为7min。
3 结论
(1)在微波-类Fenton降解碱性品红中,负载金属离子的种类和负载量的不同会带来很大差异的降解效果。其中Fe3+(1.0wt%)-Cu2+(1.0wt%)/AC型催化剂催化效果最好。
(2)催化剂的投入对于降解碱性品红是必须的,碱性品红的降解率随着催化剂投加量的增加而提高;初始pH在2.5~3.5时催化活性差异小,催化反应顺利进行,较高的pH不利于催化反应的进行。
(3)对于100mL初始浓度为100mg/L的碱性品红染料废水,初始pH值2.5、催化剂投加量1000mg/L、H2O2投加量67.4mg/L、微波功率300w,辐射7min后碱性品红去除率超过94%。
参考文献
[1]张光明,张盼月,张信芳.水处理高级氧化技术[M].哈
尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2007:2-11
[2]张光明, 张盼月, 张信芳.水处理高级氧化技术[M].哈尔
滨工业大学出版社, 2007:2-11.
[3]于冬梅, 陈克复, 赵传山等.重金属离子在碱性H2O2溶液
中的存在形态及其对H2O2的催化分解作用[J].中国造纸学报, 2006, 2(2):78-81.
知识目标
理解盐类水解的本质。
理解盐类水解对溶液酸、碱性的影响及变化规律。
了解盐类水解的利用。
能力目标
培养学生分析问题的能力。
培养学生运用对比法和依据客观事实解决问题的逻辑思维能力。
培养学生逻辑推理能力。
情感目标
引导学生树立“透过现象,抓住本质”的辩证唯物主义认识观点。
培养学生善于观察、勤于思考的科学态度。
教学建议
教材分析
“盐类的水解”是电解质理论的组成部分,它属于化学基础理论知识。教材把这部分内容安排在强弱电解质和电离平衡之后,目的是使盐类水解过程和规律的探讨能在电离理论和强弱电解质概念的指导下进行,运用学生已有知识,从中发掘出盐类水解新知识的“生长点”。
本节内容分为三部分:建立盐类水解的概念;探讨盐类水解的规律;运用盐类水解的知识。其中,盐类水解的概念是基础,旨在揭示盐类水解的实质,并为研究盐类水解规律提供依据。盐类水解的规律是核心,它是盐类水解原理的具体化,并使盐类水解一般概念得以直接应用。盐类水解的利用,则是通过具体的情境和应用实例,加深对盐类水解及其规律的理解、巩固。总之,本节教材涉及的知识面较宽,综合性较强,是前面已学过的电解质的电离、水的电离平衡以及平衡移动原理等知识的综合应用。因此,本节教材是本章的重点和难点。
教法建议
本节教师需要为学生提供鲜明的盐类水解的实验事实,启发学生思考,引导学生探究,深入探讨实验的微观本质,并利用多媒体教学手段,帮助学生实现从感性认识到理性认识的飞跃,以形成盐类水解的概念;对于盐的水解规律,要突出个别与一般的辩证关系,要依据教材的典型实例,运用归纳法揭示两类盐(强酸弱碱盐、强碱弱酸盐)水解的规律;对于盐类水解的离子方程式和化学方程式的书写,在教学中要强调书写的规范要求和注意事项,并加强训练。最后,运用演绎法,讨论盐类水解知识在实际中的运用,加深对盐类水解本质及其规律的认识。具体建议如下:
1.知识准备(布置预习作业):中和反应可表示为“酸+碱==盐+水”,因此可把盐理解为是由相应的酸和碱反应完成的,又因为酸有强酸、弱酸,碱有强碱、弱碱,所以生成的盐就有四种,即强酸弱碱盐、弱酸弱碱盐、弱酸强碱盐、强酸强碱盐。要求上述四种类型的盐各举出2—3例(写化学式)
2.采用实验探究方法引入新课。建议将教材中的[实验3-1]改为学生实验,并增加一个演示实验,即“向盛有固体Na2CO3和NH4Cl两支试管分别注入3--4ml蒸馏水,振荡使之溶解,再分别滴加2-3滴酚酞试液和紫色石蕊试液,观察溶液颜色变化”,这样使学生通过实验现象,“发现”盐溶液不都呈中性,引出课题。
3.对于“盐类水解的本质”,建议通过分析CH3COONa、AlCl3的水解,引导学生总结出盐类水解的本质。
4.对于“强酸强碱盐不水解”这部分内容的教学也不容忽视,学生只有理解了强酸强碱盐不水解才能更好地理解盐类水解的本质和条件;而对于“弱酸弱碱盐的水解”只要求学生会判断该类盐能水解就可以了,不要扩展。
5.在讲解如何书写盐类水解的离子方程式和化学方程式时,要强调说明以下问题:
①盐类水解反应一般是可逆反应,反应方程式中要写“”号。
②一般盐类水解的程度很小,水解产物的量也很少,通常不生成沉淀或气体,也不发生分解,在书写方程式时,一般不标“”或“”,也不把生成物写成其分解产物的形式。(如H2CO3,NH3·H2O等)
③多元弱酸的盐的水解反应分步写方程式,但以第一步为主(如H2CO3);多元弱碱盐水解不分步写(如AlCl3)。
④盐类水解反应可视作中和反应的逆反应。
6.“影响盐类水解的外界因素”的教学,对于重点中学,可启发学生运用实验手段自主探究;对于普通中学,可采取教师演示实验。同时使学生认识到盐本身的性质才是主要因素,渗透内、外因的辩证关系。
【关键词】教学设计 盐类水解 问题导学
【中图分类号】G633.8 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2013)03-0165-02
1.教学目标
【知识与技能】引导学生自主建构并理解盐类水解的原理;引导学生正确书写盐类水解方程式。
【过程与方法】通过“活动・探究”的活动,引导学生体会特殊到一般,一般到特殊的演绎过程,并感受分析、归纳、综合等方法的应用。
【情感态度与价值观】通过小组实验探究培养学生合作精神和动手实验的能力;通过探究实验活动及结果分析获得对盐类水解相关知识的正确认识,体验科学认知过程。
2.教学重难点
盐类水解的原理和水解方程式的书写。
3.教学方法
问题导学法、实验探究法、演绎推理法。
4.教学内容
【引入新课】展示氯化铵溶液作为金属表面清洗剂的图片,这是利用了盐的什么性质?(与生活联系,激发兴趣)
【问题1】我们常用酸溶液清洗金属表面,为什么可用氯化铵溶液作为金属表面清洗剂,所有的盐溶液都显中性吗?
(设计意图:从学生已有对氯化钠溶液显中性的认识出发,产生认知冲突)
【合作探究】(学生以小组为单位,分组做实验、观察、思考)
(1)分别用玻璃棒蘸取少量下列溶液,滴到pH试纸上,观察颜色变化,并与标准比色卡比较,得出溶液的酸碱性。(教师指导学生pH试纸使用的正确操作)
提供:第一组溶液:浓度都为0.1mol/L NH4Cl溶液、NaCl溶液、NaClO溶液
第二组溶液:浓度都为0.1mol/L CH3COONa溶液、KNO3溶液、Al2(SO4)3溶液
(2)根据上述实验完成下列表格。
【成果展示】学习小组展示自己的实验结果。
(设计意图:通过学生的自主探究活动,引导和培养学生分析问题、设计实验和动手实验的能力,使学生认识到原来盐溶液并不都是呈中性,还有的显酸性,有的显碱性。“这是为什么呢?”从而进一步激发学生求知的欲望。)
【问题2】 CH3COONa溶液为什么显碱性?
【点拨】引导学生结合以下问题思考分析
(1)CH3COONa溶液中存在哪些电离?
(2)离子反应的发生的条件是什么?CH3COONa溶液中的离子间是否会引起“关联”反应?
(3)结果导致水的电离平衡有何影响?溶液中C (H+) 和 溶液中C(OH-)还相等吗?
(设计意图:这是一个理论探究活动,可以发挥合作学习的优势,让学生在探究盐类水解原理的过程中体验知识的生成过程。)
【学生展示】展示本学习小组的探究结果,并阐明自己的观点。
【动画展示】CH3COONa溶液水解反应的历程。
【总结】由于生成弱电解质CH3COOH,使得溶液中C (H+)减小,从而使得水的电离平衡向右移动,促进水的电离,则溶液中OH-与溶液中H+浓度不再相等,即是[OH-]溶液>[H+]溶液 ,所以溶液呈碱性。
【学生活动】书写上述过程化学方程式及 离子方程式为: CH3COO-+H2O OH-+CH3COOH
【学生展示】化学方程式可表示为:CH3COONa+H2O CH3COOH+NaOH
离子方程式为: CH3COO-+H2O OH-+CH3COOH
【问题3】(1)上述过程化学方程式的逆反应有什么特点?从中可以得到什么结论?
(2)为什么上述过程化学方程式和离子方程式用“?葑”?
(3)分析并比较C (CH3COO-)与C (CH3COOH)的大小。
【点拨升华】反应的特点:“可逆”、“微弱”
【合作讨论】同学们能不能用类似的方法分析氯化铵溶液为何显酸性?NaCl溶液为何显中性?(让学生先独立思考,分析完毕后小组讨论。本部分的探究过程可以让学习小组完成,教师只强调这一过程的电离方程式书写即可。)
(设计意图:这个探究活动的从设计来看,好象比较简单。实际上学生的思维量和前面探究醋酸钠溶液为何显碱性是一样的。这样处理的原因是让学生利用刚刚获得的经验,体验成功感,感受学习的乐趣。)
【成果展示】投影展示学生的小组讨论结果。
【总结】盐溶液有的显酸性,有的显碱性的实质:与水反应有生成弱电解质。
【点拨升华】一、盐类的水解反应:
4.1定义:在水溶液中盐电离产生的离子与水电离产生的H+或OH-结合生成弱电解质的反应,叫做盐类的水解反应,简称盐类的水解。盐类的水解反应是酸碱中和反应的逆反应。
4.2实质:盐电离出的离子与水电离出的离子反应生成弱电解质,破坏了水的电离平衡,促进了水的电离。
4.3结果:破坏了H+或OH-浓度的等量关系使溶液呈酸性或碱性。
【问题4】怎样的盐才会发生水解反应?盐溶液酸碱性如何判断?
(设计意图:引导学生自主分析盐类水解的形成条件及实质。)
【交流讨论】学生思考、讨论
【迁移应用】(1)判断下列盐是否能水解?
①Na2SO4 ②BaCl2 ③NH4NO3 ④CuSO4 ⑤Na2CO3
(2)判断下列盐溶液的酸碱性?
①Na2SO4 ②BaCl2 ③NH4NO3 ④CuSO4 ⑤Na2CO3 ⑥NaHSO4
(设计意图:NaHSO4溶液呈酸性是自身电离的缘故,非盐溶液的水解,进一步突出盐类水解的实质。)
【点拨总结】盐是由酸和碱反应得到的产物,酸碱有强弱之分,故形成的盐也就有别。主要分为强酸强碱盐(如NaCl、KNO3)、强酸弱碱盐(如NH4Cl、CuSO4)、强碱弱酸盐(如CH3COONa、Na2CO3)、弱酸弱碱盐(如CH3COONH4)。有的盐溶液不显中性,是由于盐中存在弱离子。
【点拨升华】
4.4盐类水解的条件:盐中必须含弱酸阴离子或弱碱阳离子。
4.5规律:(1)有弱才水解,无弱不水解;谁强显谁性,双强显中性。
【问题5】相同物质的量浓度的NaClO溶液PH值为什么比CH3COONa溶液的PH值大呢?
(设计意图:引导学生从更深的层次分析实验中的数据差异,拓展思维,进一步理解盐类水解与盐中弱离子对应的酸或碱的强弱有关。)
【交流讨论】学生思考、讨论。
【点拨升华】NaClO中ClO- 对应的酸为HClO , CH3COONa中CH3COO- 对应的酸为CH3COOH ,同浓度的HClO 比CH3COOH 酸性更弱,其水解程度更大。
规律:(2)越弱越水解。
【学生活动】(1)尝试判断下列相同浓度的溶液,PH值由大到小的顺序是
①NaCN ②CH3COOH ③NaF (查课本P80页的电离常数)
(2)书写下列盐溶液的离子反应式:①NaClO ②Al2(SO4)3 ③NaHCO3
(设计意图:结合学生对知识的建构,围绕本节课的重点内容,通过典型例子继续强化对本节课所学内容的深化。)
4.6课堂小结
5.作业
P89 2
6.板书设计
一、盐类的水解
1)定义:在溶液中盐电离产生的离子与水电离产生的H+或OH-结合生成弱电解质的反应,叫作盐类的水解。
2)实质:盐电离出的离子与水电离出的离子反应生成弱电解质,破坏了水的电离平衡,促进了水的电离。
3)结果:破坏了H+或OH-浓度的等量关系使溶液呈酸性或碱性。
4)条件:盐中必须含弱酸阴离子或弱碱阳离子。
5)规律:
(1)有弱才水解,谁强显谁性,双强显中性。
(2)越弱越水解。
参考文献:
[1]刘知新.化学教学论[M] .北京:高等教育出版社,1990