高中化学实验创新中的绿色化学理念

摘  要:  化学实验室的环境污染问题是不可忽视的。要减少化学实验产生的污染，必须精选实验内容，改进实验方式，妥善处理废弃物，建设绿色化学实验室。

    关键词:  绿色化学、 微型实验、实验创新

绿色化学(Green Chemistry)主张在通过化学转换获取新物质的过程中充分利用每个原子，过程和终端均为零排放或零污染，具有“原子经济性”，它既能充分利用资源，又能实现预防污染。绿色化学为化学教育教学提出了新的要求。绿色化学实验的目标和任务不是被动地治理污染，而是主动地减少和消除实验室的化学污染。因此增强环保意识，精选实验内容，改进实验方式，妥善处理废弃物等，是建设绿色化学实验室的有效途径。化学实验室是师生学习和科研的重要场所，由此产生的环境污染和对师生健康的直接影响是不可忽视的，因此建设绿色化学实验室，采取切实可行的有效措施防止和消除实验室造成的环境污染，是值得广大的化学工作者关注和思考的。那么，如何在中学的化学教育教学中体现绿色化学的思想，在潜移默化中对学生进行绿色化学观念的教育呢？

一、实验改进

    1.药品改进

    只要有可能，实验过程中使用对人类健康和环境无毒或毒性很小的物质。例如：用三氯化铁溶液代替稀硝酸清洗银镜反应的试管；用“直溜汽油”代替“苯”进行有关的萃取实验。有一些反应产物可以循环使用，如Cu2(OH)2CO3加热分解的产物CuO收集起来可作“酸的通性”实验的原料之一，而“酸的通性”实验的产物CuSO4又是“质量守恒定律”实验的原料，“质量守恒定律”的实验产物Cu(OH)2悬浊液中通入CO2又可产生Cu2(OH)2CO3，这样循环不仅使化学试剂得到充分利用，节约了成本，而且对环境保护做出了贡献。但也有一些反应产物不值得回收，也不可直接倒入水池或排入下水道，至少需要对实验产物作无害化处理。如废酸可用石灰乳或碳酸钠等中和反应后埋入地下，含汞废液可用硫化钠生成硫化汞沉淀等等。

2.仪器改进

①用密封的成品化仪器代替有毒实验，避免了有害物质的产生。

这种仪器和药品可以循环使用，不存在污染毒害。如：碘的升华实验，可用碘锤来完成（碘锤的两头向内凹陷，内封有碘晶体，如图1）。另外，温度对化学平衡的影响实验，可采用密封有二氧化氮的圆底烧瓶（如图2 ）。

      图1                      图2

再如，钠在氯气中的燃烧，取一支大试管，塞入带干燥管的胶塞，用铁夹把试管固定在铁架台上。在干燥管里垫一层石棉绒或玻璃丝，往试管内加入少量高锰酸钾晶体，再注入少量浓盐酸，立即塞紧带干燥管的胶塞，用一小块硬纸片盖住干燥管口。高锰酸钾跟盐酸反应产生氯气，当干燥管内投入有滤纸吸干煤油的绿豆大的金属钠。金属钠在氯气里激烈燃烧，在干燥管里产生大量白烟，这就是氯化钠固体。如果再向干燥管投入金属钠，金属钠仍在氯气里燃烧。本实验不需事先用广口瓶收集氯气，省去了把金属钠放入燃烧匙后，再用酒精灯给金属钠加热这一操作，操作简单，成功率高。

又如浓硫酸的脱水性实验：烧杯中放入20g蔗糖，加入几滴水，搅拌均匀。然后加入15mL溶质的质量分数为98%的浓硫酸，迅速搅拌。观察实验现象。此实验的缺点是：反应放出大量有刺激气味的有毒气体如SO2等，对空气污染严重，学生咳嗽不止，甚至干扰了课堂正常秩序。改进方案：将200ml烧杯置于有少量水的玻璃水槽内的一块大理石小垫块上（大理石小垫块稍微高于水面），再在200ml小烧杯上倒扣一个大烧杯（如图3）。

②改进某些排放有毒物质的实验。

例1：SO2的漂白性实验。

实验用品：广口瓶（1000mL）一只；分液漏斗（50mL）一个；具支试管20×200mm、20×150mm各一只；气球1只；直角玻璃管两根；胶塞3个（2个3号，1个6号）；硬质胶管 2节；酒精灯；亚硫酸钠晶体；浓硫酸；品红溶液；氢氧化钠溶液。

实验装置如图4：

实验方法和现象：按图将仪器、药品装好后，旋转分液漏斗活塞，使浓硫酸慢慢滴到具支试管底部亚硫酸钠晶体上，可观察到反应立即进行，产生无色二氧化硫气体，品红溶液随之褪色。关闭分液漏斗活塞，用酒精灯加热盛有品红溶液的试管，片刻又可观察到品红溶液恢复至原来的颜色。

例2：Cu和稀硝酸的反应。

实验准备：取一支球形干燥管，在它的细管部分套一段胶管（内嵌一颗玻璃珠）粗管口配上带有导管的单孔塞。在干燥管里放入一只用细铜丝绕成的铜丝球（或铜片）。取一块直径稍大于粗管内径的有孔塑料片把它塞入管中，使它嵌在内壁上，位置可以根据需要调节。最后塞上单孔塞，保证它的气密性良好。如图5：

实验操作：在球形干燥管里注入1：2的稀硝酸，直到接近管口处。塞上单孔塞，使空气全部从导管排出。倒转干燥管，使导管口对准下方的容器（小烧杯或试管）。随着Cu跟稀硝酸的反应，生成的NO气体把酸液从导管排出。当酸液液面低于塑料片时，反应自动停止。贮存在球形部分的无色气体是NO，粗管内的酸液因含有硝酸铜而呈蓝色。挤捏玻璃珠外的胶管，空气进入干燥管中，NO被氧化，变成NO2而呈红棕色。

③将多个实验合并，减少污染

实验的合并是将某几个实验合并在一起做，减少实验中产生的污染，甚至变得没有污染。如：浓硫酸特性实验及产物的验证实验。

浓硫酸的特性主要表现为吸水性、脱水性、强氧化性，这些只要用一个实验即蔗糖与浓硫酸。产物有CO2、SO2等。如图6：

二、化学实验要尽量减小试剂的浓度 

在现行中学化学教材中，有些实验指明了药品浓度，有些实验没有指明药品浓度。对涉及药品浓度的实验探索和改进，既能节约药品、保证实验效果，又能减少环境污染。

1、指示剂浓度的减少。指示剂酚酞、石蕊、甲基橙、品红等，特别是酚酞和石蕊，指示剂变色很灵敏，即使用微量药品也会有明显现象和效果。原浓度为0.5％～1.0％，经改进可减少到0.1％～0.25％，也可以相应减少酒精的用量。2、苯酚性质实验。苯酚溶液浓度由2％降至0.5％～1.0 ％，溴水浓度也可降低为橙红（稍浓）。3、对定性检验剂硝酸银浓度改进。在进行银镜反应配制银氨溶液时，将硝酸银浓度、氨水浓度均可由2％降为1％，实验效果依然。而在高中化学一般离子检验中，硝酸银浓度微量0.1％足已。4、浓度对化学平衡的影响的演示实验中硫氰酸钾、三氯化铁溶液的浓度可由0.01mol/L降为0.0005mol/L，1mol/L降为0.5mol/L。

这些改动实验药品的浓度都增强了实验效果。中学化学实验中降低实验药品浓度的例子还很多，作为化学实验工作者，应具有绿色化学的思想，并指导日常工作，尽可能地降低实验药品浓度，减少药品的损耗，预防环境污染。

三、发展微型实验实现最低污染

微型实验在保证现象明显的前提下，实现药品微量化及实验仪器微型化。尽可能用少的药品获取最有效的实验信息，具体讲就是药品用量少、仪器容量小、基本无污染、实验现象直观明显的化学实验。它是在绿色化学思想下，用预防化学污染的新实验思想、新方法和新技术对常规实验进行改革和发展的必然结果。尽可能少用一点试剂，是微型化学实验的核心，是一种思维方向，是绿色化学思想在化学实验中的具体体现。为此，使用微型实验仪器，减少对玻璃仪器的依赖性，如比较同主族性质的递变规律的氯、溴、碘的氧化性实验，三价铁的显色反应可放在点滴板中进行；有些定性实验可放在滤纸上进行，如电解饱和食盐水，乙醛与氢氧化铜悬浊液的反应，气体的性质和检验……如果遇到实验中微型化带来的实验现象不明显问题，可以借助投影仪把实验现象放大，这样就可以解决实验微型化带来的部分不利影响。                                                                     

如：铜片与稀硝酸的反应                                                    

①先将铜片放入5mL 注射器内，排净注射器内的空气，然后吸入2mL 的稀硝酸，迅速将注射器针头插在胶塞上，可看到铜片表面产生大量气泡，注射器活塞被后推有无色气体生成，同时溶液由无色变为蓝色溶液。 

②反应完毕后，将作反应器的注射器从胶塞上拔出，拉动活塞吸入空气，可以观察到注射器内无色气体迅速变成红棕色气体。如下图7所示。

反应方程式：3Cu+8HNO3 =3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O        2NO + O2 =2NO2

如： “氯气的实验室制备”微型实验改进。

全封闭式制取氯气微型实验装置图（图8）。

实验步骤与现象：

    ①如图8所示，打开自由夹A和C，关闭自由夹B，缓缓推动注射器M的活塞，按约1滴/秒的滴加速率逐滴滴入青霉素瓶F中；

　　②当观察到反应生成的黄绿色氯气充满青霉素药剂瓶F时，打开自由夹B，同时关闭自由夹C；

　　③此时便观察到氯气将青霉素药剂瓶G中的饱和NaCl溶液压入烧杯E中；

　　④当观察到青霉素药剂瓶G中的饱和NaCl全部被氯气压出时，关闭自由夹B，同时缓缓回抽注射器M活塞（旨在平衡反应容器青霉素药剂瓶F中的氯气压力）。

　　⑤制取氯气实验结束时，关闭自由夹A，将注射器M从装有自由夹A的输液管中拔出，换吸约6ml 4mol/L NaOH溶液，再按如图8所示使注射器M与装有自由夹A的输液管相连接，关闭自由夹B，打开自由夹A、C，将注射器M中的NaOH溶液一次性注入青霉素药剂瓶F中。

   实验说明：为了更安全地控制氯气用量，更有效灵活地进行氯气性质实验，可参照（如图9）所示进行取用。　　

　　缓缓抽拉10ml注射器N活塞，充有氯气的青霉素药剂瓶M中产生负压，此时观察到烧杯H中的饱和NaCl溶液被压入青霉素药剂瓶M中，直至饱和NaCl溶液压满青霉素药剂瓶M为止，M中的氯气全部被转充到注射器N中。根据氯气性质实验所需，推动注射器N活塞，能安全地控制氯气用量，以保证氯气性质实验有效地、灵活地进行。

例如：已研制成功的井穴板，除适合于实验教学外，对比实验和复习实验等均能在井穴板中进行，特别是复习实验，其综合性强的特点也能在井穴板中较为完善地实施。如对比实验中，酸、碱、盐与酸碱指示剂的反应，教学实验中可以利用井穴板进行盐酸、硫酸化学性质的探究性教学，同时又可以进行对比性实验，初步总结出酸的通性。（具体的做法是：将酸碱指示剂、非金属单质碳粉、金属单质锌粒、非金属氧化物沙粒主要成分为二氧化硅、金属氧化物氧化铜、稀硫酸或稀盐酸、氢氧化铜、硝酸银或氯化钡各微量分置于井穴板的孔中，然后滴加稀盐酸或稀硫酸。）复习元素及其化合物的知识时，将Cu与Hg(NO3)2溶液、Cu与AgNO3溶液、Cu与稀HCl、Cu与稀H2SO4、Zn与CuSO4溶液、Cu与ZnSO4溶液、Fe与CuSO4溶液等分置于井穴板的孔中进行组合实验。这些实验的进行均是其他常规化学实验仪器所无法比拟的。另外像M．L．仪器和“微型化学实验基本仪器盒及配件”（Miniature Chemistry Fundamental kit-box fittings简缩为MCK-F）等绿色化学新观念下的新一代产品的推出，在今后的绿色化学实验中也必会占据一席之地，所有这些正有待于我们化学工作者，在其操作平台下，探索更为广泛的应用实例。随着经济的不断发展，化学实验仪器的不断改进，我相信绿色化学的教育前景必将是美好的。

四、合理有效地利用计算机多媒体

    常规的、传统化学实验不可避免地消耗许多药品和大量的水资源，尤其是对一些昂贵、有毒（如苯、苯酚等）试剂的实验，采用计算机多媒体系统进行仿真实验显得尤为重要。一般重点放在充分利用现有条件下的网络信息资源素材库和教学软件中，根据不同的教学情况和需要，有的直接使用，有的根据该实验的特点，加以增、删、改后使用，其次通过集体共谋，自己设计制作课件。采用多媒体教学的实验往往有以下特点：

①对实验毒性很大，产生气体污染严重的，如：氯气的制取、除杂、干燥、性质、尾气处理的综合实验。

②对反应需要一定速度和时间的，如：Cl2和H2混合光照爆炸很难观察到过程，而且有一定的危险性。

③对需分析化学原理的，如：苯酚和浓溴水反应。再如电解饱和食盐水的实验，会产生氯气，同时学生对离子的移动缺乏理解，如果用电脑三维动画从微观的角度诠释微粒的运动，并显示两极的变化，效果比实验好。有的比较好的仿真实验室模拟软件界面比较友好，实验仪器可以按实验的要求随意组装，在该软件中搭建完成的实验还可以另存为图片，或进行模拟演示，既省却了教师画图的麻烦，也能很好的再现实验现象，对培养学生的实验设计能力有较大的帮助。

五、妥善处理废弃物减少环境污染

实验中不可避免会产生某些有毒的气体、液体和固体，特别是一些巨毒物质，如果直接排放就可能污染周围空气和水源，使环境污染，损害人体健康。因此，对废液和废气要经过处理后，才能排弃。实验室常见的有害物处理方法如下：

(一) 废气：用碱液吸收或与其它物质反应，使其变成液体或固体，再作处理。

(二)废液：废酸用石灰乳或碳酸钠中和；废铬液用浓高锰酸钾再生；含重金属离子的废液可加碱或硫化钠使其沉积，再过滤分离，残渣埋于地下。含氰废液必须认真处理。少量的含氰废液可先加NaOH调至PH ＞10，再加入几克高锰酸钾使CN-氧化分解。量大的含氰废液可用碱性氯化法处理。先用碱调至PH ＞10，再加入漂白粉，使CN-氧化成氰酸盐，并进一步分解为CO2和N2。

（三）废渣尽可能再生利用，不能再生的有毒物要远离生活区深埋。

六、提高师生的环保意识

在化学实验中也应重视环保教育，培养学生的环保责任感，把绿色化学教育渗透到化学实验室、实验过程中，禁止乱扔、乱倒行为。实验教师应从我做起，既要耐心、细致的言传身教，又要认真、严格地要求学生，做保护环境的模范。在实验过程中，要教育和督促学生把废液、废渣倒到指定的容器并作妥善处理，并不断改进实验，包括尽可能采用微型实验，尽量减少有害气体的任意挥发，将有害气体尽可能作化学处理，实验的废液，废渣尽可能回收利用。使学生牢固地树立起绿色化学和环境保护的意识，关心和重视绿色化学实验室的建设。

此外，实验室环境的潜移默化作用也不可忽视。实验台、柜干净，仪器摆放整齐、有序，整个实验室宽敞、明亮、整洁，使师生一进实验室就产生了保护环境的强烈意识。化学在提高人们生活质量，增进人们身体健康等各方面所做出的贡献是有目共睹的，但我们也不能忽视化学给环境带来的负面影响，总结经验教训，并实际行动起来，从源头上控制和消除污染，使化学成为真正造福人类的中心科学。

主要参考文献

[1] 曾一文,张志; 整合无机实验提高学生的实验素养 [J]; 广西梧州师范高等专科学校学报; 2006年03期  55-58

[2] 化学教学论实验 李广洲 陆真 科学出版社 03-007243-X

[3] 化学综合设计实验  霍冀川  化学工业出版社  978-7-122-01274-6