中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化探究

陳 寧

(池州市第三中學(xué)，安徽 池州 247000)

綠色化學(xué)又稱環(huán)境友好化學(xué)和清潔化學(xué)，即以綠色思想為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)和研究對(duì)環(huán)境沒有或最小負(fù)面作用，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面具有可行性的化學(xué)過程和化學(xué)物品。這對(duì)于保護(hù)人類的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展等具有重要的意義，因而綠色化學(xué)很快就成為國際化學(xué)學(xué)科重要的研究方向[1]。

隨著我國教學(xué)與科研的迅速發(fā)展，化學(xué)實(shí)驗(yàn)顯得尤為重要，中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目迅速增加，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的污染不容忽視。對(duì)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的探究成為了重要課題。本文闡述了中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)原則，就中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)途徑展開探討。

1 中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)原則

中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列五項(xiàng)原則[2]：

（l）全過程的綠色化設(shè)計(jì)原則。

(2)環(huán)境保護(hù)意識(shí)與綠色化學(xué)理念相結(jié)合原則。

(3)可行性與科學(xué)性相結(jié)合原則。

(4)安全性與簡約性相結(jié)合原則。

(5)直觀性與微型化相結(jié)合原則。

遵循以上原則，我們可以從以下途徑對(duì)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綠色化設(shè)計(jì)。

2 中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)途徑

2.1 選擇無毒低毒實(shí)驗(yàn)藥品，實(shí)現(xiàn)原料的綠色化

做化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量選擇無毒無害的試劑、溶劑和指示劑，盡可能的使用那些具有環(huán)保屬性的試劑，這樣可以從源頭上避免實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生污染。例如，高一學(xué)生實(shí)驗(yàn)，一定物質(zhì)量濃度溶液的配制，這個(gè)實(shí)驗(yàn)藥品我們就可以選氯化鈉，無毒無害且價(jià)廉易得。在新版初中化學(xué)教材中實(shí)驗(yàn)室制取氧氣實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)原料已由KClO3改為了H2O2，避免了KClO3分解產(chǎn)生少量氯氣的缺點(diǎn)[3]，這充分體現(xiàn)了中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)。又如，自燃實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一般都為白磷自燃，考慮白磷毒性較強(qiáng)，萬婷等把白磷換成無毒的石英粉和鎂粉為原料，首先制備Mg2Si，然后將Mg2Si水解，生成的硅烷在水面上自燃[4]。其反應(yīng)過程如下：

選擇這樣的藥品做實(shí)驗(yàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程無毒，對(duì)環(huán)境無任何污染，與綠色化實(shí)驗(yàn)要求相符。

2.2 開展微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)，降低污染

微型化學(xué)實(shí)驗(yàn) (Microscale Chemical Experiment)是借助微型化的儀器裝置進(jìn)行的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，顯然微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)可以減少污染、節(jié)省試劑 (其試劑用量比對(duì)應(yīng)常量實(shí)驗(yàn)節(jié)約90%)、縮短反應(yīng)時(shí)間(大約為常量實(shí)驗(yàn)的40%)，同時(shí)還降低了水等能源的消耗。近30年來迅速發(fā)展，被稱為“化學(xué)實(shí)驗(yàn)的革命”。開展微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)那些毒性大、藥品昂貴、操作復(fù)雜、污染嚴(yán)重的實(shí)驗(yàn)尤為重要。例如，銅與稀、濃HNO3發(fā)生反應(yīng)，若按照現(xiàn)有教材實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行操作，生成的NO2或NO有毒氣體將會(huì)直接排放到空氣，污染環(huán)境同時(shí)危害師生健康。借助微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，問題就可以得到解決。在銅與稀HNO3的實(shí)驗(yàn)中，利用注射器代替試管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[5]。取一支注射器，抽出活塞，在針筒內(nèi)裝入少許銅屑，推上活塞并吸取少量稀HNO3，迅速用小瓶蓋蓋住注射器口。當(dāng)看到藍(lán)色溶液且活塞移動(dòng) (隨著氣體的產(chǎn)生活塞會(huì)緩慢向外移動(dòng))時(shí)，去掉瓶蓋，拉動(dòng)活塞，吸入空氣，會(huì)觀察到氣體由無色變?yōu)榧t棕色，此時(shí)迅速將氣體注入氫氧化鈉溶液中。而銅與濃HNO3的反應(yīng)，采用實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。銅與濃HNO3反應(yīng)生成的紅棕色二氧化氮?dú)怏w，會(huì)從里面小試管的小孔排出來，充滿里外試管，現(xiàn)象很明顯，多余的二氧化氮?dú)怏w暫時(shí)存放在氣球里，最后會(huì)被NaOH溶液吸收。顯然，采用微型實(shí)驗(yàn)不僅操作簡單，效果明顯且無污染，還能培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)。

圖1 銅片和濃硝酸的反應(yīng)

2.3 利用原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)零污染

原子經(jīng)濟(jì)是指反應(yīng)物中有多少原子轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物，某一化學(xué)反應(yīng)原子經(jīng)濟(jì)性的高低可用原子利用率來衡量。原子利用率（%）=（目標(biāo)產(chǎn)物的相對(duì)原子質(zhì)量總和/反應(yīng)物的相對(duì)原子質(zhì)量總和）×100%。當(dāng)原子利用率達(dá)到100%時(shí)，也即反應(yīng)物中的每個(gè)原子，通過反應(yīng)全部整合到目標(biāo)產(chǎn)物中，從而實(shí)現(xiàn)了零排放。例如，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)以鋁作為原料制備氫氧化鋁的最佳途徑。主要有以下三種方案[6]。

表1 不同方案制備氫氧化鋁的原料消耗表

按生成1mol氫氧化鋁來計(jì)算反應(yīng)過程中所需要H+及OH-的量，結(jié)果見表1。顯然在這3個(gè)方案中，方案3充分體現(xiàn)了原子經(jīng)濟(jì)性，是最佳方案。

2.4 探索連續(xù)實(shí)驗(yàn)、倡導(dǎo)循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的綠色化

我們通常進(jìn)行的化學(xué)實(shí)驗(yàn)都是獨(dú)立的，比如，這次做Cu與濃硫酸反應(yīng)，下次可能做Cu2+的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，再下次可能又要做的檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，這就需要進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)，浪費(fèi)時(shí)間、試劑，還造成多次污染。我們通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以將這三個(gè)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)組合起來，通過一次實(shí)驗(yàn)完成，做過Cu與濃硫酸反應(yīng)的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)之后，緊接著可以進(jìn)行Cu2+的性質(zhì)和的檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。這就是連續(xù)實(shí)驗(yàn)，顯然通過連續(xù)實(shí)驗(yàn)不僅可以節(jié)約試劑，節(jié)省時(shí)間，減少污染，還能增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的趣味性。圖2是我們?cè)O(shè)計(jì)的銀及其化合物的循環(huán)利用圖。在進(jìn)行銀及其化合物性質(zhì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以按照這個(gè)示意圖進(jìn)行連續(xù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

圖2 銀及其化合物的循環(huán)利用

有些化學(xué)試劑可以回收再用，如用苯進(jìn)行萃取實(shí)驗(yàn)后，可以用NaOH溶液洗滌、再分液回收苯，然后下次再用。這樣可以節(jié)約資源、降低污染。

2.5 通過計(jì)算機(jī)輔助與多媒體仿真實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化

在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，有些實(shí)驗(yàn)非常危險(xiǎn)，易引起爆炸，如醚的過氧化物爆炸，可進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在計(jì)算機(jī)前完成實(shí)驗(yàn)，有身臨其境的感受，卻避免了危險(xiǎn)。又如：NH3制備的實(shí)驗(yàn)，教師指導(dǎo)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)來模擬NH3的制備。對(duì)多余NH3的吸收，學(xué)生不記得要接一個(gè)倒置的漏斗，直接就將導(dǎo)管插入水中，這時(shí)我們可以將錯(cuò)就錯(cuò)地讓計(jì)算機(jī)來模擬這個(gè)錯(cuò)誤的操作，會(huì)觀察到燒杯中的水會(huì)發(fā)生倒吸，從而引起試管炸裂的現(xiàn)象[7]，這會(huì)給學(xué)生留下及其深刻的印象，取得良好的教育效果，也達(dá)到綠色實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

有些實(shí)驗(yàn)過程中必須使用有毒有害藥品，或在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生大量有毒有害廢氣、廢液，污染環(huán)境，也危害師生健康，借助前面所敘述的手段無法達(dá)到綠色化。對(duì)于這些實(shí)驗(yàn)，我們可以利用仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即利用計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)來對(duì)實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果等進(jìn)行模擬。這樣，顯然不會(huì)對(duì)學(xué)生和環(huán)境造成污染，同時(shí)學(xué)生不僅觀察到了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)操作流程，還會(huì)有切身的體會(huì)，記憶深刻，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的欲望和興趣。如高二有機(jī)化學(xué)第五章石油的蒸餾和溴苯的制備實(shí)驗(yàn)，考慮到石油蒸餾操作繁雜耗時(shí)、溴苯制備過程污染很嚴(yán)重，可以借助多媒體技術(shù)，指導(dǎo)學(xué)生用動(dòng)畫來模擬這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，具有極佳的教學(xué)效果。

還有些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，如膠體電泳、化學(xué)平衡移動(dòng)實(shí)驗(yàn)，可讓學(xué)生從多媒體動(dòng)畫來觀察變化，效果比實(shí)驗(yàn)好且綠色環(huán)保。

3 結(jié)論

綜上所述，在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中可以通過選擇無毒低毒實(shí)驗(yàn)藥品，開展微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)，利用原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)，探索連續(xù)實(shí)驗(yàn)、倡導(dǎo)循環(huán)利用，借助計(jì)算機(jī)輔助與多媒體仿真實(shí)驗(yàn)等方法和手段，開展中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革與創(chuàng)新，可充分發(fā)揮中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)踐能力，創(chuàng)新精神及環(huán)保意識(shí)，最終實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化。

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