中學(xué)化學(xué)實驗的綠色化改進

摘? 要 化學(xué)實驗綠色化就是在滿足教學(xué)目標的基本前提下，將綠色化學(xué)的原理和理念融于實驗中，對一些設(shè)計不合理的實驗進行綠色化改進。基于此，在綠色化學(xué)理念的指導(dǎo)下對SO2的制備及其性質(zhì)實驗進行改進設(shè)計，符合綠色化學(xué)的基本要求，便于教師演示和學(xué)生親自動手實驗。

關(guān)鍵詞 化學(xué)實驗;綠色化學(xué);SO2;實驗室;實驗儀器

中圖分類號：G633.8? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）21-0116-03

1 前言

《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版）》指出，化學(xué)實驗是研究和學(xué)習(xí)物質(zhì)及其變化的基本方法，是科學(xué)探究的一種重要途徑[1]。然而作為高中化學(xué)教學(xué)的一個重要組成部分，其開展的情況并不樂觀。實驗現(xiàn)象不明顯、有毒有害、耗時長等，都是教師和學(xué)生規(guī)避化學(xué)實驗的重要原因，講實驗、畫實驗的現(xiàn)象也一直存在于中學(xué)課堂中，長此以往，必然將影響教師的教學(xué)，也會打消學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性和興趣。綠色化學(xué)作為一門新興學(xué)科，將其基本理念融入中學(xué)化學(xué)實驗中，對一些設(shè)計不合理、現(xiàn)象不明顯和有危險性的實驗進行改進設(shè)計，使其更好地服務(wù)于師生，是一件迫在眉睫的事情。

2 綠色化學(xué)與化學(xué)實驗綠色化

綠色化學(xué)一詞最早是由美國化學(xué)會提出來的，又被稱為清潔化學(xué)、環(huán)境無害化學(xué)和環(huán)境友好化學(xué)，它是基于化學(xué)學(xué)科且具有明確的科學(xué)目標和適應(yīng)社會需求的一門新興學(xué)科[2]。綠色化學(xué)主張利用相關(guān)的技術(shù)和原理從源頭上減少污染，其核心內(nèi)容之一是“原子經(jīng)濟性”，即使反應(yīng)物中的各個原子都被充分地利用，使其盡可能地轉(zhuǎn)移到目標產(chǎn)物中[3]。原子經(jīng)濟性可以用原子利用率來衡量，一般認為，原子利用率越高，原料的利用率越好。

核心內(nèi)容之二主要體現(xiàn)在“5R”原則上：

第一是reduction（減量），即減少實驗反應(yīng)物和排放物的量;

第二是reusing（循環(huán)使用），即重復(fù)使用一些未參與反應(yīng)的物質(zhì)，如催化劑;

第三是recycling（回收），即將一些未參與反應(yīng)的原料和副產(chǎn)物等回收利用;

第四是regenreation（再生），即變廢為寶;

第五是rejection（拒絕），即拒絕使用無法再生和一些有毒有害的物質(zhì)[4]。

化學(xué)實驗綠色化就是在滿足教學(xué)目標的基本前提下，將綠色化學(xué)的基本原理和理念融于化學(xué)實驗中，并對一些設(shè)計不合理、安全性能低和污染嚴重的實驗內(nèi)容和儀器進行改進，達到綠色化學(xué)的減量、循環(huán)利用、回收、再生、盡可能減少或避免有毒有害物質(zhì)的產(chǎn)生等要求，最大限度地減小化學(xué)實驗對師生健康和生態(tài)環(huán)境的不良影響[5]。

3 化學(xué)實驗綠色化改進的意義

化學(xué)實驗是學(xué)習(xí)化學(xué)的基礎(chǔ)，是化學(xué)學(xué)習(xí)中的一個重要環(huán)節(jié)，是將化學(xué)理論知識和實踐有效結(jié)合的重要手段，對學(xué)生的創(chuàng)新意識、動手能力和科學(xué)思維的培養(yǎng)都起著至關(guān)重要的作用。而目前高中化學(xué)實驗的開展情況并不樂觀，只注重實驗結(jié)果而忽視了實驗的過程，甚至大多數(shù)學(xué)生都持有“化學(xué)實驗室所產(chǎn)生的污染都是微乎其微的”“藥品用得越多，現(xiàn)象越明顯”的觀點。

實驗過程的缺失以及學(xué)生的錯誤觀念，都不利于綠色化學(xué)理念的貫徹。化學(xué)實驗的綠色化改進，不僅能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)意識，有利于教師進行綠色化的教學(xué)，也使得學(xué)生意識到化學(xué)絕不僅僅意味著污染、危險、爆炸，還有更高層次的化學(xué)、清潔無害的化學(xué)等待著自己去學(xué)習(xí)、探究和發(fā)展;同時，可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性和主動性，培養(yǎng)學(xué)生對化學(xué)的興趣，有利于學(xué)生主動建構(gòu)知識和發(fā)現(xiàn)問題，為營造輕松的課堂學(xué)習(xí)氛圍和提高課堂教學(xué)效率提供良好的范例[6]。

4 SO2的制備及其性質(zhì)實驗改進實例

改進原因? SO2氣體的相關(guān)性質(zhì)是高中化學(xué)中的一個重要知識點，且有關(guān)SO2的制備及其性質(zhì)實驗也是高中化學(xué)中一個重要的演示實驗。人教版高中《化學(xué)》必修一中有關(guān)SO2的性質(zhì)實驗是通過收集一試管已經(jīng)制備好的SO2氣體，再將其倒扣在水中來驗證SO2的酸性和漂白性的。該實驗有很大的不足，例如：已經(jīng)收集好的SO2氣體容易溢出，造成污染;實驗藥品用量大，造成浪費，不利于貫徹經(jīng)濟化學(xué)的原則;實驗操作具有一定的難度，在將SO2倒扣在水中的過程中很容易造成氣體的泄露;沒有尾氣吸收裝置。基于該實驗的不足和SO2的毒性與刺激性，久而久之，SO2氣體的相關(guān)實驗就被視頻所代替，不利于教師的教，也不利于學(xué)生的學(xué)。

通過查閱文獻資料發(fā)現(xiàn)，對于SO2的制備及其性質(zhì)實驗的改進從未間斷[7-8]。如唐生岳在《二氧化硫制備和性質(zhì)實驗的組合設(shè)計》一文中，將藍色石蕊試紙、滴有品紅溶液的濾紙、滴有酸性KMnO4溶液的濾紙和滴有Na2S溶液的濾紙貼在燃燒匙上，再將燃燒匙中裝入固體Na2SO3，實驗過程中通過將燃燒匙中的Na2SO3倒入盛有濃H2SO4溶液的試管中來制備SO2和驗證其相關(guān)性質(zhì)。但此裝置無法很好地控制反應(yīng)速率，也無法對比SO2使品紅溶液和酸性KMnO4溶液褪色原理的不同。

又如王秀榮在《二氧化硫制備與性質(zhì)實驗的改進與探究》一文中，通過向盛有飽和Na2SO3溶液的具支試管中注射濃H2SO4溶液來制備SO2氣體，然后將制備好的SO2氣體通入另一支具支試管中來驗證其相關(guān)性質(zhì)。他通過SO2可以使pH試紙和鮮花褪色而不能使有色布條褪色來說明SO2具有酸性和漂白性，但是驗證其漂白性有選擇性的操作過于煩瑣，可直接用藍色石蕊試紙代替這三者;且他將盛有品紅溶液的小試管置于盛有酸性KMnO4溶液的具支試管中來驗證SO2使二者褪色的原理不同，然而KMnO4溶液顏色較深，將兩支試管套在一起，即使顏色有變化，也容易造成視覺誤差。

針對人教版高中《化學(xué)》必修一中有關(guān)SO2性質(zhì)實驗的不足和已有改進的缺點，本文設(shè)計一種集SO2氣體的制備和性質(zhì)檢驗實驗為一體的實驗裝置，實現(xiàn)化學(xué)實驗的微型化、封閉化和合并化，易于操作，現(xiàn)象明顯;并對實驗中產(chǎn)生的廢氣進行妥善處理，符合綠色化學(xué)的基本原則;且改進后的實驗更利于教師演示，也有利于學(xué)生自己動手操作，便于學(xué)生更好地理解SO2的相關(guān)知識。

實驗原理

SO2氣體的制備：

H2SO4（濃）+Na2SO3 === SO2↑+Na2SO4+H2O

SO2氣體的性質(zhì)：

SO2+H2O === H2SO3

3SO2+2Na2S === 3S↓+2Na2SO3

5SO2+2MnO4-+2H2O === 5SO42-+2Mn2++4H+

尾氣處理：

SO2+2NaOH === Na2SO3+H2O

實驗儀器及藥品? 實驗儀器包括試管、注射器、Y型試管、導(dǎo)管、軟木塞、鐵絲、酒精燈、鐵架臺、棉花。實驗藥品包括濃H2SO4、飽和Na2SO3溶液、藍色石蕊試紙、Na2S、

酸性KMnO4溶液、品紅溶液、NaOH溶液。

實驗裝置圖? 實驗裝置如圖1所示。

實驗步驟及說明

1）檢查氣密性：將左側(cè)試管中導(dǎo)管口浸沒在液面下，微熱試管，左邊試管中的導(dǎo)管口有氣泡冒出;移走熱源后，導(dǎo)管末端形成一段水柱，說明裝置氣密性良好，反之則漏氣。

2）在左側(cè)試管中加入2 mL飽和Na2SO3溶液，注射器中吸入2 mL濃H2SO4，塞上軟木塞，并在塞子上插入一根細鐵絲，鐵絲上綁有濕潤的藍色石蕊試紙和沾有Na2S溶液的濾紙。

3）另取一支Y型試管，分別在兩側(cè)加入酸性KMnO4溶液和品紅溶液，并在試管口塞上一團沾有NaOH溶液的棉花用于吸收尾氣，然后用導(dǎo)氣管將Y型試管與左側(cè)試管相連。

4）實驗開始時將注射器中的濃H2SO4緩緩注入盛有飽和Na2SO3溶液的試管中，并將生成的氣體通入Y型試管，充分反應(yīng)后加熱Y型試管，觀察現(xiàn)象。

5）反應(yīng)結(jié)束后用注射器向左側(cè)試管中注入空氣，使殘余的SO2氣體完全進入Y型試管中被沾有NaOH溶液的棉花吸收;若擔(dān)心仍有殘余，可用注射器再吸取適量NaOH溶液注入，以保證尾氣被充分吸收。

實驗現(xiàn)象及結(jié)論

1）左側(cè)試管中有氣泡產(chǎn)生，說明濃H2SO4和飽和Na2SO3

溶液反應(yīng)，生成SO2氣體;

2）濕潤的藍色石蕊試紙變紅但不褪色，說明SO2氣體溶于水生成酸性物質(zhì)，且SO2的漂白性有選擇性;

3）沾有Na2S溶液的試紙上有黃色固體生成，說明SO2有還原性;

4）酸性KMnO4溶液褪色，說明SO2有氧化性;

5）品紅溶液褪色，說明SO2有漂白性;

6）加熱酸性KMnO4溶液后顏色不恢復(fù)，但品紅溶液加熱后恢復(fù)原色，說明SO2使酸性KMnO4溶液和品紅溶液褪色的原理不同，且SO2的漂白性不能長久維持;

7）冷卻后品紅溶液又褪色，說明SO2的漂白作用具有可逆性。

改進優(yōu)點

1）藥品減量化：減少化學(xué)試劑和儀器的用量，現(xiàn)象明顯易觀察，操作簡單，節(jié)約時間，且從源頭上減少了污染。

2）裝置合并化：提高藥品的利用率，節(jié)約成本和時間，且在一定程度上減小了污染。

3）裝置封閉化：防止產(chǎn)生的SO2氣體泄露，低危害、低污染。

4）反應(yīng)過程的綠色化。

①注射器的使用，能夠根據(jù)需要及時控制反應(yīng)物的加入量和加入速度;反應(yīng)結(jié)束后也可利用注射器及時將殘留的SO2氣體趕出，有利于消除污染。

②用飽和Na2SO3溶液代替Na2SO3固體，增大了反應(yīng)物的接觸面，使反應(yīng)更加快速和充分，最大限度地利用了原料，且有利于SO2氣體的溢出。

5）能量的綠色化：用濕潤的藍色石蕊試紙代替石蕊溶液;用沾有Na2S溶液的濾紙代替Na2S溶液;將SO2使酸性KMnO4溶液和品紅溶液褪色的裝置合并，這些操作都簡化了實驗裝置且減少費用。

6）尾氣處理：用NaOH溶液吸收尾氣，防止尾氣泄露造成污染，有利于保護環(huán)境。

5 結(jié)論

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的課程，設(shè)計污染小、易操作、現(xiàn)象明顯的實驗操作，對于學(xué)生理解和掌握化學(xué)知識、培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣和拓展科學(xué)思維都有著極其重要的作用。化學(xué)實驗的綠色化創(chuàng)新和改進，不僅能夠幫助調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性和主動性，也能夠輕松實現(xiàn)綠色化教學(xué)，讓學(xué)生更好地掌握綠色化學(xué)的相關(guān)理念。SO2的制備及其性質(zhì)實驗只是教材中實驗改進的一個實例，更清潔、更綠色、更環(huán)保的化學(xué)需要每一個人的努力。

參考文獻

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[8]王秀榮.二氧化硫制備與性質(zhì)實驗的改進與探究[J].化學(xué)教學(xué)，2017（10）：49-51.作者：董銀萍，上海師范大學(xué)碩士研究生，研究方向為化學(xué)教學(xué)（200234）。