綠色化學理念下的無機及分析化學實驗教學

黃劍平 石曉明 谷惠文

(長江大學 化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023)

在環境問題日益嚴峻的今天，化學實驗的綠色化已成為化學實驗教學改革的重要內容。無機及分析化學實驗是我校化學化工類專業一門重要的基礎課，該課程也是學生進入大學后的第一門基礎化學實驗課程，對學生掌握實驗基本知識和技能、養成良好的實驗習慣、形成科學的思維方式和研究方法有著非常重要的作用。在實現實驗教學目標的同時，如何在教學中充分體現綠色化學理念，最大限度地減少實驗污染，盡可能地降低實驗成本，培養學生的環保意識、節約意識是每一個化學實驗教師務必認真研究和探討的問題。近年來，我們結合實驗教學內容，將綠色化學理念融入教學實踐中，進行了一些有益的探索與嘗試，取得了良好的效果。

1 結合教學內容進行綠色化學教育

綠色化學是利用化學的技術和方法去減少或停止那些對人類健康、生態環境有害的原料、催化劑、溶劑和試劑、產物、副產物等的使用和產生[1]。綠色化學的目標是“杜絕污染源”，實現廢物的“零排放”。我們在無機及分析化學實驗教學中，結合教學內容，從點滴做起，從細微處入手，有意識地將綠色化學的理念傳遞給學生，讓學生意識到綠色化學對于人類及其賴以生存的環境的可持續發展的重要性，并牢固地樹立綠色意識，在學習和生活中自覺地養成節約、環保的習慣。

2 選用無毒無害的化學試劑

根據綠色化學理念，我們在實驗中盡量選用無毒無害的化學試劑，力求從源頭上阻止實驗對環境造成的污染。例如，實驗“電解質溶液”中涉及難溶電解質的沉淀溶解平衡，要求根據溶度積規則及平衡移動原理驗證沉淀的生成與溶解、分步沉淀以及沉淀的轉化等相關知識。在傳統實驗中[2]，“沉淀的生成”是在Pb(NO3)2中加入KI，觀察PbI2沉淀(黃色)的生成；在K2CrO4以及NaCl中加入AgNO3，觀察Ag2CrO4沉淀(磚紅色)以及AgCl沉淀(白色)的生成。“分步沉淀”是在K2CrO4與NaCl的混合溶液中滴加AgNO3，觀察沉淀顏色的變化以確定沉淀的先后次序。“沉淀的轉化”是在Pb(NO3)2中先加入NaCl，觀察PbCl2沉淀(白色)的生成，離心分離后往沉淀上滴加KI，振蕩或攪拌后觀察沉淀顏色的變化以確定沉淀轉化的方向。在所用試劑中，鉛(Ⅱ)、鉻(Ⅵ)是有毒重金屬，銀是貴重金屬。為了減少實驗污染，我們將“沉淀的生成”中的Pb(NO3)2替換成CuSO4，KI替換成Na2S，讓學生觀察CuS沉淀(黑色)的生成；同時將K2CrO4替換成CuSO4，NaCl替換成FeCl3，AgNO3替換成NaOH，讓學生觀察Cu(OH)2沉淀(淺藍色)以及Fe(OH)3沉淀(紅棕色)的生成。這樣，“分步沉淀”則是讓學生確定淺藍色沉淀[Cu(OH)2]與紅棕色沉淀[Fe(OH)3]產生的先后次序。同樣，關于“沉淀的轉化”，我們是在CuSO4中先加入NaOH，離心分離后往沉淀上滴加Na2S，讓學生觀察淺藍色沉淀[Cu(OH)2]向黑色沉淀(CuS)的轉化。實驗結果表明，選用無毒無害的化學試劑后，同樣能看到明顯的實驗現象，達到滿意的實驗效果。

3 減少化學試劑的使用量

對于傳統實驗中無法替換的有毒有害試劑，我們在保證實驗效果的前提下盡可能地減少化學試劑的使用量，以此來達到降低實驗污染的目的。例如，“可溶性氯化物中氯含量的測定(莫爾法)”實驗中，傳統做法是將AgNO3標準溶液的濃度配制成0.1 mol/L左右，指示劑(5%K2CrO4)需要1 mL，結果是不僅要消耗大量貴重的AgNO3，同時還會造成較大的鉻(Ⅵ)污染，而且到達滴定終點時，由于大量AgCl白色沉淀的存在還會影響到學生對滴定終點的準確判斷。因此，教學中我們將AgNO3標準溶液的濃度降低至0.02 mol/L左右，同時，相應減少試樣的稱取量，指示劑(5%K2CrO4)的用量只需要10滴即可。結果表明，改進后的實驗，滴定終點更容易判斷，并且還減少了環境污染，節約了實驗經費。

又如，“膽礬中銅的測定(碘量法)”實驗中，傳統做法是將Na2S2O3標準溶液的濃度配制成0.1 mol/L左右，標定Na2S2O3標準溶液時需要基準物質K2Cr2O7約1.2克。在教學中我們將Na2S2O3標準溶液的濃度降低至0.02 mol/L左右，在標定Na2S2O3標準溶液時，基準物質K2Cr2O7則只需要稱取0.2～0.3克，同時也大大減少了KI試劑的使用量(碘化鉀試劑價格不菲)，改進后的實驗同樣能達到實驗教學目的。

4 切實采取防污減排措施

實驗過程中難免會產生一些廢氣、廢液和廢渣，如果不加以處理就直接排放，會對環境造成污染。例如，綜合實驗“硫酸亞鐵銨的制備與分析”，該實驗的傳統做法是將鐵屑與稀硫酸放在敞口的小錐形瓶中，通過水浴加熱制備硫酸亞鐵溶液。由于鐵屑中含有硫、磷等雜質，與稀硫酸反應時會產生H2S、PH3等有害刺激性氣體，對環境造成嚴重污染并直接影響師生的身心健康。同時，在敞口容器中進行反應時易導致部分Fe2+被氧化成Fe3+，從而影響產品質量。因此，在教學中我們將實驗裝置由敞開式改為封閉式，即在小錐形瓶瓶口加裝橡皮塞，用導氣管將反應產生的有害氣體導入盛有堿液(可用給鐵屑除油污時使用過的碳酸鈉溶液)的燒杯中，讓反應產生的有害氣體被堿液吸收，避免了有害氣體的直接排放，保護了實驗環境。同時，也防止了硫酸亞鐵因裸露在空氣中而被氧化，提高了產品質量。

我們對實驗過程中產生的廢液和廢渣做到分類收集、集中處理。例如，對普通的稀酸和稀堿廢液，讓學生分別倒入指定的廢液桶內，實驗完成后，將兩種廢液相互中和后再排放(pH6～8)；對實驗中產生的含銀化合物廢液，則采用硫化鈉沉淀法處理。對實驗中產生的含Cr(Ⅵ)廢液采用還原、沉淀法處理[3]。

5 對實驗產物進行回收利用

為了節約資源，降低實驗成本，同時也減少實驗廢棄物對環境造成的污染，我們加強了對實驗產物的回收利用。例如，實驗“硫酸亞鐵銨的制備與分析”中制備的硫酸亞鐵銨，可用于“三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀的制備及組成分析”中的原料藥品，也可用于“分光光度法測鐵”中的鐵樣品；實驗“粗食鹽的提純”中的產品(NaCl)可用于“可溶性氯化物中氯含量的測定”中的氯樣品，也可用于配制“水的硬度測定”實驗中的鉻黑T指示劑、鈣指示劑。這樣，既減少了資源浪費，也有利于培養學生的綠色化學理念，幫助學生構建綠色化學思維。

6 結語

綠色化學是人類可持續發展的客觀要求，也是化學學科發展的必然趨勢。在無機及分析化學實驗教學中選用無毒無害的化學試劑、減少化學試劑的使用量、采取防污減排措施、對實驗產物進行回收利用等措施符合綠色化學的理念，不僅減少了實驗造成的環境污染，降低了實驗教學成本，同時也增強了學生的綠色化學意識和社會責任感，有利于學生綜合素質與創新能力的培養和提高。