绿色化学教学下的化学实验论文

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一、转变观念，将绿色化学的理念引入化学实验教学

化学是一门实践性很强的学科，化学实验教学又是化学教学过程中的重要环节，实验教学对学生科学思维、动手能力、创新意识的培养起着重要的作用。但绝大多数化学实验不可避免地对环境造成了污染。［4］以大学无机化学实验教学为例，使用到的化学药品有100多种。其中不乏各种毒性较大的物质：如钡盐、铅盐、镉盐、铬盐等各种金属盐类；硫化氢、氯气、二氧化氮、二氧化硫等有刺激性或有毒气体；四氯化碳、乙醚、丙酮等各种有机溶剂。［5］因此，对传统化学实验进行绿色化改革，全面推行绿色化学实验乃大势所趋。绿色化学实验是以绿色化学为指导思想，用预防化学污染的新思想和新技术，对常规实验进行改革而形成的化学实验的新方法。它的具体内涵体现在使用化学品遵循的“5R”原则上：［6－9］1．Reduction—减量（减少试剂用量，提高转化率，可减少“三废”排放量）；2．Reuse—重复使用（催化剂、载体等，应有重复使用的设计，可降低成本、减少废弃物）；3．Recycling—回收使用（回收未反应的原料、副产物、催化剂、稳定剂等非反应试剂）；4．Regeneration—再生利用（变废为宝，是节省资源，减少污染的有效途径）；5．Rejection一拒用（拒绝使用无法回收、无法替代的毒副作用、污染作用明显的原料，是杜绝污染的最根本方法）。具体来说，就是化学试剂、化学反应、途径、产物、剂量等等的绿色化。

二、改革教学内容和手段，将绿色化学的理念

渗透入实验过程作为高校化学教师，应不断地改进实验教材和教学内容，将绿色化学的理念融入到化学实验教学中，培养具有绿色化学意识的化学人才，实现化学实验的绿色化。主要的改进手段有以下几点。

（一）反应试剂绿色化

不管是无机化学实验、有机化学实验、分析化学实验还是物理化学实验，都多多少少要使用到有毒有害的反应试剂。反应试剂的调整对实验绿色化进程意义重大。如无机元素化学实验中将鉴定Br－、I－时使用的氯水改为双氧水，既可以省去制备氯气的烦琐操作，避免氯气、氯水对环境及健康造成的不良影响，又可以让学生灵活运用学过的知识。［10］有机化学实验中“苯乙酮的制备”要用大量苯，此实验可用生理毒性比苯小得多的甲苯代替”；［11］传统的“己二酸的制备”实验，现有有机化学实验教材是以环己醇为原料、用硝酸作为氧化剂的传统工艺，硝酸是危险、有强腐蚀性的物质，副产的NO会破坏臭氧层，而且该反应为强放热反应，极易飞速升温而失控。“己二酸的制备”可以采用绿色合成工艺，即以环己烯为原料，以H2O2为氧化剂合成己二酸，该工艺以绿色氧化剂H2O2代替HNO3，反应条件温和，易于控制。［12］

（二）常量实验微量化、半微量化

尽管很多实验经过改进以后，所用原料毒性很小或基本无毒，但排放量大了仍会造成污染。应此，实验的微量化和半微量化不仅是减少试剂用量的简单问题，也是走绿色化学之路的必然选择。自从20世纪80年代美国科学家在基础有机化学的微型制备实验研究中取得成功后，微型化学实验的探究与应用就成为一种趋势。微型化学实验是以尽可能少的反应物质来获取所需化学信息的实验方法与技术。虽然其试剂用量一般只是常规实验用量的1／10乃至更少，但其效果却可以达到准确、明显、安全、方便和防止环境污染等目的。采用微型化学实验技术，可以大大减少试剂用量、缩短实验时间、降低环境污染，也有利于强化学生的动手操作能力，培养学生的创新思维和环保意识。［5］如在无机性质实验中，对不用加热和不需要沉淀分离的实验，改在点滴板上进行，试剂用量可减低到原来的1／2～1／5。有机实验中的如乙酸乙酯的制备、从茶叶中提取咖啡因等实验改成半微量实验后产品产率和质量仍能得到一定保证。［11］

（三）实验模式循环化

传统实验是“原料—产物—废弃物”的单向线性系统，特征是原料的高消耗性以及产物对人和环境的高污染性，随着资源的短缺甚至枯竭，人类生存环境的不断恶化，这种传统实验模式正在受到前所未有的挑战，人们越来越清楚地认识到它的种种缺陷和不足。“循环实验”的根本在于“循环”两字———充分利用实验产物，绿色化处理实验废物。循环实验模式一般有两种：［13］1．原料—产物（原料）—产物（无毒、低毒废物）；例如：乙酰水杨酸的制备～提纯—含量分析（酸碱滴定法）。本实验的反应物为乙酸酐和水杨酸，常温条件下生成乙酰水杨酸，在下一轮乙酰水杨酸的提纯及含量测定实验中作为样品使用。2．原料—产物（原料）—产物—原料。例如：以配位连续滴定法测定混合液中的Bi3＋和Pb2＋离子，是分析化学实验教学中的一个重要实验内容。按照传统的试验方法，供学生测定的混合试液几乎都是由分析纯的硝酸盐试剂配制而成。以前在学生完成分析实验之后，含有Bi3＋和Pb2＋废液也就随下水管排掉。这些废液如不回收，既污染环境又浪费资源。在该实验过程中，如以硫化钠为沉淀剂处理含Bi3＋和Pb2＋的废液，则Bi3＋和Pb2＋均以硫化物沉淀的形式回收，然后用稀硝酸加以溶解，并通过硝酸用量的控制，使再生后试液的酸度恰为滴定所需的pH值，这样就可供学生在实验中反复使用。［14］

（四）实验技术（仪器）更合理化

在物理化学实验中，U型管水银压力计和贝克曼温度计使用频率曾经很高。但这两种仪表都含有汞，容易造成实验室汞污染。可将U型管水银压力计改换为压力传感器，不仅能达到无汞的目的，而且还使压力测量读数更准、更快；传统的贝克曼温度计也可换为“SWC－Ⅱ型数字贝克曼温度计”，既省时又安全，效果也很好。［15］而在有机化学实验中，微波辐射法的运用也为实验绿色化开辟了一条新的道路。与常规加热法相比，微波辐射促进合成方法可以显著地节能，提高反应速率，缩短反应时间，减少污染，且能实现一些常规方法难以实现的反应。微型实验、小量一半微量实验可以据以有选择地改造为微波化学实验。微波化学反应直接或间接地减少了环境污染。作为一种新技术，应大力研究和推广，使之形成新的实验体系。［5，16］

（五）计算机和多媒体技术帮助实现实验绿色化［2，4，13，17］

利用计算机多媒体技术对化学实验进行辅助教学是近年来新兴起来的一种实验教学手段。化学实验属于消耗性实验，常规的、传统的化学实验不可避免地会消耗许多药品和大量的水资源。计算机辅助教学模拟化学实验（仿真实验）是一种化学试剂和仪器装置“零投入”和“废弃物零排放”的特殊实验方式，特别适合于演示实验。我们利用计算机多媒体技术对实验原理、装置、流程、实验过程进行仿真，用文字、声音、图像、动画的效果，让学生在计算机屏幕上所做实验达到身临其境的感受，如在直观的情景中“实验”。如醚的过氧化物爆炸、有毒溶剂的燃烧、砷化物的相互转化、胶体的电泳、硫化氢的性质与制取等。学生可以反复地操作练习，重现实验内容和实验现象，观察实验的现象变化。实验软件本身就带有较高的趣味性和游戏性，既可以大大提高学生对实验课的学习兴趣，充分调动学生的积极性和主动性，又可以减少环境污染和实验危险。

三、培养学生环保意识，妥善处理实验室“三废”［18，19］

在实验教学中，教师必须适时灌输绿色化学思想，让学生充分理解和接纳绿色化学知识；教导学生依据“5R”原则来考虑和解决化学实验中出现的污染问题，做到实验药品的减量化、循环或回收再利用，选择污染少、装置简单、产物易分离、安全性高的实验方法，在无法避免使用或产生有毒有害物质时，必须采取有效的保护和消害处理措施；引导学生观察和认识生活、生产中的绿色化学现象，巩固和加深绿色化学知识。同时，实验室要积极创造条件，对实验后的“三废”进行无害化处理。如无机实验室首先要对废液收集桶中的各种酸碱和金属溶液进行预处理，有针对性地加入一些中和剂和沉淀剂。预处理后的废液可通过专用管道排到指定处作无害化处理。有机实验室更应对各种废液分类收集后处理。玻璃废渣、废瓶、或有毒废渣集中存放后可由学校统一收集处理。实验室内应装有通风橱、排风机等，有条件的还可安装正压送风系统。正压送风系统采用从天花板送风口压入新鲜空气，可以把实验室中的烟雾从门、窗或是实验室墙角专用的出风口中压出，能更有效的处理实验过程中产生的烟雾。

作者：殷馨王海文工作单位：华东理工大学化学与分子工程学院化学实验教学中心