浅析中学绿色化学实验

浅析中学绿色化学实验

摘要：绿色化学实验是教学改革发展的必然趋势。为保护人类生存环境，为培养具有环保理念的技能人才，化学教师应积极去探索绿色化学实验教学，充分发挥它的作用。
关键词：绿色化学实验；含义；内容；方案
        随着我们赖以生存的地球环境的日益恶化，环境污染、生态安全问题越来越为人们所重视。而环境污染最主要的表现为化学物质的污染。化学作为一门以实验为主的基础学科，是广大学生获取知识、提高技能的有力手段。然而，学生通过实验手段在获取知识的同时，不仅在向环境释放着“三废”，而且自身也处在污染之中。《化学课程标准(实验)》中规定必修课程的设计要“体现绿色化学思想”。要让学生了解“在化工生产中遵循‘绿色化学’思想的重要性”；还在选修模块《实验化学》中规定要让学生“树立绿色化学思想，养成环境保护的意识”。显然，新制定的课程标准非常重视学生绿色化学思想的形成和应用。
        一、化学实验绿色化的含义
        1.绿色化学是一种理念。化学实验教学不仅可以增强学生对实验现象的直观感受，培养学生的动手观察能力，而且进一步使学生从感性认识上升到理性认识，增强他们分析问题和解决问题的能力。但实验必定会涉及到有害、有毒的物质，从某种意义上讲，学校中环境污染主要来源于化学实验。培养学生的环保意识是实现化学实验室绿色化管理的最基本保障，化学实验产生的废弃物，如果不经处理直接排放，不但会造成环境的污染，还会淡化学生的环保意识，养成不良习惯。化学实验教学课堂是向学生传授环保知识的好场所，在实验课上不仅要使学生掌握各种实验技能和处理问题的能力，更要强化学生的环保意识，强化学生对社会高度负责的主人翁精神。环境保护人人有责，一定要从我做起，从实验室做起，从一点一滴做起，使学生进入化学实验室后就受到绿色化学的教育。在化学实验教学中培养学生养成良好的实验习惯，用绿色化学的理念来设计自己的实验，使自己的动手操作能力和分析创新能力得到提高。
        2.按照美国《绿色化学》(Green Chemistry)杂志的定义，绿色化学是指在制造和应用化学产品时应有效利用(最好可再生)原料，消除废物和避免使用有毒的和危险的试剂和溶剂。今天的绿色化学是指能够保护环境的化学技术。它可通过使用自然能源，避免给环境造成负担、避免排放有害物质。利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染。环境保护就是通过采取行政的、法律的、经济的、科学技术等多方面的措施，保护人类生存的环境不受污染和破坏。绿色化学是“防污染”，环境保护是“治污染”，只有实验过程实现绿色化，从根本上切断污染源，才能真正做到保护环境。
        二、开发绿色化的教学内容
        要实现“绿色化学”实验，首先必须从源头上制止化学污染物的生成。这就要求我们在选择实验内容时，不要忽视实验过程对环境的污染，应调整实验教学内容，实验题目的选取既满足培养学生实验技能的要求，又考虑到可能造成的环境污染问题，选择环保型的实验项目。
        绿色化学实验的设计要求：如果一个化学实验对环境无物质种类改变的影响或物质种类改变量极小，就可说该化学实验达到了绿色化学实验的要求，具体有如下几类：(1)化学实验反应中原子的利用率达100%。(2)化学实验体系放给环境的物质种类是环境体系正常组分中所固有的。如放出的气体是空气中固有的正常组分如02、N2、H20、C02等。(3)实验体系不向环境放出物质。(4)污染废弃物集中处理后转化为非污染物。(5)在实验现象明显的前提下，对不可避免会形成污染的实验尽可能使其微型化。根据不同情况达到上述任一条或几条要求的化学实验可以认为是达到了绿色化学实验的设计要求。
        三、绿色化学实验方案
        1.优化污染实验
        很多实验在操作过程中会造成大气及水的污染，教师应对污染严重的实验进行优化，使其成为绿色化学实验。例如，钠在空气中燃烧的实验。按常规方法，会损坏很多玻璃管、蒸发皿和石棉网，浪费很严重。更重要的是生成的过氧化钠呈烟状挥发到大气中，既污染环境，又不容易观察生成物的颜色。优化以后的做法：用一块白铁皮(或铝片)，折起四边成小盒状，将一绿豆大小的钠，吸干煤油后放在其中，将其置于三角架上，用酒精灯加热，钠很快便可熔化、燃烧。实验现象：看到钠逐渐燃烧，呈黄色火焰，生成菜花状的淡黄色固体。改进后的优点：生成的过氧化钠基本上都留在白铁皮(或铝片)上，既有利环保，又容易观察到产物的颜色；冷却后取出燃烧产物，将白铁皮(或铝片)清洗干净擦干以备后用。
        又如硫酸的脱水性实验，取白砂糖10g，研细后放入小烧杯中，加入1~2 mL水调匀，加入10~15mL浓流酸，小心搅拌，观察现象。此实验由于白砂糖和浓硫酸用量多，其碳化过程中会产生二氧化碳、二氧化硫酸性气体副产物，造成严重的室内污染。为了解决这个问题，进行了实验的优化，采取的方法：取2g白砂糖放入大试管中，加入约3mL浓硫酸，搅拌后迅速盖上带导管的橡皮塞，将玻璃导管的另一端插入盛有品红溶液的试管中。用大试管代替小烧杯，白砂糖的用量由10g减少至2g，浓硫酸由原来的10~15mL减少为3mL。
反应物用量减少，反应产物用品红溶液吸收，大幅度减少了有害气体的排放量，生成的碳块儿沿着试管壁向上延伸，既增强了实验的演示效果，又保证了实验者的身体健康。
        2.倡导利用多媒体技术
        在遇到危险性较大或者伴随有毒、有害物质生成较多的演示实验时，可以借助三维立体画面、多媒体技术模拟实验的真实情景，还能够节约药品、水电等，并减少对环境的破坏。根据不同的教学情况和需要，可以利用现有条件下的网络信息资源素材库和教学软件，也可以学校自己设计制作多媒体课件。例如：在Cu与浓HN03反应的演示实验中，反应过程中生成的大量N02有毒气体，对实验者危害较大，为了解决这个问题，可以将该实验改为投影实验，全体学生都能够通过大屏幕，清楚地观察到Cu与浓HN03反应的全部实验现象。        3.推广微型化学实验
        所谓微型化学实验，就是以尽可能少的化学试剂来获取所需化学信息的实验方法与技术。虽然它的化学试剂用量一般只为常规实验用量的几十分之一乃至几千分之一，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。微型化学实验仪器使用高分子材料制成，具有小巧便携、不易破碎、抗腐蚀等优点，完全可以做到人手一份，人人可以动手操作。为发展绿色化学实验提供了方便与可能。
        例如，硫在氧气中燃烧的反应，若按常规实验每次需硫粉0.3~0.5 g，反应后生成二氧化硫0.6~1 g，而微型化学实验每次仅需硫粉0.02 g，反应后生成二氧化硫0.04g，排污量大大降低，而效果也一样明显。
        又如，钠与水的反应，向装有水的小烧杯中滴加几滴酚酞，然后投入小块钠(绿豆大小)观察实验现象。将这一实验改进为微型实验。操作步骤：切割1／2绿豆粒大小的金属钠置于石英尖嘴导管的管口，用小团棉花堵住管口(以免金属钠滑落下来)，并将其插入盛有水的六孔井穴板中(已滴入无色酚酞溶液)。金属钠与水迅速反应，产生的气体推动金属钠球沿着尖嘴导管上升，钠球继而由于重力作用下降，其又与水接触发生剧烈反应，钠球上下跳动，并发出“嘶嘶”的声音，烧杯中的水已经变成红色，说明有碱生成。待反应一段时间后，尖嘴导管里的空气已被排净，导管内的气体完全是纯净的氢气，此时将燃着的木条靠近导管的尖嘴处，然后移开，发现尖嘴处的气体燃烧并产生淡蓝色的火焰，证明产生的气体是氢气。此实验的微型化，原料用量减少、安全可靠，符合绿色化学实验的宗旨。
        4.改进化学实验仪器，向无污染的方向发展
        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)。操作方法：一头滴冷水，另一头在酒精灯上加热因冷水起到冷凝作用，碘升华后凝聚在碘锤上方内壁，在碘锤中部可以看到紫红色的碘蒸汽，反之也可以。
        5.加强排污设备建设，规范有害物质处理
        目前许多学校实验室的排污设备比较简陋，处理废弃物的能力不足。学校应加大资金投入，加强排污设备建设，使实验产生的污染物排放量减至最小。规范有害废弃物的处理：(1)有害气体的处理。可选用适当的吸附剂吸附，也可安装尾气吸收装置；(2)废液的处理。有机废液可以通过蒸馏、重结晶等方法回收，有害重金属离子废液，可加入合适的试剂或调节溶液pH使金属离子转化为难溶性的沉淀物，过滤，沉淀物妥善保存，确认滤液不含有毒物质后方可排放；(3)废弃固体处理。实验中用过的金属，如铁钉、锌粒、锡粒等应经水洗、烘干处理后继续使用。
        锡林郭勒盟第二中学按以上方法探索和实践绿色化学实验，已经取得了令人满意的效果。全国有数以万计的学校化学实验室每天都排放着化学成分复杂的污染物，影响着生存环境。绿色化学实验是教学改革发展的必然趋势。所以，作为化学教师，为保护人类生存环境，为培养具有环保理念的技能人才，应站在这一化学改革的前沿，持续地去探索绿色化学实验教学。 
参考文献：
[1]马晓红.浅析中学化学教学中的绿色化学教育[J].硅谷，2008(10).
[2]曹琼瑶.中学化学教育中的绿色化学[J].科技资讯，2006(17).
Abstract: Green chemistry experiment is an inexorable trend of teaching reform development. In order to protect environment for human survival and cultivate talents of environmental protection concepts, chemistry teachers should actively probe into green chemistry experiment teaching and bring their roles into full play. 
Key words: green chemistry experiment; meaning; contents; plans

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