中学化学实验绿色化探究

陈 宁

(池州市第三中学，安徽 池州 247000)

绿色化学又称环境友好化学和清洁化学，即以绿色思想为指导，设计和研究对环境没有或最小负面作用，同时在经济和技术方面具有可行性的化学过程和化学物品。这对于保护人类的环境，实现人类社会可持续发展等具有重要的意义，因而绿色化学很快就成为国际化学学科重要的研究方向[1]。

随着我国教学与科研的迅速发展，化学实验显得尤为重要，中学化学实验项目迅速增加，实验产生的污染不容忽视。对中学化学实验绿色化的探究成为了重要课题。本文阐述了中学化学实验绿色化设计原则，就中学化学实验绿色化设计途径展开探讨。

1 中学化学实验绿色化设计原则

中学化学实验绿色化设计应遵循下列五项原则[2]：

（l）全过程的绿色化设计原则。

(2)环境保护意识与绿色化学理念相结合原则。

(3)可行性与科学性相结合原则。

(4)安全性与简约性相结合原则。

(5)直观性与微型化相结合原则。

遵循以上原则，我们可以从以下途径对中学化学实验进行绿色化设计。

2 中学化学实验绿色化设计途径

2.1 选择无毒低毒实验药品，实现原料的绿色化

做化学实验时尽量选择无毒无害的试剂、溶剂和指示剂，尽可能的使用那些具有环保属性的试剂，这样可以从源头上避免实验产生污染。例如，高一学生实验，一定物质量浓度溶液的配制，这个实验药品我们就可以选氯化钠，无毒无害且价廉易得。在新版初中化学教材中实验室制取氧气实验，反应原料已由KClO3改为了H2O2，避免了KClO3分解产生少量氯气的缺点[3]，这充分体现了中学化学实验绿色化设计。又如，自燃实验，传统实验一般都为白磷自燃，考虑白磷毒性较强，万婷等把白磷换成无毒的石英粉和镁粉为原料，首先制备Mg2Si，然后将Mg2Si水解，生成的硅烷在水面上自燃[4]。其反应过程如下：

选择这样的药品做实验，整个实验过程无毒，对环境无任何污染，与绿色化实验要求相符。

2.2 开展微型化学实验，降低污染

微型化学实验 (Microscale Chemical Experiment)是借助微型化的仪器装置进行的化学实验，显然微型化学实验可以减少污染、节省试剂 (其试剂用量比对应常量实验节约90%)、缩短反应时间(大约为常量实验的40%)，同时还降低了水等能源的消耗。近30年来迅速发展，被称为“化学实验的革命”。开展微型化学实验对那些毒性大、药品昂贵、操作复杂、污染严重的实验尤为重要。例如，铜与稀、浓HNO3发生反应，若按照现有教材实验方案进行操作，生成的NO2或NO有毒气体将会直接排放到空气，污染环境同时危害师生健康。借助微型化学实验设计，问题就可以得到解决。在铜与稀HNO3的实验中，利用注射器代替试管进行实验[5]。取一支注射器，抽出活塞，在针筒内装入少许铜屑，推上活塞并吸取少量稀HNO3，迅速用小瓶盖盖住注射器口。当看到蓝色溶液且活塞移动 (随着气体的产生活塞会缓慢向外移动)时，去掉瓶盖，拉动活塞，吸入空气，会观察到气体由无色变为红棕色，此时迅速将气体注入氢氧化钠溶液中。而铜与浓HNO3的反应，采用实验装置如图1。铜与浓HNO3反应生成的红棕色二氧化氮气体，会从里面小试管的小孔排出来，充满里外试管，现象很明显，多余的二氧化氮气体暂时存放在气球里，最后会被NaOH溶液吸收。显然，采用微型实验不仅操作简单，效果明显且无污染，还能培养学生的环保意识和创新意识。

图1 铜片和浓硝酸的反应

2.3 利用原子经济反应，实现零污染

原子经济是指反应物中有多少原子转化为目标产物，某一化学反应原子经济性的高低可用原子利用率来衡量。原子利用率（%）=（目标产物的相对原子质量总和/反应物的相对原子质量总和）×100%。当原子利用率达到100%时，也即反应物中的每个原子，通过反应全部整合到目标产物中，从而实现了零排放。例如，请设计以铝作为原料制备氢氧化铝的最佳途径。主要有以下三种方案[6]。

表1 不同方案制备氢氧化铝的原料消耗表

按生成1mol氢氧化铝来计算反应过程中所需要H+及OH-的量，结果见表1。显然在这3个方案中，方案3充分体现了原子经济性，是最佳方案。

2.4 探索连续实验、倡导循环利用，实现产物的绿色化

我们通常进行的化学实验都是独立的，比如，这次做Cu与浓硫酸反应，下次可能做Cu2+的性质实验，再下次可能又要做的检验实验，这就需要进行三次实验，浪费时间、试剂，还造成多次污染。我们通过实验设计，可以将这三个单独的实验组合起来，通过一次实验完成，做过Cu与浓硫酸反应的性质实验之后，紧接着可以进行Cu2+的性质和的检验实验。这就是连续实验，显然通过连续实验不仅可以节约试剂，节省时间，减少污染，还能增强实验的趣味性。图2是我们设计的银及其化合物的循环利用图。在进行银及其化合物性质实验时，可以按照这个示意图进行连续实验设计。

图2 银及其化合物的循环利用

有些化学试剂可以回收再用，如用苯进行萃取实验后，可以用NaOH溶液洗涤、再分液回收苯，然后下次再用。这样可以节约资源、降低污染。

2.5 通过计算机辅助与多媒体仿真实现化学实验绿色化

在中学化学实验中，有些实验非常危险，易引起爆炸，如醚的过氧化物爆炸，可进行仿真实验，学生在计算机前完成实验，有身临其境的感受，却避免了危险。又如：NH3制备的实验，教师指导学生利用计算机多媒体技术来模拟NH3的制备。对多余NH3的吸收，学生不记得要接一个倒置的漏斗，直接就将导管插入水中，这时我们可以将错就错地让计算机来模拟这个错误的操作，会观察到烧杯中的水会发生倒吸，从而引起试管炸裂的现象[7]，这会给学生留下及其深刻的印象，取得良好的教育效果，也达到绿色实验目的。

有些实验过程中必须使用有毒有害药品，或在实验中产生大量有毒有害废气、废液，污染环境，也危害师生健康，借助前面所叙述的手段无法达到绿色化。对于这些实验，我们可以利用仿真实验进行实验教学，即利用计算机多媒体技术来对实验过程、实验现象和实验结果等进行模拟。这样，显然不会对学生和环境造成污染，同时学生不仅观察到了实验现象，实验操作流程，还会有切身的体会，记忆深刻，进一步激发学生学习化学实验的欲望和兴趣。如高二有机化学第五章石油的蒸馏和溴苯的制备实验，考虑到石油蒸馏操作繁杂耗时、溴苯制备过程污染很严重，可以借助多媒体技术，指导学生用动画来模拟这两个实验，具有极佳的教学效果。

还有些实验现象不明显，如胶体电泳、化学平衡移动实验，可让学生从多媒体动画来观察变化，效果比实验好且绿色环保。

3 结论

综上所述，在中学化学实验中可以通过选择无毒低毒实验药品，开展微型化学实验，利用原子经济反应，探索连续实验、倡导循环利用，借助计算机辅助与多媒体仿真实验等方法和手段，开展中学化学实验改革与创新，可充分发挥中学化学实验的教学功能，增强了学生实践能力，创新精神及环保意识，最终实现化学实验绿色化。

[1]孙鸿.中学化学实验绿色化教学探索与实践[J].株洲师范高等专科学校学报，2007，12(2):91-92.

[2]张月梅.中学化学实验绿色化设计的方法论[J].白城师范学院学报，2003，17(1):49-51.

[3]张月梅，何晓燕.中学化学实验绿色化设计的方法论研究[J].中学化学教学参考，2004(5):31-33.

[4]万婷，李秀文.推广中学化学实验的绿色化[J].中小学实验与装备，2005，15(1):35-36.

[5]程玉珊.微型化学实验初探 [J].中学化学教学参考，2008.(11):32-33.

[6]人民教育出版社化学室.全日制普通高级中学化学第三册[M].2版.北京:人民教育出版社，2001:78-82.

[8]刘四运，付饶.中学化学实验绿色化设计思想初探[J].池州师专学报，2005，19(1):143-147.