建立绿色化的高中化学实验及实验教学新体系

摘要：根据上海市高中化学新教材，估算了高中各年级所有化学实验可能产生污染物的种类和数量，介绍了部分污染物的毒害性；比较具体地讨论了高中化学实验绿色化的主要策略和措施。

关键词：绿色化学；化学实验；高中化学；化学实验绿色化

文章编号：1005－6629(2007)11－0006－03中图分类号：G633.8 文献标识码：C

1 化学实验绿色化的意义

“化学实验绿色化”即化学实验洁净化，是将绿色化学的基本原理和理念应用于化学实验中的一项技术，是对传统化学实验进行创新的结果。化学实验绿色化的目的是改变“只要有化学实验就会产生环境污染”的现状，要求在满足教学要求的前提下，使设计的化学实验彻底避免或尽量减少使用和产生有害物质，从源头上消除化学实验对环境和师生健康的负面影响。为此，需要从绿色化学的角度研究化学实验，尽量减少化学实验对环境的污染。对于传统化学实验中那些对环境有所破坏的实验，在保证教学要求的前提下，应尽可能地寻找新的对环境友好的实验来代替；对于传统化学实验中对环境友好的实验，则应该继承。

2目前高中化学实验中的黑色威胁

尽管教材编写时已经注意减少对环境的污染，但是不少化学实验还是会产生一些废水、废气和废渣。表1以上海科技出版社出版的教材为例，估算了高中各年级化学实验污染物产生的数据：

表1 各年级有毒害性实验数据估算

可以发现，有一半以上的实验对环境存在污染。这些实验产生的污染物的数量如何呢？表2汇总了高中三年化学实验产生的各种污染物分析估算数量，对于一些毒害性轻微物质或难以确定的物质，在种类右上角标注“*”。

表2 各种污染物总量估算

这些数据只是根据教师在一个班级的演示实验量，按照实验要求计算得出的废弃物数量，并且基本都假设反应进行完全，忽略副产物，没有考虑学生实验产生的废弃物，所以只是最低量的估算。

全国数以万计的高中化学实验室几乎每天都在排放着总量不可忽视的污染物，成了一个个小型污染源。中国的水资源约为世界人均水平的1／4，地下水污染问题已经十分严重。大部分学校的实验废液和部分废渣通过下水道直接排放流入江河、水塘或者渗入地下，会加重水污染使缺水的状况雪上加霜。其中的毒害废物最终会进入生态系统，破坏环境，并且通过食物链传递、富集，影响人类自身的健康。而且，化学实验所用的试剂品种多，排放的污染物成份复杂，处理起来比较麻烦。学生学到的化学知识也许会遗忘，但是化学实验产生的污染却会在很多年后仍损害我们生存的环境。

3 高中化学实验绿色化的主要策略和措施

3.1尽量避免选择和使用有毒害的反应物和反应助剂

例如，在制乙烯时用氧化铝代替浓硫酸，可以有效地减少硫酸的污染。由于工业技术绿色化可以降低成本，提高利润，所以它的发展更加迅速。在化工生产中不断出现新的工艺方法和新型的催化剂，可以成为高中化学实验绿色化的借鉴。应该注意把工业成果应用于实际教学，既加强理论与实际的结合，同时也使化学实验更加绿色化。

在实验中可以借助小试管、点滴板、多用滴管、井穴板等微型化的的仪器，控制学生滴加药品的用量，减少药品的使用。例如如果用小试管做乙烯的制取实验，可以节约乙醇，减少浓硫酸的排放；利用液体在滤纸上用量少、扩散快、面积大的特点作三价铁离子的检验等有明显颜色变化的实验；用黑色6穴点滴板做硫酸根离子、氯离子的检验实验，减少药品使用；在保证现象的前提下尽量降低反应溶液浓度；组合实验，通过实验的试纸化，减少反应物的使用及有害物的排放。

还可以采用替换其他反应物的方法来减少污染。对于一些会产生毒害物的实验，我们可以通过改变另一反应物，或者使有毒害性的物质充分反应或被吸收，来达到既保证实验效果又减少污染的目的。例如，在乙炔性质系列实验中，若采用NaOH溶液作为反应物，就不会有硫化氢、磷化氢、砷化氢等气体溢出。虽然改动很小，却能够使实验绿色化。

3.2 制定控制使用的试剂目录

对于不得不使用的、无法替代的有毒害物质，应该尽量控制使用。所谓“控制使用”包括：禁止使用；严格规定在什么情况下才能使用，并且限制用量，尽量不用；对使用后的剩余物质提出回收、处理要求，规定回收处理的方法。

应该控制使用的试剂（或物质）有：酸性腐蚀品：盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、甲酸、乙酸等；碱性腐蚀品：氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、碱石灰、氨水等；有和剧：四氯化碳、溴、苯酚、苯、甲苯等；有害品：五氧化二钒、硝酸汞、硫酸铜、醋酸铅、溴、溴水、氯化铁溶液等。对于这些物质，应该明确说明控制使用的原因及回收处理的要求和方法。这样在使用药品时就可以有意识地控制使用。例如，对于检验碘单质的实验，应该用淀粉的显色反应来检验，尽量不使用有毒的四氯化碳的萃取实验来检验碘单质，减少环境污染。

3.3有毒害物质的零排放和后处理

对于会产生毒害物的实验，应该在实验方案中注明无害化排放和后处理方法，制订适当的回收原则。对于难于处理的物质，可以采用集中处理的方法。例如对于苯的硝化实验产生的硝基苯这类物质，各区或市教育局应该有专人负责统一回收利用，予以集中处理，或联系厂家，作为原材料，不能把它们往垃圾堆、下水道一扔了之。

有些实验的生成物只要经过简单处理就可以作为其他实验的反应物。为了物尽其用，可以设计实验物质使用的“网络”，充分利用实验药品，减少废物排放，降低实验成本。

有的实验只要稍做改进就可以做到回收试剂。例如萃取实验后用较浓的NaOH溶液进行洗涤、分液，最后又重新得到的四氯化碳；铁和硫反应生成硫化亚铁，可以作为制取硫化氢气体的原料；做催化剂用的二氧化锰可以回收为制氯气的原料；在电解质和非电解质的实验中，所用的固体可以用来做其他的定性实验，蔗糖可以做浓硫酸脱水实验的原料，硝酸钾固体可以做焰色反应；做溶液的导电性实验所剩的药品，可用于一些简单的定性实验。还有结晶和重结晶后实验剩余的硫酸铜溶液，测苯酚溶解性实验剩余的苯酚等等，都不能为了方便而一倒了之。回收一些实验后仍然较纯的药品，既节约经费，又利于环保。

3.4实验仪器和实验装置的选择、改进、设计和使用

（1）合并实验装置减少环境污染

把气体的发生装置与气体和其他物质的反应装置合并起来，可以减少气体的外溢，有效地减少环境污染。例如二氧化硫和硫化氢气体反应的实验装置改进。二氧化硫和硫化氢两种气体制取方法都是用固体与液体反应，反应都不需要加热，而且反应物都用到盐酸。由于两种气体都是有毒害的气体，所以反应中应该尽量做到不泄漏气体。如果按照传统方法先分别制取二氧化硫和硫化氢，然后混合二氧化硫和硫化氢，必然造成气体的泄漏。为减少气体的泄漏污染，用一个小的空塑料矿泉水瓶，在其中放入小试管，塑料瓶、小试管中分别装入Na2SO3和FeS，然后迅速在其中分别加入盐酸，在塞橡皮塞前，挤压塑料瓶，排出部分空气，使瓶子瘪掉，然后再塞橡皮塞。我们可以看到，开始产生的H2S和SO2气体使塑料瓶鼓起来，然后随着反应的进行又瘪下去。最后在其中加入氢氧化钠，吸收过量气体或者中和未反应的盐酸。

只要不拘泥于书本中现成的实验方案，在实验中多动脑子，寻找规律，不断创新，大胆探索，同时注意收集利用别人的好经验，很多会产生毒害性物质的实验也能变成绿色化的实验。

（2）利用循环装置实现封闭化

对于有毒有害气体的制备，可以采用串联实验装置，循环封闭化实验的方法，既可以由单人进行连续操作，又能够减少有毒害性气体的泄漏。

（3）利用某些简单器具改进实验

利用胶头滴管、注射器和使实验试纸化，既能使反应在密闭体系内进行，又能减少实验的药品消耗和实验次数，节约实验时间。很多会产生毒害物质的实验都可以参考这种设计思路进行设计。例如铜与稀硝酸反应演示实验：取一只无色磨口滴瓶，将一根细铜丝插人胶头滴管中，用胶头滴管吸满稀硝酸（6mol/L）， 这时可观察到胶头滴管中的稀硝酸和铜丝开始反应。将胶头滴管迅速插入滴瓶中，铜丝表面有气泡产生，溶液开始变蓝色，且滴管中的液体滴入滴瓶内，滴管内液面逐渐下降，液面上气体为无色。当滴管内液体排空后，滴管内迅速出现红棕色气体。与此类似，很多实验都可以采用这种改进方法。

3.5 防害、消害装置与设备的选择、改进、设计和使用

作实验时首先要对毒物的性质、中毒的机理进行了解，制定有效的防毒害措施。在化学实验中要严格按规章制度进行操作，例如保持室内通风、配戴相应的防护用品、无限稀释排放有毒物品等。为此，实验室中应该配备基本的防害、消害装置与设备。

在通用教室中作随堂化学实验的情况越来越多，而通用教室中一般没有防害、消害装置。因此，根据高中化学实验的特点和通用教室的布局特点，设计、配备活动式通风装置是很必要的。由于通风橱体积大、占地方，平时实验时不可能移去，所以一般实验室配备较少，学生实验时只能靠排风扇和窗户通风。折叠式移动通风装置在不使用时占据的体积小，移动和使用都比较方便，可以防止有毒害物质对师生的危害。为了防止有毒害物质的转移，还可以在通风橱的排风口设计专门的过滤吸收装置，统一处理溢出的有毒害的物质。

化学实验绿色化会给学生带来终身的影响，环境质量与学生及其家人的生活息息相关，只有教师、实验员、学生、学校、社会共同努力，才能够早日真正实现化学实验的绿色化。

中学化学实验是一个系统，学生、教师、实验、教学内容及其载体，以及实验仪器、试剂、设备等要素共同组成了化学实验教学系统。要解决好高中化学实验绿色化问题，需要从化学实验系统和化学实验教学系统的各个要素出发，从各要素的相互联系、相互作用出发，系统地进行研究、设计和实施，即需要在系统观点指导下，用系统工程方法来解决。

参考文献:

[1]李金主编．有害物质及其检测[M]．北京：中国石化出版社，2002.

[2]仲崇立主编．绿色化学导论[M]．北京：化学工业出版社，2000.

[3]胡国杰．中学化学实验室污染状况调查及防治措施[J]．化学教学，2004(11)：9.