中学化学与环境教育

文章编号:1005-6629(2010)07-0001-03 中图分类号:G633.8 文献标识码:B

人类生存的环境由自然环境和社会环境(人工环境)组成。自然环境是人类生活和生产所必需的自然条件和自然资源的总称,包括阳光、温度、气候、地磁、空气、水、岩石、土壤、动植物、微生物以及地壳的稳定性等自然因素,而社会环境是在自然环境的基础上,人类为了不断提高物质生活和精神生活水平,演变和进化而成的人工环境[1]。所以环境教育的内容十分广泛,除去自然界外,几乎涵盖了人类的一切活动,而且与时俱进,其内涵、视角和方法也会随之逐渐改变。因此现代公民的环境教育,绝不应当仅限于各级学校目前所设立的有关课程,也非几门课程的教学所能涵盖,同样具有基础性、时代性和选择性相结合的特点。为此在解读课程标准、编写教材和设计教学方案时,应当明确在结合学科特点的前提下本课程所应达到的基本要求,尽量避免课程之间内容雷同或不必要的重复、致使教育效率低下等问题。鉴于目前环境问题比较严峻而且普遍,加以在我国系统的环境教育开展较晚,社会基础又相对薄弱的现状,如何有效地推进环境教育是一个值得关注和认真研究的问题。

关于中学化学课程中环境教育的基本要求和知识要点,高中化学课程标准中已有明确的规定,并建议了部分供参考的活动课题。而且在选修模块―《化学反应原理》中除去过去已有的化学反应速率、化学平衡等内容之外,又增加了与环境问题密切相关的焓和熵函数,以及过程自发性等概念。如果能够在实际教学中把有关的基本概念与知识和环境教育更好地结合起来,使得“贴近生活、贴近社会”的原则,落实在环境保护这个受到广大群众密切关注的大问题上,将有利于提升学生学习化学的积极性和环境保护意识。要实现这个预期目标,有几个方面的问题值得研究和探讨。

1化学在环境教育中的作用不可替代

造成环境污染的原因很多,已为大家所熟知的有:噪声污染、光污染、热污染、核污染、电磁辐射污染、强磁污染、微生物污染和化学物质污染等等。污染源并非只有对环境有害的化学物质。后者虽与化学密切相关,但是了解什么是化学污染物、污染过程、它的危害性以及可能采取的环境保护措施等,只能是中学化学课程的主题之一,并不是中学化学课程的全部任务。中学化学教育的任务和一般性环境教育的区别在于,化学更着重于对化学物质的普遍了解,并不限于目前已知的与环境安全有关的化学物质;但是通过基础化学教学,特别是在学习了化学物质的动态性质之后,有助于形成对环境无害物质转变为有害物质的可能性及所需条件的认识,也有助于增长将污染物转变为对环境无害物质(甚至于成为新的资源或能源)的信心, 而且后者尤为重要。因为认识并且关注环境问题的迫切性,虽然是环境教育的一个重要方面,建立通过科学技术和社会发展可以逐步解决环境问题的信心和责任感,则是环境教育不可或缺的另一个重要方面,二者并重,才是完整的环境教育,从而决定了中学化学在环境教育中的重要性和不可替代性。

2 化学有助于认识环境污染物的危害性和它们的动态变化特性

通过基础化学的学习,特别是对化学实验现象的观察,可以增强对有关污染物的危害性(例如它们的腐蚀性、毒性、窒息性、能使蛋白质变性、能通过不饱和多重键的氧化导致油脂和药物变性,以及转变为潜在致癌物等等)的认识;还可以对某些原本无害物质通过化学或物理变化转化为有害物质(例如矽肺、氟利昂、生活垃圾在不完全焚烧条件下生成的二英和苯并芘、某些合金制品因腐蚀生成的有毒重金属离子等)的一般途径有所了解,并辅以不同程度的理性认识。建立了元素论概念之后,由元素的“不变性”来理解有害元素在环境中的可迁移性和在生物体内形成积累的可能性。这些化学基础知识,将有助于增进对防治环境污染的措施和治理方案的科学依据的了解。

其次,化学物质是否可能成为环境污染物不仅决定于它的基本性质,还决定于它的存在形式和浓度。污染物的防治可以和化学有关,也可以和化学无关。但是其源头的发现或推定以及对处理后新生废弃物的预见和评价,却与化学关系密切。例如在考虑和探究人为污染过程和环境自净过程的速率是否匹配的问题中,过程速率和影响因素是一个核心概念。

3 化学有助于形成废弃物不废的观念

在学习了与热力学有关的基本概念之后,通过热化学计算可以看到,所有物质,包括一切废弃物,如废弃塑料、废弃金属、冶金熔渣、生活垃圾甚至于锅炉废气等等,不仅可以成为新物质组成中原料元素的来源,而且通过适当的化学反应它们都可能释放能量,甚至成为新的能源。例如高炉煤气、焚烧垃圾发电、沼气等已为大家所熟知并已进入人们的生活,以地沟油为原料制造生物柴油的技术正在开发之中。所以从化学的视角来看,应当不承认有绝对意义的废弃物[2]!所谓废弃,无非是原来认为有用物质的组成元素改变了、分散了或者重新组合成了“无用物质”而已。只要能够开发出使它们再次组合成为所谓“有用物质”的新工艺,就像糖类(包括纤维素在内)代谢生成的CO2和H2O能够被绿色植物通过光合作用把它们重新转化为葡萄糖和纤维素那样,就可以实现“变废为宝”的理想目标。

4 化学物质对环境的污染过程具有自发性

由大量微粒所组成热力学体系,自发性过程的方向可以由体系的始态与终态间提供有效功能力的差别和微粒分布情况的差别来判定(即所谓自由能判据和熵判据)。一般认为,功源自微粒的有序运动,而熵函数则和微粒分布的无序性相关,也就是通常所说的与“混乱程度”相关。如果把两种或多种气体放入同一个密闭容器中,它们将会自动混合,直至容器中任意选取的两个或多个空间中的气体混合物组成和分布情况完全一样为止(此处指的是整个体系的“状态”,实际上每个气体微粒的空间位置仍在不停地变化)。如果没有外界的干扰,这种状态将一直保持下去。物理学把这种现象归结为“熵增原理”。类似的现象在混合两种浓度不同的溶液、混合几种不同的溶液或压强不同的气体时都可以观察到,说明这是自然界普遍存在的一类自发过程。熵不过是用来描述和判断这类过程的一个物理量。微粒的混合、压强或浓度差别通过微粒的自动扩散过程而消失都具有自发性,亦即都是熵增过程。

简单的例子有配制溶液、熔炼合金、半导体材料掺杂等过程中体系内组分的自动均一化过程都属于熵增过程[注], 亦即都具有自发性。结合环境污染问题时,我们就可以发现,原来与环境污染有关的物质属于化学物质,但是造成环境污染的过程却是具有自发性的物理过程!对大气污染和水源污染过程所具有的自发性有所认识之后就会想到,隔绝气体污染物和大气,或者防止可溶性污染物或污水进入水源,才是防止环境污染的最有力的措施。当我们在生活中,特别是在实验中,通过溶质溶入溶剂的自发性和从溶液中回收某种溶质(如粗盐提纯)时往往既耗能又费时费事的体验,将有利于加深某些不良企业往江、河、湖、海中排放污水行为的严重危害环境安全的认识。

注: 由熵的定义和它的可加和性,不难推出纯净物a和b混合后熵值将增大的结论。即有:ΔSmix=-R(nalnχa+nblnχb)>0 。式中χi表示i在混合物组成中的分率,因为∑χi=1,所以lnχi

5 建立污染物对环境产生危害时需要达到临界浓度的观念

在研究或认识环境污染问题时,除去上面讨论过的污染物的变与不变、污染过程是否自发外,还应当建立起污染物对环境产生污染效应时所需临界浓度的概念。因为污染是一种宏观现象,中学化学的教学应当帮助学生建立这个概念。初中化学在介绍燃烧现象时所列举的三个基本条件中,易燃物的着火温度以及空气中氧的浓度,实际上已经隐含着实现燃烧过程时体系温度和助燃物氧的浓度必须分别达到某个临界值的要求;在介绍pH和指示剂的变色范围以及各种可燃气体与空气的混合物形成易爆混合物时比率的上下限等,只要加以引导,都可以形成临界浓度或临界值的概念。高中化学课程中涉及的浓度对反应速率、反应产物、可逆反应的平衡状态、化学物质的活泼性、反应产物的组成颜色甚至晶型等的影响,不仅是化学学科的基本概念,对于涉及物质性质和变化的一切领域,包括环境科学与技术领域,同样是必需的基本概念。

此外,物质体系的分散程度、固态物质的表面状态以及催化剂对物质的化学活性(有时表现为毒性)的影响, 在课程中均有所涉及,这些知识和概念在研究和关注环境问题时都非常有用。如果在讲述物质的分散系时,由分散系的分类和它们稳定性的差别来了解沙尘暴、可吸入颗粒物、酸雾等对环境和人体健康的影响,更能够体现联系生活和联系社会和学以致用的原则。

6 简单的总结

(1)环境保护和治理措施取决于污染源,化学物质污染只是其中之一,但是最为普遍。

(2)污染物进入环境的过程具有自发性,所以阻止或减缓过程的最有效措施是使污染物和环境隔离。这不只限于化学方法或技术。

(3)可以把中学化学中和环境教育相关的核心概念归结为三个层次,即:①元素论。元素是构成世界万物的基石,不因物理或化学过程而改变;②物质的性质由其组成、结构和所处环境决定。化学变化可以归结为源于元素形态和结合方式的可变性;③物质的宏观物理性质和化学性质和它们在给定体系中的浓度有关,在探讨或表述某种污染物对环境的影响时,临界浓度是一个重要的概念。

(4)目前普遍关注的环境问题,主要涉及人类生活质量及健康和维持社会可持续发展密切相关的问题。但是在青少年的环境教育中,环境教育的迫切性不应当只体现在问题的严重性(例如资源匮乏、淡水面临枯竭、化石能源即将耗尽等信息)方面,片面地强调环境问题的严重性,把地球的未来描绘成“悲惨世界”的做法,有可能对部分青少年产生误导,致使他们或多或少地萌生无可奈何甚至绝望的心态,从而违背了环境教育的初衷。通过有关学科的教育,从多个方面帮助青少年在认识到环境问题、资源问题和能源问题的迫切性的同时,也要帮助它们认识到科学技术和社会进步是解决环境问题的有效途径,帮助他们对未来建立起坚强的信心。从而使得爱护环境和保护环境的认识和行动,不仅限于废弃物的回收、保持公共环境的清洁卫生、保护野生动物和生态环境等,更重要的是结合对科学技术的正确评价,提高自己的学习兴趣和社会责任感。

参考文献:

[1]唐有祺,王夔主编.化学与社会[M]. 北京:高等教育出版社.1997.

[2]周天泽.重塑被弃的金字塔,(走近化学丛书第二辑)[M]. 长沙: 湖南教育出版社. 2001.