无机化学实验“绿色化”方案探索

摘要:依据绿色化学的原则,就如何实现无机化学实验的绿色化进行了初步的探讨。结合实际教学经验,指出优选实验、改进实验装置、开展微型实验、多媒体仿真教学和实验用品回收利用等是实现无机化学实验绿色化的重要途径。

关键词:无机化学实验;绿色化;探讨

中图分类号:G424

文献标识码:A

文章编号:1674-9944(2010)08-0213-03

1 引言

无机化学实验是高校无机化学教学的重要组成部分,在培养学生思维能力、分析与解决问题能力、动手能力等方面起到了至关重要的作用[1]。无机化学实验所需试剂药品种类多,消耗量大,部分试剂含有较强毒性,如氰化物、重金属盐、氯水、溴水、四氯化碳等,伴随反应过程放出的有毒性气体如硫化氢、二氧化硫、氯气、二氧化氮等,成为化学实验教学中一个非常严重的问题,因此几乎每个无机化学实验室都是一个小型的环境污染源[2]。这就要求在实验教学中,既要科学地、直观地展示实验所要达到的目的,又要尽量减少实验过程中有毒试剂的用量,提高试剂的利用效率,减少对环境的污染。倡导绿色化学教育,实施无机化学实验教学的绿色化,进一步深化无机化学实验教学改革。

2 无机化学实验“绿色化”方案研究

2.1 “绿色化学”原则

绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学、清洁化学。绿色化学即用化学的技术和方法去消灭或减少那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂在生产过程中的使用,同时

收稿日期:2010-07-23

基金项目:四川文理学院教改项目,川文理[2009]33号文件

作者简介:罗飞华(1983―),男,湖北武汉人,讲师,主要从事配位化学及功能材料方面研究。

也要在生产过程中不产生有毒、有害的副产物、废物和产品[3]。绿色化学的核心内容是“原子经济性”和“5R”原则,“原子经济性”是指生产中反应物的原子全部转化为期望的最终产物,“5R原则”即减量(Reduction)、重复使用(Reuse)、回收(Recycling)、再生(Regeneration)、拒用(Rejection)。按照“绿色化学”理念的要求,无机化学实验教学应该在绿色化学思想的指导下,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实现无机化学实验的“绿色化”。

2.2 无机化学实验教材和教学的改革

目前无机化学实验教材的内容多为传统实验,有些实验对环境污染比较严重,如硫酸铜的制备、大环配合物的合成实验等。因此需要绿色无污染、少污染的实验教材,实验内容为围绕基本化学原理、基本实验操作而开设的无污染、小污染实验,如摩尔气体常数的测定、粗食盐提纯、醋酸解离度和电离常数的测定、硝酸钾制备与提纯等。而教师在实验教学过程中,更要注重培养学生的环保意识,倡导学生改进实验装置与操作方法,并提倡试剂“回收使用、循环使用”的原则,提高试剂的利用率,减少实验污染,使学生直接参与到化学实验绿色化中。实验做完后,应指导学生妥善处理废弃物,根据“变废为宝、化害为利、分别处理”的原则考虑回收利用,根据各种试剂和实验产品的性质,采取不同的方法进行无害化处理后再排放。常见的废气,可经吸附、吸收、氧化或分解等方法处理后排放;常见的废液,可采取中和、萃取、化学沉淀、氧化还原等方法进行处理,如废铬酸洗液可用高锰酸钾氧化后再循环使用。这样做不但处理了废液,扩展了学生的知识面,而且提高了学生的环保意识,达到化学实验绿色化的效果。

2.3 按照“绿色”理念改进实验

遵照绿色化学的理念,从源头上阻止污染,可以根据实验目的,在能够达到同样教学效果的前提条件下,寻找替代品,尽量用低毒或无毒化学试剂替代有毒化学试剂[4]。如无机化学实验中多相离子平衡实验,其实验目的是根据溶度积规则及平衡移动原理验证沉淀的生成、溶解、分步沉淀及沉淀的转化。传统实验中,沉淀离子及沉淀剂大部分使用的是Pb(NO.3).2和K.2CrO.4;采用这些沉淀离子及沉淀剂现象比较明显,但是Pb、Cr是有毒重金属,实验废弃物排放到水中,会对水资源造成严重污染。为了保留传统实验的精华,同时减少实验废弃物对环境的污染,根据绿色化学的理念以及多相离子平衡的实验原理重新选择沉淀离子及沉淀剂,并对传统实验和改进后的实验进行对比,见表1。结果表明改进后的实验效果良好,现象明显,同样达到了实验目的,而且减少了有毒物质的使用和排放,实现了无机化学实验的绿色化。

表1 传统实验和改进实验对比

传统实验改进实验

沉淀离子Pb2+Cu2+

沉淀生成沉淀剂KINaOH

实验现象黄色PbI.2浅蓝色沉淀Cu(OH).2

沉淀转化沉淀离子Ag+Cu2+

沉淀剂K.2CrO.4 NaClNaOH Na.2S

实验现象砖红色沉淀 白色沉淀浅蓝色沉淀 黑色沉淀

Ag.2CrO.4 AgClCu(OH).2 Cu S

沉淀离子Ag+Pb2+Cu2+Fe3+

分步沉淀沉淀剂K.2CrO.4NaOH

实验现象先出现黄色沉淀Pb CrO.4

后出现砖红色沉Ag.2CrO.4先出现红棕色沉淀Fe(OH).3

后出现蓝色沉淀Cu(OH).2

2.4 开展微型实验,推行半微量化操作模式

微型化学实验崛起于20世纪80年代的美国,是在微型化学仪器中进行实验,以近可能少的化学试剂反应,获得比较明显的反应结果和较准确的化学信息的一种新型的实验方法[5,6]。微型化学实验的优点是可以大大减少化学试剂的用量,缩短实验时间,降低环境污染,这与绿色化学的理念相符。因此在高校无机化学实验中,可以开展微型实验,这样不仅减少了实验中的药品用量,缩短了反应时间,还节省了实验空间,锻炼了学生的动手能力。但由于从常规实验向微型实验转型的费用较高,且微型实验对药品的用量较小,有些步骤较多的实验学生在用量上不好把握,还有一些实验用到挥发性较强的试剂,使得微型实验模式在一些无机化学实验中难以推广。故可推行化学实验的半微量化操作模式,通过这种操作在一定程度上也能减少试剂用量,达到减少环境污染的目的。

2.5 运用多媒体辅助教学手段

近年来,多媒体技术已广泛应用于各个教学领域,对提高教学质量发挥着重要的作用[7,8]。在无机化学实验教学中也可采用多媒体技术进行辅助教学。传统的无机化学实验不可避免地消耗许多药品和水资源,尤其是对于含有一些昂贵的、实验中容易引起爆炸的或有毒、有害药品的实验,给师生身体健康带来极大的危害,且对环境造成较大的破坏。采用多媒体技术进行教学可实现“零排放”、“零污染”。例如元素及无机化合物的性质与检验实验,涉及试剂种类较多,内容繁琐,污染物的排放量大,组成也比较复杂,处理起来难度大。而且学生做这部分实验时,实验所用试剂都是实验室老师事先配好,学生进实验室做实验,只是简单地滴加、混合,学生觉得过于简单、枯燥,且化学反应瞬间完成,印象不深刻,难以达到教学效果。

对于此类实验,可有选择地保留一部分有代表性且污染程度较小的内容,让学生实际操作,其他毒性较大、污染较严重的实验内容,如“水下花园”实验可通过多媒体技术将实验过程做成录像展示出来。在教学录像中,让演示人员把实验原理、实验步骤等讲解清楚,清晰地展现实验过程和实验的现象,这样学生在观看时既能掌握性质实验的基本操作方法,又能熟悉元素及化合物的化学性质,从而达到较好的教学效果。运用多媒体技术进行辅助教学还能激发学生的学习兴趣。因此高校应大力推广多媒体辅助教学手段在无机化学实验教学中的应用。

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2.6 回收利用实验产物

回收利用实验产物也是实现无机化学实验绿色化的一个途径。在传统的化学实验中,实验者观察到有关的现象和数据。达到目的后,将实验产物直接弃置或排放,从而造成环境污染。应用绿色化学的理念,可将每次实验的产物回收利用,不仅节约药品,又减少或避免有害物进入环境,造成环境污染。如硫酸亚铁铵的制备,实验产物是硫酸亚铁铵,如果将其废弃,不仅污染环境,而且是一种浪费。实际教学中,应先开设硫酸亚铁铵的制备,并将实验产物回收保存,然后用作其他实验中,如Fe2+的来源。这样不仅节约了实验药品,也减少了实验废弃物的排放量,实现了无机化学实验的绿色化。

2010年8月

绿 色 科 技

第8期

3 结语

通过开展无机化学实验绿色化的研究,要实现无机化学实验的绿色化,需在绿色化学理念的指导下,实行污染预防全过程控制。优选实验、改进实验装置、开展微型实验、多媒体仿真教学和实验用品回收利用等都是化学实验绿色化的有效措施。作为高校化学工作者要从教学管理角度出发,在制定教学计划、教学内容、教学方式等各个环节中,都要考虑保护生态环境,要符合绿色化学的要求。在实际教学过程中,要在保证实验教学效果的前提下,积极、合理地应用绿色化的措施,实现无机化学实验的绿色化。

参考文献:

[1]

朱文祥.绿色化学与绿色化学教育[J].化学教育,2001,22(1):17~18.

[2] 赵新华.无机化学实验[M].北京:高等教育出版社,2000.

[3] 胡明星,孙沫莹.绿色环保型化学实验探索与实践[J].绥化学院学报,2009,29(1):178~180.

[4] 白广梅,李 英.无机化学实验的绿色化探讨[J].实验技术与管理,2006,23(2):104~106.

[5] 刘一兵,沈 戮.微型化学实验课程资源的开发和利用[J].课程•教材•教法,2007,27(3):62~66.

[6] 陆泉芳,俞 洁.化学实验绿色化研究[J].实验室研究与探索,2004,23(12):62~64.

[7] 高敬群, 张向东,邓 敏,等.计算机模拟实验教学的探索[J].化学教育,2001(1):23~24.

[8] 陈 琛.高等无机化学实验绿色化探讨[J].内蒙古科技与经济,2009(6):76~78.

Study on the Greening of Inorganic Chemical Experiment

Luo Feihua,Yang Li,Zhang Ping,Liu Dan

(Department of Chemistry And Chemical Engineering, Sichuan University of Arts and Science,

Dazhou, Sichuan, 635000,China)

Abstract:Based on the principles of green chemistry, problem on how to bring about a green reform of inorganic chemistry experiment is discussed in this bined with the teaching experience. Combined with the teaching experience, some measures on greening of inorganic chemical experiment are put forward, such as optimizing experiment, improving experimental apparatus, carrying out mini-experiment, multi-media simulation teaching, recycling materials and so on. These methods are important to achieve a green revolution of inorganic chemical experiment.

Keywords: inorganic chemical experiment; greening; discussion

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