中学化学实验绿色化教学遵循的原则

中学化学实验绿色化教学遵循的原则

作者：于春华

来源：《现代教育科学·中学教师》2010年第05期

绿色化学自1995 年提出后,已成为当今国际化学科学研究的前沿。绿色化学(Green chemistry)可以解释为环境友好化学(Environmentally Benign Chemistry)[1],是一门从源头上阻止污染的化学,是可持续发展战略在化学领域的体现,是用化学方法实现化学污染防治的基本手段。它的核心内涵是在反应过程和化工生产中,尽量减少或不产生对人类健康、生态平衡有害的各种物质。绿色化学实验是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形成的化学实验。

中学进行绿色化实验教学,有利于从小对青少年进行环保意识和环保能力的培养,有利于学生多方面素质的提高。目前,中学化学教学中的一些演示实验和学生实验都是教师“代劳”,学生“听”实验、“看”实验而不是做实验,尤其是对一些存在污染、试剂昂贵的实验,一些老师干脆用粉笔在黑板上“做”实验,或用嘴“讲”实验,这都不利于学生综合素质的培养。而在一些条件比较好的学校,由于学生没有环保意识,或教材中没有明确规定,使得试剂用量远远超过学生个人能明显观察实验现象的最低试剂用量,养成了学生大手大脚的不良习惯。对于一些存在污染的实验,而不采取任何措施,有毒有害物质任意丢弃,学生只是“深受毒害”,有些学生还认为做化学实验受毒害是不可避免的,向环境排放有毒有害物质是合情合理的,这些行为都是由于缺乏环保意识和环保能力造成的。现行中学化学教材中的化学实验还存在一些现实问题有待解决:①还存在一些有毒物质(如SO2、Cl2、溴苯、硝基苯等)的制备和性质实验对广大师生的身体健康和环境污染带来负面影响;②还有相当数量的实验习题、家庭小实验和选做实验需要大量的药品和仪器,这致使绝大部分学校无法开设这样的实验,不利于实验教学的延伸;③目前高中扩招,学生人数猛增,学生分组实验对药品的需求量增大,造成实验过程中废液、废气的排放量增大,对环境的污染加剧。因此,把绿色化实验贯穿于中学化学实验教学的全过程,是培养具有“绿色化学”理念的新型人才和全面实施化学实验创新教育的重要内容和根本要求。在中学开展绿色化学实验教学的实践中,应遵循以下原则: 一、拒用危害品原则

拒绝使用是杜绝污染最有效的办法。在化学实验中,使用或生成的物质应对人类健康和环境无害或毒性很小,根据实验教学大纲要求,充分考虑所有试剂与合成产物的毒性,考虑整个实验过程中所产生的“三废”对环境的污染情况,尽量排除或减少对环境污染大、毒性大、危险性大、“三废”后处理困难的实验项目。对一些无法替代又无法回收、再生和重复使用的药品和原料,拒绝在化学过程中使用。在不影响实验效果的前提下,只要有可能,可以把有害试剂合理替换成无害试剂,将某些易产生有害物质的实验合理替换成无害物质的实验。例如:高中第一册学生实验四《配制一定物质的量浓度的溶液》,采用的是NaCl。NaCl无毒无害,且容易得到,价格便宜,同样能达到想要的实验效果。再如,用磷做实验,我们可以把白磷转化成红磷进行实验。对于一些

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不得不使用的有毒有害物质的实验,就要做好预防和处理工作。另外对一些有剧毒和毒性很大物质参加和生成的反应可用电化教学来代替。 二、减量使用原则

减量原则是从省资源、少污染角度提出的。对教学需要又无法替代的使用毒物或产生毒物的实验可以通过减量使用原则控制。微型化学实验是这一原则的最好体现和创新性变革,它是在微型化的仪器装置中进行的化学实验,其试剂用量比对应的常规实验节约90%[3]。微型实验具有现象明显、便于操作、效果优良、成本低、易推广等优点。由于试剂用量大大减少,因此,既节省了药品,又使得实验产生的“三废”量大大减少。开展微型实验充分体现了现代绿色化学教育观念,具体体现在于:微型化学实验在提高学生智力和创新能力的同时,有利于增强学生的资源意识和环保意识;由于试剂用量的尽量减少,也就尽可能地减少了实验“三废”;把预防化学污染的思想贯穿于化学教育的全过程。如在《浓硫酸的性质、硫酸根离子的检验》实验中用药用包装铝塑板的点穴代替常规试管进行实验,均取得良好的实验效果。在微型化实验中,有效地控制了环境污染物的排放问题,让学生体验到了用较少的仪器、较少的实验用品也能取得良好的实验效果的事实。同时将微型实验与常规实验进行对比,更能增强学生的“绿色化学”理念,认识微型化实验在生活中的重要作用和现实意义。

对于那些未指明药品用量或药品浓度的实验,在不影响实验效果的前提下,进行了限量限浓方面的一些成功探索,比如①指示剂酚酞、石蕊等常用浓度为0.5%～1.0%,经改进可减少到0.1%～0.2%,同时也减少了酒精用量;②对苯酚的性质实验,苯酚溶液浓度由2%降至0.5%～1.0%,溴水浓度也可降低为橙红(稍浓);③对定性检验剂硝酸银浓度改进,配制银氨溶液,硝酸银浓度、氨水浓度可由2%降为1%,一般离子检验,硝酸银浓度0.1%就足够了;④浓度对化学平衡的影响,KSCN的浓度可由0.01mol·L-1降为0.0005mol·L-1,FeCl3溶液浓度保持0.1mol·L-1不变。这些改动后的实验药品浓度都增强了实验的效果。

对于不能微型化的实验还可以通过缩微和减量的方式进行,对不需加热、不需分离的沉淀反应及一些颜色变化明显的定性实验等,可放在点滴板中进行实验。学生在做实验时,总是错误地认为加的药品量越多,实验现象越明显,因此,在做实验时总是加大用药量。实际上并不尽然,用药品过多,有时可能还会影响实验结果,如制备奈斯勒试剂时,限定用1滴或2 滴0.1mol·L-1的KI溶液和过量的0. 1 mol·L-1的Hg(NO3)2 溶液参与反应,如果KI 溶液取得多,造成滴加大量的Hg(NO3)2 溶液才能使HgI2沉淀溶解,既浪费了试剂,又使用了过多的有毒试剂。所以,能用最少的试剂做出最成功的实验是我们考查学生实验技能的指标之一。教材中安排的一些学生分组实验可以改成演示实验。如水中花园、钠汞齐的制备及性质实验。这样做的结果,可以极大地减少由于有毒重金属盐和汞的过多使用而造成的污染。 三、循环使用和重复利用原则

循环使用和重复利用可以实现省资源、少污染、减成本的要求。开展系列化实验是实现这一原则的有效方法。系列化实验,即通过调整实验次序,将上一个实验的产物作为下一个实验的

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反应物,连续构成一个机的实验序列,由此达到贯彻循环使用和重复利用原则的目的。例如,在实验室制取氧气实验中,氯酸钾在二氧化锰催化下,加热分解制氧气后的副产物,加水溶解和分离,可以得到较纯的氯化钾溶液和二氧化锰。在实验室制取氢气的反应中,如果在操作过程中控制锌粒足量而硫酸过量,反应停止时得到的产物除了氢气外,还有硫酸锌与剩余硫酸的混合物。多数情况下,被当作废弃物倒掉,如果改变配料比,使锌粒过量而硫酸足量,除生成氢气外,还可回收比较纯的硫酸锌溶液。不要以为实验量小,回收利用价值不大,更重要的是减少了三废的排放。不仅可以防止环境污染,还可以变废为宝,节约开支。 四、利用多媒体,模拟实验原则

中学化学实验中不乏存在一些有毒气体不易控制和处理的污染比较严重的实验、操作比较复杂且需时较长的实验和易燃易爆性实验。从强调以人为本的现代教育理念出发,化学实验必须考虑人的安全问题,因而在实验教学中借助一些常用的化学软件,采用计算机进行实验动画模拟是非常必要的。在讲授高二化学第五章溴苯的制备实验和石油的蒸馏实验时,考虑到溴苯制备过程污染严重、石油蒸馏操作复杂耗时,可借助多媒体技术,指导学生利用《仿真化学实验室》软件对这两个实验进行动画模拟,具有非常好的实验教学效果。此外,还对一些违规操作易引发爆炸等安全事故的实验,也采取多媒体技术进行模拟实验,让学生在事先设置的模拟实验操作中体验正确操作与违规操作,正确认识违规操作的危害,从而起到了强化知识的目的。通过计算机模拟动画代替实验,既能实现省时、省料、无污染,又能使实验现象明显,达到教材中同样的实验效果。

从当前我国的实际情况看,完全实现中学化学实验绿色化的条件还不够成熟,实验室条件、经费投入远远不能满足绿色化学的要求。但化学实验实现绿色化是中学化学教学改革发展的必然趋势,所以,持续探索中学绿色化学实验教学将成为形成中学生绿色化学理念和培养中学生创新能力的有效途径。 参考文献:

[1]朱文祥.绿色化学和绿色化学教育[J].化学教育,2001(1):1.

[2]周宁怀.抓住机遇,大力推行微型化学实验[J].广西师范大学学报,2000(3):2. [3]周宁怀.微型化学实验[M].北京:科学出版社,2000:1.

[4]霍本斌.绿色化实验在中学化学实验教学中的初步实践与探索[J].科学咨询(教育科研),2006,(10):48-49.

[5]卢克,关于绿色化学教育的实践与探讨[J].中学化学教学参考,2001,(8-9):34.

[6]李雅,应用绿色化学原理实现中学教学无污染实验[J].高等函授学报,2006,(1):119-121.

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