無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)與研究

李成未，鄭會勤，司晚令

(河南教育學(xué)院化學(xué)系，河南鄭州 450046)

無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)與研究

李成未，鄭會勤，司晚令

(河南教育學(xué)院化學(xué)系，河南鄭州 450046)

依據(jù)綠色化學(xué)使用化學(xué)藥品的“5R”原則，以綠色化學(xué)理念為指導(dǎo)，結(jié)合教學(xué)實(shí)際，探索無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)各環(huán)節(jié)的綠色化方案，提出推廣微型或小型實(shí)驗(yàn)、刪除或改進(jìn)劇毒實(shí)驗(yàn)、發(fā)展封閉式實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)連環(huán)式實(shí)驗(yàn)等綠色化實(shí)驗(yàn)方法，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的綠色化，從而培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識.

無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn);綠色化學(xué);“5R”原則;微型化學(xué)實(shí)驗(yàn);劇毒實(shí)驗(yàn);封閉式實(shí)驗(yàn);環(huán)保意識

0 引言

近年來，隨著高校不斷擴(kuò)招，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的試劑消耗量劇增，其中一半以上的試劑有不同程度的毒性，實(shí)驗(yàn)排放的廢棄物給環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染.如何減少實(shí)驗(yàn)過程中有毒試劑的用量，提高藥品的利用效率，降低對環(huán)境的污染已成為亟待解決的問題.加快推進(jìn)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化改革是解決此問題的根本途徑.綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)是在綠色化學(xué)思想的指導(dǎo)下，用預(yù)防化學(xué)污染的新思想、新方法和新技術(shù)，對常規(guī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革而形成的新的化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法［1］.無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為大學(xué)化學(xué)專業(yè)的第一門必修實(shí)驗(yàn)課，將綠色化學(xué)理念融入其中，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)綠色化，使學(xué)生在潛移默化中受到綠色化學(xué)的教育，這對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的環(huán)境意識、資源觀念，增強(qiáng)他們的環(huán)保責(zé)任感都有積極的意義.化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化涉及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)思想、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇、實(shí)驗(yàn)操作過程、實(shí)驗(yàn)裝置和步驟的設(shè)計(jì)等諸多環(huán)節(jié)［2］，本文結(jié)合教學(xué)實(shí)際，就如何實(shí)現(xiàn)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化，培養(yǎng)學(xué)生環(huán)保意識進(jìn)行了初步探討.

1 建立綠色化學(xué)思想

綠色化學(xué)(Green Chemistry)又稱環(huán)境無害化學(xué)(Environmental Benign Chemistry)，是指從預(yù)防污染的基本思想出發(fā)，設(shè)計(jì)無環(huán)境污染或污染盡可能小的、在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上可行的化學(xué)品或化學(xué)過程.綠色化學(xué)是為適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求而提出的全新觀念.將綠色化學(xué)理念融入化學(xué)課堂教學(xué)尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使綠色化學(xué)成為化學(xué)教育的一個重要組成部分，是21世紀(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課改革的重點(diǎn)方向和嶄新課題［3］.無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程一般為大一全年開設(shè)，計(jì)劃開設(shè)的實(shí)驗(yàn)通常有30多個，所涉及的試劑一半以上有毒或無毒但能造成環(huán)境污染.因此，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)將綠色化學(xué)知識與無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密聯(lián)系起來，注重培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識，倡導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置與操作方法，培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣與綠色環(huán)保意識.

2 設(shè)計(jì)綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)

從可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)看，刪除有污染的傳統(tǒng)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，選擇和設(shè)計(jì)綠色化無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，將綠色化實(shí)驗(yàn)思想融入整個實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，探索無機(jī)實(shí)驗(yàn)新方法，培養(yǎng)學(xué)生環(huán)保意識，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)展的必然趨勢.根據(jù)綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)使用化學(xué)藥品的“5R”原則，即減量(Reduce)、重復(fù)使用(Reuse)、拒用(Rejection)、回收(Recycling)、再生(Re-generation)［4］，結(jié)合具體教學(xué)環(huán)節(jié)，在選擇和設(shè)計(jì)無機(jī)實(shí)驗(yàn)時可使用以下方法.

2.1 推廣微型或小型化學(xué)實(shí)驗(yàn)

微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)(Microscale Chemical Experiment)是20世紀(jì)80年代在西方高校興起的一種實(shí)驗(yàn)方法，它是從環(huán)境安全和污染預(yù)防的角度出發(fā)，用盡可能少的藥品，在微型化的儀器裝置中進(jìn)行的化學(xué)實(shí)驗(yàn)［5－6］.無機(jī)實(shí)驗(yàn)中性質(zhì)實(shí)驗(yàn)較多，所用的試劑種類繁雜，且性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一般是1人1組，試劑用量較多，廢氣廢液排放量較大.如將這部分實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為微型實(shí)驗(yàn)，有以下顯著優(yōu)點(diǎn):①節(jié)約經(jīng)費(fèi).微型實(shí)驗(yàn)消耗試劑量一般為相應(yīng)常規(guī)實(shí)驗(yàn)的1/10至1/1 000，不僅大大減少實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的開支，而且緩解因?qū)W生人數(shù)增加而造成的經(jīng)費(fèi)不足的矛盾.②減少污染.試劑用量的減少將降低廢氣廢液的排放量，減少環(huán)境污染.③便于操作.微型實(shí)驗(yàn)所需的儀器為微型儀器，方便攜帶，操作簡單，可供學(xué)生隨堂實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手動腦能力、觀察分析能力和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的學(xué)習(xí)態(tài)度.④節(jié)約時間，節(jié)省能源.微型實(shí)驗(yàn)不僅縮短了實(shí)驗(yàn)時間(耗時約為常規(guī)實(shí)驗(yàn)的40%)，還減少了除試劑外的水、電等能源的消耗.微型實(shí)驗(yàn)適用于一些毒性較大、藥品昂貴、耗量大、污染嚴(yán)重、操作復(fù)雜的無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn).

對于一些制備實(shí)驗(yàn)和測定實(shí)驗(yàn)，實(shí)行微型化得不到產(chǎn)品或?qū)嶒?yàn)效果不明顯，此時應(yīng)盡量將實(shí)驗(yàn)小型化.如氯化鈉、硫酸銅的提純，硫酸亞鐵銨的制備等實(shí)驗(yàn)，我校采用藥品用量減半或減為1/3的方法，在測定化學(xué)反應(yīng)速率及原電池電動勢的實(shí)驗(yàn)中，適當(dāng)減小所用溶液的濃度和劑量.結(jié)果表明，經(jīng)過以上改進(jìn)，能夠達(dá)到同樣的實(shí)驗(yàn)效果，同時培養(yǎng)了學(xué)生節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的觀念和科學(xué)的實(shí)驗(yàn)態(tài)度.

2.2 刪除或改進(jìn)劇毒實(shí)驗(yàn)

綠色化學(xué)是從源頭上消除污染，而不是污染后再治理.因此，在選擇實(shí)驗(yàn)時，對于無機(jī)實(shí)驗(yàn)中一些毒性和危險性大，“三廢”處理困難的實(shí)驗(yàn)應(yīng)予以刪除，如無機(jī)實(shí)驗(yàn)中含氰電鍍、NO2的性質(zhì)和制備，砷化物和砷酸鹽的性質(zhì)等實(shí)驗(yàn)，應(yīng)大膽刪除.對于毒性較大又必須做的實(shí)驗(yàn)應(yīng)盡可能改進(jìn)或選擇產(chǎn)生污染少、具有相同教學(xué)效果的實(shí)驗(yàn)替代.如在萃取操作中，因溴單質(zhì)有劇毒，可將CCl4萃取溴水這一實(shí)驗(yàn)中的溴水改為碘水，這樣既可防止因溴蒸氣的揮發(fā)對人體造成的毒害，又可獲得相同的實(shí)驗(yàn)效果.

2.3 發(fā)展封閉式實(shí)驗(yàn)

封閉式實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的一個重要途徑.如以廢鐵屑為原料制備硫酸亞鐵銨實(shí)驗(yàn)，是典型的變廢為寶、再生利用鐵資源的環(huán)保型實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)為敞開式.硫酸亞鐵的制備過程中廢鐵屑中的硫、磷等雜質(zhì)和硫酸反應(yīng)生成H2S、PH3等有毒氣體，這些氣體被直接排放到空氣中，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室彌漫著強(qiáng)烈的刺激性氣體，直接危害師生的身體健康，不符合綠色化學(xué)的要求.如將原敞開式實(shí)驗(yàn)裝置改為可吸收廢氣的封閉式實(shí)驗(yàn)(圖1)［7－8］，鐵屑凈化中的Na2CO3廢液可用作廢氣吸收液，不僅節(jié)約試劑而且減少了污染.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置密閉性好，廢氣經(jīng)吸收液吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害物質(zhì)，降低了環(huán)境污染.通過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)過程也培養(yǎng)了學(xué)生勤于思考、善于總結(jié)的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰途G色環(huán)保意識.

2.4 設(shè)計(jì)連環(huán)式實(shí)驗(yàn)

在傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮螅瑢?shí)驗(yàn)產(chǎn)物被直接棄置排放，造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi).在綠色化學(xué)原則指導(dǎo)下，對無機(jī)實(shí)驗(yàn)教材中的所有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的很多產(chǎn)物都可以作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的原料，因此可以把一些孤立的實(shí)驗(yàn)首尾連接起來，組成連環(huán)式實(shí)驗(yàn).如溶液配制中的稀硫酸可與廢鐵屑作用制備硫酸亞鐵銨，所得產(chǎn)品回收保存，可用作三草酸合鐵的合成原料，制得的三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀又可作為三草酸合鐵(Ⅲ)配陰離子組成及電荷數(shù)測定實(shí)驗(yàn)的原材料.再如由孔雀石制備五水硫酸銅，產(chǎn)物可用作五水硫酸銅鐵含量的測定、五水硫酸銅結(jié)晶水的測定和差熱分析—硫酸銅制備碘酸銅及溶度積測定的原料［9］.

圖1 封閉法制備硫酸亞鐵示意圖Fig.1Schematic digram of making FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O in closed-end way

按同樣的思路，可建立一系列連環(huán)式實(shí)驗(yàn)，不僅可節(jié)約試劑，更重要的是可減少實(shí)驗(yàn)廢棄物的排放量，降低環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化.同時，這種連環(huán)式實(shí)驗(yàn)可鍛煉學(xué)生的細(xì)心和耐心，培養(yǎng)其系統(tǒng)的思維方法，強(qiáng)化學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)驗(yàn)實(shí)際的綠色化學(xué)意識.

3 采用綠色化教學(xué)手段

多媒體輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)施綠色化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最佳選擇之一.其優(yōu)點(diǎn)主要有:①節(jié)約成本.利用多媒體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可解決傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中消耗大量藥品和水資源的問題，節(jié)約資金，緩解因?qū)W生增多造成的經(jīng)費(fèi)不足問題.②降低污染.《無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)(下冊)》中元素化合物部分性質(zhì)實(shí)驗(yàn)較多，所需試劑較多且污染物的排放量較大，組成又相對復(fù)雜，對環(huán)境污染較為嚴(yán)重.如CO、H2S、Cl2等氣體的制備，砷、鉛、鉻等重金屬鹽的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)等，產(chǎn)生并排放大量有毒有害物質(zhì)，對人體健康和生態(tài)環(huán)境都產(chǎn)生極大的破壞.利用多媒體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，避免了有毒、有害的試劑對人體和環(huán)境造成的危害，真正實(shí)現(xiàn)了“零排放”、“零污染”的綠色環(huán)保理念.③教學(xué)效果好.在傳統(tǒng)的無機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解和演示，這樣不僅耗時，而且重現(xiàn)性較差.利用多媒體技術(shù)，可以任意回放實(shí)驗(yàn)過程，讓學(xué)生更好地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對易出錯或需要注意的地方，可通過特寫鏡頭詳細(xì)觀察.高敬群等［9］經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索證明，計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)可以極大地提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課的興趣，調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，讓學(xué)生在短時間內(nèi)多角度、多層次地獲取信息，使知識變抽象為形象，降低學(xué)生理解知識的難度，取得在真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)的良好教學(xué)效果.

多媒體輔助實(shí)驗(yàn)適合教師做演示實(shí)驗(yàn)，既完成了教學(xué)內(nèi)容又培養(yǎng)了學(xué)生的觀察能力，也適合于某些毒害較大的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，在整個實(shí)驗(yàn)過程中既保證了學(xué)生安全，又杜絕了環(huán)境污染.

4 結(jié)語

通過研究可知，要實(shí)現(xiàn)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化，需在綠色化學(xué)理念的指導(dǎo)下，實(shí)行污染預(yù)防全過程控制.可通過刪除或改進(jìn)有毒實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)、開展微型實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用多媒體輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)等現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)和教學(xué)方法，建立綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的新理念，激發(fā)教師實(shí)施傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革，培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)意識、環(huán)境保護(hù)意識和科學(xué)創(chuàng)新精神.

［1］閔恩澤.綠色化學(xué)技術(shù)［M］.南昌:江西科學(xué)技術(shù)出版社，2001.

［2］梁起，黃華珍，唐建鋒，等.“綠色化學(xué)”實(shí)驗(yàn)的探索［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2004，21(1):109.

［3］李再峰.綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2008.

［4］曾懋華，龍來壽，趙三銀，等.高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中藥品使用的5R原則探討［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010(8):117.

［5］孟平安，萬平，何國強(qiáng)，等.結(jié)合實(shí)際工作推廣微型實(shí)驗(yàn)［J］.化工高等教育，1999(2):25－26.

［6］錢貴晴.微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)與M.L.儀器的研制［J］.化學(xué)通報(bào)，1999(1):48－51.

［7］稅永紅.硫酸亞鐵銨制備實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］.成都紡織高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，1999，16(2):14－15.

［8］袁愛群，褟金彩，張直，等.用綠色化學(xué)理念改進(jìn)硫酸亞鐵銨制備實(shí)驗(yàn)［J］.化學(xué)教學(xué)，2004(5):8－9.

［9］高敬群，張向東，鄧敏，等.計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索［J］.化學(xué)教育，2001(1):23－24.

Design and Research on Greening of Inorganic Chemistry Experiment

LI Cheng-wei，ZHENG Hui-qin，SI Wan-ling

(Department of Chemistry，Henan Institute of Education，Zhengzhou 450046，China)

According to“5R”rules of using chemicals in green chemistry，take green chemical concepts as guidance，combining with teaching practice，explore greening scheme of experiment teaching of inorganic in each section of teaching process.Put forward a series of experimental methods to settle the question，such as promoting microscale or small experiment，deleting or improving hypertoxic experiment，developing closed-end experiment，designing serial type experiment，and so on.It is important to emphasize greening of experiment teaching approach to cultivate student’s consciousness of environment protection.

inorganic chemistry experiment;green chemistry;“5R”rules;microscale chemistry experiment;hypertoxic experiment;closed-end experiment;consciousness of environment protection

G642.0

A

1007－0834(2011)03－0059－03

10.3969/j.issn.1007－0834.2011.03.020

2011－03－07

河南省教育廳自然科學(xué)基金(2009B530004)

李成未(1966—)，男，河南蘭考人，河南教育學(xué)院化學(xué)系副教授.