大學(xué)化學(xué)實驗的綠色化探討

劉紅宇+張長水+杜西剛+柴元武

摘 要：文章通過建立綠色化學(xué)思想，結(jié)合農(nóng)、林、醫(yī)、藥、食品等專業(yè)的特點，以開設(shè)符合專業(yè)要求的特色實驗、推廣實驗微型化、實行串聯(lián)實驗、開設(shè)多媒體實驗等多種途徑，探討了在普通綜合性大學(xué)中實行大學(xué)化學(xué)實驗綠色化的方法。

關(guān)鍵詞：大學(xué)化學(xué)實驗；綠色化學(xué)；串聯(lián)實驗

大學(xué)化學(xué)是高等學(xué)校非化學(xué)專業(yè)開設(shè)的一門先行公共課。一般針對材料、藥學(xué)、農(nóng)林、食品等專業(yè)開設(shè)，講授化學(xué)的基本知識、基本技術(shù)和基本方法。

大學(xué)化學(xué)實驗是配合大學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)而單獨設(shè)立的一門實驗課，目的是使學(xué)生能夠掌握化學(xué)實驗的基本技能，無機物的制備、提純和表征方法及弱酸解離常數(shù)的測定、物質(zhì)旋光度的測定，以及各種常規(guī)儀器的原理及使用的基本技能。

河南科技大學(xué)（以下簡稱“我校”）是中西部一所普通綜合性大學(xué)，在開設(shè)大學(xué)化學(xué)實驗過程中，使用了對環(huán)境有污染的金屬離子如銀離子、鋇離子、鈷離子、鎘離子和有機試劑乙醇等。由于實驗開課班級較多，實驗人數(shù)較大，一方面會產(chǎn)生大量的環(huán)境污染物質(zhì)；另一方面，有些試劑本身價格昂貴，會浪費大量的教學(xué)資源。因此，在大學(xué)化學(xué)實驗中，引入綠色化學(xué)概念，合理使用化學(xué)試劑，對節(jié)約資源、避免污染環(huán)境具有重要意義。

綠色化學(xué)又稱環(huán)境無害化學(xué)，其核心內(nèi)涵是在反應(yīng)過程和化工生產(chǎn)中，盡量減少或不產(chǎn)生對人類健康和生態(tài)平衡有害的各種物質(zhì)。

將綠色化學(xué)概念引入大學(xué)化學(xué)實驗體系，已經(jīng)有多所兄弟院校進行過嘗試[1][2]。由于經(jīng)費所限和其他各種原因影響，我校還不能全盤采取大學(xué)化學(xué)實驗綠色化措施。如引入特殊的微型實驗儀器，開設(shè)專門實驗機房用來開展計算機虛擬實驗等。本文結(jié)合學(xué)生的專業(yè)要求，探索在一般綜合性大學(xué)中實現(xiàn)大學(xué)化學(xué)實驗綠色化的方式和方法。

一、結(jié)合學(xué)生專業(yè)要求，優(yōu)化實驗項目

在綜合性大學(xué)中，大學(xué)化學(xué)實驗的開設(shè)專業(yè)較多。我校大學(xué)化學(xué)實驗對象主要為農(nóng)、林、醫(yī)、藥和食品、生物專業(yè)的學(xué)生，因此，我們結(jié)合學(xué)生專業(yè)需求，精心挑選污染少、鍛煉學(xué)生操作能力的實驗項目。

過濾、滴定、萃取、重結(jié)晶、常壓蒸餾等是必須掌握的基本操作技能，因此我們在上學(xué)期開設(shè)了粗食鹽的提純實驗[3]。作為大學(xué)化學(xué)實驗的第一個實驗項目，粗食鹽的提純實驗只需要提供粗食鹽和蒸餾水以及加熱、過濾裝置，實驗過程中無毒害物質(zhì)，卻能夠鍛煉學(xué)生過濾、提純等基本操作技能。也開設(shè)了基于酸堿平衡的滴定實驗。如標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制和比較滴定，標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定和混合堿的測定實驗，這些實驗符合農(nóng)、林、醫(yī)、藥專業(yè)的實驗技能要求，實驗藥品均為常見無污染藥品。

下學(xué)期開設(shè)了鍛煉學(xué)生萃取操作能力的實驗：從茶葉中提取茶葉堿和鍛煉學(xué)生重結(jié)晶操作能力的實驗，如苯甲酸的重結(jié)晶，回收的苯甲酸可循環(huán)使用。這些實驗無環(huán)境污染，符合學(xué)生專業(yè)要求，幾乎不產(chǎn)生對人類健康和生態(tài)平衡有害的物質(zhì)，符合綠色化學(xué)理念。

二、嘗試實驗微型化，分類收集實驗廢液，滲透綠色化教育

所謂微型化學(xué)實驗，就是以盡可能少的化學(xué)試劑來獲取所需化學(xué)信息的實驗方法與技術(shù)。雖然微型化學(xué)實驗所需的化學(xué)試劑用量一般只為常規(guī)實驗用量的幾十分之一乃至幾千分之一，但其效果卻可以達到準(zhǔn)確、明顯、安全、方便和防止環(huán)境污染等目的[4][5]。為了實施微型化學(xué)實驗，一般需要有專門購買的微型化學(xué)實驗裝置和微型化學(xué)儀器。限于財力，我校沒有將所有的大學(xué)化學(xué)實驗微型化，而是嘗試減少部分試劑昂貴、有重金屬污染的實驗藥品使用量，使實驗微型化，這也為中西部普通高校的實驗微型化探索出新的道路。盡管無微型實驗儀器，但教師應(yīng)遵循綠色化學(xué)實驗思想，在保證實驗效果的前提下，探索減少化學(xué)藥品使用量的方案。如在沉淀反應(yīng)與沉淀平衡試驗中，我們沒有引入特殊的微型化實驗儀器，只是把教材中規(guī)定的20mL大試管換為5mL小試管，大大減少了沉淀反應(yīng)所需重金屬離子的使用量。

因為沒有接受過化學(xué)實驗的鍛煉，大多數(shù)學(xué)生的化學(xué)實驗技能比較差，不僅僅體現(xiàn)在實驗操作動作不到位，而且體現(xiàn)為不太明確化學(xué)試劑添加量對實驗結(jié)果和環(huán)境的影響，因此需要指導(dǎo)教師從基礎(chǔ)操作、基本原則講起。

每一次實驗，除講解實驗?zāi)康?、原理和實驗步驟，還應(yīng)特別注意給學(xué)生灌輸綠色化學(xué)思想。比如，使用試劑瓶時，大部分學(xué)生把膠頭滴管錯誤地插入試劑瓶液面下；藥品鼓泡后，把滿滴管的藥品加入到反應(yīng)體系中。

指導(dǎo)教師不僅應(yīng)該指出在試液中鼓泡的錯誤操作，還應(yīng)該說明綠色化學(xué)的理念，如指示劑的添加量一般是2～3滴，而液體化學(xué)試劑按照要求的毫升數(shù)添加。如需要約1mL的液體藥品，一般使用膠頭滴管大約是20滴，切忌把一滴管的試劑都添加進去。

又如，在講解酸堿滴定操作時， 指導(dǎo)教師往往講解滴定管洗滌的步驟：自來水洗滌，蒸餾水洗滌和待測液潤洗。但是，如果不著重給大家灌輸綠色化學(xué)思想，有些學(xué)生會加入大量的待測液潤洗，甚至有的學(xué)生加入整整一滴定管的待測液潤洗，從而造成試劑的浪費。

作為初次進行科學(xué)實驗的一年級新生，實驗結(jié)束后，有些學(xué)生時常把火柴桿、濾紙等廢棄物丟到水槽，把液體廢液直接倒在水槽中，把破損的玻璃儀器直接丟進垃圾桶。

作為實驗教師，應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)將實驗產(chǎn)生的垃圾進行分類收集的良好理念[6][7][8]。如為了避免破損的玻璃制品割傷垃圾清運人員，已破損的玻璃制品要放入專門的垃圾桶；有機廢液也要單獨收集至廢液缸，然后統(tǒng)一焚燒；含有重金屬的無機廢液經(jīng)收集后再經(jīng)絮凝操作，待重金屬離子沉淀后再排放廢液。明確實驗過程中產(chǎn)生的廢液，不能直接將廢液排放到下水槽中，以免污染環(huán)境。

三、開展串聯(lián)實驗，實行綠色實驗教學(xué)

串聯(lián)實驗就是通過調(diào)整實驗順序， 盡可能地對實驗產(chǎn)物再利用，使上個實驗的產(chǎn)物成為下個實驗的原料[9][10]。我們在大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中也探索并實施串聯(lián)實驗。如首先開設(shè)Fe（OH）3的膠體制備實驗，隨后開設(shè)半透膜的制備與Fe（OH）3膠體純化實驗，最后開設(shè)電泳實驗，這樣，三個實驗就成為 串聯(lián)實驗。第一個實驗的產(chǎn)物是Fe（OH）3膠體，它是第二個實驗?zāi)z體純化的原料，而其純化后的Fe（OH）3膠體又是第三個實驗即電泳實驗的原料，從而提高了試劑使用率，降低了實驗成本，可減少廢物對環(huán)境的污染。

串聯(lián)實驗的第二個例子是滴定反應(yīng)實驗。首先開設(shè)第一個實驗：酸堿溶液的配制。學(xué)生先配制近似濃度的NaOH和HCl溶液。第二個實驗是酸堿溶液的比較滴定。學(xué)生學(xué)習(xí)滴定操作方法，得出第一個實驗所配制酸堿溶液的比較關(guān)系。第三個實驗是NaOH溶液的標(biāo)定。學(xué)生通過基準(zhǔn)物質(zhì)鄰苯二甲酸氫鉀配制鄰苯二甲酸氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液，然后用其標(biāo)定第一個實驗配制的NaOH溶液，繼而通過第二個實驗的結(jié)論，也就是酸堿溶液的比較關(guān)系，得到HCl溶液的準(zhǔn)確濃度。第四個實驗是混合堿的分析，使用HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液，測定混合堿的組成。通過這樣四個串聯(lián)實驗，學(xué)生不僅學(xué)到了標(biāo)準(zhǔn)溶液配制、酸堿滴定等實驗技能，也有效地激發(fā)了學(xué)生的實驗興趣和創(chuàng)新意識，同時加深了大家對綠色化學(xué)思想的感悟，達到了理想的實驗教學(xué)效果。

四、引入現(xiàn)代化教學(xué)手段，開展多媒體實驗

大學(xué)化學(xué)實驗綠色化探索文獻中，不乏開展多媒體實驗教學(xué)的報道[11][12][13]。限于開發(fā)經(jīng)費，我們沒有建設(shè)專門的機房，而是嘗試開設(shè)一個多媒體實驗， 涉及大學(xué)化學(xué)教材的“物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)” 這一章。在講解核外電子運動狀態(tài)近 代描述時，面對原子結(jié)構(gòu)、電子軌道 如球形的s軌道、啞鈴型p軌道與花 瓣形的d軌道知識，學(xué)生普遍反映難以理解。

基于此，我們搜集了國內(nèi)外關(guān)于核外電子運動軌道形成過程的圖片、動畫以及模型，制作為電子實驗演示課件，供學(xué)生瀏覽觀看。同學(xué)們利用業(yè)余時間在網(wǎng)上預(yù)約時間，然后在實驗室登記，完成該實驗項目。這種多媒體實驗教學(xué)手段的應(yīng)用，不僅沒有用到化學(xué)試劑，達到了綠色化學(xué)實驗的目的，而且把抽象的理論內(nèi)容形象化，貼近大學(xué)化學(xué)理論教學(xué)的教學(xué)難點，提高了大學(xué)化學(xué)理論課的教學(xué)質(zhì)量。

五、結(jié)束語

大學(xué)化學(xué)實驗由于選課人數(shù)較多，化學(xué)試劑使用量較大，因而開展綠色化教學(xué)探索迫在眉睫。本文中總結(jié)了我們在大學(xué)化學(xué)實驗綠色化探索的幾種做法，以期對其他兄弟院校有所幫助。實施大學(xué)化學(xué)實驗的綠色化，核心是給學(xué)生灌輸綠色化學(xué)實驗的思想，不僅可以有效降低大學(xué)化學(xué)實驗對環(huán)境的危害，同時也給學(xué)生留下了深刻印象，對保護環(huán)境意義重大。

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