化学实验教学中的绿色化和微型化

LABORATORYSCIENCE

2007年6月出版

实验环境与安全

化学实验教学中的󰀁绿色化󰀂和󰀁微型化󰀂

张佩丽 饶震红

(中国农业大学理学院应化系实验中心 北京 100083)

摘 要:在化学实验教学中充分利用化学学科的优势,在教学过程中注重向学生渗透绿色化、微型

化理念,通过实验教学既培养了学生的环保意识,又降低了实验经费的支出,也减少环境的污染,使学生在潜移默化中接受了绿色化、微型化的教育,增强了学生对人类对社会的责任感。有利于培养学生分析问题、解决问题的能力。

关键词:化学实验教学;绿色化;微型化

化学是一门以实验为基础的学科。也可以看

作是󰀁研究从一种物质向另一种物质转化的科学󰀂。化学实验教学的作用有多方面,首先,它可以帮助学生通过实验完成对抽象概念的理解和认识过程。其次它可以进一步巩固学生的理论知识,培养学生观察现象、分析问题、解决问题的能力并能获得较熟练的实验技能。化学实验虽然能使学生领悟和感受到科学给人类创造的文明,但同时也伴随着对环境的污染和对人类的危害。化学实验绿色化、微型化是新世纪化学实验教学的重点方向和崭新课题。因此,我们必须把绿色化学理念融入化学实验教学中。1.绿色化学与微型化学1.1.绿色化学又称环境无公害化学(Environmen󰀁tallyBenignChemitry)、环境友好化学(Environmen󰀁tallyFriendlyChemitry)、清洁化学(CleanChemitry)

绿色化学主要是利用化学原理、技术和方法去减少或消除对人类健康、社会安全、生态环境有害的原料、产物的使用和生产。绿色化学旨在从源头上消除污染,它是一门从源头上阻止污染的化学。要预防化学污染,我们的化学教师在化学课堂教学尤其是实验教学中应注重向学生灌输󰀁绿色化学󰀂的观念,培养学生的环境保护和可持续发展意识,使绿色化学概念扎根于学生的头脑中,并贯穿在他们以后的工作中。1.2.微型化学实验(MicroscaleChemitryExperiment简称MCE)

MCE是近20年发展飞快的一种化学实验新方法、新技术。它是在微型化的化学装置中进行的化学实验,其实验用量一般仅为常规实验用量的!

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1%!10%,实验仪器规格微小,反应器的体积一般为1mL!10mL,它具有现象显著、快速、少污染、安全、便携等优点。化学实验教学采用微型实验,其经济效益、环保效益和教学效果是显著的。实验证明,微型化学实验在激发学生的学习兴趣,强化动手能力,培养创新思维,树立环保意识上有独特的功效。2.改变传统的化学实验教学,实现化学实验的绿色化、微型化2.1.科学地安排实验内容,从源头上减少化学污染

绿色化学要求在化学反应过程中尽可能采用无毒无害的原料、催化剂和溶剂。在化学实验中,若属于基本训练的实验,当实验中要使用有毒有害的物质或生成物中的有害成分较多,而又不能回收利用的,应遵循绿色化实验的5个󰀁R󰀂原则,即减量(reduce)、重复使用(reuse)、拒用(rejection)、回收(recycling)、再生(regeneration)。在不影响实验效果的前提下,可以把有害试剂合理替换成无害试剂,将易产生有害物质的实验替换成无害物质的实验。例如:在做阳离子的沉淀实验时,我们可以用硫代乙酰胺替代有毒的硫化氢;在卤素离子鉴定实验中,用卤素单质显色法进行实验即利用四氯化碳做萃取剂,通过观察四氯化碳层的颜色变化进行鉴定,我们知道四氯化碳是一种对人体能造成癌变的有机溶剂,并且对环境也可造成极大的污染。因此我们可以用淀粉来代替有毒的四氯化碳鉴定单质碘。另外,在传统的实验教学中实验的产物往往不被重视,只要实验者观察到现象和得到相关数据,而实验产物则被弃置或任意排放。所以,在实验教学中合理地安排实验顺序,综合利用实验产物是非

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常有必要的。在传统的实验教学中实验都是针对教学大纲依次排列下来,根据教学内容制定的独立单一的实验。现在我们改变这种单一实验,把单一的实验组合成系列(即调整实验顺序),使一个实验的产物或废物成为下一个实验的原料。由于实验中的每一步都关系到下一步实验能否顺利进行,因而对学生也提出了更高的要求,迫使学生认真对待实验的每一个环节,从而使学生的基本操作技能、动手能力等得到较系统的训练,同时实验室也做到无污染、产品链式利用的良性循环。例如实验󰀁硫酸亚铁铵的制备󰀂,用废铁屑为原料制备硫酸亚铁和硫酸亚铁铵,将制备得到的产品硫酸亚铁铵用于󰀁三草酸合铁(∀)酸钾的制备及性质󰀂这一实验中,再将这一实验制得的产品三草酸合铁(∀)酸钾用于󰀁配合物的性质󰀂实验中,还可将制得的纯净产品收集起来,留做综合实验:󰀁反式![Co󰀁CI2(en)2]3[Fe(ox)3]#4(1/2)󰀁2O的合成󰀂用。这样实验中的每一步产品都得到充分的利用,既减少了浪费又避免对环境造成污染,而且能提高学生的综合素质。不仅如此,教师在讲授化学实验原理的同时,还结合实验内容讲授化学试剂和实验产物的毒性,排放后可能对环境造成的危害,以及处理有毒有害物质的原理和方法。让学生知道:学习化学不仅要掌握有关的化学原理、实验技能,还要运用化学原理和实验技能来治理环境污染,以造福于人类。2.2.改进实验操作,消除化学污染

化学实验总是伴随有气体、液体或固体产物生成。这些产物中多数是有毒或有害物质,产生的有毒气体直接影响到老师和学生的健康,散失到空气中的有毒物质又对大气造成污染。因此,在符合教学大纲和环保要求的前提下改进实验操作,在常规实验的基础上微型化。化学实验微型化是一门新的实验技术,它不是常规实验的简单微缩,更不是实验经费不足而采取的权宜之计,而是在绿色化学理念下,对化学实验的创新。化学实验微型化可以看作是一项实验方法与技术的绿色化,如在定性实验中,常见阳离子与常用试剂的反应,几乎完全可以在点滴板上进行,因为点滴板上有多个小槽并且可同时做多离子对同一试剂的反应或多试剂对同一离子在不同条件下的反应。又如在󰀁化学反应速率、反应速率常数及活化能的测定󰀂这个实验中,无论是试剂还是仪器损耗数目远远多于其它实验,既容易产生较大的实验误差和错误发生,又容易混淆量器而导致实验失败,还因未及时处理废液而造成碘单质大量挥发,既损害教师学生的身体健康又污染环境。在保证实验现象明显和结果准确的前提下,我们可以将原实验方案的试剂减至一半,实验仪器由烧杯调整为100mL的具塞三角瓶,用微量加样器替代量筒加取试剂。经过实验证明,这样既节省了仪器破损和试剂的损耗,又操作简捷而且结果准确。化学实验绿色化、微型化要求我们在绿色化学理念下改革常规实验以阻止化学污染,在保证实验现象和结果的前提下用尽可能少的试剂进行实验,节约仪器和试剂资源,在最大程度上降低化学污染。2.3.充分发挥多媒体辅助实验教学的作用,告别化学污染

在化学实验教学中利用多媒体辅助课件(CAI)进行模拟仿真实验,对于某些试剂消耗量大或危险性大,操作不易控制、耗时多或必须使用有毒有害试剂的实验,采用多媒体模拟仿真,如硫化氢的性质实验以及实验中常用的氯水是如何制取的等。这些实验既耗费人力、物力又造成一定的污染,且实验效果又往往并不理想。如何让学生既能观察到实验中的现象来验证理论,又避免浪费和污染,多媒体课件就能充分展示这一现象。我们可以通过计算机模拟化学实验室,运用多媒体技术对实验原理、仪器装置,实验过程做详细描述,并配有文字、图象、声音、动画等效果,有声有色,形象生动。这样学生只要操动鼠标即有身临其境的感觉,使学生在轻松愉快的环境中既学习到了化学原理又掌握了实验方法,还加深了印象,同时还有效地克服实验带来的污染和不安全因素。3.发展化学实验教学的绿色化、微型化,培养环境保护意识

在注重绿色环保的今天,我们的化学实验教学也应绿色化、微型化。在开展绿色化学实验教学的过程中,将绿色化学渗透、融合到常规的实验教学中去,贯穿于化学教学的全过程。另外,我们在教学过程中还可以结合当前社会上󰀁绿色食品󰀂、󰀁环保电器󰀂、󰀁绿色涂料󰀂等流行词汇,介绍与之相关的一些绿色化学知识,使学生明白绿色化学与我们的生活是密切相连的。化学实验所产生的废弃物,数量虽然不大,但危害深远,不但会对环境造成污染,而且会给学生养成不良的实验习惯。因此我们在实验课结束的前两周安排了󰀁废水处理󰀂的综合实验。学生按4~6人一组自由组合成若干组,针对不同的废水进行实验,提前让学生根据学到的知

(下转159页)

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pH=5形成的Fe(OH)3可进一步将苯胺类化合物氧化成溶解度很小的醌式结构化合物,然后被Fe(OH)3混凝吸附除去。

2.5.有机含汞、砷、铅、硫的废液

有机汞废液与H2SO4一起加热到100∃时,有机汞转化为无机汞,形成硫酸汞,然后在100∃时用Na2S2O3处理,使硫酸汞成为硫化汞而除去。有机汞也可用氧化剂(如氯)将其氧化成无机汞再用硫化物沉淀。有机砷、铅废液可用活性碳吸附法。含硫的有毒有机物能被H2O2氧化成硫酸盐。3.讨论

2+

H2O2在Fe的催化作用下分解产生#OH,是除氟外最强的无机氧化剂。Fenton试剂具有氧化和混凝两种作用,能强烈氧化分解许多有毒和难降解的有机物为小分子无毒物质,同时,Fe被氧化

3+

成Fe产生混凝沉淀大量有机物。最佳pH3.5,反应快而剧烈,产生大量的热和泡沫,应在较大的耐热容器中反应,并防止泡沫冲出。利用Fe、2+

Mn等均相催化剂和铁粉、石墨、铁锰氧化物等非均相催化剂,其反应过程与Fenton试剂类似而称(上接157页)

识和查阅的资料,自行设计实验方案,经过老师的审馏或萃取等方法进行回收再利用。焚烧炉焚烧法可使有机废液氧化为CO2和H2O。但当废液中有机物含有卤素、S、P等元素时,焚烧后废气中含有卤化氢、SO2、SO3、P2O5等气体,需用有吸收废气装置的焚烧炉或对废液进行预处理除去。量小的废液还可采用吸附法和化学法进行无害化处理。阅即可进行实验。这种综合实验既处理了废水,保护了环境,还锻炼了综合实验能力,提高了学生的环保意识。化学实验微型化是绿色化学的组成部分,通过微型化学实验证明,点滴的化学试剂都能发生明显的化学反应,微型化学实验是绿色化学的一项实验方法。是当前减少化学实验废液、废渣,改善实验室空气质量及环境较为理想的实验方法之一。不仅如此开展微型化学实验还为学生探索式学习创造了有利条件,学生将原来的常规实验转变为微型实验的过程,就是对实验方法进行改进与创新的过程。这种结合实验的探索式学习不仅激发了学生的学习兴趣、启迪创新思维,还达到创新教育的目的,是化学教学中实施素质教育的有效途径。

化学实验教学的绿色化、微型化是社会发展的

3+

2+

之Fenton体系。若在Fenton体系中加入某些络合

2-物(C2O4、EDTA等),可增加其对有机物的去除率。粉状活性碳只能一次性使用,不能再生。颗粒状活性炭吸附饱和后,应经热处理(650∃-1000∃)、溶剂萃取、酸碱处理及化学氧化、生物再生等方法使活性碳所吸附的物质氧化分解、解吸附洗脱、微生物降解再生反复使用。

(收稿日期:2007,01,10)

参考文献:

[1] 张天胜、厉明蓉.日用化工废水处理技术及工程实例[M].

第1版.北京:化学工业出版社,2002:82-98.

[2] W.WesleyEcken-elder,Jr著.陈中明、李赛君译.工业污染

控制[M].第1版.北京:化学工业出版社,2004:87-95.[3] 王国华、任鹤云.工业废水处理工程设计与实例[M].第1

版.北京:化学工业出版社,2005:49-107.

[4] 闵怀、傅亮、陈泽军.Fenton法及其在废水处理中的应用研究

[J].环境污染与防治,2004,26(1):28-30.

第一作者简介:杜秀芳(1963-),女,实验师,本科,学士,从事有机化学和药物化学实验工作。

必然趋势。因此,我们应该从节约资源和防止污染的观点来审视传统的化学实验,更新传统的思维方式,发展小型、微型及计算机与多媒体模拟仿真等现代化实验手段,实现化学实验教学的绿色化。绿色化学是维护生态环境的化学。实现化学实验教学的绿色化、微型化,不仅使学生知道保护环境还知道如何保护环境,并运用所学的化学知识来改善环境、治理环境,这也是我们化学实验教学开展绿色化、微型化所要达到的目的。

(收稿日期:2006,12,21)参考文献:

[1] 陈静、石晓波.在化学教学中渗透绿色化学理念.湛江师范学

院学报,2005(3).

[2] 扬秀清.绿色化学实验教学的实践与探索.新乡师范高等专

科学校学报,2005(2).

[3] 李景红等.化学反应速率和活化能测定实验的绿色化探索.

聊城大学学报,2005(4).

[4] 李云等.开展微型化学实验研究.实验室科学,2002(2).[5] 吴玖玖、沈筱玉、施能静.实现化学实验绿色化的重要举措.

化学教育,2005(9).

第一作者简介:张佩丽,中国农业大学理学院应化系实验中心实验师。

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