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中学化学实验绿色化的实施研究

来源:考试吧 2013-09-02 18:09:14 要考试,上考试吧! 万题库

  中学化学实验绿色化的实施研究,《中学化学新课程标准》规定:课程的设计要“体现绿色化学思想”,要让学生了解“在化工生产中遵循‘绿色化学’思想的重要性”;同时要求通过化学实验使学生“树立绿色化学思想,形成环境保护的意识”;“初步形成人和自然和谐发展的观念,初步树立可持续发展的思想和正确的价值观。”显然,新课程标准极其重视绿色化学思想的形成和应用。

  绿色化学是人类和自然和谐的化学,是使人类可持续性发展的化学。“化学实验绿色化”就是在满足化学教学要求的前提下,设计的化学实验彻底消除或尽量减少使用和产生有害物质,从源头上消除化学实验对环境和人类健康的负面影响。化学实验绿色化的目的是,改变只要有化学实验就会产生环境污染的现状,从可持续性发展的角度研究化学实验,尽量减少化学实验对环境的污染。

  化学实验的目的是研究物质的性质,所以必然会涉及一些有毒害性的物质,实验是否会产生污染以及污染的严重程度主要受到诸多因素的影响,例如:反应物的性质和试剂的用量、反应原理和条件、实验设备和装置、产物的特性等等。这些因素相互紧密联系,而且在一定条件下息息相关。能否找出两全之策,既保证实验研究又可减少污染?因此,笔者从以下方面对化学实验绿色化的实施进行研究。

  一、反应物的选择和使用

  中学化学实验中所用药品往往有毒性,要实现化学实验的绿色化,首先必须从源头上制止化学污染的生成。因此,在研究有毒物质的性质时,对于有害反应物的处理要特别当心,尽可能使无毒、或毒性小的物质过量,以使有毒物质完全反应。对于实验中涉及的有毒害作用的反应,要根据毒性的大小,在保证实验现象的条件下尽可能地废除毒性大的实验。

  对于不得不使用的、无法替代的有毒害物质,应该尽量控制使用,很多药品的浓度、用量都应采用最少量原则。例如,在研究浓度对化学平衡的影响实验中,硫氰酸钾、三氯化铁溶液的浓度可由 0.01mol/L 降为 0.0005mol/L;配制银、氨溶液,硝酸银浓度、氨水浓度也可由 2%降为 1%,一般离子检验,硝酸银浓度只要 0.1%就足够了。这些改动都减少了实验药品的浓度,但是一点没有影响实验效果。

  二、实验废弃物的排放和处理

  实验室排放的废水、废气,尽管不多,但却是瞬时高浓度的排放,这些污染物却会持续地破坏我们生存的环境。因此,对于实验生成物以及中间产物的毒害性的大小,应该研究、制定不同的后处理方法。对于会产生毒害物的实验,应该在实验方案中设计无害化排放,同时制订适当的原则。对于难于处理的物质,可以采用集中处理的方法。

  例如,苯的硝化实验产生的硝基苯是一种剧毒物质,应该集中回收处理,做到零排放。硝基苯在水中具有极高的稳定性,倾倒在水中的硝基苯,以黄绿色油状物沉淀水底,能长时间保持不变。由于其在水中有一定的溶解度,造成的水体污染会持续相当长的时间。当浓度为 5mg/L时,被污染水体呈黄色,有苦杏仁味。当浓度达 100mg/L 时,水几乎是黑色,并分离出黑色沉淀。当浓度超过 33mg/L 时可造成鱼类及水生生物死亡。一个这样的演示实验,产生的硝基苯大约就是 1 克,这样至少约污染 200L 水。但由于学校的回收能力有限,因此教育主管部门应有专人负责统一回收并利用这些废弃物,予以集中处理,或联系厂家,作为原材料,不能随意丢弃。

  笔者认为,化学废物处理是个较复杂的课题,涉及到处理方法、原理及相关知识,是基础化学课程无法也不可能完成解决的。

  三、剩余物质的回收和再利用

  化学实验中有的实验剩余物,只要简单处理就可以作为其他实验的反应物。

  例如,在讲解极性分子和非极性分子的知识时,用带电玻璃棒接近四氯化碳液流,液流没有偏转,证明四氯化碳是非极性分子。这个实验做完之后,四氯化碳除了挥发掉一些,其他并没有任何变化,可以作为萃取实验的原料。对于萃取实验使用过的有机溶剂四氯化碳,如果废弃了,不仅污染了环境,而且会产生一些其他的隐患。可以用较浓的 NaOH 溶液进行洗涤、分液,最后又可以重新得到四氯化碳,可以作为下次进行萃取实验的药品。这样,在反应当中四氯化碳几乎没有损耗,对环境的排放量几乎为零,实现了四氯化碳的零污染。

  回收一些实验剩余的药品,既节约经费,又利于环保。只要我们提高了化学实验绿色化的意识,设计实验物质回收的“网络”,充分利用实验药品,一定能够物尽其用,降低实验成本。

  四、实验装置和设备的改进

  笔者以具体的绿色化的实验设计实例进行说明。

  例如:改进二氧化硫的制取和性质实验

  实验操作:在大小为“55mm×10mm”的两面胶的一面依次贴上蓝色石蕊试纸条一个,滤纸条三个。这三个滤纸条在实验前用蒸馏水湿润,并依次用品红溶液、酸性KMnO4溶液、氢硫酸溶液湿润。两面胶的另一面用玻璃棒引着贴在注射器(20mL以上)的内壁偏下位置(以活塞抽动与液体进入均不接触纸条为准)。

  向注射器筒内放人0.5g左右的Na2SO3固体(为防止Na2SO3固体堵塞针头出口,在放入的过程中,药品可以放在偏离针头出口的一侧且注射器可以向该侧略倾斜)。然后推人活塞(注意活塞不要接触试纸),吸人1 ml左右的浓H2SO4,反应立即进行(反应时需注意活塞不要向下滑动,以免液体流出,在反应时吸液口最好不要脱离浓H2SO4的液面),1分钟左右可以看到蓝色石蕊试纸变红(SO2的酸性),品红溶液褪色(SO2的漂白性),KMnO4溶液褪色(SO2的还原性),附有氢硫酸溶液的滤纸上出现醒目的白色斑点(SO2的氧化性)。实验完毕后将NaOH溶液吸入针筒,对其中的气体及残余液进行处理。

  实验优点:整个实验过程中SO2控制在“零污染”的水平,氢硫酸溶液纸条上出现的硫可以非常明显地看出,表明SO2被还原,硫元素完全以单质硫的形式存在。这样,通过一个实验研究了二氧化硫的多个性质,实验所用药品少,对环境几乎没有污染。

  这个实验还表明,利用注射器和使实验试纸化,既能使反应在密闭体系内进行,又能减少实验的药品消耗和实验次数,节约实验时间。很多会产生毒害物质的实验都可以参考这种设计思路进行设计。

  只要不拘泥于书本中现成的实验方案,在实验中不断创新,大胆探索新方案,并收集使用别人的好经验,使生毒害性物质的实验就能变成绿色化实验,为化学实验的绿色化作出贡献。

  五、防护设备的选择和使用

  实验室配备基本的防护设备,能够预防事故的产生,并且在事故发生后将危害的程度降到最小。目前很多学校都没有配备实验服;防护眼镜、手套和口罩;眼睛冲洗器和全身喷淋装置。在实验中常会有学生眼睛、手被液体烫伤,或者使用酒精灯不当起火等事故的发生,所以要防患于未然,做好防护的工作。

  另一方面,化学实验室的空间有限,在做一些会产生刺激性气体的实验或使用挥发性溶剂的实验时,会充满毒气,虽然实验室一般会安装排气扇,这不过是将有害气体排放到别的空间、进行稀释而已,没有从根本上解决问题。因此,根据化学实验的特点和通用教室的布局特点,设计、配备回收式通风装置是很必要的。

  总之,笔者认为要减少化学实验污染、实现可持续性的化学实验设计绿色化,应尽量做到选择的实验,其反应物和生成物无污染或污染小。如果是污染性较强的反应物,应考虑替换,无法替换的应该在保证现象的前提下限量使用,或者在密闭的装置内进行实验;如果是污染性较强的生成物应该做到有效地回收和处理;能循环利用的物质尽量回收利用;应该努力开发新的实验方法和实验仪器,替换有的会产生环境污染的实验方法。同时,化学实验在设计、准备、实验过程、废物处理等方面,也应该贯穿绿色化学的思想,努力减少化学实验对环境的污染,力求把学生培养成具有环境保护意识的人。为了更好地满足新课程改革的需要,充分适应新时代的要求,教师应该努力实现绿色化学实验的可持续性大发展。

  [参考文献]

  胡 国 杰.中学化学实验室污染状况调查及防治措施.化学教学.2004,(11):10

  李 效 宏、薛亮.氢气和氯气光照实验.中学化学教学参考,2003,(1~2):70

  刘 宜 树.对 SO2的制取与性质实验的研究.中学化学教学参考,2004,(12):44

  [作者介绍]

  焦 健:哈尔滨师范大学2003级在读教育硕士;现工作于哈尔滨市第69中学化学组。

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