高中化学实验绿色化的探索

高中化学实验绿色化的探索

林美凤

一 、研究的背景

绿色化学是当今国际化学科学研究的前沿，它的诞生有三个标志：①各国环境标志制度和环境管理标准的相继问世；②1996年6月美国首届“总统绿色化学挑战奖”的颁发；③1999年世界第一 本以“绿色化学（Green Chemistry）”为名的杂志的诞生。在国内，绿色化学的发展也如火如荼。因此，我们必须认识到绿色化学教育是21世纪化学学习与教学的挑战，而化学教学迎接绿色化学教育新挑战的重要对策之一 ，就是研究绿色化学方面的实验。

目前高中化学实验中还存在以下三方面的问题：一 是还有一 定数量的有毒物质的制备和性质实验（如氯气的性质和制备实验，二氧化硫的制备和性质实验，硫酸、硝酸的性质实验，有机物的制备和性质实验…），这些实验对老师和学生身体健康的影响和对环境造成的污染是不可忽视的。二是有相当数量的实验习题、选做实验和家庭小实验，完成这些实验需要大量的仪器、药品和时间，学校根本无法正常开展或者根本就不开展。三是目前学生数增多，学生分组实验所需的药品用量、化学仪器及实验后的废液、废气大量增加，造成的浪费和污染也愈加严重。

面对现况，在绿色化学思想的指导下，我们对高中化学实验进行了绿色化的探索。

二、研究的原则

本课题的研究从以下几方面体现自己的特色：

1、 药品利用五原则

选用反应所用的药品，体现“就地取材、农副产品、废物利用、减少用量、回收再用”。“就地取材”就是较多地选用日常生活用品，例如食盐、石碱、石灰等；郊县和农村中学，可选用常用的化肥，例如碳铵、硫铵、硝铵、尿素、硫磺等。“农副产品”是指粮食、淀粉、蔗糖、木屑、猪油、肥皂、米酒、食醋、海带等。“废物利用”，是利用废铜烂铁、旧电线、废干电池、废银液、废铝箔、牙膏壳、牛奶瓶铝盖、矿泉水瓶、塑料药片板、眼药水瓶等生活废弃物。“减少用量”就是在确保实验效果的前提下，实验中试剂的浓度和用理降至最低限度。“回收再用”就是对实验后的“三废”进行回收处理继续使用。

2、 实验设计三多样

设计一 个化学实验要体现“方法多样、仪器多样、实施多样”。“方法多样”是指要完成一 个化学实验可选用多种的实验方法，采用多种的化学药品。“仪器多样”是指在我们设计的实验中，既可以用常规实验仪器，也可用微型实验仪器，考虑到不少中学（特别是农村中学，边远中学）的仪器、设备、资金的缺少，我们建议尽量多采用代用品或自制仪器，同样能较好的完成实验。“实施多样”是指在组织学生实验时，实施的形式可以多样化。

3、 实验过程三意识

实验进行的过程中，从头到尾都要体现“无废意识、经济意识、环保意识”。“无废意识”就是对于一 个学化学的人来说，我们周围的物质无废物存在，通过化学的方法都可以转化、制备、提纯、再利用。例如从废干电池可得到纯锌、氯化铵、二氧化锰等。通过纯锌可转化为各种锌的化合物，通过二氧化锰可制备氯化锰、锰酸钾、高锰酸钾等。“经济意识”即在制备过程中必须考虑到使用的原料、方法、线路是否简易、便宜，要进行经济核算，尽可能获得成本低、产量高、质量好的效果。“环保意识”：即通过师生组织的课外化学制备活动，使学生在思想上树立“积少成多”的意识，将废电线、牛奶瓶盖、铝箔、牙膏壳、破热水瓶胆、废干电池等拾起来、积起来、利用起来，减少了环境污染，这就是环保意识。如果是这样的话，本课题所起的作用就已经超出了本课题研究的初衷和目的。

三、研究思路

1、 在思想上树立绿色化

“绿色化学”它不同于“环境化学”，它是一 门从源头上阻止污染的化学，这一 点只有从观念上进行“革命”，才能理解，从而才有可能真正重视绿色化学教育。绿色化学实验是在绿色化学的思想指导下，用预防化学污染的新思想、新方法和新技术，对常规实验进行改革而形成的化学实验的新方法。因此我们在教学实践活动中，注意从教学的各个环节（备课、讲课、练习、…）渗透绿色化学思想，从不同角度（教学目标设计、实验原理设计、日常行为准则、化学课外活动…）体现绿色化学教学，将绿色化学带给每一 位学生，帮助每一 位学生树立绿色化学观念和环境保护意识。如在清洗银镜、铜镜的试管时，学生就主动提出用FeCl3溶液代替HNO3清洗，避免由HNO3产生的NO带来环境污染。

2、在实验设计时考虑绿色化

在实验设计过程中，要求学生积极查阅有关资料，开动脑筋，充分考虑药品的用量、有害物质的使用和排放等问题，设计出绿色实验方案。如我们研制和设计的“氯气的制备和性质实验”、“卤素间的置换反应”、“二氧化硫的制备和性质实验”、“硫化氢的制备和性质实验”微型实验，融制取与性质实验于一 体，小剂量实验，对环境的污染大大下降，且操作简便，实验现象直观明显。既适合于学生分组实验，也适合于教师演示的投示实验。

3、在实验过程中体现绿色化

在实验设计中考虑了绿色化，在实验过程中就必须体现绿色化。⑴试剂的取用要求做到适量，以免多余试剂的处理带来操作上的麻烦和引起试剂的浪费。如试纸分成小块使用，药品逐滴滴加，…等。⑵仪器的选择要简单、轻便，价格低廉，甚至利用废品。⑶有毒气体必须要有吸收装置，有毒物质必须经过处理使之转化成无毒物质。⑷实验后的废物必须倒在指定的容器内，统一 进行处理和回收，不能任意将其冲入水槽中流入地下管道，引起污染。

4、在实验报告中研讨绿色化

实验报告的内容，除要求学生报告常规的内容外，还要求对实验中的某些问题做进一 步的专题研讨，并在此基础上提出改进的设想和措施。如：浓、稀硫酸的鉴别，学生提出了多个绿色化的实施方案。

四、实施方案

一 年来，通过课题组老师的共同努力，高中化学实验绿色化的探索已初见成效。现将具体的措施和策略概括如下：

1、 微

“微”即在保证实验现象明显的前提下，减少实验药品的用量。它包含两层意义：一 是采用微型化学实验，即在微型化的仪器中进行化学实验，必须对实验进行重新设计与探索。如Cu和浓、稀HNO3的反应。二是采用微量化学实验，即采用常规的小量实验仪器和设备。常规实验的小量化是在不改变实验的方法、不改变操作技术的前提下，采用常规的小容量仪器，药品用量减量。如实验1-4吸热反应实验，药品用量减半；实验3-1物质的量浓度溶液配制将500mL体积改为100mL；实验6-4浓硫酸的脱水性实验蔗糖的用量也减了一 半；学生实验均采用小试管进行有关的性质实验。

2、 组

“组”就是将几个实验组合在一 起，使本来存在几次污染的实验变为一 次污染，甚至没有污染，这样既节约了时间又减小了污染。如：氯气的制备和性质实验、卤素间的置换反应、二氧化硫的制备和性质实验、硫化氢的制备和性质实验，都可以把它组合在一 起进行。我们采用了三种不同的方案进行了这三个实验：①在分叉管内胶带上的滤纸中进行一 系列的实验；②在三通玻璃管中分别进行一 系列的实验；③在井穴板中（可以是购置的、也可以是代用品）进行一 系列的实验。



3、
图 三

封

“封”就是使有毒气体的制备和性质均在一 个密闭的体系中进行。我们成功地应用了气球、塑料注射器、三通管、分叉管进行了一 系列的实验。如：用塑料注射器进行Cu和浓、稀HNO3的反应；用塑料注射器贮存少量有毒气体；P、Cu、H2在Cl2中燃烧，白磷和红磷相互转化、氯水的漂白性等实验均可用橡皮塞将其封闭起来，外接一 个气球。

4、 代

“代”也包含两层意思：一 是借用多媒体手段代替做实验。对一 些污染比较严重的（如苯的溴代和硝化…）、操作比较复杂且需时较长的实验（如石油的分馏、石油的裂化、煤的干馏…）均可用实验录像或者动画模拟代替实验，既能省时、省料、不污染，又能观察到明显的实验现象，达到同样的实验效果。二是寻找代用品，降低实验成本，但不影响实验效果。如试液架就是让学生自己动手将两块聚乙烯板用钉子把它组合起来，上层打几个孔、或者用一 块泡沫塑料打上相应洞；储液滴瓶就是由眼药水瓶制成的；塑料洗瓶就是由废药水瓶制成的；井穴板用塑料药片板代替；用吊针来代替酸式滴定管和碱式滴定管的滴头；将眼药水瓶去底代替漏斗使用；用鸡蛋壳代替碳酸钙制备二氧化碳；用废电池上的石墨做电极、锌制氢气、二氧化锰制氯气；生石灰和硫铵制氨气；…。充分利用废物，培养学生的环保意识、经济意识，树立绿色化的观念。

5、 改

“改”即改进某些排放有害物质的实验，也就是在原有的实验方法上加以改进，使某些有害物质转化为无害的物质，甚至是有益的物质；使某些实验复杂操作的变得简单；提高实验的成功率，减少药品的用量。如铜和浓硫酸反应的实验，按照书本实验，操作不便，而且使用铜片会产生以下几种不良现象：①加入铜片的量学生往往控制不当；②不能及时地终止反应，使产生的SO2量增大，环境污染加重；③易产生黑色的固体；④多佘的铜片往往得不到很好的回收。若将铜片改为铜丝，通过抽提铜丝，使铜丝及时脱离反应体系，减少铜的消耗和SO2的生成量，避免黑色固体的产生，末反应的铜丝可反复使用，大大减少了铜的用量及实验的准备工作。另外将产生的SO2通入品红溶液改为将浸有品红试液的滤纸直接放入Cu与浓H2SO4反应试管的中部，试管口塞一 团浸有饱和Na2CO3溶液的棉花球，装置简单（省去了铁架台、铁夹、带塞的导管、…）操作方便（用试管夹夹住试管，试管移动方便）现象明显，污染少，。，再如将学生分组实验钠与水反应的实验作了如下改进：将钠投入盛有煤油和滴有酚酞水的培养皿中，上面倒扣一 个倒置的漏斗收集气体，检验生成的气体，实验安全，现象明显，成功率达100%。这样既省去了擦干钠表面煤油、切割钠表面氧化物的操作，又避免了钠与水反应过剧烈而可能发生的危险，克服了学生因操作不当，收集不到氢气而使实验失败的现象，且随时可将末反应的钠





从培养皿中取出，重新放入煤油中，钠块可以反复使用，节省药品。

还有如Na2CO3和NaHCO3与酸的反应及其稳定性实验，实验室制氯气的实验 ，…，我们都一 一 作了改进。

6、 换

“换”即在不影响实验效果的前提下，寻找一 些无毒害的药品来替换有毒害的药品的使用，寻找一 些对环境无影响或少影响的药品来替换对环境影响较大的药品使用。如溶液的导电性实验，其中盐酸和氯化钠在通电时会产生有害的氯气，可把它换为NaNO3和HNO3，这样既达到了比较电解质溶液导电能力强弱的目的，又避免了氯气的污染；又如用SO2、H2S的水溶液代替SO2、H2S气体与溶液反应的实验可大大降低污染；用漂粉精溶液加浓盐酸代替氯水进行卤素之间的置换反应，既可避免制氯气的复杂操作、减少污染，又可防止氯水久置而失效；用硫酸铜溶液代替水与电石反应，那么产生的硫化氢气体就可以与硫酸铜溶液发生反应（CuSO4+H2S=CuS↓+H2SO4）而被吸收，从而减少了污染，保护了环境，同时生成的硫化铜覆盖在电石表面，使反应比较缓和，从而获得平稳的乙炔气流；…。

7、 变

变一 ：将有毒的物质变成无毒的物质。如尾气CO，我们就可以用点燃的方法，把CO转化为CO2；SO2、Cl2、H2S，用氢氧化钠溶液加以吸收，使之转化为无毒的物质；对含酚类的废液加入漂白粉进行煮沸，对氰化物加次氯酸钠进行二级分解，或者用FeSO4溶液处理；对一 些有机物进行点燃，产生的气体用碱液进行吸收，将重金属盐溶液用石灰乳或硫化物进行处理；银氨溶液进行酸化后回收；酸、碱液必须中和到规定的pH值范围；…。

变二：将废物变成有用的物质。如将实验室制氨气后的氯化钙固体进行回收，作为干燥剂使用；将碘的四氯化碳溶液进行回收提取碘；如从废电池中获取纯锌、铜、石墨、二氧化锰、氯化氨、…；用米泔水制化学防腐浆糊、葡萄糖、麦芽糖、…；用排油烟机中的废油制肥皂；橙皮制取香精；用废热水瓶胆制AgNO3溶液；…。

五、优点

1、 经济

一 是药品用量减少，仅为原来的1/4～1/10，微型仪器成本较低，许多仪器通过自制或寻找代用品，为学校节省了许多开支。这对边远山区的农村学校来说，可以创造条件开设实验，让学生有较多的机会进行化学实验。

2、 快速

由于反应用量减少，在相同条件下，反应时间短，一 般仅为常规实验时间的1/3～2/3。这样在限定的实验学时内，可以安排更多的实验内容或进行更高层次的实验，这不仅能增加学生的知识信息量，而且有助于强化基本操作和基本技能的训练，提高了实验教学质量

3、 安全 污染少

由于药品用量少，危险性降低，污染源容易控制，对毒性大，污染严重的实验，采用微型实验，可以将污染减少到最低限度，从而使实验得到改善，这不仅增加了大家的安全感，而且有助于增强学生的环保意识和安全观念。

4、 劳动强度低

微型化学实验仪器小，试剂用量小，能减少大量的实验准备工作，又便于管理，这有助于将实验工作人员从繁重的体力劳动中解放出来，投入到教学改革、技术革新和科研工作中去，提高师资队伍素质。