高等学校无机化学实验课程的绿色化建设与实践.doc

高等学校无机化学实验课程的绿色化建设与实践 关键词：实验教学；绿色化学；微型化实验；环境保护 ：G642.3：A：1002-4107（xx）10-0034-03 化学是一门以实验为基础的自然科学，实验作为化学学习和研究的重要手段，在巩固和加深学生对化学基本理论和基本知识的理解，培养学生观察、分析、解决问题的能力，以及提高学生的实践动手能力中起着举足轻重的作用1-3。无机化学实验是高等院校化学及化学相关专业所开设的第一门必修实验基础课，学生的基本实验技能和良好的实验习惯都是通过该门课程来学习和养成的，该门课程的教与学也是大学新生学习方法和学习思维从高中到大学转变的关键一步。然而，无机化学实验在开设的过程中会产生各种形式的废弃物，虽然实验教学中每个学生用的化学试剂的量并不是很大，但大量的学生不断地开展实验也会出现积少成多、聚沙成塔的效果，尤其是一些毒性较强的废气、废液，不仅对环境造成污染，也对实验教师和学生的身体健康产生不良影响。所以，如何对无机化学实验的教学内容和教学方式进行改革，在保证教学质量的前提下，减少实验过程中有毒试剂的用量和废弃物的排放量，提高试剂的利用效率，已成为我们迫切需要解决的问题。 21世纪以来，随着工业的发展，化学在改善生活的同时也带来了诸如酸雨、温室效应、水体和土壤的重金属污染等各种环境问题。作为教师，在讲授化学化工技术发展的同时，重视技术对环境造成的冲击，对学生进行绿色化学教育也是十分必要的。绿色化学是指用化学的技术和方法减少或杜绝那些对人类健康、社会安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等的使用和产生。它的最大特点是在始端就采用预防污染的科学手段，从而实现过程和终端的零排放或零污染。绿色化学实验室是以绿色化学思想为准则，将绿色化学的原则应用于实验室，解决实验室与环境污染之间的矛盾，使实验室能更好地服务于教学和科研。在无机化学实验教学和实验室管理过程中渗透绿色化学教育思想和理念，不仅可以实现化学实验的绿色化，更重要的是让学生在大学起始阶段就学会用绿色化学原则思考问题和解决问题，培养他们具有深厚的环保意识。 一、实验内容选择的绿色化 要实现无机化学实验教学的绿色化，就必须要对实验教学内容进行绿色化的改革和创新，筛选与化学学科进展相关的实验项目，删去内容陈旧、仪器落后、教学效果不佳的实验项目；增加与甘肃农业大学教师科研方向相近的体现学科发展前沿、适合实验室开设并有利于提高学生实验能力的实验项目；替换环境污染严重、对师生身体健康有危害的实验项目；对现有必须开设的实验项目进行改进和优化，并让学生参与改进和优化实验的过程。即选择实验项目时要尽量选择既能保证学生的基本实验技能得到训练，又对环境产生影响较小的环保型实验项目，从源头上减少有害废弃物的排放。如“硫酸铜的制备与提纯实验”的主要目的是让学生进一步练习并熟练掌握加热、蒸发、减压过滤、重结晶等基本操作，弄清重结晶提纯物质的基本原理，但该实验会产生大量有毒的二氧化氮气体，且铜离子作为重金属离子进入环境对动植物和人类的危害也较大，因此我们将实验项目换成了“转化法制备硝酸钾”，其既可以达成相关的基本操作练习和使学生掌握重结晶提纯原理的实验目的，也将因实验产生的废弃物给环境和人体带来的危害降到最小。 二、实验教学方式的绿色化 （一）微型化实验方法的引进 微型化实验是在微型化学仪器中进行实验，它崛起于20世纪80年代的美国，是一种以尽可能少的化学试剂获得较明显和准确的化学信息的实验教学方法，也是实现实验室教学绿色化的主要途径4。元素及其化合物性质实验是无机化学实验的重要组成部分，对于高校学生化学综合实验能力的培养有着不可或缺的重要作用。该类实验所用的药品种类多达上百种，涉及有毒性的钡盐、锡盐、铬酸盐、铅盐及易挥发的四氯化碳、乙醚、戊醇等有害物质，而且在实验的过程中还会释放出刺激性或毒性气体如硫化氢、氯气、二氧化氮、二氧化硫等，对环境和实验人员的健康造成很大的危害。对此类实验进行微型化改革，既可以有效减少实验室“三废”的排放，降低实验成本，也可以缩短反应时间，给学生更充足的时间去思考或探讨实验的现象和机理。常规元素实验多数是在试管中进行，为观察到明显的现象，所用试剂的量相对来说还是比较大的，如果将反应容器改为点滴板或井穴板，就可以大大减少试剂的使用量，而且多孔的设计也可以同时进行多个实验，利于学生观察对比不同的实验现象5。同时使用带有刻度的小试管和多用滴管可以在取液时更加准确快速，实验结果的准确性和严密性并不亚于常量实验。对于显色的性质实验，在达到让学生通过实验了解该反应现象存在的实验目的的前提下，“滤纸试验”用起来更方便简单且现象明显6。如二价镍的鉴定是加丁二酮肟（镍试剂）生成鲜红色的沉淀，在滤纸上进行该实验不仅产生颜色鲜艳的产物，而且实验后不需进行废液回收和仪器洗涤，大大降低了实验成本。 （二）实验装置的积极改进 对无机化学实验的装置进行积极的优化改进，使一些无机合成实验在反应原料减量的同时，取得较好的教学效果并减少废弃物的排放。硫酸亚铁铵是一种复盐，在工农业生产和医药上都是重要的合成原料，它的制备是无机化学实验课程的经典实验之一。该实验不仅可以让学生了解复盐的一般特征和制备方法，还能综合训练学生的蒸发、浓缩、结晶、干燥、过滤等相关的一系列基本操作。常规的硫酸亚铁铵的制备是将4.0g铁屑经过10%碳酸钠煮沸除油后与3mol/L的硫酸30ml反应生成硫酸亚铁再与等摩尔硫酸铵反应生成硫酸亚铁铵晶体。该方法存在着试剂量大、污染严重、产品质量不高、耗时较长等缺点。我们的实验则采用1.0g铁屑与3mol/L的硫酸8ml在锥形瓶中采用水浴加热控温60的方法，锥形瓶通过橡胶塞和玻璃弯管与安全瓶相连，安全瓶再通过玻璃弯管连接尾气接收瓶7-8。该装置既可以通过封闭控温系统减少水分蒸发，避免生成的硫酸亚铁被氧化，又可以将废铁屑与硫酸反应时产生的硫化氢等有毒有害气体吸收，减少对环境的污染和人体的危害。 “硫代硫酸钠的制备”也是大学本科无机化学实验课程中经常开设的一个综合实验项目，该实验通常采用的方法是将亚硫酸钠和硫酸反应生成二氧化硫，生成的二氧化硫和硫化钠反应得到新制备的单质硫之后再与亚硫酸钠合成出硫代硫酸钠。该方法所用装置复杂，操作繁琐，学生按此法进行实验，灯用酒精消耗量大，实验的反应时间较长，且在实验过程中常发生倒吸和二氧化硫泄漏的现象，产率较低，有时甚至可能得不到产品，产品形态也不是很好，经常是白色粉末状而非晶形。微波辐射法是近年在化学合成中备受关注的一种方法9，通 过微波照射合成物质已应用于不同的研究领域，我们将其用于硫代硫酸钠的制备中，以亚硫酸钠和硫粉在水溶剂中置于微波炉加热，通过对反应时间、火力大小、结晶方式等实验条件进行优化，获得了一套较为成熟的实验方案，实验的效果良好。利用微波辐射法制备硫代硫酸钠，改变了传统的酒精灯加热的方式，既可以让学生了解一种较新的合成方法，也可以利用微波加热快速、均匀的特点，节约能源，缩短反应时间，提高制备产率，减少对环境的危害。 （三）现代化教育技术的应用 随着现代科学技术的发展和进步，一些新的实验方法和现代化教育技术层出不穷，因此需将能反映学科发展新动向和具有良好教学效果的教学手段及时充实应用于无机化学实验的教学过程，改变过去教师演示为主、学生训练为辅的教学模式。随着多媒体技术的发展，传统的实验教学也逐渐摆脱了单一模式而逐渐向多样化发展，这其中微视频以其短小、内容广泛、形态多样等特点受到教师和学生的青睐。微视频一般是指播放时长在30s到20min左右的视频短片，它可通过电脑、手机在网络社交媒体如微信朋友圈、QQ空间等传播交流，制作简单、可随时随地拍摄并可重复播放是其最大特点。 在无机化学实验的授课中，除了实验室安全操作和实验基本技能操作可以制成微视频以利于学生在课前和课后观看学习之外，通过微视频与课程网站相结合，将一些毒性较强、危害较大或者实验成本较高的实验内容制成微视频的形式，让学生既可以有直观的印象，便于理解掌握实验的原理，也可以减少对环境的危害，实现化学实验的绿色化。比如三氧化二砷的性质、二氧化氮的性质和制备、砷酸盐的性质等，这些实验内容因其具有高毒性而在无机实验开设中被渐渐取消，现在将其制成微视频的形式则可让学生观察相关的实验现象从而对抽象的理论知识产生具体的印象。另外将多媒体教育技术与计算机模拟实验结合，一些传统的污染性高的实验，以模拟实验取而代之，学生通过相关软件进行操作，不仅可以实现实验室的“零污染”，也可促进学生学习兴趣的提高。 三、废弃物处理的绿色化 无机化学实验室的废弃物主要是各种化学废液，固体废弃物和废气较少。化学废液根据其危险特性一般包括具有较强腐蚀性的酸碱废液、较强毒性的金属盐溶液和少量的有机溶剂等，这些废液如果随意倾倒和排放，不仅会腐蚀下水管道，还会对水质环境和生态系统产生危害。无机实验室废弃物的处理要想实现绿色化，主要从以下几方面入手。 1.分类回收：尽管无机化学实验室产生的废弃物种类较多，但基本上都是已知的种类，实验室管理人员要清楚每一种化学试剂和药品的危险性，根据实验室所做实验项目的类别，分类摆放不同的回收缸，做好废液回收和标记工作，简化后续处理的难度。同时尽可能将回收缸放置在通风橱中，定期检查废液收集量，积累到一定程度就及时处理，避免长期放置废液。 2.区别处理：废液在回收处理之前需要判断其具体性质，掌握化学废液的简单处理办法。针对回收的酸碱废液，可以进行中和处理，检验中和液的pH值基本在7左右即可，中和之后的废液直接倒入下水管道中并用大量水冲洗。而对有毒有害的金属盐类废液则采用沉淀法如硫化物沉淀法分离镉、汞离子，絮状沉淀法分离铝、锌离子，氧化还原沉淀法除铬离子等11，同时将过滤之后的沉淀物保管好后送危险废弃物处置中心统一处理。少量的有机废弃物元素组成相对简单的除了回收再利用外，不可回收的则采用焚烧法处理；氯仿、四氯化碳等易挥发有机溶剂可在回收瓶上面覆盖一层水，减少其挥发；不适合焚烧的废弃物如戊醇则可采用吸附法将废液中戊醇浓度降低到一定程度之后再排放。 3.循环利用：高校化学实验室通常包括无机、有机、分析、物化等专业实验室，一个实验室产生的废弃物，处理之后可能变成另一个实验室的实验原料或辅助物。如将无机化学实验回收的乙醇溶液作为有机化学实验的原料通过蒸馏得到较为纯净的乙醇可以作为灯用酒精；将含汞的废液调节pH到89后加硫化钠生成硫化汞沉淀，再加入硫酸亚铁作为共沉剂，过滤后，清液排放，沉淀可再制成汞溶液10；实验室常用的铬酸洗液失效后进行浓缩冷却，再用高锰酸钾进行氧化滤去生成二氧化锰，沉淀后可以再用；银盐沉淀法得到的副产物氯化银，通过锌粒置换法可以回收金属银；酸碱废液较多的时候还可以通过自然蒸发技术提取盐类等可再利用产品，制得的粗盐可用于粗盐的提纯与分离实验，也可作为防冻除冰剂等12。 四、教学过程中绿色化学意识的培养 在无机化学实验内容的选择、实验方法改进、废液处理等方面实行绿色化的同时，任课教师还要在授课的过程中时刻体现绿色化学的原则，传授绿色化学知识，渗透绿色化学理念。在每次实验开始时，教师指出本次实验从设计、准备到操作、仪器清洗、废物处理等实验各部分所涉及的绿色亮点，对学生进行引导、启发，同时为充分发挥学生的主观性和能动性，在进行一定的基础实验技能训练后，采用项目教学法开展综合性和设计性实验，让学生自主设计绿色化的实验方案并实施，教师参与指导和辅助，充分调动学生的积极能动性，让学生在项目的开展实施中渗透绿色化学思想，提高学生的环保意识和独立思考学习能力；教师在授课过程中则多穿插讲解一些破坏环境的实际例子，让