实现高中化学实验绿色化的“5R” 模式初探.doc

杭州市化学会2008年年会 论文实现高中化学实验绿色化的“5R”模式初探 陈君华杭州市第十中学 310003摘要：中学化学试验实现绿色化的实施方案：(1)改进化学实验及仪器装备，向无污染的方向发展；（2）合理有效地利用计算机多媒体；（3）发展微型实验，减少污染；（4）将多个实验合并，减少污染；（5）寻找替代化学药品，尽量减少环境污染;（6）重视“环保”教育，倡导“从我做起”。关键词：绿色化学 环境保护“林中不卖薪，湖上不鬻鱼”这是淮南子齐俗训环境保护观的古训。环境问题是一个涉及全球的战略性问题，我国政府已把环保作为一项基本国策。20世纪90年代，美国化学针对日益严重的环境污染问题提出了“绿色化学”的口号。如今“绿色化学”已成为全世界各国普遍接受并大力倡导实施。1 绿色化学的指导思想绿色化学又称环境友好化学，它的主要特点是：（1）充分利用资源和能源，采用无毒、无害的原料；（2）在无毒、无害的条件下进行反应，以减少废物向环境排放；（3）提高原子利用率，力图使所有作为原料的原子都被产品所消纳，实现“零排放“；（4）生产出有利于环境保护、社区安全和人体健康的环境友好的产品。2 时代的呼唤当今，全球十大环境问题中，有八大环境问题1大气污染；2臭氧层破坏；3全球变暖；4海洋污染；5淡水资源短缺和污染；6生物多种物种减少；7环境公害；8有毒化学品和危险废物，这些都与化学化工生产有关。化学科学是在实验中发生、发展、刷新的。要在化学教学中有新的突破，必须以实验教学为基础，以探索式、研究式的实验为动力，注入教改教研活动，广纳各种教学之精，扬创造之灵。在中学化学实验中加以运用，亲历亲为，用自己的行动体现“绿色”。绿色化学已经走进我们的生活，不久的将来，重大绿色化学的研究成果不但是科学文献，也将进入教科书，走近我们的身边。为此，我们提出在中学化学实验教学中以绿色为载体，具体体现在实现五个“R”上：1、减量Reduction；2、重复使用Reuse；3、回收Recycling；4、再生Regeneration； 5、拒用Rejection。3 中学实验中存在的问题现行的教材大约有60的知识是通过实验引入的。但是却较少地体现“绿色”。如：在制取Cl2的实验中用碱液吸收；Cu和浓硫酸反应时放有一团喷有少量碱液的棉花；Cu和浓、稀硝酸反应时罩上了无色透明塑料袋，有突出绿色环保意识，但这样的实验很少且有的效果不甚理想。很多实验很少顾及环境污染。实验中很多也未能做到对有毒物质的善后处理，如：浓硫酸和蔗糖反应，实验室制取C2H2、C2H4中的AsH3、PH3，溴乙烷的水解等。此外对有一些有毒原料如CCl4、苯、苯酚等的使用也没加以“绿色”化。在学生实验中存在的问题更多，而且学生的实验习惯也不好，实验完毕，试管没有清洗，实验台乱糟糟的，个别学生洗试管就只是倒掉废液，用水冲一冲，擦实验桌而不清洗抹布。虽然老师在课堂上强调“环保”的重要性，但实际上大多是纸上谈兵，理论讲得多而实践做得少。所以师生必须亲历亲为，才得以让“环保”观念深入人心，并能积极地“从我做起”。4 实施方法在教学上，应以改革实验为突破口，可以从日常教学、演示实验的改进、绿色实验的设计、学生实验的微型化、废液的回收再利用、研究性课题的介入这几个方面进行改进，以点滴事例的实践去教育学生、感染学生，增强学生的环境意识。（1）改进化学实验及仪器装备，向无污染的方向发展用密封的成品化仪器代替有毒实验，避免了有害物质的产生。这种仪器和药品可以循环使用，不存在污染毒害。如：碘的升华实验，可用碘锤来完成（碘锤的两头向内凹陷，内封有碘晶体），操作方法是：一头滴冷水，另一头在酒精灯上加热，因冷水起到冷凝作用，碘升华后凝聚在碘锤上方内壁，在碘锤中部可以看到紫红色的碘蒸汽，反之也可（如图1）。另外，温度对化学平衡的影响实验，可采用密封有二氧化氮的U型胖肚管来进行（如图2）。收集中学实验的改进方案，经过讨论、设计和实践，有针对性的选择一些易于操作，现象明显的用于演示。如：改进某些排放有毒物质的实验。【案例1】SO2的漂白性实验。实验用品：广口瓶（1000mL）一只；分液漏斗（50mL）一个；具支试管20200mm、20150mm各一只；气球1只；直角玻璃管两根；胶塞3个（2个3号，1个6号）；硬质胶管 2节；酒精灯；亚硫酸钠晶体；浓硫酸；品红溶液；氢氧化钠溶液。实验装置如图：实验方法和现象：按图将仪器、药品装好后，旋转分液漏斗活塞，使浓硫酸慢慢滴到具之试管底部亚硫酸钠晶体上，可观察到反应立即进行，产生无色二氧化硫气体，品红溶液随之褪色。关闭分液漏斗活塞，用酒精灯加热盛有品红溶液的试管，片刻又可观察到品红溶液恢复原来的颜色。改进某些实验效果不理想的有毒实验。【案例2】Cu和稀硝酸的反应。实验准备：取一支球形干燥管，在它的细管部分套一段胶管（内嵌一颗玻璃珠）粗管口配上带有导管的单孔塞。在干燥管里放入一只用细铜丝绕成的铜丝球（或铜片）。取一块直径稍大于粗管内径的有孔塑料片把它塞入管中，使它嵌在内壁上，位置可以根据需要调节。最后塞上单孔塞，保证它的气密性良好。如图：实验操作：在球形干燥管里注入1：2的稀硝酸，直到接近管口处。塞上单孔塞，使空气全部从导管排出。倒转干燥管，使导管口对准下方的容器（小烧杯或试管）。随着Cu跟稀硝酸的反应，生成的NO气体把酸液从导管排出。当酸液液面低于塑料片时，反应自动停止。贮存在球形部分的无色气体是NO，粗管内的酸液因含有硝酸铜而呈蓝色。挤捏玻璃珠外的胶管，空气进入干燥管中，NO被氧化，变成NO2而呈红棕色。实验说明：成败的关键在于装置的气密性和加入稀硝酸的量。硝酸的量应加以控制，即干燥管里不留有空气，同时，在加单孔塞时不会有硝酸外溢。（2）合理有效地利用计算机多媒体常规的、传统化学实验不可避免地消耗许多药品和大量的水资源，尤其是对一些昂贵、有毒（如苯、苯酚等）试剂的实验，采用计算机多媒体系统进行仿真实验显得尤为重要。一般重点放在充分利用现有条件下的网络信息资源素材库和教学软件中，根据不同的教学情况和需要，有的直接使用，有的根据该实验的特点，加以增、删、改后使用，其次通过集体共谋，自己设计制作课件。采用多媒体教学的实验往往有以下特点：对实验毒性很大，产生气体污染严重的，如：氯气的制取、除杂、干燥、性质、尾气处理的综合实验。对反应需要一定速度和时间的，如：Cl2和H2混合光照爆炸很难观察到过程，而且有一定的危险性。对需分析化学原理的，如：苯酚和浓溴水反应。再如电解饱和食盐水的实验，会产生氯气，同时学生对离子的移动缺乏理解，如果用电脑三维动画从微观的角度诠释微粒的运动，并显示两极的变化，效果比实验好。比较好的仿真实验室模拟软件在这里介绍一款“仿真化学实验室”。该软件的界面比较友好，实验仪器可以按实验的要求随意组装，在该软件中搭建完成的实验还可以另存为图片，或进行模拟演示，既省却了教师画图的麻烦，也能很好的再现实验现象，对培养学生的实验设计能力有较大的帮助。以下简单介绍该软件的使用方法。首先，打开该软件，出现以下主界面（如图一），接下来可以点击界面左边的仪器工具栏，如铁架台，鼠标右边即会显示相应的铁架台形状可供选择，再按鼠标确定选择之后，在白布的画图区域就会出现该图形（如图二）。当红色线框出现时，可对该图进行移动或删除的选择，同时鼠标右键单击，可以看到对该图可进行的操作，铁架台可以选择有没有铁圈、铁夹或者石棉网（如图三）。接下去可以照法选择酒精灯、圆底烧瓶、导管、烧杯等其他所需仪器，具体以下图示表示（见图四图八）。酒精灯可以在完成这个装置之后选择点燃，烧瓶可以加橡皮塞（如图六），并且选择连接的导管，这里简单的画一个反应发生装置，该图完成后可以在“文件”中“另存为图片”，也可以在“编辑”中“复制图片到剪贴板”以作其他修改。完成的反应发生装置如图八所示。如果整个反应装置完成，还可以向其中添加药品进行模拟实验，具体操作是在“仿真实验室”中，右键单击点击已画好的需要添加药品的仪器，如上图八中的圆底烧瓶，出现如图九所示对话框，选择添加药品，即会出现如图十所示的“添加药品”对话框，可以根据实际情况选择所需的各类药品，同时填写相应的剂量数据，即可将药品添加入所需仪器当中。所有工作都完成以后，就可以点击“实验控制”中的“运行实验”进行模拟实验了。（3）发展微型实验，减少污染微型实验在保证现象明显的前提下，实现药品微量化及实验仪器微型化。尽可能用少的药品获取最有效的实验信息，具体讲就是药品用量少、仪器容量小、基本无污染、实验现象直观明显的化学实验。它是在绿色化学思想下，用预防化学污染的新实验思想、新方法和新技术对常规实验进行改革和发展的必然结果。尽可能少用一点试剂，是微型化学实验的核心，是一种思维方向，是绿色化学思想在化学实验中的具体体现。为此，使用微型实验仪器，减少对玻璃仪器的依赖性，如比较同主族性质的递变规律的氯、溴、碘的氧化性实验，三价铁的显色反应可放在点滴板中进行；有些定性实验可放在滤纸上进行，如电解饱和食盐水，乙醛与氢氧化铜悬浊液的反应，气体的性质和检验如果遇到实验中微型化带来的实验现象不明显问题，可以借助投影仪把实验现象放大，这样就可以解决实验微型化带来的部分不利影响。【案例3】苏教版化学1“钠的性质实验”中金属钠与水的反应微型实验改进。老教材中的实验装置是用铝箔包住金属钠，并在铝箔上刺些小孔，用镊子夹住，放在盛满水的试管下面，用排水法收集气体。虽然装置比较安全可靠，但操作较繁琐，有时会排不出气体，有时排出的气体不能全部进入试管。苏教版新教材中，这个实验又回归到最简单的原始装置，即向装有水的小烧杯中滴加几滴酚酞，然后投入小块钠（绿豆大小）观察实验现象。在这样的操作过程中，学生实验的危险性就比较大了。我们将这一实验改进为微型实验（如图a），操作更简便易行，现象明显、直观、生动，更主要的是每一名学生都可以亲自动手操作，观察实验现象，增加了学生的参与度，危险系数小，有利于学生在探究实验中学习化学知识，获得实验技能。操作步骤：切割1/2绿豆粒大小的金属钠置于石英尖嘴导管的管口，用小团棉花堵住管口（以免金属钠滑落下来），并将其插入盛有水的六孔井穴板中（已滴入无色酚酞溶液）。金属钠与水迅速反应，待反应开始一段时间后，将燃着的木条靠近导管的尖嘴处，然后移开。实验现象及解释：按照上述操作步骤，金属钠球与水发生剧烈反应，反应产生的气体推动金属钠球沿着尖嘴导管上升，当上升到一定高度时，又由于重力作用，钠球下降，其又与水接触发生剧烈反应。烧杯中的水已经变成红色，钠球上下跳动并发出“嘶嘶”的声音，好似水中的芭蕾。待反应开始一段时间后，尖嘴导管里的空气已被排净，导管内的气体完全是纯净的氢气，这时将燃着的木条靠近导管的尖嘴处， 然后移开，发现尖嘴处的气体燃烧并产生淡蓝色的火焰，证明产生的气体是氢气。同时烧杯中的溶液变红，说明有碱生成，由此可推论出钠与水反应的化学方程式。注意事项：1、金属钠球不宜太大，直径稍小于石英尖嘴导管直径，否则钠球将不会自由跳动，受到管壁的制约。2、石英尖嘴导管不宜用玻璃尖嘴导管代替，否则在点燃产生的气体时，会干扰气体燃烧颜色（玻璃中的Na燃烧时产生黄色火焰）。该实验也可采用如图b所示的绿色实验装置，实验效果良好。【案例4】苏教版化学1“氯气的实验室制备”微型实验改进。全封闭式制取氯气微型实验装置图（图1）。实验步骤与现象：如图1所示，打开自由夹A和C，关闭自由夹B，缓缓推动注射器M的活塞，按约1滴/秒的滴加速率逐滴滴入青霉素瓶F中；当观察到反应生成的黄绿色氯气充满青霉素药剂瓶F时，打开自由夹B，同时关闭自由夹C；此时便观察到氯气将青霉素药剂瓶G中的饱和NaCl溶液压入烧杯E中；当观察到青霉素药剂瓶G中的饱和NaCl全部被氯气压出时，关闭自由夹B，同时缓缓回抽注射器M活塞（旨在平衡反应容器青霉素药剂瓶F中的氯气压力）。制取氯气实验结束时，关闭自由夹A，将注射器M从装有自由夹A的输液管中拔出，换吸约6ml 4mol/L NaOH溶液，再按如图1所示使注射器M与装有自由夹A的输液管相连接，关闭自由夹B，打开自由夹A、C，将注射器M中的NaOH溶液一次性注入青霉素药剂瓶F中。实验说明：为了更安全地控制氯气用量，更有效灵活地进行氯气性质实验，可参照（如图2）所示进行取用。缓缓抽拉10ml注射器N活塞，充有氯气的青霉素药剂瓶M中产生负压，此时观察到烧杯H中的饱和NaCl溶液被压入青霉素药剂瓶M中，直至饱和NaCl溶液压满青霉素药剂瓶M为止，M中的氯气全部被转充到注射器N中。根据氯气性质实验所需，推动注射器N活塞，能安全地控制氯气用量，以保证氯气性质实验有效地、灵活地进行。（4）将多个实验合并，减少污染实验的合并是将某几个实验合并在一起做，减少实验中产生的污染，甚至变得没有污染。【案例5】浓硫酸特性实验及产物的验证实验。浓硫酸的特性主要表现为吸水性、脱水性、氧化性、这些只要用一个实验即蔗糖与浓硫酸。产物有CO2、SO2等。如图：实验步骤：取35药匙干净的蔗糖于大试管中，加少许水，搅拌后备用。取三支试管，第一、二支加入稀的品红溶液，第三支盛澄清石灰水。向大试管加入34mL的浓硫酸，用小玻璃棒搅拌，当蔗糖变黑时迅速塞上胶塞。实验现象：当浓硫酸注入蔗糖后，试管开始发热，说明浓硫酸有吸水性，吸水放热。注入浓硫酸后，蔗糖开始变黑即碳化。说明浓硫酸有脱水性，能把蔗糖中的水脱去，形成黑色的碳。注入浓硫酸后，蔗糖膨胀，有气体产生，第一个试管的品红开始褪色，第二个试管的品红不褪色，第三个试管的石灰水又会变浑浊。实验说明：蔗糖应调成糊状，不宜多加水；品红溶液要稀，不然将难于褪色；为使CO2能较快进入到石灰水中，盛品红溶液的试管应小，留空气量应少为宜。（5）寻找替代化学药品，尽量减少环境污染化学实验是给学生展示一个过程、验证一下性质，掌握一些操作技能，可以用无污染、低毒代用品代替。【案例6】分解催化剂选择，研究性课题“不同金属氧化物对氯酸钾分解催化作用”，从高一化学学生实验一中得到启示，作为代用品，也能加快分解速率。实验证明：用干燥的红泥土作催化剂，不仅产生气体的速度快，分解得最为完全，并且不易形成熔融体下流。【案例7】苏教版化学2中，学生实验“乙烯的制取和性质”，浓硫酸是催化剂又是氧化剂，在反应过程中能将乙醇氧化生成CO、CO2 、C，同时本身被还原SO2 ，反应后废液含有大量的浓硫酸难处理。如用明矾、沸石、硫酸铝代替浓硫酸也可以催化此反应，并且可防止泡沫溅出和液体暴沸等现象，反应后废液可作无害化处理。在不影响实验效果的前提下，我们要研究和寻找化学试剂的代用品，尽量