中学化学实验绿色化的研究

分类号 密 级 编 号 本科生毕业论文 论论 文文 题题 目目 中中 学学 化化 学学 实实 验验 绿绿 色色 化化 研研 究究 作作 者者 姓姓 名名 韩韩 兴兴 梅梅 作作 者者 学学 号号 2 0 1 0 2 0 3 0 1 0 7 作作 者者 班班 级级 1 0 级级 化化 学学1 班班 指指 导导 教教 师师 常常 艳艳 红红 提提 交交 日日 期期 2 2 0 0 1 1 4 4 年年5 5 月月2 2 3 3 日日 原原创创性性声声明明 本本人人郑郑重重声声明明：本本人人所所呈呈交交的的论论文文是是在在指指导导教教师师的的指指 导导下下独独立立进进行行研研究究所所取取得得的的成成果果。学学位位论论文文中中凡凡是是引引用用他他 人人已已经经发发表表或或未未经经发发表表的的成成果果、数数据据、观观点点等等均均已已明明确确注注 明明出出处处。除除文文中中已已经经注注明明引引用用的的内内容容外外，不不包包含含任任何何其其他他 个个人人或或集集体体已已经经发发表表或或撰撰写写过过的的科科研研成成果果。 本本声声明明的的法法律律责责任任由由本本人人承承担担。 论论文文作作者者签签名名： 年年 月月 日日 论论文文指指导导教教师师签签名名： 天天水水师师范范学学院院本本科科生生毕毕业业论论文文评评定定表表 作作者者姓姓名名韩兴梅性性别别女学学号号20102030107 二二级级学学院院生命科学与化学学院专专业业化学教育 论论文文题题目目 中学化学实验绿色化研究 英英文文 The Study of Green Chemistry Experiment 论论文文字字数数6835 中中文文 化学实验 绿色化 研究 关关 键键 词词 外外文文 Chemistry experiment greening study 中中文文 本文对绿色化学进行了简单概述，具体从绿色化学试剂的使用、催 化剂的绿色化、反应产物的绿色化三个方面对中学化学实验绿色化进行 探讨。主要目的是让学生开始接触化学实验时就能够树立绿色化学理念， 培养其良好的实验习惯，树立保护环境的意识。 摘摘 要要 外外文文 This paper makes a brief overview of organic chemistry first, and then specifically discusses the organicism of chemistry experiments in Middle School from three aspects: the use of organic chemical reagents, the organicism of catalysts and reactant. The main purpose is to let students build the concept of organic chemistry while learning chemical experiments, cultivate their good habits of doing experiments and set up the consciousness of protecting the environment. 指指导导教教师师评评定定 评评定定成成绩绩指指导导教教师师签签名名 答辩答辩 委员委员 会意会意 见见 答辩委员会主任签字：答辩委员会主任签字： 教教务务处处审审核核： 注：注：本表由各二级学院按照样表制作，为论文装订第二页。 院指导毕业论文（设计）进度表 二级学院生化学院专业类别化学教育 指导教师常艳红班 级 10 级化学一 班 学生姓名韩兴梅 论文题目中学化学实验绿色化研究 资 料 收 集 2013年10月拟定题目 2013年112013年12月相关的文献查阅、整理和阅读 在图书馆中国知识资源总库 CNKI 收集有关的文献资料； 在其他网站收集相关甘肃省产业结构变动趋势的区域差异的资料；对所 收集的资料进行筛选总结 论 文 提 纲 初 稿 撰 写 指导学生完成论文提纲，并讨论修改多次。主要内容有： 2013年12月2014年1月上旬设计论文结构； 指导学生总结文献资料，找出较好的论文思路； 2014年3月上旬撰写开题报告，提交导师审阅； 指导学生写出论文提纲并对提纲进行修改； 2014年3月下旬2014年4月上旬开始写。 指导进度 修 改 定 稿 对论文的修改主要有以下方面： 2014 年 4 月上旬2014 年 4 月底撰写毕业论文并提交导师审 阅； 学生按计划完成论文初稿； 2014年5月上旬导师审阅,修改并最后定稿 对论文经过反复修改后定稿。 2014 年 5 月 23 号论文答辩。 注：1.本表是为配合指导教师按计划指导学生完成论文而制作。 2.本表由毕业论文指导教师认真填写。 3.本表由各二级学院按照样表制表。 目录目录 1 引言引言.2 2 绿色化学概述绿色化学概述.3 2.1 绿色化学的兴起绿色化学的兴起.3 2.2 绿色化学的涵义绿色化学的涵义.3 2.3 绿色化学的原则及特点绿色化学的原则及特点.4 2.3.1 绿色化的原则绿色化的原则.4 2.3.2 绿色化学的重要特点：原子经济性，实现绿色化学的重要特点：原子经济性，实现“零排放零排放”. .5 3 中学化学实验绿色化的意义中学化学实验绿色化的意义.5 3.1 是可持续发展的需要是可持续发展的需要.5 3.2 是化学科学发展的需要是化学科学发展的需要.5 3.3 是课程改革的需要是课程改革的需要.5 4 中学化学实验的绿色化研究中学化学实验的绿色化研究.6 4.1 中学化学实验绿色化内涵中学化学实验绿色化内涵.6 4.2 中学化学实验中常见的污染物中学化学实验中常见的污染物.7 4.3 中学化学实验绿色化采取的措施中学化学实验绿色化采取的措施.8 4.3.1 积极采用绿色化的试剂积极采用绿色化的试剂. 8 4.3.2 催化剂的绿色化催化剂的绿色化. 8 4.3.3 反应产物的绿色化反应产物的绿色化. 9 5 结结 语语.10 参考文献参考文献.11 致致 谢谢.12 中学化学实验绿色化研究 韩兴梅 （天水师范学院 生命科学与化学学院 甘肃天水 741001） 摘要：摘要：本文对绿色化学进行了简单概述，具体从绿色化学试剂的使用、催化剂 的绿色化、反应产物的绿色化三个方面对中学化学实验绿色化进行探讨。主要 目的是让学生开始接触化学实验时就能够树立绿色化学理念，培养其良好的实 验习惯，树立保护环境的意识。 关键词关键词：化学实验；绿色化；研究 The Study of Green Chemistry Experiment Han Xingmei (College of life science and chemistry, Tianshui Normal University, Gansu, Tianshui 741,000) Abstract: This paper makes a brief overview of organic chemistry first, and then specifically discusses the organicism of chemistry experiments in Middle School from three aspects: the use of organic chemical reagents, the organicism of catalysts and reactant. The main purpose is to let students build the concept of organic chemistry while learning chemical experiments, cultivate their good habits of doing experiments and set up the consciousness of protecting the environment. Keywords: Chemistry experiment, greening, study 1 1 引言引言 化学是一门以实验为基础的自然学科，实验是化学学科的重要特征之一。 中学化学实验所用的试剂种类很多，并且许多化学试剂都具有一定的毒性，这 样就使得全国数以万计的中学化学实验室变成了小型污染厂，它们几乎每天都 会排放数量不等的污染物，这些污染物成分也很复杂，治理起来具有一定的难 度。 21世纪是绿色化学时代。化学实验绿色化研究，是近些年以来，我国化学 教育理论与实践领域提出的一个新的课题。在中国，虽然化学实验的改进创新 与绿色设计已经取得了可喜的成绩，但我们还应该积极发挥主观能动性，努力 使绿色化学更加完善。1我们对中学化学实验绿色化的研究，就是要使学生树 立牢固的绿色化学理念和环保意识，使他们成为未来自觉的“绿色化学家”， 形成良好的实验习惯、实验作风，提高学生的化学实验素养。 2 2 绿色化学概述绿色化学概述 2.12.1 绿色化学的兴起绿色化学的兴起 开辟从源头消除环境污染的新阶段的是1990年美国国会通过的污染防治 法，其中宣称保护环境的首选策略是在源头上防止废物的生成，这就是绿色 化学的起源，此后不久，“绿色化学”这一个词汇就应运而生。 1991年，美国环境保护署开始将绿色化学纳入其中心。1995年3月6日，美 国总统克林顿宣布设立“总统绿色化学挑战奖”，于1996年7月在华盛顿国家科 学院颁发了第一届奖励，久负盛名的哥顿会议在1996年，1997年两次会议上均 以绿色化学的有关类容为主题。2 1999年1月，英国皇家化学会主办国际性杂志绿色化学创刊，2000年英 国开始颁发多方资助的英国绿色化学奖。 绿色化学是近十年才发生和发展起来的，是一个“新生婴儿” 。它涉及有 机组成、催化、生物化学、分析化学等学科，内容十分广泛。绿色化学的最大 特点是在始端就选用防止污染的科学手法，因此进程和终端均为零排放或零污 染 。世界上许多国家已把“化学的绿色化”作为新世纪化学发展的主要方向之 一。 我国作为发展中的人口大国，也十分重视绿色化学问题。1995年中国科学 院组织了“绿色化学与技术-推进化学生产可持续发展的途径”院士咨询 活动，在对国内外绿色化学的现状与发展趋势进行大量调研的基础上，结合国 情，提出了发展绿色化学技术，消除和减少环境污染的7条建议。31997年由国 家自然科学基金委员会和中国石油化工总公司联合资助“九五”重大基础研究 项目“环境友好石油化工催化化学与反应工程”正式启动。与此同时，一些 绿色化学研究机构也纷纷成立。从1998年起，连续多次召开国际绿色化学高级 研讨会。 2.22.2 绿色化学的涵义绿色化学的涵义 依照美国绿色化学(Green Chemistry) 杂志之说，绿色化学是指：在 制作和应用化学商品时应该运用（最佳可再生）质料 ，消除废物和防止运用有 毒的、有风险的试剂和溶剂。而今日的绿色化学是指可以保护环境的化学技能， 它可以经过运用天然动力，防止给环境形成负担、防止排放有害物质；运用太 阳能为意图的光触媒和氢动力的制作和贮藏技能的开发，并思考节能、节约资 源 、削减废弃物排放量。绿色化学又称“环境无害化学” 、 “环境友好化学” 、 “清洗化学” ， 与其相对应的技术称为绿色技术、环境友好技术。理想的绿色 技术应该采用具有一定转化率的高选择性化学反应来生产目的产品，不生成或 很少生成副产品或废物，实现或接近废物的零排放过程。 当今世界主要的环境问题大部分直接与化学反应、化工生产过程及它们的 产物有关，因此绿色化学便自然而然地成为绿色科技的重要组成部分。基于以 上观点，绿色化学又可以定义为：人们以绿色意识为指导，研究和设计对环境 副作用尽可能少，在技术和经济上可行的化学和化工生产过程。 2.32.3 绿色化学的原则及特点绿色化学的原则及特点 2.3.12.3.1 绿色化学的原则绿色化学的原则4 （1）防止废物产生：设计化学合成方法防止废物的产生，从而无需进行废物的 处理。 （2）设计更安全的化合物和产物：设计更有效，而且低毒或无毒的化合物。 （3）降低化学合成方法的危险性：降低或消除生成产物的合成方法对人类及环 境的毒性。 （4）使用可再生的原料：使用可再生的原料而非消耗型原料；可再生的原料一 般来源于农产品或是其他过程产生的废物；消耗型原料一般来源于石油、天然 气、煤矿物等。 （5）使用催化剂而非当量试剂：通过催化反应将废物的量降到最低。催化剂是 指少量而可以多次催化反应进行的试剂，而当量试剂一般过量且只能反应一次。 （6）避免衍生物的产生：避免使用保护基团或其他暂时的修饰，衍生物的产生 将使用额外的试剂，并产生废物。 （7）使原子经济最大化：最大比例的利用起始反应物的每个原子。 （8）化合物及溶剂：如果必须使用化合物，选择无害物质；如果需要使用溶剂， 尽量选择水。 （9）使用更安全的溶剂和反应条件：避免使用溶剂，混合物分离试剂，和其他 的辅助化。 （10）提高能源效率：可能的话，在常温常压下进行反应。 （11）设计可降解的产物：产物在使用后，应该可以降解，而不会在环境中累 积。 （12）全程分析并防止污染：再生产过程中进行全程监控，以减少或消除副产 物的生成。 （13）使事故的可能性降到最低：设计化合物及其状态（固态，液态，气态）， 以降低爆炸，火灾，泄漏发生的可能性。 2.3.22.3.2 绿色化学的重要特点绿色化学的重要特点原子经济性，实现原子经济性，实现“零排放零排放” Trost 在 1991 年首次提出了原子经济性的概念。5所谓“原子经济性”是 指化学反应应该最大限度地利用原料分子中的每一个原子，使它们都结合到目 标分子（产物）中去，从而达到零排放（即没有副反应、不生成副产物、不产 生废弃物） 。6一个化学反应的原子经济性程度可以用“原子利用率”来衡量。 原子利用率=1007 子总物质的量使用的所有反应物的原 量被利用的原子总物质的 3 3 中学化学实验绿色化的意义中学化学实验绿色化的意义 3.13.1 是可持续发展的需要是可持续发展的需要 人类通过简单的生存活动-产生废弃物-来影响环境。中学化学实验 试剂往往都具有一定的毒性，教师或学生所做的化学实验或多或少都会产生各 种污染物，治理起来有一定的难度。因此，从长远来看，中学化学实验绿色化 是中学实验教学未来发展的必然趋势，中学化学绿色化的目标是尽量选择没有 污染的物质进行化学实验，合理设计实验装置，严格控制实验的过程，妥善做 好实验结束后的处理工作，尽可能使整个化学实验实现零污染，这也是应当今 时代的要求。 3.23.2 是化学科学发展的需要是化学科学发展的需要 绿色化学”是21世纪化学发展的主导方向。 “绿色化学”要求从根本上消灭 污染，是一门能彻底阻止污染的科学。它包括“原料的绿色化” “化学反应的绿 色化” “产物的绿色化”等内容。8其中， “化学反应的绿色化”要求原料物质 中所有的原子完全被利用且全部转入期望的产品中。 3.33.3 是课程改革的需要是课程改革的需要 国家教育部制定的普通高中化学课程标准（实验）中反复强调，要 “帮助学生形成可持续发展的观念”；“关注人类面临的与化学相关的社会问 题，培养学生的社会责任感、参与意识和决策能力”；“让学生体会化学对提 高生活质量和保护环境的积极作用，形成合理使用化学的意识”以及运用化学 知识解决有关问题的能力”。9为此，普通高中化学课程标准（实验）中 规定必修课程的设计要“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”；还在选修模块实验化学中规定要让学生 “树立绿色化学思想，养成环境保护的意识”。显然，新制定的课程标准非常 重视绿色化学思想的形式和应用，因此，在中学化学实验教学中贯彻实验的绿 色化具有十分重要的意义，中学化学实验教学绿色化是新课程改革的必经之路。 4 4 中学化学实验的绿色化研究中学化学实验的绿色化研究 4.14.1 中学化学实验绿色化内涵中学化学实验绿色化内涵 化学是以实验为基础的科学，用绿色化学的新理念对化学实验进行改革， 已逐步成为化学老师的共识。在化学实验中，反应物用量的多少与环境的污染 程度有着密切的联系，在实验过程中，我们要达到用最少的反应物取得最好的 实验效果的目标，就要求对实验进行研究，寻找最佳实验方案，这个方案既能 够满足实验教学要求，又能够节约药品，还能够减少对环境的污染。 4.1.14.1.1 化学实验绿色化的涵义化学实验绿色化的涵义 中学化学实验绿色化是绿色化学思想在中学化学实验中的核心体现。从实 验设计来看，化学实验的绿色化，就是选取绿色化的原料，采用“原子经济性” 的化学反应，使所获得的产物绿色化。10 4.1.24.1.2 中学化学实验绿色化的具体标准中学化学实验绿色化的具体标准 其具体标准是指在化学实验中，化学反应应该最大限度地利用原料分子中 的每一个原子，使它们都能够结合到产物中去，即化学反应中原子的利用率达 100，从而达到零排放。例如： Si + CSiC C + O2 CO2 S + O2 SO2 H2 + O2H2O 高温 点燃点燃点燃 首先，化学实验体系排放到环境中的物质种类应该是环境体系正常组分所 固有的，比如放出的气体是 O2、N2、H2O、CO2等，这些都是空气固有的正常 组分。例如：做 CO 还原 Fe2O3的实验时，尾气燃烧后转化为 CO2再排入空气 中。其次，实验体系不向环境中排出污染物质，又如：在密封体系中，进行 2NO2N2O4+Q 温度对化学平衡移动的影响实验。第三，在实验现象明显的前 提下，对于不可避免的，形成污染的实验尽可能微型化，用能小不大，能少不 多的原则进行设计，使污染尽可能最小化。11 4.24.2 中学化学实验中常见的污染物中学化学实验中常见的污染物 化学离不开实验。现在的初中、高中化学教材中大约有65% 的知识是由实 验引入的。但是，传统的中学化学实验给环境带来的污染已经十分严重，这些 化学实验不仅给环境造成了一定的危害，而且威胁着人类的生存安全，以下是 常见的几种中学化学实验污染物，见附表。 附表 化学实验中常见的部分污染物举例12 _ 序号 实验名称 污染物 _ 1 白磷自燃; 白磷、红磷着火点 CS2、P2O5 2 CO 还原 CuO CO 3 Cl2 的制取; Fe、Cu、Na、H2 在Cl2 Cl2 中燃烧 4 浓H2SO4与蔗糖的反应 SO2 5 Cu 与HNO3 的反应 NO、NO2 6 铵盐与碱的反应 NH3 7 实验室制C2H4、C2H2 SO2、PH3、AsH3 等 8 Ba( OH)2.8H2O 与NH4Cl 反应时 吸收热量 NH3、BaCl2 4.3 中学化学实验绿色化采取的措施中学化学实验绿色化采取的措施 4.3.14.3.1 积极采用绿色化的试剂积极采用绿色化的试剂 我们在选择化学实验时应该尽量选择那些使用无毒无害试剂的实验； 在实 验的过程中选择绿色化的试剂是关键。在实验条件相同时，尽量选择相对环保 的试剂和操作，比如NaOH和HCl等经常使用的试剂，确保不使用有毒有害试剂进 行实验。 （1）积极展开绿色自燃实验 在现阶段的初中及高中教材中，关于“自燃”现象的实验，通常利用白磷 在自然条件下进行自燃。由于白磷本身具有较大的毒性，而燃烧产物五氧化二 磷对环境也会造成一定的污染。我们可以使用无毒的镁粉和石英粉末为原料， 首先制备Mg2Si，然后将其放入水中，Mg2Si遇水产生的SiH4 在水面上的空气中 会立刻自燃。其化学方程式表示为： SiO2+4Mg2MgO+Mg2Si；Mg2Si+4H2O2Mg(OH) 2+SiH4；SiH4+2O2SiO2+2H2O。整个实验安全、无毒、无污染，符合绿色化 学实验的要求。13 （2）积极进行绿色中和滴定实验 H+OH-=H2O，是中和滴定的化学原理，主要观察终点前后指示剂颜色的突变。 在这个实验中，我们需要用到的试剂有以下几种：酸、碱、指示剂；如果利用 绿色化学进行实验，由NaOH、HCl、紫色石蕊试液这三种试剂来进行的中和滴定 就实现了无毒无害，可称为绿色化学实验的典范。因为NaOH、HCl 中和反应较 为彻底，不会留下有害物质，产物NaCl和H2O是比较环保的物质，石蕊的性状为 蓝紫色粉末，是从地衣植物中提取得到的蓝色色素，能够部分地溶于水而显紫 色，可以达到无害降解。14 4.3.24.3.2 催化剂的绿色化催化剂的绿色化 我们在化学合成实验中使用催化剂，能够改变化学反应途径，降低反应的 活化能，从而提高产率，降低能量消耗。实际上催化剂在考虑和利用原子利用 率高，对环境友好的合成方法时具有重要的作用。15目前，围绕催化剂的绿色 化展开的研究中仿酶催化剂、固体酸催化剂等是值得注意的；酶催化反应具有 高效性、专一性及条件温和的特点，是较理想的绿色催化剂，但天然酶来源有 限、难以纯制、对环境敏感、易变性失活，开发与酶具有相似功能甚至更优越 的人工酶已成为绿色化学研究的重要课题之一。16 （1）绿色过氧化氢分解实验 我们知道，过氧化氢十分稳定，很多物质都能够加速其分解。目前中学化 学教学实验中一般都用二氧化锰做催化剂。二氧化锰具有很强的氧化性，是黑 色晶体或无定型粉末，并且不溶于水，如果对它处理不当，会造成环境污染。 由于过氧化氢是环境友好试剂，对该实验绿色化的关键在于选择何种催化剂， 因此，我们以生物酶过氧化氢酶( 取一小块猪肝并进行磨碎即可) 作为催 化剂，不仅使催化效率提高了，而且又不会对环境造成污染。17 （2）绿色酯化反应 我们在高中有机化学的教学中，知道酯化反应的共同特征是采用浓硫酸作 为催化剂，实验过程中必然会产生废酸，对环境造成了污染。有研究表明，以 固体超强酸作为催化剂，不仅具有很高的转化率、选择性，而且反应速度快， 催化剂有利于分离回收和重复使用，是一种理想的环保催化剂。以固体超强酸 代替浓硫酸作为催化剂，就可以进行绿色酯化反应。 4.3.34.3.3 反应产物的绿色化反应产物的绿色化 我们在设计化学实验时，应该尽量使化学反应产生的生成物( 产物和副产 物) 无毒无害，是环境友好产品，或者以一种环境友好的状态存在，比如说以 固态的形式存在等。18 （1）绿色铝热反应实验 铝热反应实验若按教材所述去做，由于反应剧烈，放热多，火星四射，产 生大量浓烟，造成空气污染。因此，我们可以采用物理电学点火方式，将此实 验改变成绿色实验。操作如下：将适量的反应混合物(Fe、Al2O3) 轻置于纸质 漏斗里，通过导线将小灯泡的灯丝与电池相连，将镁粉撒入在泡丝的四周，然 后将烧杯罩上，在距装置较远处接通电源，就可以引发铝热反应。学生可以清 楚地观察到反应生成的铁通过烧穿的纸漏斗滴落在细砂中，通过此实验只会产 生少量的烟尘，而这些烟尘都在烧杯的杯罩里，对环境污染最小。19 （2）废弃物处理的绿色化 我们在化学实验中，可以让学生将酸、碱废液进行中和处理，使其pH 值达 到6-9之间后排放；而那些剧毒物质的废弃物，处理或焚烧后的残渣都应该进行 深埋；如果由于处理技术和成本等问题而使得部分废弃物难于处理，这时应该 根据废弃物的特点，做到分类收集、存放，集中处理；对于一些可以回收再利 用的废弃物则必须加强管理，保证其确实得到合理的利用，从而减少对环境的 污染。20教师在教学中，只要完善并利用这些废弃物处理措施就能够有效降低 废弃物污染，促进绿色校园建设。 5 5 结语结语 综上所述，化学实验绿色化是顺应时代潮流发展，保护人类赖以生存的自 然环境的一项必要措施。我们只有在实验教学中，从点滴入手，不断研究、发