中学化学实验与环境保护初1

1、中学化学实验与环境保护初探作者：徐建东 文章来源：本站原创 点击数：4772 更新时间：2004-4-5 8:29:53 桐乡第二中学 朱国雁（本论文入选浙江省实验教学优秀论文入围奖）摘要：化学实验在中学化学中是一个不可或缺的环节。本文通过三种途径对中学化学实验加以补充、改进，从而减少、制止污染物产生、排放。体现了当今中学化学实验的发展方向。关键词：中学化学实验 环境保护 0.前言 中学化学是一门以实验为主学科，实验在化学教学中占有重要地位。中学化学共包括179个教师演示实验（初中85，高中97）和36个学生实验（初中19、高中17）。在如此众多的实验中，其中涉及到的化学药品不计其数。而全国各

2、地每天有数以万计的中学生在做各种各样的化学实验。进行化学实验的同时总是伴随气体、液体或固体物质生成。这些产物中相当一部分涉及了有毒或有害物质，散发到空气中，水中都会造成环境污染。有的虽然无毒害，但无休止的排放会对环境造成很大的危害。其中典型的例子是在19911999年期间，我们的母亲河之一黄河几乎年年断流，且断流历时不断增加，断流时间不断提前，影响范围不断扩大。1震惊了全的中华儿女。究其原因是黄河两岸的灌溉区土壤盐类浓度不断增高。直接造成了黄河的断流。2 可以这么说当今中学化学实验的进行与环境有着不可分割的关联，中学化学实验中各种污染物的排放，虽然只是造成环境污染的其中一个组成部分。但点点滴滴

3、的累计，其危害也不容忽视的。当今世界教育改革的主流是实践越来越受到重视。无论理、工、文、经、法、外语以及其他边缘学科都开设实验课和进行社会实践活动，并建有专门的实验室和与之配套的仪器设备。无论工农业生产还是日常生活，从一般应用到高科技成果无一不涉及化学产品。如何在发展化学科学的同时减少对环境的污染，是环境保护科学的重点课题,也是环境教育的一个重要成分。34 1992年11月,国家环保局和国家教委联合在苏州召开了全国环境教育工作会议,会议提出了"环境保护,教育为本"的思想。对当前的中学生进行环境教育是迫在眉睫！联合国教科文组织已把生态环境教育列为主要工作，并推行了一系列环境教

4、育计划，将1990-1999年作为“环境教育十年”。在新的21世纪中，环境保护知识是化学工作人员必备的常规知识。在化学教学实践中培养学生的环保意识，使未来世界的主人关心环境状况，是具有巨大社会意义的事。对于中学学生讲,各学习阶段都开设化学课，其中化学实验占了相当一部分，在化学实验课中加强环境保护内容是普及几代人环境意识的大事。 1.中学化学实验与环境保护 在现在的中学化学教材中实验所占的比重很大。实验过程中往往会产生、排放大量的有毒有害物质。这种物质的产生排放给环境造成了危害。依据教材和大纲的要求，化学教师有责任在教学中渗透环境教育，培养学生的环境保护意识。5环境教育是整个中华民族的环境保护事

5、业与教育事业的一个重要组成部分,它不但拓展了教育领域,而且也为教育事业注入了新的活力。实验改进是环境教育中不可或缺的组成部分。中学化学实验改进，使其向无污染方向发展。这也是当今中学化学实验的发展方向。实验改进主要通过以下步骤实施：1.发展微型实验；2.改进实验及仪器装置；3.处理化学实验的废弃物。 1.1.发展微型实验，节约资源、减少污染6 微型化学实验是80年代在西方高校兴起的一种实验方法。1983年首先在Bowdoim学院和Bron大学的基础有机实验中试用微型实验，取得了成功经验。7现在我国也逐渐推广采用。1988年，国家教委高等教育司、高等教育研究中心、北京大学、清华大学等高校将微型化学

6、实验列入教学改革方向。不久前召开的第15届国际化学教育会议（15th International Conference on Chemical Education）的主题是“化学与全球环境变化”。会议内容包括研讨微型与小型实验仪器在实验教学中的应用。微型化学实验正日益受到人们的关注。 现在的中学化学实验中最大的不足就是：对环境的危害性极大。曾对广州市第四十八中学初三级的学生进行关于化学实验的问卷调查，结果显示约有71%的学生认为做化学实验不安全；约63%的学生承认他们经常害怕打碎仪器；对于一些有污染的实验，约有43%的学生表示不想做。从中也可看出常规实验的不足。因此对化学实验的研究就应针对常规

7、实验的不足，着眼于环境保护和实验安全的需要。在中学化学实验中，减少试剂用量的做法逐渐被认可。8微型化学实验就是一种能弥补以上缺点的实验方法。微型化学是实验操作技术是以尽可能少的试剂来获取所需的化学信息的实验方法。它具有现象明显、效果良好、节约实验材料和时间、减少污染、安全、便携等优点，一开始问世就受到广大教师、学生的欢迎。9微型化学实验是用微小型的仪器，尽可能的减少中间生成物的转移过程，以减少试剂在器皿的附着量；用尽可能少的试剂进行实验，来减少实验中的“三废”。微型化学实验的应用和推广，是可持续发展战略在化学实验中的具体表现，这种预防化学污染的新理念新实践正日益被人们认识、接受和重视，用绿色化

8、学的新理念对化学实验进行改革，正逐渐成为化学工作者的共识。 实践证明：就常规化学实验而言，在无机和有机性质实验中，质量0.1-1g、溶液取2-5ml是属于常量法；在微型化学实验中，性质实验的药品、试剂用量仅需要常规实验用量的10%-30%左右。10比如采用微型离子交换树脂测定PbCl2的溶度积、化学反应级数和活化能，反应级数测定中试剂药品的用量仅是常规实验的1/20。环己酮制备反应采用微型实验方法要比常规实验节约用量1/13。11一个实验节约10克重铬酸钾，如果有1000000个 学生在做实验，将节约一吨重铬酸钾，铬元素既是贵金属又是重污染元素，采用微型化学实验可把污染减少到忽略不计的程度。以

9、下的三组就是常规实验与微型实验的相互比较实验： 以上的三组实验可以看出微型实验与常规实验得出相同的实验结果，但是它们的药品用量是常规实验的1/3-1/5左右。即节省了药品的用量，也减少了对环境的污染。由此可见，微型化学实验不是常规实验的简单微缩，也不是对常规实验的补充，更不是与常规实验的对立，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。12尽可能小剂量是微型化学实验的核心，它是没有终止的，是动态发展趋势，它使每一个化学工作者无论在何种实验条件中都在考虑：“为了保护环境，只要能达到实验目的，我能不能把实验技术、方法、仪器和设计等改革一下，使改

10、革后的实验相对于改革前，尽可能少用一点试剂? ”“尽可能小剂量实验”是一种思维方向，为了追求新的“尽可能小剂量实验”，解放人们的思想，推动化学实验的不断改变，这是化学实验改革和发展的动力之一，是绿色化学思想在化学实验中的具体体现。在日常的化学实验教学中，怎样才能实现“尽可能小剂量实验”呢？请使用微型实验仪器。我们可以大胆的预言在今后的化学教学领域中微型实验会有更广阔的发展天地。 1.2.改进化学实验及仪器装备，向无污染方向发展 各种形式的化学实验总是伴随气体、液体或固体物质生成,这些产物中许多是有毒或有害物质,散发到空气中、水中都会造成环境污染。在不影响实验结果、观察效果的前提下改进实验内容及

11、仪器装置,或变化实验的形式,从而尽量减少实验本身和实验产物对环境的污染。我们应该在化学实验中采取措施减少和防止污染环境。这也是近十年中学化学实验改革的趋势只一，有人称之为化学实验的绿色化设计。13 近年来，我国在以实验为主的绿色化学方面的活动也逐渐活跃。可见绿色化学已经走进我们的生活。不久的将来，重大的绿色化学研究成果不但是科学文献，也将进入教科书，渗透到我们的化学实验中。这种预防化学污染的新理念和新实践正日益被人们认识、接受和重视。要预防化学污染，最关键的问题应该是从小培养具有环境保护意识的人，学生最早系统地学习化学知识是在中学阶段，这就需要将绿色化学思想贯穿于中学化学教育的全过程中。尤其在

12、化学实验中贯穿绿色化学思想。14我们以中学化学的两个实验为例，来认识当今的实验绿色化。 例一、氯气与金属钠反应 实验操作：钠与氯气反应的装置可作如下改进（装置1）：将一根玻璃管与氯气发生器相连，玻璃管内放一块黄豆粒大的金属钠（已吸净煤油），玻璃管尾部塞一团浸有NaOH的棉花球。先给钠预热，到钠熔融成圆球时，撤火，通入氯气，即可见钠着火燃烧，生成大量白烟。装置1 原教材中氯气与金属的反应是在敞开的装置下进行。把盛满氯气的集气瓶扣在加热过的金属钠上。但由于有剩余的氯气，必定有一部分剩余氯气进入空气。氯气的排放给环境带来了危害。氯气产生的主要危害是在空气中可形成盐酸雾；盐酸物也是构成酸雨的成分。它本

13、身的密度比空气比空气大，对人和周围的环境造成危害。1516改进后的实验装置则基本制止多余氯气的外泄。 例二、硝酸氧化性的改进实验 实验操作：按图所示连接好仪器：在广口瓶和烧杯中分别加入适量的NaOH溶液；在Y形管一侧加入约ml蒸馏水，另一侧加入铜片及浓硝酸，且铜片未浸入硝酸中。有红棕色的NO2产生。 Cu与浓HNO3的反应：稍倾斜已加入蒸馏水和铜片的Y形管，使盛铜片的一侧向下，铜片慢慢注入约ml浓HNO3，然后将Y形管竖直，立即塞上单孔橡皮塞。此时可看到铜片与浓HNO3立即发生剧烈的化学反应，液面上充满了红棕色的NO2气体，由于生成了浓度较大的Cu(NO3)2溶液，反应液呈绿色，过量的NO2气

14、体被NaOH溶液吸收。 Cu与稀HNO3的反应：第二次倾斜Y形管（不需去掉单孔橡皮塞），使蒸留水注入铜和浓硝酸的反应体系，浓HNO3被稀释，此时稀硝酸与铜反应，产生的无色NO气体将NO2迅速排出，体系内部气体颜色明显变浅（液面上方为无色气体，接近管口处呈浅红棕色），同时反应液变为蓝色，过量的NO气体也通入NaOH溶液被吸收。终止反应：再次倾斜Y形管，使稀HNO3移入未反应的一侧，稀硝酸与铜片分离，反应终止。原教材中硝酸的氧化性的实验分别在两种不同的装置中进行。这样的实验装置除了操作复杂之外，还有NO、NO2排出，对大气的污染极为严重。污染主要表现在如下：人为产生的氧化氮输入环境，在阳光作用下，

15、促进NOx的光解。参与烃类的氧化反应。生成大气污染物（如甲醛、乙醛、过氧乙酰硝酸酯等），这形成了光化学烟雾。17污染的大气对人体和生物的危害很大。所以说两者是形成光化学烟雾的主要成分。据统计大气中的NOx排放源分为自然来源和人为；来源二类，对于大城市而言NOx人为来源占主导地位。18过量硝酸盐，亚硝酸盐没有被植物吸收分解随着雨水流如江河湖泊等水源中，造成水源的污染。19 20氮氧化物对环境、人类及其他生物均有害。对人类的危害是当它进入呼吸道深部的细支气管及肺泡时对肺组织产生了强烈的刺激及腐蚀作用，引起支气管炎、肺炎、肺气肿等疾病。2122改进后的实验装置操作简单，现象明显，可比性增强，而且需准

16、备的反应药品数目减少（不需稀HNO3），反应中放出的NO，NO2等有毒气体用碱液吸收，不仅大大降低了污染程度，而且可以随时终止反应。 1.3. 妥善处理实验废弃物，减少对环境的污染 我国每天数以万计的中学有大批学生在做各种各样的化学实验,在实验教学过程中,我们强调的是培养学生的观察能力、动手能力、分析解决问题的能力和创新能力,而大多数学校对于化学实验室每次排放的污染很少处理,学生实验所用的化学试剂种类多,每次排放污染物量不算大,但这种的污染成分复杂，累计效应实在不应被忽视。1980-2000年，西湖浮游植物密度增加了55.4%，蓝藻种类趋于小型化，20年来西湖的富营养仍在发展。从20世纪50年

17、代末到20世纪80年代，西湖的富营养化不断加剧，蓝藻大量繁殖。在1958年到1981年曾先后两次爆发蓝藻水华。23导致西湖水质恶化的直接原因是西湖周围各种废弃物的肆意排放。其中相当一部分是实验后排放的废弃物。随着我国教育事业的蓬勃发展，实验活动不断增多，与此同时，我们必须清醒的意识到减少化学实验室污染以及对污染物进行处理的紧迫性。 全国的中学每天在做各种不同的化学实验。特别是象制备氯气、硫化氢、二氧化硫等气体，做铜与硝酸、浓硫酸的反应，乙烯乙炔的制备实验等，往往毒化教室、实验室的空气，直接影响师生健康。我们可将制备过程中多余的气体或反应过程中产生的有毒气体，通过相应的试剂将实验产生的污染物作化

18、学处理，以消除或减少污染物地排放。典型的例子是对CCl4的回收利用和中和处理废液的酸碱度。 例一、CCl4回收利用24 在中学化学实验中四氯化碳是一种重要的有机溶剂，萃取实验中经常用到。以CCl4为代表的氯代烃作为一类耐生物降解的有机化合物是饮用水源中倍受关注的污染物。25其具有一定的水溶性和挥发性，同时又有较强的溶脂性，能在人体内得到生物富集进而严重危害人体健康，此类物质多数已被确定或被认为是高度可疑的致癌物质。国内外饮用水大多采用江、河、湖水经过滤后用氯消毒，经研究江、河、湖淡水大多被有机污染物污染，而氯消毒过程中又能使碳氢化合物转化成有机氯化物。26272829Sundstrom30等曾

19、研究了低浓度条件下卤代烃的水溶液在253.7nm紫外光作用下的降解情况。但是在一般的条件下CCl4很难降解。但中学化学实验中CCl4是一种常用的试剂。高中一年级就有一个用CCl4萃取碘水的实验，使用过的CCl4要求回收。CCl4进行再生利用，具有一定的经济价值。现在有两种方法回收CCl4进行处理，具体方法如下： 镁粉再生法 萃取后的CCl4因溶解了碘而呈红色，加入镁粉后，充分搅拌，直至CCl4红色褪尽，过滤就得到无色透明的CCl4。发生如下的反应： Mg+I2=MgI2 我们也可以用锌粉代替镁粉与CCl4反应：每100毫升CCl4需要用0.025克锌粉，但是为了加快反应速度，可以提高几倍镁或者

20、锌粉用量。 碱溶液再生法 因为碘能与碱反应，生成次碘酸盐和金属碘化物，因此可以用碱溶液对回收的CCl4进行处理。可以用分液漏斗作为反应容器，充分振摇，待CCl4层红色褪尽后，静置，分液即得到无色透明的四氯化碳。以氢氧化钠溶液作为处理液为例，反应如下： 2NaOH+I2=NaIO+NaI+H2O 用淀粉溶液和硝酸银溶液对上述两种处理的CCl4进行检验，结果都不含碘和碘离子。再分别取少量与未使用过的CCl4作萃取碘水的比较实验，其效果也一样，由此证明这两种再生法回收的CCl4都是可行的。同样，上述两种方法对于再生萃取溴水和碘水后的苯、汽油等有机溶剂都适用。 例二、实验废液酸碱度的处理 水体遭到酸、碱污染后，酸碱度发生变化，当pH小于6.5或大于8.5时，水中的微生物生长受到抑制，致使水体自净能力受到阻碍，并可腐蚀水下设备，影响各种用水水质。25在整个地球的水资源相当的紧缺，相当程度上制约着我国今后的发展。至少有1/3的亚洲人不能享用无污染的饮用水，至少有1/2的亚洲人不能在良好的环境卫生条件下生活。31无论是从哪个角度来看，对于实验后的废液酸碱度的处理是任重而道远。 2.结语 在世界教育发展目标应由应试教育向素质教育转变的今天，环境保护的教育纳入正规的教育体系是教育改革的