化学实验的绿色化

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  当今,化学的发展非常迅速。化学的发展在不断促进人类进步的同时,在客观上使环境污染成为可能。一些著名的环境事件多数与化学有关,诸如臭氧层空洞、白色污染、酸雨和水体富营养化等;绿色化学是应对挑战的必然。
  绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学或清洁化学,是指化学反应和过程以“原子经济性”为基本原则,即在获取新物质的化学反应中充分利用参与反应的每个原料原子,在始端就采用实现污染预防的科学手段,因而过程和终端均为零排放和零污染,是一门从源头阻止污染的化学。绿色化学不同于环境保护,绿色化学不是被动地治理环境污染,而是主动的防止化学污染,从而在根本上切断污染源,所以绿色化学是更高层次的环境友好化学。
  绿色化学实验,就是以绿色化学的理念和原则指导实验工作,使实验室的“三废”排放降低到最低程度并能得到妥善的处理,实验室的安全性和环境质量得到提升,师生的绿色化学和环保意识得到强化。本文结合具体教学实践,对如何实施绿色化学实验作了初步的探讨。
  
  一、化学教学中实施绿色化学实验的意义
  
  化学是一门实验科学,化学实验教学在化学教学中占有特殊地位。在实验中进行实验教学改革,更新和改进原有的实验内容、实验方法,综合和设计一些环保的绿色化实验都将利于对学生绿色化学理念的培养。化学教学中绿色化学实验的研究,涉及到实验指导思想、实验内容选择、实验仪器研制、化学反应过程、实验装置和步骤的设计等实验各方面绿色化的研究。
  
  二、实施绿色化学实验方法和途径
  
  1、通过优选实验方案渗透绿色化学思想
  演示实验能够提供学生丰富的感性材料,有效地培养学生的观察能力、实验操作技能,帮助学生理解枯燥的化学概念、原理。但教科书中的部分演示实验,从实验装置的使用,到药品的用量,都存在有待改进的因素。如果能够合理利用其中“待改”因素,不仅能够激发学生的学习兴趣,而且对于培养学生创新能力、树立环保观念都有独特的功效。
  案例:浓硫酸的脱水性实验。在人教版必修1P84提供了一幅图,按图所示实验跟旧教材根本没有区别,即取绵白糖(白砂糖)10克,研细后放人100毫升的小烧杯里,加入1-2毫升水,调和。然后注入10-15毫升的98%浓流酸,小心搅拌,片刻后可观察一系列现象。实验的现象能够帮助学生建立浓硫酸具有脱水性的概念。但是,实验过程中,由于蔗糖及浓硫酸用量的偏多,其炭化过程中伴随碳的氧化反应产生二氧化碳、二氧化硫酸性气体副产物,却带来了严重的室内污染问题,经常使教师和学生处于严重的有害气体环境之中。为了解决这个难题,同时提高学生关注环境污染问题意识,苏教版P84-85(取2克蔗糖放入大试管中,加入约5ml浓硫酸,迅速搅拌,然后塞上带导管的橡皮塞,将玻璃导管的另一端插入盛有品红溶液的试管中,观察实验现象)的改进实验比较适用:这样用大试管代替小烧杯作为实验仪器,实验中蔗糖的用量由10克减至2克,浓硫酸用量由10-15毫升,减少为5ml,甚至2-3毫升。试管代替了烧杯,虽然反应物用量减少,但由于实验仪器的高度的增加,生成的碳块儿沿着试管壁“长”高,反倒增强了实验的演示效果,达到了实验的预期目的。
  通过演示实验选择优化,减少了实验药品的用量,大幅度减少了有害气体的生成量,即达到了保护实验者的目的,又渗透绿色化学理念,强化了学生环境保护意识。
  2、采用微型化实验控制试剂用量实施绿色化学思想
  微型化学实验是用尽可能少的试剂在微型化的装置中来获取化学信息,尽可能地减少中间生成物的转移过程,以减少试剂在器皿的附着量。微型实验的试剂量是常规实验1/10-1/1000,同样具有现象明显,效果良好,并且节约实验药品和时间,减少污染,安全、符合绿色化学宗旨。
  案例:在检验SO42-离子实验中,学生往往一下子加入较多的BaCl2溶液。假如在实验前向学生讲解钡类化合物中毒性最大的是易溶于水的BaCl2,水中钡离子最大允许浓度为1.0mg/L,过量的BaCl2转入废液中会造成水质污染、土壤污染,并且让学生通过查表知道BaSO4是溶解度很小的不溶性盐,在1L水中仅溶解1.05×10-5mol(25℃),只要加入少量的BaCl2溶液即可观察到明显的白色沉淀现象,这样既节省了试剂,又达到了实验目的,更重要的是净化了实验环境,增强了学生的绿色化学意识。
  微型化学实验不是普通实验的简单微缩,它是在绿色化学思想的指导下,用预防化学污染的新思想、新方法和新技术对常规实验改革和发展的必然结果。
  3、依托多媒体辅助贯彻绿色化学思想
  对于毒性、危险性较大,成功率较低的演示实验,我们也可事先在通风橱或实验室中操作,并将其拍摄下来,制成课件。上课时,通过课件的演示,使学生了解实验内容,这样就可以克服它们在教室中难演示所带来的困难。另外也可以采用制作课件模拟违规操作,将产生的后果展示给学生,让学生看到错误操作的严重性,可有效地防止错误操作的发生。以生动有趣的多媒体课件形式表现出来,寓教于乐,大大提高教学质量,又体现了绿色化学要求。
  
  三、绿色化学实验研究的展望
  
  绿色化学实验是绿色化学理念在化学教学中的具体体现,是化学教学中实施创新教育的重要内容和必要保证。在化学教学过程中,绿色化学实验不仅能使实验者在良好的实验环境中工作和学习,而且能使学生在实验过程中培养预防化学污染的思想和学习消除或尽可能减少毒气污染的实验技术。对绿色化学实验的研究,将为我们在化学教学中实施创新教育作出应有的贡献。
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