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關鍵詞:綠色化學 涵義 實驗設計
一、前言
化學教學離不開科學實驗,化學實驗更是化學教學的組成部分。在化學實驗中應用綠色實驗能夠有效控制污染。
二、綠色化學的涵義
1.綠色化學的定義
綠色化學或稱環境友好化學,是利用化學的技術與方法來降低或消除化學產品設計、制造與應用中有害物質的使用與產生,使所設計的化學過程和產品更加環保友好,是一門從源頭上阻止污染的化學。
2.綠色化學的核心內容
綠色化學主要從原料安全性、工藝過程節能性、反應原子經濟性和產物環境友好性等方面評價一個化學反應的優劣。原子利用率、環境因子和“5R”原則是綠色化學的核心內容。
(1)原子經濟性。原子經濟性是指充分利用反應物中的各個原子,從而既能充分利用資源又能防止污染。原子利用率越高,反應產生的廢棄物越少,環境因子也就小,對環境造成的污染也越少。環境因子則是衡量生產過程對環境的影響程度的參量,是指在一個化學反應過程中,所生成廢物質量占目標產物質量的比值。
(2)“5R”原則。就是“減量”(Reduciton),即減少“三廢”排放;“循環使用”(Reuse);“回收”(Recy-cling),實現“省資源、少污染、減成本”的要求;“再生”(Regeneration),即變廢為寶;“拒用”(Rejection),指對一些無法替代又無法回收、再生和重復使用的,有毒副作用及污染作用明顯的原料,拒絕在化學實驗過程中使用。
三、綠色化學實驗設計的策略和方法
綠色化學實驗方案的構思、設計是一種開放的創造性思維活動,因此其策略和方法也沒有固定的模式可以遵循,下面僅僅結合綠色化學實驗設計與創新的類型進行探討。
1.優選實驗項目策略
根據實驗大綱的要求,充分考慮試劑和產物的毒性以及整個實驗過程產生的“三廢”對環境的污染,盡量排除或減少對環境污染大、毒性大、危害大、三廢處理困難的實驗項目,如氰化物、砷化物的實驗,溴的制備,苯的硝化還原制備苯胺等,以毒性小的實驗代替來完成基本操作訓練。盡量選擇系列化實驗,用前一實驗的產物作為后一實驗的反應物,在合成實驗“苯甲酸和苯甲醇的制備”中,學生合成的產品苯甲酸粗品,可以為基本操作實驗“重結晶”之用,精制以后的苯甲酸純品又為基本操作實驗“熔點的測定”之用,這不僅可以大大節省試劑和原料,而且可以通過熔點檢查學生做的產品是不是合格,一舉而多得。設計綠色化學,盡量選擇與環境保護密切相關的實驗,如大氣中SO2含量的測定,廢干電池的綜合利用,由廢鐵屑制FeCl3,水中溶解氧的測定等,既鍛煉了學生科學實驗的能力,又讓學生了解了污染物對環境的危害,培養了學生的環保意識。
2.優選反應物質的策略
化學反應原理是實驗設計中的核心要素。化學實驗中反應物的優選、操作過程的優化、實驗裝置的改進都與反應原理密切相關,因此研究反應原理,依據反應原理對實驗進行綠色化改進和創新,就是抓住了實驗的本質和成敗的關鍵,是化學實驗改進和創新的重要策略。例如在乙酸乙酯制備實驗中,目前常用的硫酸催化酯化法存在用酸量大、副反應多、過程復雜、產品損失多、環境污染嚴重等不足。對此實驗的改進與創新可以從酯化反應的實驗原理入手:
由反應原理可知,酯化反應的實質是在路易斯酸催化下,酸和醇反應成酯,溫度過高或催化劑氧化性過強時易發生副反應。作為優良的酯化催化劑必須滿足在非水介質中酸性要足夠強,氧化性要弱,以減少副反應。因此,對這個實驗的改進就可依據上述實驗原理,選用綠色催化劑,以取代濃硫酸。可分別利用H2SO4、FeCl3、PW12、PW12/SiO2催化合成乙酸乙酯。結果表明,用自制的新型催化劑PW12/SiO2代替硫酸催化酯化,不僅產率高,反應溫度低,操作簡單,無污染,而且催化劑能重復使用,適應綠色化學發展趨勢,取得了良好的實驗效果。
3.實驗裝置改進策略
實驗裝置是實驗的載體,是影響實驗的又一個重要因素。一套好的實驗裝置,不僅能減少實驗可能產生的污染又能給人以美的享受,因此對化學實驗綠色化改進與創新自然離不開實驗裝置。實驗裝置的改進一般有如下策略:
3.1簡約化策略(微型實驗)。在不影響實驗效果的前提下,盡量采用用藥少、裝置簡單或微型的實驗裝置。微型化學實驗具有污染小、節約經費(其試劑用量為常規實驗的1/10或1/100)、縮短實驗時間(大約為常規實驗的40%)的優點,同時降低了水、電資源的消耗。微型化學實驗的開設對毒性大、藥品貴、耗量大、污染嚴重、操作復雜的化學實驗尤為必要。微型實驗除了可以用已經研制成功的井穴板等微型儀器外,還可以把容量瓶、燒瓶、冷凝管等微型化。在微型化帶來實驗現象不明顯時,可以借助現代化教學手段把結果放大。微型化學實驗還要努力減少實驗對玻璃儀器的依賴性,例如,對有些顏色變化明顯的定性實驗可以放在點滴板中進行,如指示劑與酸堿作用實驗和Fe3+的顯色實驗等,而有些定性實驗可以放在定性濾紙上完成,如檢驗醛基、MnO4-離子存在等。
3.2設計封閉實驗裝置策略。封閉的實驗裝置應包括氣體發生、收集裝置,氣體性質實驗裝置,尾氣的收集、處理裝置和導氣裝置等。對于氣體發生裝置可以從密閉和控制反應兩方面著手。
四、創新實驗方式
1.微型處理
即在保證實驗現象明顯的前提下,對實驗進行重新設計與探索,實驗藥品微量化或實驗裝置微型化。例如:在研究氯化鋇和硫酸鈉反應時,應在試管中加硫酸鈉,然后用膠頭滴管逐滴加入氯化鋇溶液(可溶性的鋇鹽是有毒的),邊加邊觀察實驗現象。這樣可以減少氯化鋇的使用量,防止過量的氯化鋇對環境造成的污染。
2.多媒體演示
有些實驗成本昂貴、容易造成浪費;有的實驗必須采用有毒、有害的試劑,實驗時會排放出有毒氣體和有毒廢液,或容易引起爆炸,對于中學生來說,存在很大的安全隱患,不便于在普通學生實驗室中進行。為了讓學生對實驗原理、過程、現象和結果有直觀的感受,又能規避實驗風險,可以利用多媒體技術進行模擬演示。事實上,在國內外已有不少學校采用這種方法進行實驗教學,效果很好。
五、結束語
綜上所述,綠色化學實驗設計具有很大的環保性,但是我國基礎化學實驗綠色化的道路還很漫長,需要我們持之以恒的探索,才能推動我國綠色化學事業的快速發展。
參考文獻
關鍵詞:綠色化學;大學;化學實驗;策略
大學化學屬于工科院校非化學化工專業設置的一門基礎課程,也是大學中唯一的化學類課程,其教學效果關系著學生綜合素質的提高。大學化學面對的是非化學化工專業的學生,在實驗教學中引入綠色化學理念,具有獨特的優勢。現階段,綠色化學已經逐漸發展成為化學科研工作的前沿,受到了各國政府部門的高度關注。
1綠色化學的概念與意義
綠色化學,也稱環境無害化學、環境友好化學或者清潔化學,是一門基于化學學科,具備明確的科學目標和社會需求的新興學科。從概念上分析,綠色化學是指在進行化學品制造和使用的過程中,通過對原料的有效利用以及合理的操作,盡可能消除廢棄物,減少和避免對有毒有害化學試劑的使用。發展綠色化學的主要目標,是在節約資源的前提下,從源頭上進行污染的防治工作,將環境治理從治標轉為治本。與傳統化學相比,綠色化學最為顯著的特點有兩個,一是最大限度的對原材料進行了利用,二是最大限度的減少了廢棄物的排放。從科學的觀點分析,綠色化學是針對傳統化學思維方式的一種改進與創新;從經濟的觀點分析,綠色化學通過對資源的合理利用,能夠有效降低成本;從環境的觀點分析,綠色化學能夠從根本上對污染進行治理,符合當前可持續發展的客觀要求[1]。推動化學實驗的綠色化,是當前大學化學實驗課程改革的重要方向,受到了科研機構、政府部門以及學術界的高度關注,也取得了比較明顯的成效。基于綠色化學原則,構建全新的大學實驗化學體系,針對當前普遍存在的高校化學實驗教學中的環境污染問題進行深入探究,可以有效減少環境污染,體現環境保護和可持續發展。從目前來看,綠色化學已經逐漸成為化學教育的一個重要內容,通過相應的研究和實踐,能夠對化學實驗室中的常見廢棄物進行無害化處理,減少化學實驗過程中的環境污染,保證了實驗過程的綠色化,同時也促進了學生環保意識和綜合素質的提高。
2大學化學實驗污染問題的誘發因素
就目前而言,在大學化學實驗中,環境污染問題頻發,其主要誘發因素有幾個:
2.1認識不足,經費欠缺
當前,許多高校在化學實驗室的建設中,存在著資金投入不足的問題,經費往往只能用于購買實驗藥劑,或者進行實驗器材的更新,沒有直接針對實驗廢棄物進行處理的設備,在污染防治方面顯得力不從心。同時,部分高校對于化學實驗引發的環境污染問題缺乏到位的認識,在實驗中一味強調教學質量和教學效果,忽視了對于藥品、設備以及學生操作的管理。教師和實驗室管理人員缺乏環保意識,認為實驗過程中產生的污染可以直接忽略。在這樣的背景下,一些實驗室會直接將實驗產生的廢棄物倒入垃圾桶或者下水道,而氣體廢物則直接排放,造成了比較嚴重的環境污染問題[2]。
2.2重視不足,安排不當
在對化學實驗的內容進行安排時,由于缺乏環保意識,沒有重視污染防治工作,導致實驗的設計不合理,容易引發環境污染。另外,部分高校沒有及時對試驗教材進行更新,使得化學實驗的內容陳舊,缺乏創新,甚至僅僅要求學生能夠了解化學實驗的目的,掌握化學實驗的步驟和結果,對于實驗可能帶來的污染問題則直接無視,影響了學生的全面健康發展。
2.3理論不足,回收缺失
在化學實驗過程中,產生的廢棄物類型多樣,回收處理流程繁瑣,從目前來看并沒有專門針對化學廢棄物回收處理的理論指導,嚴重影響了實驗室廢棄物的回收工作,也是造成化學實驗室環境污染問題的一個主要原因[3]。針對上述問題,高校以及相關部門應該及時更新觀念,強化認識,采取切實有效的應對措施,逐步推進高校化學實驗的綠色化,順應可持續發展的需求,做好環境保護工作。
3綠色化學背景下化學實驗有效策略
3.1提高環保意識
在開展化學實驗教學的過程中,應該加強對于學生的教育,引導其樹立起良好的環保意識。應該認識到,在新的發展環境下,傳統化學正在逐漸朝著綠色化學轉百年,而綠色化學并不僅僅是科研人員的任務,更是需要整個化學領域的共同參與。對于教師而言,可以通過相應的案例,講解國內和國外的一些環境污染事件,使得學生能夠清除的認識到環境保護的重要性和迫切性。例如,在對環境污染問題進行講解時,可以引入分組討論的教學方法,針對一些比較典型的環境問題,展開討論:空氣污染有哪些危害?霧霾的誘發因素是什么?如何正確處理塑料袋便捷性、經濟性與環境污染之間的矛盾沖突?通過這樣的方式,可以激發學生對于學習的積極性和主動性,使得其能夠主動參與到討論中,認識到發展綠色化學的重要性,提升學生的環保意識[4]。
3.2加大資金投入
綠色化學實驗的開展離不來資金和設備的支持,對于高校而言,必須重視化學實驗室建設,增加相應的設備。例如,可以在通風管道出風口設置氣體處理裝置,同時在實驗室中統一設立廢棄物分類系統,由學校組織專人人員進行定期收集和處理,避免廢棄物的隨意排放。在條件允許的情況下,還可以在學校設置廢水處理系統,在提升污水凈化效率和效果的同時,也可以作為環保教育的一個基地。3.3規范實驗操作在開展化學實驗的過程中,新課程標準規定,學生必須能夠熟練掌握基本操作,對進行藥品取用、物質稱量、加熱處理、器皿洗滌等操作是,動作標準規范,運用靈活。但是在實際教學中,部分學生并不能嚴格依照相關規定進操作,甚至存在著試劑量越大實驗現象越顯著的錯誤認識,不僅導致了藥品的嚴重浪費,而且引發了更大的環境污染問題。對此,教師應該對化學實驗的操作進行規范,減少浪費和污染問題,同時也能夠培養學生形成演進的實驗態度,引導其掌握科學的實驗方法。另外,可以在定性實驗中,對藥品的使用進行定量化,例如,在制作氧氣時,可以結合相應的化學方程式,依照需要的氧氣的量,對所需高錳酸鉀的用量進行估算,以此為依據取用藥品,這樣可以有效減少浪費問題。
3.4倡導微型實驗
所謂微型實驗,實際上是一種化學實驗操作技術,通過盡量少的試劑,獲取盡量多的化學信息,相比較常規的化學實驗,微型實驗具有節約藥品、現象明顯、減少污染、安全可靠等優點,在環境污染問題日漸嚴峻,可持續發展理念持續深化的背景下,進行微型實驗的普及和推廣意義重大。需要注意的是,微型實驗并非是簡單的對常規化學實驗進行壓縮,而是在綠色化學原則背景下,以預防化學污染的技術、思路和方法,對常規化學實驗進行改革和創新,其核心在于利用盡可能少的試劑獲得預期的實驗目標,可以說,微型實驗是綠色化學在化學實驗教學中的一種典型體現。例如,在進行銅與稀硝酸的反應實驗中,會產生大量的一氧化氮氣體,如果不能對其進行有效處理,會帶來比較嚴重的環境污染,但是如果想要對其進行統一收集和處理,則需要大量的資金和專業的設備。對此,可以重新對實驗裝置進行設計,引入微型實驗。在具體實驗中,可以在經過消毒的針管內,放入銅片,排盡空氣,然后吸取少量的稀硝酸,以膠塞堵塞針頭。當觀察到藍色溶液,同時活塞被氣體推動后,將針管內的溶液注入到氫氧化鈉溶液中,藍色沉淀物的出現表明硝酸銅也氫氧化鈉溶液發生了反應。拉動活塞吸入空氣,看到針管內部逐漸變成紅棕色,將其注入到滴有酚酞試劑的氫氧化鈉溶液中,紅棕色逐漸消失,對NO的性質進行惡劣驗證。這樣的實驗不僅操作簡單,可靠性強,而且不會產生污染。
3.5改進實驗操作
在部分化學實驗中,會生成一些有毒有害物質,影響師生的身體健康,引發環境污染問題。從綠色化學的角度,可以在保證實驗效果的前提下,對實驗操作進行適當的改進,減少污染。例如,在銅與濃硫酸的反應實驗中,會生成二氧化硫氣體,不僅氣味難聞,而且對于人體的危害較大。此時,教師可以引導學生進行積極討論,看如何才能夠避免實驗過程中二氧化硫氣體的泄露,同時對其性質進行驗證。經討論和總結,將原本的實驗裝置改造成了圖1的樣式(略去了夾具和酒精燈)。經檢驗,該裝置具有較強的密封性,可以根據實際需要,隨時進行反應或者停止反應,也可以對二氧化硫的性質進行檢驗,更能夠對廢氣進行處理,符合綠色化學的基本要求。圖1改進實驗裝置
4結語
總而言之,在可持續發展理念不斷深化的背景下,綠色化學逐漸興起,并且迅速成為學術界關注的重點,構建綠色化學實驗室,對化學實驗過程中的環境污染問題進行有效預防和控制,是非常重要的。對于大學化學教師而言,在開展化學實驗教學的過程中,應該始終貫穿綠色化學理念,提高學生的環保意識,從根本上對污染進行治理,營造出一個綠色健康的學習環境。
參考文獻:
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關鍵詞:綠色化;化學實驗;策略分析
中圖分類號:G632.41 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2015)35-0257-02
中學化學實驗教學的目的是通過以化學實驗為主的多種探究活動,使學生在進行實驗操作的過程中充分體驗科學研究的過程,從而激發學生更大的學習化學的興趣。在新課程改革中,提倡化學實驗教學要改變過去的以教師為主的演示實驗,讓學生親自動手進行實驗的操作。在中學化學新課程標準中,尤其對化學實驗過程中的環保和安全問題做了詳細的說明,同時還要求中學化學實驗的教學不僅要節約和簡單,而且還要求化學實驗的清潔化和綠色化,盡量防止和減少相應的化學污染。
一、綠色化學概況
化學是一門實驗性很強的學科,同時在進行化學實驗的過程中需要用到很多的化學藥品,并且在化學反應進行完之后會產生大量的有毒物質和廢氣。鑒于此,綠色化學思想應運而生,即對常規化學實驗中盡量節約化學藥品和化學儀器的使用,同時對實驗殘留物質和廢氣進行處理,使得中學化學的教學更加的“低成本、少污染、省資源、綠色環保”,這有利于和諧良好的教學環境的形成,在實行綠色化的過程中不僅能夠實現化學實驗的教學目的,更能培養學生良好的化學素養。
綠色化學是一門從實驗源頭上對相關實驗污染進行阻住的化學,它是用化學的技術和方法去減少或消滅那些對人類健康及生態環境有害的化學物質的產生。綠色化學是可持續發展的需要,是現代化學的重要特點和發展趨勢。而綠色化學實驗是在綠色化學的指導思想下,用預防化學污染的新技術、新方法以及新思想,改革過去常規化學實驗中的一些效率低下和浪費極大的一種新方法。化學實驗綠色化是社會發展的需要,是學生身心健康發展的需要,是進行環境教育的需要,也是了解現代化學發展和趨勢的需要。化學實驗綠色化的研究,涉及到實驗指導思想、實驗儀器的研制、實驗內容選擇、化學反應過程、實驗裝置和步驟的設計等各個實驗方面的相關研究。把綠色化學的相關理念很好地融合于中學化學的課堂教學以及中學化學課程教材改革當中,真正使得綠色化學成為中學化學教學過程中的一個重要內容,這是當今中學化學教育面臨到的一個挑戰與機遇。
二、中學化學實驗教學的現狀分析
1.目前,我國大部分學校教學儀器配備都達到了部頒Ⅰ類標準,即在每一個班級中,每一個分組實驗基本能夠實現由兩三個學生一起完成,同時一名學生負責實驗的具體操作,另一名學生負責仔細地觀察實驗的相關效果,這種情況最大的缺點就是不是所有的學生都可以動手親自體驗實驗的相關操作。雖然目前我國的中學化學實驗在分組實驗上的開出率達到了100%,但是在試驗中學生的動手率卻只有50%。
2.中學化學教材中對于實驗中化學藥品用量的規定不是很明確,大部分情況下規定得比較模糊。這就使得不少學生在進行相關化學實驗的過程隨意取用各種化學藥品。
3.眾多中學化學實驗中相關化學反應之后產生的廢氣、廢水以及廢渣等都會污染實驗室及周邊環境。例如在銅和濃硫酸反應的實驗以及制備氯氣的實驗中,會產生大量的有毒氣體,這些有毒氣體會大量飄散在空氣中,對實驗室造成污染,同時還對師生的健康造成影響。
三、中學化學實驗的綠色化的探索與實踐
目前,我國在中學化學實驗教學中大力推行綠色化學實驗重點主要體現在以下幾個方面:(1)貫徹綠色化學的理念,努力研究和拓展新的綠色化學實驗,根據中學化學教學的相關需要,針對那些危險性大或者是污染嚴重的實驗要努力發現、設計或選擇沒有污染和安全的實驗進行取代。(2)對微型化學實驗進行更深入的研究:在不影響實驗效果的前提下,盡量減少相關化學實驗藥品和實驗儀器的使用。
(一)在減少藥品用量方面
1.在減少化學藥品用量方面可以通過使用點滴板、小試管或者是多用滴管微型化的實驗儀器,例如在高二化學教學中的諸多實驗,高一的濃硫酸的性質實驗,硫酸根離子的檢驗實驗,同周期與同主族元素性質的遞變檢驗試驗,碘、溴和氯的性質實驗,氯離子的檢驗等實驗中的試管都是用12×70mm的小試管。在乙烯的制取和性質檢驗的實驗中,乙醇與濃硫酸的混合液的濃度可以從18ml稀釋至2~3ml。這就大大減少了藥品的消耗。一般來說,同樣是配制的125ml裝的試劑不再只夠兩三個班的學生做分組實驗,而可供二十多個班(每班28組)的學生使用。
2.降低試劑的濃度,如在實驗《氯、溴、碘的性質,氯離子的檢驗》中沒有明確規定溴水、碘水以及氯水的濃度。眾所周知,濃度較高的溴和氯都會傷害人體。因此,在實驗中應盡可能降低溴水和氯水的濃度,如應把濃度較高的溴水稀釋至濃度較低時的淡黃色。此外,應把像酚酞、甲基橙、石蕊以及品紅等指示劑的濃度進行適當的降低。例如通常實驗中使用的酚酞和石蕊的濃度為0.5%~1.0%,為了綠色化實驗的理念,在不影響實驗效果的前提下可以把濃度稀釋到0.1%~0.25%。在實驗中減少化學藥品的用量必須是能夠確保不會影響最后的實驗效果,這樣不僅能夠減少化學藥品的使用,還能減少化學反應后產生的廢氣對環境造成影響。
(二)藥品回收利用方面
化學藥品的回收利用主要是指對實驗中未發生反應的化學原料以及實驗后殘留的副產物進行回收再利用,如在實驗《化學反應速率 化學平衡》結束后小試管中會殘留一定量的水和二氧化錳。再如利用高錳酸鉀來制取氧氣的實驗,實驗后殘留的化學物質中主要含有二氧化錳、錳酸鉀以及沒有反應掉的高錳酸鉀,這三種物質可以通過與濃鹽酸進行化學反應來制取氯氣。
(三)剩余藥品重復使用方面
剩余藥品的重復使用指的是在做下一個實驗或者其他的實驗時可以充分利用上一個實驗步驟中剩余的藥品以及回收來的化學藥品。如實驗回收之后的二氧化錳、錳酸鉀以及高錳酸鉀還能用于制取氯氣的實驗中繼續使用。這樣一方面減少了實驗過程中化學藥品的用量,另一方面也使化學藥品的使用效率得到了提高。
(四)實驗產物循環使用方面
在傳統化學實驗的教學過程中,教師和學生通常不太重視實驗的產物。只要在實驗中獲取了相關數據或者是獲得了預期的實驗效果就可以了。而對于實驗之后留下的廢氣廢物一般都被隨意棄置或排放,沒有相應的回收處理措施,這不但加重了環境污染,也造成了很大的浪費。
(五)科學處理實驗產生的廢氣
在制備二氧化硫、氯氣、一氧化氮與二氧化氮等氣體以及C銅與硝酸、濃硫酸的反應等相關實驗當中,不僅要使整個實驗裝置密閉可以控制,并且還要科學合理地安裝實驗廢氣處理裝置。例如在對氯氣進行制備時要使用到分液漏斗,此時應用醫用注射器來代替,還應該把止水皮管夾安裝到玻璃導管連接處的乳膠管上,在濃硫酸與銅的反應實驗中用具支試管來代替普通試管。
(六)深入研究和科學改進教材實驗,消除實驗污染源
所謂科學改進實驗就是指在根據教材中提供的原有實驗的基礎上,對實驗裝置以及實驗操作進行進一步的改造。同時,在更安全便捷和科學合理的實驗方法運用的前提下,站在保護環境的角度上,明確實驗目標,盡量做到把污染消除在源頭。在中學化學實驗過程中,固體、液體以及氣體產物的生成不可避免,然后這些實驗生成產物當中有不少是有毒的或者是有害的,特別是某些化學實驗中產生的有毒氣體一方面會對師生的健康造成直接的影響,另一方面還會逸散到空氣中,污染實驗室及周邊。因此,在中學化學教學中制備某些有毒氣體的過程中,應對實驗后留下的有毒尾氣進行妥善處理。例如:在觀察金屬銅與稀硝酸和濃硝酸進行反應時,如果完全依據教材中說明的具體實驗操作,在實驗結束后必定會殘留一定量的NO或者是NO2,這兩種有毒氣體會對師生身體健康造成嚴重的損害,同時還會對大氣環境產生污染。但是站在綠色化學的角度看,可以改進實驗步驟,避免散逸出NO或者是NO2,不僅能夠避免對環境污染,還能通過教學逐步向學生灌輸綠色化學的理念。
綜上所述,中學化學實驗實現綠色化的作用主要體現在以下三個方面:
1.中學化學實驗室的綠色化簡單易行,易于操作,在安全可靠的基礎上不會對實驗效果產生太大的影響。一方面不僅使化學藥品的用量得到節約,使藥品的使用效率得到提高,而且還大大降低了實驗成本,又能減少實驗對實驗室環境造成的污染。
2.綠色化學的理念就是節約實驗藥品和減少實驗儀器的使用,這不僅有助于學生在實驗過程中形成綠色化學的觀念,同時又能夠幫助學生形成節約實驗用品的好習慣。
3.利用有限資源實現小組內所有同學都能動手做實驗,進而強化同學在實驗中的動手能力,同時還可以幫助學生們“在實驗中學習化學,理解化學”、“在實驗中探究,在探究中學習”,這不僅能夠培養學生的創新思維,激發學生對于化學的學習興趣,而且還對學生科學素養有一個全面的提升。
四、結論
本文主要是針對實驗綠色化的原則,結合多年實驗教學經驗及實驗教學的發展需要,提出對實驗綠色化探究的看法及思路。在中學化學實驗室的課堂實驗教學過程中,應認真和科學地踐行實驗綠色化的原則,不管是從改進實驗教學的角度還是從實驗室管理技術的角度來看,做到中學化學實驗室綠色化不但能夠防止實驗過程中產生的廢氣對環境造成污染,還能在教學過程中增強學生的環保意識,從而提高學生在化學方面的素養。
參考文獻:
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1.綠色化學理念與發展
綠色化學又被稱之為環境友好化學,通過名稱定義就可以發現,綠色化學是為了環境改善而存在的,它在思想上反思了傳統化學實驗教學的缺失,同時也吸收了多種新型技術,如生物技術、材料技術以及信息理論等,由此可以看出,綠色化學是新興但卻綜合交叉的學科理念。從本意上分析,綠色化學的核心是從資源重復利用角度對傳統化學工藝的改革,從而實現環境資源的可持續發展,在眾多綠色化學理念之中,原子利用率與綠色化學十二原則被認為是化學最核心本質的思想,首先原子利用率,也被稱之為原子經濟性,以倡導原子控制為依據,進而減少化學反應中目標產物質量與廢棄物質量,從而保障反應物質原料最大限度的進入到生產物原料之中,極大地提高原子的經濟性。其次,綠色化學十二原則,在此項原則之中,以預防化學廢棄物產生為主,通過合理的化學實驗方法,使化學反應生產物更加安全無害,同時在實驗過程中,提倡使用催化劑,進而通過加快化學反應速率,來減少實驗過程的危害性。
2.綠色化分析化學實驗教學研究
(1)更新實驗教學理念,注重綠色環保教育
若想從本質上實現綠色化學實驗教學,首先,教師要從自身的觀念入手,實現實驗教學理念的更新。在傳統的高職化學實驗教學中,主要是以化學試劑為原料,以驗證化學實驗理論為教學內容,從而提升學生的操作技能,加深化學知識認知,由此可以看出在以往的教學中,并沒有關注綠色化學這一概念,只是以知識傳授為主要目的。為此隨著教學改革的不斷深入,提出了學生雙基能力的培養以及以人為本的教學理念,為此教師也應該從教學改革創導出發,在實驗教學中以學生為主,減少實驗過程中有毒有害物質對學生身體的傷害,將綠色化學理念與以人為本的教學理念應用在實驗教學之中,進而培養學生的創新能力,構建綠色化學實驗教學課堂。其次,在教學過程中,綠色化學理念不只是要落實在實驗教學之中,還應該注重對學生的綠色教育,強化學生環保意識,具體而言,筆者認為可以從以下三個方面做起,首先,在教學過程中,注重環保知識的滲透,將生態平衡、臭氧空洞、溫室效應以及三廢污染等和一些著名的環境破壞事件,以圖片或者媒體課件的形式展示給學生,讓學生從心理認可綠色化學,樹立環境保護意識,將綠色化學概念融入到實驗學習中。其次,在實驗教學過程中,教師要注重尋找一些有毒試劑的代替品,并且引導學生研究無污染實驗裝置以及實驗設計,在提升學生環保意識的同時,培養學生的創新能力。最后,高職院校內,可以開設相關的化工環境保護概論選修課程,讓學生在業余時間中可以進一步學習綠色化學理念,強化學生的綠色化學意識,進而讓學生將這種綠色化學意識帶入到今后的工作以及化工生產過程中,無論是對于學生自身,還是我國的工業建設發展都是具有重要意義。
(2)做好三廢處理,減少環境污染
在化學實驗中試劑完全反應結束后,會生產一定的廢氣、廢水、廢渣,這些實驗殘留的物質將成為破壞環境主要的污染源,被稱之為實驗“三廢”。在綠色化學理念下,做好三廢處理十分重要。首先,實驗廢氣就是指在實驗過程中產生的有害氣體,這些氣體人吸入會造成一定的危害,因此在進行試驗研究時,主要是以“扇聞”的方式進行觀察,如氨氣就是一種典型的廢氣,但在實驗結束后,這些氣體仍然會有部分殘留,并且還會彌散在空氣之中,從而對人身體造成危害,因此必須要進行嚴格的廢氣處理。其次,廢水就是指在實驗過程中,產生的有機溶劑、廢酸溶液以及廢堿溶液等,在實驗結束后,教師應該引導學生對這些溶液分開收集,并有針對性的進行處理。以廢酸溶液和廢堿溶液為例,在進行處理時,可以采用酸堿中和的方式,通過溶液之間的調和,將廢液PH值控制在6.5~8.5之間,然后在進行排放,這樣就不會對下水管道以及水源造成危害。最后,廢渣就是指在化學實驗過程中產生的一些固體有害物質,對于這些廢渣最好的處理方式就是回收并進行二次利用。在這里筆者以“硬水軟化”實驗為例,在實驗過程中會產生樹脂廢渣,但若是將這種廢渣浸泡在濃度為1mol/L的HCl溶液中,廢渣就可以二次利用成為日后實驗中的原料,而這無疑是符合綠色化學實驗概念的。除了以上的處理措施外,針對三廢環境污染,最本質的一種方法,就是實現實驗過程污染物零排放,而這也是綠色化學理念的核心。具體來說,在實驗過程中,應做好相應的實驗污染主控點,通過實驗設置優化,對實驗材料、實驗裝置、實驗試劑以及實驗方法進行控制選擇,從而實現零污染、零排放的目的。為此在進行實驗時,教師可以從地方能源開發以及學生的創新能力培養出發,在實驗過程中為學生滲透綠色化學理念,從而改變以往的教學模式,注重實驗教學內容與資源開發利用之間的結合。在教學過程中篩選出兩個獨立的教學板塊,第一的板塊以網絡技術與仿真實驗技術為主,第二板塊以綜合性實驗為主。在教學過程中,所選用的實驗材料都是無毒或者低毒的材料,然后將一些毒性大、污染強的實驗匯集成合成實驗,如指示劑合成實驗,減少采用笨、溴、氨磺酸等有害試劑使用。同時注重新型綠色化學實驗教學研究,如綠原酸超聲提取分離、白云石制備超細碳酸鈣、單寧酸沉淀法提取煙堿以及相色譜等,通過這些同等教學目的綠色化學實驗模式實施,代替原有有害有毒實驗操作,不但可以從本質上減少三廢污染實驗產生,還可以培養學生的創新意識與綠色化學意識,對于學生日后的工作發展都具有重要促進作用。
(3)減少試驗試劑用量,開展化學微型實驗
在高職化學實驗教學中,實驗教學開展的目的就是讓學生通過實驗現象的觀察,從而認識化學原理本質。因此,在實驗過程中只要能夠起到觀察效果即可,與實驗試劑的用量無關。同時,在實驗過程中,很多實驗試劑具有一定的致癌性和腐蝕性,大量的實驗試劑反而會對人的身體造成一定的損害,因此在實驗設計過程中,減少實驗試劑用量,開展微型化學實驗十分重要。微型化學實驗被譽為二十世紀末期的化學實驗革命,也是現下綠色化學實驗中的重要組成部分。其以減少實驗試劑用量為主要目的,但卻可以獲取同樣的化學信息,在這個過程中,由于投入的化學試劑用量減少了,因此產生三廢的可能就會降低,這樣就可以實現控制環境污染,節約材料成本的目的。通常情況下,采用微型實驗,實驗耗材和實驗經費可以降低成本費用一半以上,同時在具體實驗時間中,也可以縮短原有實驗時間的30%~40%左右。另外,微型實驗充分的利用了實驗資源,并且結果表征都是采用精密的儀器進行操作,這可以使觀察效果更加突出。例如在進行“乙二酸制備”以及“乙酰苯胺制備”過程中,都可以采用微型實驗,且在實驗過程中使用的試劑用量僅為原有實驗試劑用量的10%~20%左右,這無疑也是綠色化學理念的一種體現。(4)改善實驗教學環境,實施網絡虛擬仿真實驗隨著近些年網絡技術的不斷發展,在進行高職化學實驗教學時,運用網絡模擬與仿真實驗代替原有的實驗操作,可以從本質上減少環境污染問題,進而實現綠色化學實驗教學。運用網絡虛擬仿真實驗具有以下三點好處,首先,可以降低實驗成本,減少實驗設備投入。在進行網絡虛擬仿真實驗時,是不需要使用任何實驗試劑與實驗器材的,對于教師而言,減少實驗準備勞動強度,同時也降低了實驗成本,尤其是在現下的高職化學實驗教學中,課堂教學以大課為主,實驗開展困難,網絡虛擬仿真實驗為教學創造了便利性,同時也降低了實驗污染物的產生。其次,實施網絡虛擬仿真實驗為教學時間提供了充足的保障。在現下的高職院校之中,總學時通常情況為400個學時左右,但在教學中具體的實驗項目有90個左右,而這些實驗項目包括基礎操作實驗、化學性質實驗等,在教學過程中呈現出了嚴重的學時不足現象,這就影響了正常教學,網絡虛擬仿真實驗為課堂節約了更多的時間,有助于教學效率提升。最后,網絡虛擬仿真實驗有助于提升學生學習興趣。網絡虛擬仿真實驗是利用計算機網絡技術,將實驗知識點以及操作要點,編制在相應的計算機軟件之中,通過人機對話的方式進行播放,并且可以反復的進行練習操作,實驗現象千變萬化,并且自帶一定的游戲性和趣味性,這樣既減少了化學實驗污染的危害性,又提升了學生的實驗學習興趣,為此在教學中,教師應注重對網絡虛擬仿真實驗的實施應用,而這也是對綠色化學概念的一種倡導。
3.總結
綜上所述,高職化學實驗教學可以有效的培養學生的動手能力和觀察能力,繼而加深學生的化學原理認知,而將綠色化學理念應用在實驗教學過程中,不僅可以提升學生的化學素質,還可以讓學生將這種綠色思想帶入到工作中。因此,未來的教學中教師要注重對綠色化分析化學實驗教學研究。
作者:白都 單位:白銀礦冶職業技術學院
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1前言
近幾年來,隨城市化及工業化的影響,環境污染問題已經越來越嚴重,不利于人與自然的和諧發展,對環境問題必須加以重視。化學實驗通常會產生某些有毒氣體,不僅會給環境造成一定污染,也不利于人們的身體健康。因此,在中學化學教學改革中,必須開展綠色化學教育,以“減量、循環或重復使用、回收”為基本理念開展化學實驗教學,以在一定程度上對環境進行保護,從而促進人與自然的可持續發展。為了促進化學實驗的綠色化改革,本文以中學化學實驗的綠色化改革為例,從以下幾方面作相關分析。
2中學化學實驗綠色化改革的措施
2.1宣傳綠色化學增強學生的環保意識
思想對行為有一定的指導作用,在化學實驗教學過程中,教師應結合教材內容有目的、有計劃地向學生宣傳綠色化學的必要性及重要意義,以使學生理解綠色化學的思想,并在實驗過程中加以實踐。如:在《序言》中,應向學生介紹化學在人類生活及社會進步中的重要作用;在《硫酸》一課中,介紹如何對原料進行循環使用,如何使能源的利用更加充分,如何對酸雨進行防治;在《水》一課中,介紹水污染的危害及防治;在《空氣》一課中,介紹導致大氣污染的因素及防治措施等。
2.2遵循減量使用理念
減量理念是從節約資源、減少污染的角度提出的,在實驗教學中,對于產生毒物或使用毒物的實驗中應通過減量理念對其用量進行有效控制,微型化學實驗就是在此理念指導下而開展的創新性變革。其通過在微型化的儀器裝置中開展化學實驗,和常規實驗相比,大概能節約90%的試劑用量。相關研究發現,微型實驗的開展,能在很大程度上體現現代綠色化學教育觀念,能使學生的智力創新能力得到一定提高。此外,還能使學生的環保意識及資源意識得到一定增強,從而把防止化學污染的思想貫穿于化學教育的整個過程。如在“鐵及其化合物”、“鋁、鎂及其化合物的性質”、“硫酸根離子、碳酸根離子、氯離子、銨根離子的檢驗”等實驗中,使用12 mm×70 mm的小試管代替常規試管,不僅能達到良好的實驗效果,節約藥品,還能使污染物的產生得到有效減少。教師可把微型實驗和常規實驗進行對比分析,讓學生認識到用較少的實驗用品和儀器也能達到較好的實驗效果,從而使學生對“綠色化學”理念有更深的了解和認識。
2.3拒絕使用危害品
在化學實驗中,藥品的使用及其所生成的物質都應對人類健康及環境無害或危害性較小。選用實驗藥品時,應考慮到此藥品在實驗過程中所產生的廢氣、廢物等對環境的危害,盡可能選用對環境污染少的藥品,對于那些危險性大、毒性大、污染嚴重、無法替代、無法回收的原料及藥品,應盡可能拒絕使用。在不影響實驗效果的前提下,應盡可能用無害試劑替換有害試劑。此外,還應把某些易產生有害物質的實驗替換成無害物質的實驗。如“配制一定物質的量濃度的溶液”一課中,可使用NaCl,NaCl價格低廉,且能取得較好的實驗效果。
2.4循環使用和重復利用
循環使用和重復利用不僅可進行有效節約資源,而且還能有效控制成本及污染。相關教學實踐發現,在系列化實驗中,可有效實現對物品的循環及重復使用。如在“實驗室制取氧氣”這個實驗中,受到二氧化錳的催化作用,氯酸鉀受熱后可分解成制氧氣后的副產物,在副產物中加入水,并使之分解及分離,就可得到二氧化錳和氯化鉀溶液。
2.5改進實驗裝置
中學化學教材中,有的常規實驗裝置危險性較大,所連接的儀器也較多,有的還會產生有毒物質。實驗時可對實驗裝置加以改進,以使裝置中的不足之處得到一定改善。如在燃燒條件的探究實驗中,在熱水下面對著白磷通氧氣的時候,白磷會出現“亂跑”現象,操作的時候有較多不便;把紅磷和白磷的著火點進行對比時,白磷會在空氣中燃燒,造成污染。此時,可對實驗裝置作以下改進:①把適量熱水注入試管,接著再把試管放到熱水浴中,然后在試管中放入白磷,通氣情況良好;②把吸干水的紅磷、白磷分別放到兩支相同的試管中,塞上橡皮塞,接著再同時把兩支試管浸入熱水里,可觀察到白磷在試管內安全燃燒,而紅磷則沒有燃燒。
2.6重新設計實驗方案
重新對某些中學化學的實驗方案進行設計與改進,縮短實驗時間,并達到節約藥品及改善實驗效果的目的。如可對“濃硫酸與銅反應的實驗”進行改進,此實驗裝置的設計存在以下問題:①反應結束后,試管內物質的溫度過高,無法立即加水對溶液的顏色進行仔細觀察,從而使實驗時間過長;②使用銅片,無法對整個反應過程進行有效控制,易產生SO2氣體,從而對環境造成污染。因此,對化學教材進行改革時,可對此實驗的裝置作以下方面的改進:把銅片換成銅絲,把試管換成U型管,這樣的裝置密封性較好,操作起來比較方便。把品紅試劑放在U型管中還具有液封的作用,從而可有效防止SO2氣體對環境所造成的污染。銅絲在玻璃管內上下抽動可對反應進行直接控制,不僅能取得良好的實驗效果,而且實驗過程所需的時間較短。
2.7利用多媒體技術開展模擬實驗