无机化学实验绿色化设计与研究

李成未，郑会勤，司晚令

(河南教育学院化学系，河南郑州 450046)

无机化学实验绿色化设计与研究

李成未，郑会勤，司晚令

(河南教育学院化学系，河南郑州 450046)

依据绿色化学使用化学药品的“5R”原则，以绿色化学理念为指导，结合教学实际，探索无机化学实验教学各环节的绿色化方案，提出推广微型或小型实验、删除或改进剧毒实验、发展封闭式实验、设计连环式实验等绿色化实验方法，强调实验教学手段的绿色化，从而培养学生的环保意识.

无机化学实验;绿色化学;“5R”原则;微型化学实验;剧毒实验;封闭式实验;环保意识

0 引言

近年来，随着高校不断扩招，化学实验教学中的试剂消耗量剧增，其中一半以上的试剂有不同程度的毒性，实验排放的废弃物给环境造成了严重的污染.如何减少实验过程中有毒试剂的用量，提高药品的利用效率，降低对环境的污染已成为亟待解决的问题.加快推进无机化学实验教学绿色化改革是解决此问题的根本途径.绿色化学实验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，对常规实验进行改革而形成的新的化学实验方法［1］.无机化学实验作为大学化学专业的第一门必修实验课，将绿色化学理念融入其中，真正实现实验绿色化，使学生在潜移默化中受到绿色化学的教育，这对培养学生科学的环境意识、资源观念，增强他们的环保责任感都有积极的意义.化学实验绿色化涉及实验指导思想、实验内容的选择、实验操作过程、实验装置和步骤的设计等诸多环节［2］，本文结合教学实际，就如何实现无机化学实验的绿色化，培养学生环保意识进行了初步探讨.

1 建立绿色化学思想

绿色化学(Green Chemistry)又称环境无害化学(Environmental Benign Chemistry)，是指从预防污染的基本思想出发，设计无环境污染或污染尽可能小的、在技术上和经济上可行的化学品或化学过程.绿色化学是为适应可持续发展的要求而提出的全新观念.将绿色化学理念融入化学课堂教学尤其是实验教学中，使绿色化学成为化学教育的一个重要组成部分，是21世纪化学实验课改革的重点方向和崭新课题［3］.无机化学实验课程一般为大一全年开设，计划开设的实验通常有30多个，所涉及的试剂一半以上有毒或无毒但能造成环境污染.因此，在教学过程中，教师应将绿色化学知识与无机化学实验教学紧密联系起来，注重培养学生的环保意识，倡导学生改进实验装置与操作方法，培养学生良好的实验习惯与绿色环保意识.

2 设计绿色化学实验

从可持续发展的观点看，删除有污染的传统无机化学实验，选择和设计绿色化无机化学实验，将绿色化实验思想融入整个实验环节中，探索无机实验新方法，培养学生环保意识，是化学实验发展的必然趋势.根据绿色化学实验使用化学药品的“5R”原则，即减量(Reduce)、重复使用(Reuse)、拒用(Rejection)、回收(Recycling)、再生(Re-generation)［4］，结合具体教学环节，在选择和设计无机实验时可使用以下方法.

2.1 推广微型或小型化学实验

微型化学实验(Microscale Chemical Experiment)是20世纪80年代在西方高校兴起的一种实验方法，它是从环境安全和污染预防的角度出发，用尽可能少的药品，在微型化的仪器装置中进行的化学实验［5－6］.无机实验中性质实验较多，所用的试剂种类繁杂，且性质实验一般是1人1组，试剂用量较多，废气废液排放量较大.如将这部分实验改进为微型实验，有以下显著优点:①节约经费.微型实验消耗试剂量一般为相应常规实验的1/10至1/1 000，不仅大大减少实验经费的开支，而且缓解因学生人数增加而造成的经费不足的矛盾.②减少污染.试剂用量的减少将降低废气废液的排放量，减少环境污染.③便于操作.微型实验所需的仪器为微型仪器，方便携带，操作简单，可供学生随堂实验，有利于培养学生的动手动脑能力、观察分析能力和严谨求实的学习态度.④节约时间，节省能源.微型实验不仅缩短了实验时间(耗时约为常规实验的40%)，还减少了除试剂外的水、电等能源的消耗.微型实验适用于一些毒性较大、药品昂贵、耗量大、污染严重、操作复杂的无机化学实验.

对于一些制备实验和测定实验，实行微型化得不到产品或实验效果不明显，此时应尽量将实验小型化.如氯化钠、硫酸铜的提纯，硫酸亚铁铵的制备等实验，我校采用药品用量减半或减为1/3的方法，在测定化学反应速率及原电池电动势的实验中，适当减小所用溶液的浓度和剂量.结果表明，经过以上改进，能够达到同样的实验效果，同时培养了学生节约资源、保护环境的观念和科学的实验态度.

2.2 删除或改进剧毒实验

绿色化学是从源头上消除污染，而不是污染后再治理.因此，在选择实验时，对于无机实验中一些毒性和危险性大，“三废”处理困难的实验应予以删除，如无机实验中含氰电镀、NO2的性质和制备，砷化物和砷酸盐的性质等实验，应大胆删除.对于毒性较大又必须做的实验应尽可能改进或选择产生污染少、具有相同教学效果的实验替代.如在萃取操作中，因溴单质有剧毒，可将CCl4萃取溴水这一实验中的溴水改为碘水，这样既可防止因溴蒸气的挥发对人体造成的毒害，又可获得相同的实验效果.

2.3 发展封闭式实验

封闭式实验是实现无机化学实验绿色化的一个重要途径.如以废铁屑为原料制备硫酸亚铁铵实验，是典型的变废为宝、再生利用铁资源的环保型实验，传统的实验为敞开式.硫酸亚铁的制备过程中废铁屑中的硫、磷等杂质和硫酸反应生成H2S、PH3等有毒气体，这些气体被直接排放到空气中，导致实验室弥漫着强烈的刺激性气体，直接危害师生的身体健康，不符合绿色化学的要求.如将原敞开式实验装置改为可吸收废气的封闭式实验(图1)［7－8］，铁屑净化中的Na2CO3废液可用作废气吸收液，不仅节约试剂而且减少了污染.改进后的实验装置密闭性好，废气经吸收液吸收转变为无害物质，降低了环境污染.通过实验改进过程也培养了学生勤于思考、善于总结的实验能力和绿色环保意识.

2.4 设计连环式实验

在传统的化学实验中，达到实验目的后，实验产物被直接弃置排放，造成环境污染和资源浪费.在绿色化学原则指导下，对无机实验教材中的所有实验进行了系统的研究，发现无机化学实验中的很多产物都可以作为后续实验的原料，因此可以把一些孤立的实验首尾连接起来，组成连环式实验.如溶液配制中的稀硫酸可与废铁屑作用制备硫酸亚铁铵，所得产品回收保存，可用作三草酸合铁的合成原料，制得的三草酸合铁(Ⅲ)酸钾又可作为三草酸合铁(Ⅲ)配阴离子组成及电荷数测定实验的原材料.再如由孔雀石制备五水硫酸铜，产物可用作五水硫酸铜铁含量的测定、五水硫酸铜结晶水的测定和差热分析—硫酸铜制备碘酸铜及溶度积测定的原料［9］.

图1 封闭法制备硫酸亚铁示意图Fig.1Schematic digram of making FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O in closed-end way

按同样的思路，可建立一系列连环式实验，不仅可节约试剂，更重要的是可减少实验废弃物的排放量，降低环境污染，实现无机化学实验的绿色化.同时，这种连环式实验可锻炼学生的细心和耐心，培养其系统的思维方法，强化学生理论联系实验实际的绿色化学意识.

3 采用绿色化教学手段

多媒体辅助实验教学是实施绿色化实验教学的最佳选择之一.其优点主要有:①节约成本.利用多媒体进行实验教学，可解决传统化学实验中消耗大量药品和水资源的问题，节约资金，缓解因学生增多造成的经费不足问题.②降低污染.《无机化学实验(下册)》中元素化合物部分性质实验较多，所需试剂较多且污染物的排放量较大，组成又相对复杂，对环境污染较为严重.如CO、H2S、Cl2等气体的制备，砷、铅、铬等重金属盐的性质实验等，产生并排放大量有毒有害物质，对人体健康和生态环境都产生极大的破坏.利用多媒体进行实验，避免了有毒、有害的试剂对人体和环境造成的危害，真正实现了“零排放”、“零污染”的绿色环保理念.③教学效果好.在传统的无机实验教学中，教师要对实验进行讲解和演示，这样不仅耗时，而且重现性较差.利用多媒体技术，可以任意回放实验过程，让学生更好地观察实验现象，对易出错或需要注意的地方，可通过特写镜头详细观察.高敬群等［9］经计算机模拟实验教学探索证明，计算机模拟实验可以极大地提高学生对实验课的兴趣，调动学生的积极性和主动性，让学生在短时间内多角度、多层次地获取信息，使知识变抽象为形象，降低学生理解知识的难度，取得在真实的化学实验中难以实现的良好教学效果.

多媒体辅助实验适合教师做演示实验，既完成了教学内容又培养了学生的观察能力，也适合于某些毒害较大的化学实验，在整个实验过程中既保证了学生安全，又杜绝了环境污染.

4 结语

通过研究可知，要实现无机化学实验的绿色化，需在绿色化学理念的指导下，实行污染预防全过程控制.可通过删除或改进有毒实验、设计综合性实验、开展微型实验、应用多媒体辅助实验教学等现代实验技术和教学方法，建立绿色化学实验的新理念，激发教师实施传统化学实验改革，培养学生的绿色化学意识、环境保护意识和科学创新精神.

［1］闵恩泽.绿色化学技术［M］.南昌:江西科学技术出版社，2001.

［2］梁起，黄华珍，唐建锋，等.“绿色化学”实验的探索［J］.实验技术与管理，2004，21(1):109.

［3］李再峰.绿色化学实验［M］.武汉:华中科技大学出版社，2008.

［4］曾懋华，龙来寿，赵三银，等.高校化学实验教学中药品使用的5R原则探讨［J］.实验室研究与探索，2010(8):117.

［5］孟平安，万平，何国强，等.结合实际工作推广微型实验［J］.化工高等教育，1999(2):25－26.

［6］钱贵晴.微型化学实验与M.L.仪器的研制［J］.化学通报，1999(1):48－51.

［7］税永红.硫酸亚铁铵制备实验的改进［J］.成都纺织高等专科学校学报，1999，16(2):14－15.

［8］袁爱群，褟金彩，张直，等.用绿色化学理念改进硫酸亚铁铵制备实验［J］.化学教学，2004(5):8－9.

［9］高敬群，张向东，邓敏，等.计算机模拟实验教学的探索［J］.化学教育，2001(1):23－24.

Design and Research on Greening of Inorganic Chemistry Experiment

LI Cheng-wei，ZHENG Hui-qin，SI Wan-ling

(Department of Chemistry，Henan Institute of Education，Zhengzhou 450046，China)

According to“5R”rules of using chemicals in green chemistry，take green chemical concepts as guidance，combining with teaching practice，explore greening scheme of experiment teaching of inorganic in each section of teaching process.Put forward a series of experimental methods to settle the question，such as promoting microscale or small experiment，deleting or improving hypertoxic experiment，developing closed-end experiment，designing serial type experiment，and so on.It is important to emphasize greening of experiment teaching approach to cultivate student’s consciousness of environment protection.

inorganic chemistry experiment;green chemistry;“5R”rules;microscale chemistry experiment;hypertoxic experiment;closed-end experiment;consciousness of environment protection

G642.0

A

1007－0834(2011)03－0059－03

10.3969/j.issn.1007－0834.2011.03.020

2011－03－07

河南省教育厅自然科学基金(2009B530004)

李成未(1966—)，男，河南兰考人，河南教育学院化学系副教授.