大学化学实验的绿色化探讨

2017-03-03刘红宇张长水杜西刚柴元武

求知导刊 2016年36期

关键词：绿色化学

刘红宇+张长水+杜西刚+柴元武

摘要：文章通过建立绿色化学思想，结合农、林、医、药、食品等专业的特点，以开设符合专业要求的特色实验、推广实验微型化、实行串联实验、开设多媒体实验等多种途径，探讨了在普通综合性大学中实行大学化学实验绿色化的方法。

关键词：大学化学实验；绿色化学；串联实验

大学化学是高等学校非化学专业开设的一门先行公共课。一般针对材料、药学、农林、食品等专业开设，讲授化学的基本知识、基本技术和基本方法。

大学化学实验是配合大学化学学习而单独设立的一门实验课，目的是使学生能够掌握化学实验的基本技能，无机物的制备、提纯和表征方法及弱酸解离常数的测定、物质旋光度的测定，以及各种常规仪器的原理及使用的基本技能。

河南科技大学（以下简称“我校”）是中西部一所普通综合性大学，在开设大学化学实验过程中，使用了对环境有污染的金属离子如银离子、钡离子、钴离子、镉离子和有机试剂乙醇等。由于实验开课班级较多，实验人数较大，一方面会产生大量的环境污染物质；另一方面，有些试剂本身价格昂贵，会浪费大量的教学资源。因此，在大学化学实验中，引入绿色化学概念，合理使用化学试剂，对节约资源、避免污染环境具有重要意义。

绿色化学又称环境无害化学，其核心内涵是在反应过程和化工生产中，尽量减少或不产生对人类健康和生态平衡有害的各种物质。

将绿色化学概念引入大学化学实验体系，已经有多所兄弟院校进行过尝试[1][2]。由于经费所限和其他各种原因影响，我校还不能全盘采取大学化学实验绿色化措施。如引入特殊的微型实验仪器，开设专门实验机房用来开展计算机虚拟实验等。本文结合学生的专业要求，探索在一般综合性大学中实现大学化学实验绿色化的方式和方法。

一、结合学生专业要求，优化实验项目

在综合性大学中，大学化学实验的开设专业较多。我校大学化学实验对象主要为农、林、医、药和食品、生物专业的学生，因此，我们结合学生专业需求，精心挑选污染少、锻炼学生操作能力的实验项目。

过滤、滴定、萃取、重结晶、常压蒸馏等是必须掌握的基本操作技能，因此我们在上学期开设了粗食盐的提纯实验[3]。作为大学化学实验的第一个实验项目，粗食盐的提纯实验只需要提供粗食盐和蒸馏水以及加热、过滤装置，实验过程中无毒害物质，却能够锻炼学生过滤、提纯等基本操作技能。也开设了基于酸碱平衡的滴定实验。如标准溶液的配制和比较滴定，标准溶液的标定和混合碱的测定实验，这些实验符合农、林、医、药专业的实验技能要求，实验药品均为常见无污染药品。

下学期开设了锻炼学生萃取操作能力的实验：从茶叶中提取茶叶碱和锻炼学生重结晶操作能力的实验，如苯甲酸的重结晶，回收的苯甲酸可循环使用。这些实验无环境污染，符合学生专业要求，几乎不产生对人类健康和生态平衡有害的物质，符合绿色化学理念。

二、尝试实验微型化，分类收集实验废液，渗透绿色化教育

所谓微型化学实验，就是以尽可能少的化学试剂来获取所需化学信息的实验方法与技术。虽然微型化学实验所需的化学试剂用量一般只为常规实验用量的几十分之一乃至几千分之一，但其效果却可以达到准确、明显、安全、方便和防止环境污染等目的[4][5]。为了实施微型化学实验，一般需要有专门购买的微型化学实验装置和微型化学仪器。限于财力，我校没有将所有的大学化学实验微型化，而是尝试减少部分试剂昂贵、有重金属污染的实验药品使用量，使实验微型化，这也为中西部普通高校的实验微型化探索出新的道路。尽管无微型实验仪器，但教师应遵循绿色化学实验思想，在保证实验效果的前提下，探索减少化学药品使用量的方案。如在沉淀反应与沉淀平衡试验中，我们没有引入特殊的微型化实验仪器，只是把教材中规定的20mL大试管换为5mL小试管，大大减少了沉淀反应所需重金属离子的使用量。

因为没有接受过化学实验的锻炼，大多数学生的化学实验技能比较差，不仅仅体现在实验操作动作不到位，而且体现为不太明确化学试剂添加量对实验结果和环境的影响，因此需要指导教师从基础操作、基本原则讲起。

每一次实验，除讲解实验目的、原理和实验步骤，还应特别注意给学生灌输绿色化学思想。比如，使用试剂瓶时，大部分学生把胶头滴管错误地插入试剂瓶液面下；药品鼓泡后，把满滴管的药品加入到反应体系中。

指导教师不仅应该指出在试液中鼓泡的错误操作，还应该说明绿色化学的理念，如指示剂的添加量一般是2～3滴，而液体化学试剂按照要求的毫升数添加。如需要约1mL的液体药品，一般使用胶头滴管大约是20滴，切忌把一滴管的试剂都添加进去。

又如，在讲解酸碱滴定操作时，指导教师往往讲解滴定管洗涤的步骤：自来水洗涤，蒸馏水洗涤和待测液润洗。但是，如果不着重给大家灌输绿色化学思想，有些学生会加入大量的待测液润洗，甚至有的学生加入整整一滴定管的待测液润洗，从而造成试剂的浪费。

作为初次进行科学实验的一年级新生，实验结束后，有些学生时常把火柴杆、滤纸等废弃物丢到水槽，把液体废液直接倒在水槽中，把破损的玻璃仪器直接丢进垃圾桶。

作为实验教师，应该指导学生培养将实验产生的垃圾进行分类收集的良好理念[6][7][8]。如为了避免破损的玻璃制品割伤垃圾清运人员，已破损的玻璃制品要放入专门的垃圾桶；有机废液也要单独收集至废液缸，然后统一焚烧；含有重金属的无机废液经收集后再经絮凝操作，待重金属离子沉淀后再排放废液。明确实验过程中产生的废液，不能直接将废液排放到下水槽中，以免污染环境。

三、开展串联实验，实行绿色实验教学

串联实验就是通过调整实验顺序，尽可能地对实验产物再利用，使上个实验的产物成为下个实验的原料[9][10]。我们在大學化学实验教学中也探索并实施串联实验。如首先开设Fe（OH）3的胶体制备实验，随后开设半透膜的制备与Fe（OH）3胶体纯化实验，最后开设电泳实验，这样，三个实验就成为串联实验。第一个实验的产物是Fe（OH）3胶体，它是第二个实验胶体纯化的原料，而其纯化后的Fe（OH）3胶体又是第三个实验即电泳实验的原料，从而提高了试剂使用率，降低了实验成本，可减少废物对环境的污染。

串联实验的第二个例子是滴定反应实验。首先开设第一个实验：酸碱溶液的配制。学生先配制近似浓度的NaOH和HCl溶液。第二个实验是酸碱溶液的比较滴定。学生学习滴定操作方法，得出第一个实验所配制酸碱溶液的比较关系。第三个实验是NaOH溶液的标定。学生通过基准物质邻苯二甲酸氢钾配制邻苯二甲酸氢钾标准溶液，然后用其标定第一个实验配制的NaOH溶液，继而通过第二个实验的结论，也就是酸碱溶液的比较关系，得到HCl溶液的准确浓度。第四个实验是混合碱的分析，使用HCl标准溶液，测定混合碱的组成。通过这样四个串联实验，学生不仅学到了标准溶液配制、酸碱滴定等实验技能，也有效地激发了学生的实验兴趣和创新意识，同时加深了大家对绿色化学思想的感悟，达到了理想的实验教学效果。

四、引入现代化教学手段，开展多媒体实验

大学化学实验绿色化探索文献中，不乏开展多媒体实验教学的报道[11][12][13]。限于开发经费，我们没有建设专门的机房，而是尝试开设一个多媒体实验，涉及大学化学教材的“物质结构基础” 这一章。在讲解核外电子运动状态近代描述时，面对原子结构、电子轨道如球形的s轨道、哑铃型p轨道与花瓣形的d轨道知识，学生普遍反映难以理解。

基于此，我们搜集了国内外关于核外电子运动轨道形成过程的图片、动画以及模型，制作为电子实验演示课件，供学生浏览观看。同学们利用业余时间在网上预约时间，然后在实验室登记，完成该实验项目。这种多媒体实验教学手段的应用，不仅没有用到化学试剂，达到了绿色化学实验的目的，而且把抽象的理论内容形象化，贴近大学化学理论教学的教学难点，提高了大学化学理论课的教学质量。

五、结束语

大学化学实验由于选课人数较多，化学试剂使用量较大，因而开展绿色化教学探索迫在眉睫。本文中总结了我们在大学化学实验绿色化探索的几种做法，以期对其他兄弟院校有所帮助。实施大学化学实验的绿色化，核心是给学生灌输绿色化学实验的思想，不仅可以有效降低大学化学实验对环境的危害，同时也给学生留下了深刻印象，对保护环境意义重大。

参考文献：

[1]杨连利，郭乃妮.对化学实验教学绿色化的探讨[J].大学化学，2007，22（4）：18-20.

[2]常艳香.大学化学实验绿色化初探[J].知识经济，2012（12）： 158-159.

[3]王敏，李军，杨瑞，等.大学化学实验绿色化评价与措施[J].科技咨询（决策管理版），2009（9）.

[4]李军，许俊强，郭芳.基础化学实验的绿色化设计与实践[J].重庆理工大学学报（自然科学版），2013（8）：58-61.

[5]王宏.大学普通化学实验绿色化的探讨[J].山西农业大学学报（社会科学版），2008，7（4）：439-442.

[6]陈创前，于春侠，康洁，等.基础化学实验室“三废”的绿色化回收与处理[J].广东化工，2014，41（23）：149.

[7]杨守洁.论大学化学实验实施绿色化教学的可行性[J].广东化工，2014，41（18）：193-194.

[8]杨志兰.浅谈高校化学实验室的科学绿色化管理[J].实验科学与技术，2013，11（3）：142-144.

[9]解从霞，张振英，罗世忠，等.研发基础化学串联實验推进基础化学实验绿色化[J].实验室研究与探索，2010，29（12）：111-113.

[10]赵丽娜，陆国志.高校化学实验中绿色化学的研究[J].实验技术与管理，2013，30（2）：179-181.

[11]徐玲，王艳丽，王晓红.多媒体在化学实验绿色化中的作用[J].中国现代教育装备，2012（5）：15-16.