中学化学实验的绿色化改进

摘  要 化学实验绿色化就是在满足教学目标的基本前提下，将绿色化学的原理和理念融于实验中，对一些设计不合理的实验进行绿色化改进。基于此，在绿色化学理念的指导下对SO2的制备及其性质实验进行改进设计，符合绿色化学的基本要求，便于教师演示和学生亲自动手实验。

关键词 化学实验;绿色化学;SO2;实验室;实验仪器

中图分类号：G633.8    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）21-0116-03

1 前言

《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出，化学实验是研究和学习物质及其变化的基本方法，是科学探究的一种重要途径[1]。然而作为高中化学教学的一个重要组成部分，其开展的情况并不乐观。实验现象不明显、有毒有害、耗时长等，都是教师和学生规避化学实验的重要原因，讲实验、画实验的现象也一直存在于中学课堂中，长此以往，必然将影响教师的教学，也会打消学生学习化学的积极性和兴趣。绿色化学作为一门新兴学科，将其基本理念融入中学化学实验中，对一些设计不合理、现象不明显和有危险性的实验进行改进设计，使其更好地服务于师生，是一件迫在眉睫的事情。

2 绿色化学与化学实验绿色化

绿色化学一词最早是由美国化学会提出来的，又被称为清洁化学、环境无害化学和环境友好化学，它是基于化学学科且具有明确的科学目标和适应社会需求的一门新兴学科[2]。绿色化学主张利用相关的技术和原理从源头上减少污染，其核心内容之一是“原子经济性”，即使反应物中的各个原子都被充分地利用，使其尽可能地转移到目标产物中[3]。原子经济性可以用原子利用率来衡量，一般认为，原子利用率越高，原料的利用率越好。

核心内容之二主要体现在“5R”原则上：

第一是reduction（减量），即减少实验反应物和排放物的量;

第二是reusing（循环使用），即重复使用一些未参与反应的物质，如催化剂;

第三是recycling（回收），即将一些未参与反应的原料和副产物等回收利用;

第四是regenreation（再生），即变废为宝;

第五是rejection（拒绝），即拒绝使用无法再生和一些有毒有害的物质[4]。

化学实验绿色化就是在满足教学目标的基本前提下，将绿色化学的基本原理和理念融于化学实验中，并对一些设计不合理、安全性能低和污染严重的实验内容和仪器进行改进，达到绿色化学的减量、循环利用、回收、再生、尽可能减少或避免有毒有害物质的产生等要求，最大限度地减小化学实验对师生健康和生态环境的不良影响[5]。

3 化学实验绿色化改进的意义

化学实验是学习化学的基础，是化学学习中的一个重要环节，是将化学理论知识和实践有效结合的重要手段，对学生的创新意识、动手能力和科学思维的培养都起着至关重要的作用。而目前高中化学实验的开展情况并不乐观，只注重实验结果而忽视了实验的过程，甚至大多数学生都持有“化学实验室所产生的污染都是微乎其微的”“药品用得越多，现象越明显”的观点。

实验过程的缺失以及学生的错误观念，都不利于绿色化学理念的贯彻。化学实验的绿色化改进，不仅能够更好地培养学生的绿色化学意识，有利于教师进行绿色化的教学，也使得学生意识到化学绝不仅仅意味着污染、危险、爆炸，还有更高层次的化学、清洁无害的化学等待着自己去学习、探究和发展;同时，可以调动学生学习化学的积极性和主动性，培养学生对化学的兴趣，有利于学生主动建构知识和发现问题，为营造轻松的课堂学习氛围和提高课堂教学效率提供良好的范例[6]。

4 SO2的制备及其性质实验改进实例

改进原因  SO2气体的相关性质是高中化学中的一个重要知识点，且有关SO2的制备及其性质实验也是高中化学中一个重要的演示实验。人教版高中《化学》必修一中有关SO2的性质实验是通过收集一试管已经制备好的SO2气体，再将其倒扣在水中来验证SO2的酸性和漂白性的。该实验有很大的不足，例如：已经收集好的SO2气体容易溢出，造成污染;实验药品用量大，造成浪费，不利于贯彻经济化学的原则;实验操作具有一定的难度，在将SO2倒扣在水中的过程中很容易造成气体的泄露;没有尾气吸收装置。基于该实验的不足和SO2的毒性与刺激性，久而久之，SO2气体的相关实验就被视频所代替，不利于教师的教，也不利于学生的学。

通过查阅文献资料发现，对于SO2的制备及其性质实验的改进从未间断[7-8]。如唐生岳在《二氧化硫制备和性质实验的组合设计》一文中，将蓝色石蕊试纸、滴有品红溶液的滤纸、滴有酸性KMnO4溶液的滤纸和滴有Na2S溶液的滤纸贴在燃烧匙上，再将燃烧匙中装入固体Na2SO3，实验过程中通过将燃烧匙中的Na2SO3倒入盛有浓H2SO4溶液的试管中来制备SO2和验证其相关性质。但此装置无法很好地控制反应速率，也无法对比SO2使品红溶液和酸性KMnO4溶液褪色原理的不同。

又如王秀荣在《二氧化硫制备与性质实验的改进与探究》一文中，通过向盛有饱和Na2SO3溶液的具支试管中注射浓H2SO4溶液来制备SO2气体，然后将制备好的SO2气体通入另一支具支试管中来验证其相关性质。他通过SO2可以使pH试纸和鲜花褪色而不能使有色布条褪色来说明SO2具有酸性和漂白性，但是验证其漂白性有选择性的操作过于烦琐，可直接用蓝色石蕊试纸代替这三者;且他将盛有品红溶液的小试管置于盛有酸性KMnO4溶液的具支试管中来验证SO2使二者褪色的原理不同，然而KMnO4溶液颜色较深，将两支试管套在一起，即使颜色有变化，也容易造成视觉误差。

针对人教版高中《化学》必修一中有关SO2性质实验的不足和已有改进的缺点，本文设计一种集SO2气体的制备和性质检验实验为一体的实验装置，实现化学实验的微型化、封闭化和合并化，易于操作，现象明显;并对实验中产生的废气进行妥善处理，符合绿色化学的基本原则;且改进后的实验更利于教师演示，也有利于学生自己动手操作，便于学生更好地理解SO2的相关知識。

实验原理

SO2气体的制备：

H2SO4（浓）+Na2SO3 === SO2↑+Na2SO4+H2O

SO2气体的性质：

SO2+H2O === H2SO3

3SO2+2Na2S === 3S↓+2Na2SO3

5SO2+2MnO4-+2H2O === 5SO42-+2Mn2++4H+

尾气处理：

SO2+2NaOH === Na2SO3+H2O

实验仪器及药品  实验仪器包括试管、注射器、Y型试管、导管、软木塞、铁丝、酒精灯、铁架台、棉花。实验药品包括浓H2SO4、饱和Na2SO3溶液、蓝色石蕊试纸、Na2S、

酸性KMnO4溶液、品红溶液、NaOH溶液。

实验装置图  实验装置如图1所示。

实验步骤及说明

1）检查气密性：将左侧试管中导管口浸没在液面下，微热试管，左边试管中的导管口有气泡冒出;移走热源后，导管末端形成一段水柱，说明装置气密性良好，反之则漏气。

2）在左侧试管中加入2 mL饱和Na2SO3溶液，注射器中吸入2 mL浓H2SO4，塞上软木塞，并在塞子上插入一根细铁丝，铁丝上绑有湿润的蓝色石蕊试纸和沾有Na2S溶液的滤纸。

3）另取一支Y型试管，分别在两侧加入酸性KMnO4溶液和品红溶液，并在试管口塞上一团沾有NaOH溶液的棉花用于吸收尾气，然后用导气管将Y型试管与左侧试管相连。

4）实验开始时将注射器中的浓H2SO4缓缓注入盛有饱和Na2SO3溶液的试管中，并将生成的气体通入Y型试管，充分反应后加热Y型试管，观察现象。

5）反应结束后用注射器向左侧试管中注入空气，使残余的SO2气体完全进入Y型试管中被沾有NaOH溶液的棉花吸收;若担心仍有残余，可用注射器再吸取适量NaOH溶液注入，以保证尾气被充分吸收。

實验现象及结论

1）左侧试管中有气泡产生，说明浓H2SO4和饱和Na2SO3

溶液反应，生成SO2气体;

2）湿润的蓝色石蕊试纸变红但不褪色，说明SO2气体溶于水生成酸性物质，且SO2的漂白性有选择性;

3）沾有Na2S溶液的试纸上有黄色固体生成，说明SO2有还原性;

4）酸性KMnO4溶液褪色，说明SO2有氧化性;

5）品红溶液褪色，说明SO2有漂白性;

6）加热酸性KMnO4溶液后颜色不恢复，但品红溶液加热后恢复原色，说明SO2使酸性KMnO4溶液和品红溶液褪色的原理不同，且SO2的漂白性不能长久维持;

7）冷却后品红溶液又褪色，说明SO2的漂白作用具有可逆性。

改进优点

1）药品减量化：减少化学试剂和仪器的用量，现象明显易观察，操作简单，节约时间，且从源头上减少了污染。

2）装置合并化：提高药品的利用率，节约成本和时间，且在一定程度上减小了污染。

3）装置封闭化：防止产生的SO2气体泄露，低危害、低污染。

4）反应过程的绿色化。

①注射器的使用，能够根据需要及时控制反应物的加入量和加入速度;反应结束后也可利用注射器及时将残留的SO2气体赶出，有利于消除污染。

②用饱和Na2SO3溶液代替Na2SO3固体，增大了反应物的接触面，使反应更加快速和充分，最大限度地利用了原料，且有利于SO2气体的溢出。

5）能量的绿色化：用湿润的蓝色石蕊试纸代替石蕊溶液;用沾有Na2S溶液的滤纸代替Na2S溶液;将SO2使酸性KMnO4溶液和品红溶液褪色的装置合并，这些操作都简化了实验装置且减少费用。

6）尾气处理：用NaOH溶液吸收尾气，防止尾气泄露造成污染，有利于保护环境。

5 结论

化学是一门以实验为基础的课程，设计污染小、易操作、现象明显的实验操作，对于学生理解和掌握化学知识、培养学习兴趣和拓展科学思维都有着极其重要的作用。化学实验的绿色化创新和改进，不仅能够帮助调动学生学习化学的积极性和主动性，也能够轻松实现绿色化教学，让学生更好地掌握绿色化学的相关理念。SO2的制备及其性质实验只是教材中实验改进的一个实例，更清洁、更绿色、更环保的化学需要每一个人的努力。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.

[2]刘丽珍.绿色化学原则背景下化学实验策略分析[J].世界有色金属，2017（1）：17-18.

[3]白阳阳.高中化学教学中渗透绿色化学教育的研究[D].武汉：华中师范大学，2015.

[4]邢季颖.绿色化学理念在高中化学实验中的应用研究[D].辽宁：辽宁师范大学，2013.

[5]焦蓉.高中化学实验绿色化的初步研究[D].上海：上海师范大学，2005.

[6]关宁，张丽霞.绿色化学理念下氨气、二氧化硫的制取及性质实验的改进[J].化学教与学，2016（4）：94-96.

[7]唐生岳，熊言林.二氧化硫制备和性质实验的组合设计[J].教学仪器与实验，2005（11）：53.

[8]王秀荣.二氧化硫制备与性质实验的改进与探究[J].化学教学，2017（10）：49-51.作者：董银萍，上海师范大学硕士研究生，研究方向为化学教学（200234）。