建立綠色化的高中化學實驗及實驗教學新體系

摘要：根據上海市高中化學新教材，估算了高中各年級所有化學實驗可能產生污染物的種類和數量，介紹了部分污染物的毒害性；比較具體地討論了高中化學實驗綠色化的主要策略和措施。

關鍵詞：綠色化學；化學實驗；高中化學；化學實驗綠色化

文章編號：1005－6629(2007)11－0006－03中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：C

1 化學實驗綠色化的意義

“化學實驗綠色化”即化學實驗潔凈化，是將綠色化學的基本原理和理念應用于化學實驗中的一項技術，是對傳統化學實驗進行創新的結果。化學實驗綠色化的目的是改變“只要有化學實驗就會產生環境污染”的現狀，要求在滿足教學要求的前提下，使設計的化學實驗徹底避免或盡量減少使用和產生有害物質，從源頭上消除化學實驗對環境和師生健康的負面影響。為此，需要從綠色化學的角度研究化學實驗，盡量減少化學實驗對環境的污染。對于傳統化學實驗中那些對環境有所破壞的實驗，在保證教學要求的前提下，應盡可能地尋找新的對環境友好的實驗來代替；對于傳統化學實驗中對環境友好的實驗，則應該繼承。

2目前高中化學實驗中的黑色威脅

盡管教材編寫時已經注意減少對環境的污染，但是不少化學實驗還是會產生一些廢水、廢氣和廢渣。表1以上海科技出版社出版的教材為例，估算了高中各年級化學實驗污染物產生的數據：

表1 各年級有毒害性實驗數據估算

可以發現，有一半以上的實驗對環境存在污染。這些實驗產生的污染物的數量如何呢？表2匯總了高中三年化學實驗產生的各種污染物分析估算數量，對于一些毒害性輕微物質或難以確定的物質，在種類右上角標注“*”。

表2 各種污染物總量估算

這些數據只是根據教師在一個班級的演示實驗量，按照實驗要求計算得出的廢棄物數量，并且基本都假設反應進行完全，忽略副產物，沒有考慮學生實驗產生的廢棄物，所以只是最低量的估算。

全國數以萬計的高中化學實驗室幾乎每天都在排放著總量不可忽視的污染物，成了一個個小型污染源。中國的水資源約為世界人均水平的1／4，地下水污染問題已經十分嚴重。大部分學校的實驗廢液和部分廢渣通過下水道直接排放流入江河、水塘或者滲入地下，會加重水污染使缺水的狀況雪上加霜。其中的毒害廢物最終會進入生態系統，破壞環境，并且通過食物鏈傳遞、富集，影響人類自身的健康。而且，化學實驗所用的試劑品種多，排放的污染物成份復雜，處理起來比較麻煩。學生學到的化學知識也許會遺忘，但是化學實驗產生的污染卻會在很多年后仍損害我們生存的環境。

3 高中化學實驗綠色化的主要策略和措施

3.1盡量避免選擇和使用有毒害的反應物和反應助劑

例如，在制乙烯時用氧化鋁代替濃硫酸，可以有效地減少硫酸的污染。由于工業技術綠色化可以降低成本，提高利潤，所以它的發展更加迅速。在化工生產中不斷出現新的工藝方法和新型的催化劑，可以成為高中化學實驗綠色化的借鑒。應該注意把工業成果應用于實際教學，既加強理論與實際的結合，同時也使化學實驗更加綠色化。

在實驗中可以借助小試管、點滴板、多用滴管、井穴板等微型化的的儀器，控制學生滴加藥品的用量，減少藥品的使用。例如如果用小試管做乙烯的制取實驗，可以節約乙醇，減少濃硫酸的排放；利用液體在濾紙上用量少、擴散快、面積大的特點作三價鐵離子的檢驗等有明顯顏色變化的實驗；用黑色6穴點滴板做硫酸根離子、氯離子的檢驗實驗，減少藥品使用；在保證現象的前提下盡量降低反應溶液濃度；組合實驗，通過實驗的試紙化，減少反應物的使用及有害物的排放。

還可以采用替換其他反應物的方法來減少污染。對于一些會產生毒害物的實驗，我們可以通過改變另一反應物，或者使有毒害性的物質充分反應或被吸收，來達到既保證實驗效果又減少污染的目的。例如，在乙炔性質系列實驗中，若采用NaOH溶液作為反應物，就不會有硫化氫、磷化氫、砷化氫等氣體溢出。雖然改動很小，卻能夠使實驗綠色化。

3.2 制定控制使用的試劑目錄

對于不得不使用的、無法替代的有毒害物質，應該盡量控制使用。所謂“控制使用”包括：禁止使用；嚴格規定在什么情況下才能使用，并且限制用量，盡量不用；對使用后的剩余物質提出回收、處理要求，規定回收處理的方法。

應該控制使用的試劑（或物質）有：酸性腐蝕品：鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、甲酸、乙酸等；堿性腐蝕品：氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋇、堿石灰、氨水等；有毒品和劇毒品：四氯化碳、溴、苯酚、苯、甲苯等；有害品：五氧化二釩、硝酸汞、硫酸銅、醋酸鉛、溴、溴水、氯化鐵溶液等。對于這些物質，應該明確說明控制使用的原因及回收處理的要求和方法。這樣在使用藥品時就可以有意識地控制使用。例如，對于檢驗碘單質的實驗，應該用淀粉的顯色反應來檢驗，盡量不使用有毒的四氯化碳的萃取實驗來檢驗碘單質，減少環境污染。

3.3有毒害物質的零排放和后處理

對于會產生毒害物的實驗，應該在實驗方案中注明無害化排放和后處理方法，制訂適當的回收原則。對于難于處理的物質，可以采用集中處理的方法。例如對于苯的硝化實驗產生的硝基苯這類物質，各區或市教育局應該有專人負責統一回收利用，予以集中處理，或聯系廠家，作為原材料，不能把它們往垃圾堆、下水道一扔了之。

有些實驗的生成物只要經過簡單處理就可以作為其他實驗的反應物。為了物盡其用，可以設計實驗物質使用的“網絡”，充分利用實驗藥品，減少廢物排放，降低實驗成本。

有的實驗只要稍做改進就可以做到回收試劑。例如萃取實驗后用較濃的NaOH溶液進行洗滌、分液，最后又重新得到的四氯化碳；鐵和硫反應生成硫化亞鐵，可以作為制取硫化氫氣體的原料；做催化劑用的二氧化錳可以回收為制氯氣的原料；在電解質和非電解質的實驗中，所用的固體可以用來做其他的定性實驗，蔗糖可以做濃硫酸脫水實驗的原料，硝酸鉀固體可以做焰色反應；做溶液的導電性實驗所剩的藥品，可用于一些簡單的定性實驗。還有結晶和重結晶后實驗剩余的硫酸銅溶液，測苯酚溶解性實驗剩余的苯酚等等，都不能為了方便而一倒了之。回收一些實驗后仍然較純的藥品，既節約經費，又利于環保。

3.4實驗儀器和實驗裝置的選擇、改進、設計和使用

（1）合并實驗裝置減少環境污染

把氣體的發生裝置與氣體和其他物質的反應裝置合并起來，可以減少氣體的外溢，有效地減少環境污染。例如二氧化硫和硫化氫氣體反應的實驗裝置改進。二氧化硫和硫化氫兩種氣體制取方法都是用固體與液體反應，反應都不需要加熱，而且反應物都用到鹽酸。由于兩種氣體都是有毒害的氣體，所以反應中應該盡量做到不泄漏氣體。如果按照傳統方法先分別制取二氧化硫和硫化氫，然后混合二氧化硫和硫化氫，必然造成氣體的泄漏。為減少氣體的泄漏污染，用一個小的空塑料礦泉水瓶，在其中放入小試管，塑料瓶、小試管中分別裝入Na2SO3和FeS，然后迅速在其中分別加入鹽酸，在塞橡皮塞前，擠壓塑料瓶，排出部分空氣，使瓶子癟掉，然后再塞橡皮塞。我們可以看到，開始產生的H2S和SO2氣體使塑料瓶鼓起來，然后隨著反應的進行又癟下去。最后在其中加入氫氧化鈉，吸收過量氣體或者中和未反應的鹽酸。

只要不拘泥于書本中現成的實驗方案，在實驗中多動腦子，尋找規律，不斷創新，大膽探索，同時注意收集利用別人的好經驗，很多會產生毒害性物質的實驗也能變成綠色化的實驗。

（2）利用循環裝置實現封閉化

對于有毒有害氣體的制備，可以采用串聯實驗裝置，循環封閉化實驗的方法，既可以由單人進行連續操作，又能夠減少有毒害性氣體的泄漏。

（3）利用某些簡單器具改進實驗

利用膠頭滴管、注射器和使實驗試紙化，既能使反應在密閉體系內進行，又能減少實驗的藥品消耗和實驗次數，節約實驗時間。很多會產生毒害物質的實驗都可以參考這種設計思路進行設計。例如銅與稀硝酸反應演示實驗：取一只無色磨口滴瓶，將一根細銅絲插人膠頭滴管中，用膠頭滴管吸滿稀硝酸（6mol/L）， 這時可觀察到膠頭滴管中的稀硝酸和銅絲開始反應。將膠頭滴管迅速插入滴瓶中，銅絲表面有氣泡產生，溶液開始變藍色，且滴管中的液體滴入滴瓶內，滴管內液面逐漸下降，液面上氣體為無色。當滴管內液體排空后，滴管內迅速出現紅棕色氣體。與此類似，很多實驗都可以采用這種改進方法。

3.5 防害、消害裝置與設備的選擇、改進、設計和使用

作實驗時首先要對毒物的性質、中毒的機理進行了解，制定有效的防毒害措施。在化學實驗中要嚴格按規章制度進行操作，例如保持室內通風、配戴相應的防護用品、無限稀釋排放有毒物品等。為此，實驗室中應該配備基本的防害、消害裝置與設備。

在通用教室中作隨堂化學實驗的情況越來越多，而通用教室中一般沒有防害、消害裝置。因此，根據高中化學實驗的特點和通用教室的布局特點，設計、配備活動式通風裝置是很必要的。由于通風櫥體積大、占地方，平時實驗時不可能移去，所以一般實驗室配備較少，學生實驗時只能靠排風扇和窗戶通風。折疊式移動通風裝置在不使用時占據的體積小，移動和使用都比較方便，可以防止有毒害物質對師生的危害。為了防止有毒害物質的轉移，還可以在通風櫥的排風口設計專門的過濾吸收裝置，統一處理溢出的有毒害的物質。

化學實驗綠色化會給學生帶來終身的影響，環境質量與學生及其家人的生活息息相關，只有教師、實驗員、學生、學校、社會共同努力，才能夠早日真正實現化學實驗的綠色化。

中學化學實驗是一個系統，學生、教師、實驗、教學內容及其載體，以及實驗儀器、試劑、設備等要素共同組成了化學實驗教學系統。要解決好高中化學實驗綠色化問題，需要從化學實驗系統和化學實驗教學系統的各個要素出發，從各要素的相互聯系、相互作用出發，系統地進行研究、設計和實施，即需要在系統觀點指導下，用系統工程方法來解決。

參考文獻:

[1]李金主編．有害物質及其檢測[M]．北京：中國石化出版社，2002.

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[3]胡國杰．中學化學實驗室污染狀況調查及防治措施[J]．化學教學，2004(11)：9.