滴定分析化學實驗綠色化教學的探討

劉順珍，韋巖松

(1.廣西師范學院化學與生命科學學院，廣西南寧530001; 2.河池學院化學與生命科學系，廣西宜州546300)

滴定分析化學實驗綠色化教學的探討

劉順珍1，韋巖松2

(1.廣西師范學院化學與生命科學學院，廣西南寧530001; 2.河池學院化學與生命科學系，廣西宜州546300)

分析當前環境污染的現狀，強調在大學化學實驗中培養學生綠色化學觀的必要性。根據綠色化學的理念，探討如何在滴定分析化學實驗教學改進中培養大學生綠色化學觀，以增強學生的環保意識。

滴定分析;分析化學實驗教學;綠色化學觀

“科教興國”是我國的一項基本國策，隨著我國高校的不斷發展壯大，普通本科院校開設分析化學實驗課程的學生人數相應增加，實驗過程中藥品消耗量也大幅增加，從而導致實驗成本增加以及環境污染加重。分析化學實驗不僅要傳授化學知識、培養學生操作技能、實驗技術、分析問題和解決問題的能力，還應當培養綠色化學觀。綠色化學觀又稱綠色化學理念，就是要求人們在社會生產、生活和實踐中，就環境日益惡化、防治關鍵是減少乃至杜絕化學污染源而逐步形成的綠色化學重要性的認識［1］。教師要在教學實踐過程中做化學實驗綠色化的引導者，從不同角度進行實驗研究與改進，并將實驗教學作為實現綠色化學的最佳課堂。在保證教學質量的前提下，如何減少試劑的用量、提高試劑的利用率、減少環境污染、加強廢棄物的回收和處理工作等，已成為迫切需要解決的問題。推進化學實驗綠色化教學改革是解決此類問題的有效途徑。

在大學分析化學實驗教學中，滴定分析屬于常量分析，它具有嚴格的“量”的概念，通常要求稱樣量在0.2 g以上，滴定體積在20～30 mL之間，才能達到一定的精密度和準確度。由于受到這些條件的限制，近幾十年來分析化學實驗教材很少涉及“綠色化學”對傳統實驗的挑戰［2－3］。長期以來，學生做滴定分析化學實驗時都按教材進行操作，一直沿用50 mL滴定管、25 mL移液管等儀器。為了既能滿足滴定分析化學實驗教學目的和要求，又能培養學生的綠色化學價值觀以及嚴謹的科學態度和習慣，使高校大學生成為環境保護的先頭兵，筆者依據綠色化學的核心內容及實質性要求［4－5］，結合多年的教學實踐，針對滴定分析化學實驗部分進行了“綠色化”教學改革，在優化實驗安排、減少試劑的用量、提高試劑的利用率、減少環境污染、加強廢棄物的回收和處理工作方面進行了積極的探索和實踐，為培養學生的綠色化學觀做了有益探討。

1 在大學化學實驗中培養學生綠色化學觀的必要性

在過去的幾十年間，社會的快速進步特別是化學工業的迅速發展，已經對環境造成了嚴重的污染，溫室效應、酸雨、臭氧層空洞、光化學煙霧、“白色污染”等環境公害已經嚴重危及到人類的生存、健康和發展，而這些環境公害的產生都與化學有關。作為新世紀的大學生迫切需要認識到，如何解決在社會發展特別是與化學相關的工業發展中，減少環境污染，實現社會的可持續發展等問題。大學化學教育承擔了將化學專業以及與化學相關專業的學生，培養成為合格的社會有用人才的重任，如何培養大學生的綠色化學觀，已成為高等化學教育的一大重要任務，更是大學化學實驗教學的一個重要組成部分，它貫穿于大學化學教育全過程。然而，要完成大學化學教育，不可避免地要進行許多有可能造成環境污染的化學實驗，因此，對大學化學實驗進行綠色化教學改進，除了能從源頭上阻止污染的產生、減少實驗過程中的污染外，還能使學生養成良好的實驗習慣、增強環保意識、牢固樹立綠色化學理念，還能培養學生從事綠色化學研究與開發的能力，使他們成為未來的“綠色化學家”，把綠色化學理念傳遞給全人類。

2 滴定分析化學實驗綠色化教學改進

結合具體實驗教學，對滴定分析化學實驗部分從整體上進行了綠色化改進。以《分析化學實驗》教材為例［6］。

2.1 優化實驗安排，減少中間環節的藥品用量，實現實驗教學安排“綠色化”

實驗教材在編排上只考慮各個實驗的獨立性，基本上沒有考慮現代環境保護的要求。在滴定分析實驗中，每次實驗都要求將滴定管、移液管潤洗三次，潤洗后的溶液變為廢液，同時，每次實驗后剩余的溶液也成為廢液。對于內容相關的幾個實驗，如果各個實驗獨立進行，勢必造成廢液處理工作量的加大和環境污染的加重。對原教材獨立進行的實驗，依據其實驗內容的相關性進行組合，將內容相關的幾個實驗安排在一起進行實驗，如:①NaOH標準溶液配制和濃度的標定實驗與銨鹽中氮含量的測定(甲醛法)實驗組合;②HCl標準溶液配制和濃度的標定實驗與混合堿的分析(雙指示劑法)實驗組合;③EDTA標準溶液的配制和標定實驗與鉛、鉍混合液中鉛、鉍含量的連續測定實驗以及水的總硬度的測定實驗組合;④高錳酸鉀標準溶液的配制和標定實驗同高錳酸鉀法測定過氧化氫的含量實驗組合;⑤Na2S2O3標準溶液的配制及標定實驗同間接碘量法測定銅鹽中的銅實驗組合。這樣，既節省了時間，又減少了實驗藥品用量，同時還減少了環境污染，更在實驗教學中培養了學生的環保意識和綠色化學觀，可謂一舉多得。

2.2 藥品使用方面的綠色化教學改進

滴定分析化學實驗中，有些實驗廢棄物對環境污染嚴重;有些實驗所用藥品價格昂貴。為了減少污染、降低實驗成本，有必要從藥品使用方面對這些實驗進行綠色化改進。

鉛、鉍混合液中鉛、鉍含量的連續滴定實驗中存在重金屬鉛和鉍，有汞法測定鐵礦石中鐵的含量和無汞法測定鐵礦石中鐵的含量實驗中用到K2Cr2O7，這幾個實驗涉及到鉛、鉍、汞和鉻的污染問題。結合這幾個具體實驗，在開始實驗前首先向學生介紹重金屬元素污染的特點:一是在生物體內積累，其毒性隨價態而異，且潛伏期長;二是它們不能被生物降解，故一旦污染了水體和土壤，就很難治理。因此應該采取有力的措施控制污染源。如何實現綠色化實驗，減少環境污染呢?引導學生進行思考，可能的途徑有:尋找無毒試劑替代;盡量減少試劑使用量;將毒性大的價態轉化為毒性小的價態;廢物循環利用等。

Na2S2O3標準溶液的配制與標定實驗和間接碘量法測定銅鹽中的銅實驗，依據教材的設計，每次學生實驗最低要消耗100 g/L的KI溶液60 mL。可溶性氯化物中氯含量的測定實驗，依據教材的設計，每次學生實驗消耗0.10 mol/L的AgNO3溶液將近150 mL。在實驗進行前，結合這些實驗告訴學生，目前，每克KI的市場價約為4元，每克AgNO3的市場價約為8元，每年有近200名學生做實驗，學生通過計算了解到僅這三個實驗中的KI和AgNO3兩種藥品將近耗費實驗經費高達一萬元。從這些具體數字引導學生思考藥品價格貴的原因，一方面是資源稀缺，另一方面是生產難度大、能耗高等。為了保持社會的可持續發展，節省有限自然資源，減少環境污染，我們應該采取降低試劑使用量、試劑再生循環利用等措施。

在實驗教學中，針對以上幾個實驗，教師和實驗興趣小組的學生以環保為目的，以能保證測定結果的精密度和準確度為標準，確定各實驗中藥品的最低使用量或最低濃度。依據綠色化學實質性要求，針對具體實驗采取了以下綠色化改進措施。

2.2.1使用無毒試劑

用SnCl2－HgCl2－K2Cr2O7法測定鐵礦石中鐵含量簡稱有汞法測鐵，該方法成熟，準確度高。但由于使用了HgCl2，將有害元素汞引入環境，造成環境污染，因此將此方法棄而不用，選用SnCl2－TiCl3－K2Cr2O7無汞法測鐵，從而避免了有汞法測鐵對環境的污染。

2.2.2 盡量減少試劑使用量

(1)在鉛、鉍混合液中鉛、鉍含量的連續滴定實驗和無汞法測定鐵礦石中鐵的含量實驗中，通過摸索采取了將待測試樣用量減少到教材原定用量的一半的措施，即鉛、鉍混合液的用量由教材規定的20.00 mL改為10.00 mL，鐵礦石用量由教材規定的0.2 g改為0.1 g，其他藥品用量相應減少到原用量的一半，實驗同樣能達到精密度和準確度的要求。

(2)針對硫代硫酸鈉標準溶液的配制與標定實驗、間接碘量法測定銅鹽中的銅實驗，摸索實驗條件結果發現:在Na2S2O3標準溶液的配制與標定實驗中，將Na2S2O3的濃度由教材規定的0.10 mol/L降低到0.020 mol/L;將間接碘量法測定銅鹽中的銅實驗中CuSO4·5H2O的稱取量由教材規定的0.50～0.60 g改為0.10～0.12 g;兩個實驗中每個樣中100 g/L的KI溶液加入量改為原來的五分之一，其它所用試劑同比例變為原教材的五分之一。實驗結果能達到常量分析的要求，而實驗成本卻大大降低。

(3)可溶性氯化物中氯含量的測定實驗所用的AgNO3試劑價格很高，且銀屬重金屬元素，不僅資源稀缺而且會造成環境污染。若按教材規定，硝酸銀的用量將很大，不僅造成環境污染，而且實驗成本很高。為此對實驗進行了改進，借用了水質分析實驗中氯離子含量測定的方法，將該實驗的常量分析改為半微量分析。在實驗中，0.10 mol/L的AgNO3溶液改用微量滴定管裝，基準試劑NaCl和含氯試樣的稱取質量改為教材規定用量的十分之一，進行實驗的結果表明，實驗數據基本能達到常量分析的要求。

通過盡量減少試劑使用量，一方面減少了藥品的浪費，另一方面也相對減少了廢棄物的處理工作量、減少了對環境的污染。

2.2.3 加強廢棄物的利用和循環再生利用

在化學實驗過程中產生廢物排放是不可避免的。但是通過重視廢棄物的回收利用，變廢為寶，減少環境污染，可以培養大學生的綠色化學意識和環境保護意識。針對滴定分析化學實驗過程中產生的不同廢棄物，可依據其性質和特點采用不同的處理方式加以利用:

(1)將學生實驗后剩余標準溶液先集中回收，然后再按如下方式加以利用:HCl，NaOH溶液，集中回收后再配置高濃度的HCl，NaOH溶液;KMnO4溶液，調整濃度后可以做定性試劑使用或作為氧化劑用于處理其它廢液;Na2S2O3溶液，作還原劑處理其它廢液。

(2)針對鉛、鉍混合液中鉛、鉍含量的連續滴定實驗，學生實驗后，將廢液進行集中回收，用硫化鈉作為沉淀劑將混合廢液中的鉛、鉍進行沉淀回收得到其硫化物，離心分離后再用稀硝酸溶解硫化物并控制硝酸用量，可得到鉛、鉍混合液，供下次實驗使用。

(3)針對可溶性氯化物中氯含量的測定實驗，將實驗中產生的AgCl和廢液中的Ag+用NaCl溶液轉化為AgCl沉淀并進行離心分離回收，得到的AgCl用濃氨水處理將其轉化為［Ag(NH3)2］+，在［Ag(NH3)2］+溶液中加入過量的氫氧化鈉溶液使其轉化為Ag2O沉淀，分離Ag2O沉淀后加硝酸得到硝酸銀溶液供學生下次實驗使用。

以上廢液的回收和再利用均由學生興趣小組完成，通過對滴定分析實驗中產生的不同廢液進行適當的處理然后再加以利用，節約了有限的自然資源和高校有限的實驗經費，培養了學生的節約意識和環保意識。

2.2.4 加強對廢棄物的無害化處理，達標排放

Cr在水環境中的存在形態主要是三價鉻和六價鉻，針對廢棄的K2Cr2O7廢液中含有毒性強烈的Cr(Ⅵ)，其處理方法就是將毒性大的價態轉化為毒性小的價態。在實踐教學中除了對滴定完后剩余的K2Cr2O7溶液進行再利用外，還啟發學生利用Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)在不同氧化還原條件下可以互相轉化的原理進行無害化處理。將廢酸、廢鐵與含鉻的廢液混合放置數日，在酸性條件下將Cr(Ⅵ)轉化為Cr(Ⅲ)，廢液由黃色變為灰綠色后，加入消石灰使Cr3+轉化為Cr(OH)3沉淀，分離沉淀，達標后排放廢液。

通過對廢液的無害化處理，使學生懂得在今后的學習和工作中，要特別重視廢棄物的有害性，對于有害物質必須先進行無害處理，然后才能向大自然排放，這樣才能做到保護環境。

3 結語

滴定分析化學實驗綠色化教學改進實踐表明:進行綠色化教學改進有利于學生實驗技能的培養，有利于學生創新能力的培養，有利于學生綜合素質的提高;通過“綠色化學”在滴定分析實驗教學中的滲透，能激發學生學習化學的興趣，能增強學生的環保意識，樹立牢固的綠色化學觀。同時，實驗所耗藥品經費比教學改進前大大減少，既提高了資源利用率，節約了開支，又實實在在地降低了化學實驗對環境的污染。

［1］馬志成.在高中化學實驗中培養綠色化學觀的教育探索［J］.天津師范大學學報(基礎教育版)，2009，10(1):44－47.

［2］張康華，曹小華，謝寶華，等.化學實驗教學與綠色化學教育［J］.實驗室研究與探索，2010，29(5):123－125，139.

［3］徐常龍，曹小華，劉新強，等.綠色化學實驗設計初探［J］.實驗技術與管理，2009，26(11):137－139.

［4］姚寧.綠色化學的應用與發展［J］.化學工程與裝備，2008，(4):111－113.

［5］曾懋華，龍來壽，趙三銀，等.高?；瘜W實驗教學中藥品使用的5R原則探討［J］.實驗室研究與探索，2010，29(8):343－345.

［6］華中師范大學，東北師范大學，陜西師范大學，等.分析化學實驗(第三版)［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［責任編輯劉景平］

Exp loration into the Green Chem istry Teaching in Titration Analytical Chem istry Experiments

LIU Shun－zhen，WEIYan－song
(1．College of Chem istry and Life Science，Guangxi Teachers Education University，Nanning，Guangxi530001;2．Department of Chem istry and Life Science，Hechi University，Yizhou，Guangxi546300，China)

In view of the current situation of environment pollution，it is necessary to cultivate college students’green chemistry concept through the chemical experiments．According to the concept of green chemistry，the cultivation of college students’green chemistry concept is explored and discussed in teaching reform of titration analysis chemistry experiments in order to enhance college students’consciousness of environment protection．

titration analysis;analytical chemistry experiment teaching;green chemistry concept

book=0,ebook=78

O652.1

A

1672－9021(2012)02－0029－04

劉順珍(1966－)，女，廣西桂林人，廣西師范學院化學與生命科學學院實驗師，主要研究方向:分析化學實驗教學。

2012－02－17