中學化學微實驗與環境保護教育

【摘 要】以銅與稀硝酸反應實驗的綠色化設計為例，詳細講解化學微實驗的設計方法。減少化學實驗對環境的影響，并以此培養學生綠色化學思想，提高學生環境保護意識。

【關鍵詞】中學化學實驗品 綠色化學 微型實驗 環境保護

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）02B-0075-02

綠色化學理念，要求人與環境能夠和諧、持續性地發展。要減少中學化學實驗對自然環境的污染，必須“以預防污染”為主而不是以“治理污染”為主。廣大化學工作人員和中學化學教師應該形成共識并付諸行動，保護環境，開展綠色化學教學。

何為綠色化學呢？綠色化學又稱環境無害化學、環境友好化學、清潔化學。教育改革，其必然趨勢是由應試教育轉為素質教育，而環境保護的教育納入正規的教育體系是人與環境能夠和諧、持續性發展的必然選擇。我們經常講凡事“從娃娃抓起”，也就是先入為主的思想，同樣，環境保護意識也應該從小培養。中學階段學生開始系統地學習化學知識，這就需要將綠色化學思想和環境保護意識貫穿于中學化學教育，尤其是中學化學實驗教學的全過程。中學化學實驗過程包括實驗設計（如實驗目的、實驗儀器和藥品、實驗步驟）、準備工作、實驗操作過程、善后工作等，這些都應以綠色化學新理念為指導思想，使學生慢慢形成具有環境保護意識的人，并影響其周圍的人和后代。因此我們要不斷地進行研究，對中學化學實驗裝置不斷地加以改進，對實驗方法不斷地創新，優化實驗設計，以達到現象明顯、效果良好、控制排污量，提高學生環保意識，最終達到保護環境的目的。

中學化學這門學科最大的特點就是以實驗為主，實驗在化學教學中是一個不可或缺的環節，占有重要地位。中學化學教材中的常規實驗，包括教師演示實驗和學生實驗，超過100個，大多為多年沿用而未作改進，部分實驗設計存在不合理的現象，它們僅僅是為了教學需要而忽視了環境保護，未能將實驗中涉及的有害物質在實驗方法上進行科學、合理地改進。在如此眾多的實驗中，其中涉及到的化學藥品不計其數，而全國各地的中學每天都有數以萬計的中學生在做各種各樣的化學實驗。再說，化學實驗很多情況下總會有新的物質生成（氣體、液體或固體物質），這些產物中不乏有毒或有害物質，點點滴滴的累計，其危害不容忽視。如果使整個實驗設計朝著微型化方向發展，那么就可以充分發揮微型實驗“多、快、好、省、少”的自身優勢和教學特點，從而在教學中發揮其積極的優勢和作用。微型實驗是在創新思維、環保觀念和面向全體學生的教育思想指導下的實驗方法與技術，是更為成功的教學實踐。它最大的特點體現在一個“微”字——實驗藥品微量化及實驗儀器微型化，它能有效減少試劑用量，降低實驗排廢量，減少環境污染，縮短實驗時間，而且安全可靠。

全國各地每年都會舉辦實驗創新大賽，筆者在教學過程中對中學化學實驗裝置也不斷地加以改進，努力挖掘微型實驗，以減少、制止污染物的產生、排放。在課堂教學中滲透綠色化學新理念和環境保護意識，又注重實驗現象明顯、實驗效果良好。以下是筆者在教學過程中以綠色化學新理念為指導思想，對銅和稀硝酸的反應實驗進行綠色化設計并成功實踐的例子。2008年9月，該實驗設計在廣西高中化學實驗創新大賽中榮獲一等獎，同年 11 月該實驗設計在全國高中化學實驗創新大賽中也榮獲一等獎。

硝酸是高中化學大綱教材第二冊第一章《氮族元素》第三節介紹的一種氮元素的重要化合物，教材用如下圖1-1演示實驗展示稀硝酸的強氧化性。

該實驗存在以下不足：

1.實驗現象不明顯，無法證明稀硝酸的還原產物為NO氣體。因為反應試管中存在空氣，生成的NO氣體會立即與空氣中的O2 反應而變成紅棕色的NO2 氣體，所以學生看到的是紅棕色氣體，而不是無色氣體。

2.環保設計不科學。有毒氣體NO氣體為不成鹽氧化物，不能與NaOH溶液直接反應而被吸收，從而會造成空氣污染。

針對以上不足，筆者經過反復實踐，最后提出以下創新改進方案：

1.將實驗改在“無氧”的環境中進行，使學生能看到無色的NO氣體：

3Cu+8HNO3 =3Cu（NO3）2 +2NO↑+4H2O

2.在上述實驗的基礎上，補充NO氣體的性質實驗：

（1）NO不溶于水 。

（2）常溫下易與空氣中的O2 化合，生成紅棕色的NO2 ，其反應為：

2NO+O2=2NO2

（3）NO2 尾氣處理 。NO2 為酸性氧化物，可用堿液吸收，原理如下：

2NO2 +NaOH=NaNO3 +NaNO2 + H2O

為此，改進裝置設計如圖1-2進行實驗（儀器和藥品見標注）。實驗如下：

（一）實驗目的

1.驗證稀硝酸的強氧化性及其還原產物為NO。

2.驗證NO極易被空氣氧化成NO2 。

3.驗證NO難溶于水的性質。

（二）實驗儀器

50ml注射器 輸液針 流量調節器 燒杯 鐵架臺（帶鐵夾） 鑷子 木塊

（三）實驗藥品

銅片 5 mol/L的稀硝酸 NaOH 溶液 棉花

（四）實驗步驟

1.如改進裝置圖1-2所示，預先在注射器中放兩小塊銅片，將活塞（下端經過處理，即用黑色油性筆染色，以利于觀察實驗過程中活塞向上運動）推到底部。

2.吸入6mL 5mol/L硝酸，套上輸液針，排凈殘留的空氣，確保本實驗是在“無氧”的環境中進行。調節流量為零，然后將輸液針下端插入NaOH溶液中進行液封。

3.待產生一定量氣體（約5mL）后，將流量調到最大，讓所產生氣體的壓力在推動活塞向上運動的同時，也可以將注射器中的溶液全部排入燒杯中，使反應自動停止。將墊在燒杯下方的木塊取出，使輸液針下端與NaOH溶液脫離，然后吸入約2倍NO體積的空氣。

3.待產生一定量氣體（約5mL）后，將流量調到最大，讓所產生氣體的壓力在推動活塞向上運動的同時，也可以將注射器中的溶液全部排入燒杯中，使反應自動停止。將墊在燒杯下方的木塊取出，使輸液針下端與NaOH溶液脫離，然后吸入約2倍NO體積的空氣。

4.在燒杯底部重新墊上木塊，使輸液針下端插入NaOH溶液中，將注射器中的NO2 氣體全部緩緩壓入NaOH溶液中吸收，實行尾氣處理。

縱觀整個實驗，有以下四大優點：

1.實驗器材的選用有創新，且簡單易得，操作簡便、流暢。

本實驗所用儀器非常簡單。下面是尾氣吸收裝置：NaOH溶液;上面是氣體發生裝置—— 50mL 注射器，預先已放入銅片，活塞下端也經過了處理，即用黑色油性筆染色，有利于觀察實驗過程中活塞向上運動。注射器下面連著輸液針（事先套上一個流量調節器，通過移動滑輪，可以調節流量，讓產生的氣體將反應液壓出，從而使反應自動停止），針尖處插入一小團棉花，用來吸收排空時可能排出的少量酸液。

本套裝置利用了啟普發生器原理，其中流量調節器的使用為一大創新——有利于控制反應的進行：將流量調為零時，生成的氣體能推動活塞向上運動;將流量調到最大時，可以清楚地看到生成的氣體在推動活塞向上運動的同時，也能將反應液緩緩壓入燒杯中，使反應自動停止，從而證明NO難溶于水。

2.實驗現象明顯，有利于驗證實驗目的。實驗中，既能得到無色氣體，又能清楚地看到無色NO遇空氣變紅棕色的過程，顯而易見驗證了NO極易被空氣氧化成NO2，同時也驗證了稀硝酸具有強氧化性及其還原產物為NO。

3.實驗方案環保，體現綠色化學理念。即實驗過程中沒有向空氣排放有毒氣體，而是用NaOH溶液完全吸收NO2，避免空氣受到污染。

4.實驗的可行性強，易于推廣。本套裝置可以微型化處理（即使用更小的如 5mL 的注射器和更少的藥品），有利于學生分組進行探究性實驗，有利于激發學生學習興趣、優化課堂教學。

總之，關注環境教育是新時期素質教育的必然選擇，我們要用綠色化學的新理念不斷地進行環保宣傳和環境教育，不斷激發和培養學生對環境保護應走持續性發展道路的戰略意識，逐步形成正確的人地協調觀念。在中學化學實驗的改革過程中，要用綠色化學的新理念武裝頭腦，必須做到“預防污染”為主，而不是“治理污染”為主。這種預防化學污染的綠色化學新理念和新實踐正日益被人們所認識、接受和重視，我們廣大化學工作人員和中學化學教師更應該增強對環境保護的義務感、責任感和使命感，形成共識并付諸行動。相信不久的將來，重大的綠色化學研究成果不只是載入科學文獻，也將選入中學化學教材，走進我們的生活，保護環境必將成為全人類共同的呼聲。

【作者簡介】練志娥（1977— ），女，廣西桂林人，欽州市靈山縣靈山中學教師，中學一級教師，理學學士。

（責編 盧建龍）