綠色化學在無機及分析化學實驗教學中的探索

申麗華

西安科技大學化學與化工學院 陜西西安 710054

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綠色化學在無機及分析化學實驗教學中的探索

申麗華

西安科技大學化學與化工學院 陜西西安 710054

摘 要：通過重視綠色化學教學實驗培養學生綠色化學理念，采取選擇綠色化學試劑，實驗裝置的微型化，合理安排實驗和提倡組合循環實驗，重視實驗廢棄物的回收利用的途徑實現無機及分析化學實驗的綠色化。

關鍵詞：綠色化學；綠色化學理念；綠色化學試劑

化學是一門承上啟下的科學，與人類文明也有著非常密切的關系。但是化學在自身發展過程中為人類創造財富的同時，也給人類的環境帶來了危難［l］。我們所知的一些環境事件都與化學相關，多數由于缺乏根本的環保意識，沒有重視在化學工業過程中產生的廢氣和廢渣導致的。實施綠色化學是針對世界環境日趨惡化提出的一個全面切實可行有效的方案。綠色化學又稱環境友好、化學環境無害化學或清潔化學［2］，是指充分利用化學反應和過程中參與反應的每個原子，從源頭上實施預防污染。綠色化學作為高層次的環境友好化學其具體內容遵循以下12項基本原則：（1）防止先污染后處理；（2）最大限度地使反應物轉化為產物；（3）保證反應中使用和生成的物質對人類和環境危害性最小；（4）化學產品的設計要保持其安全性；（5）輔助劑的使用和選擇安全的溶劑；（6）能量使用應最小并且充分利用設計中產生的能量；（7）最大限度地使用可回收的原料；（8）避免衍生物的生成；（9）催化劑的用量優于化學計量試劑；（10）設計容易降解的物質；（11）在線監測污染；（12）從化學反應的安全上防止事故發生。

無機及分析化學是高等近化學類專業工業院校化工、輕工、應用化學、生物工程、食品等相關專業的第一門必須課程。無機及分析化學課程旨在培養學生所具備的基本化學概念及思路。旨在培養學生的理論運用到實踐的動手能力、分析問題、解決問題的能力和創新能力。高校的實驗作為環境污染的一部分常常被人們忽略。排放量雖然不多，但實驗項目廣，所用試劑繁多，重要的是很多實驗都要用到有毒試劑［3-5］。在這種前提下，只有將綠色化學的教育觀念融入實際教學實驗中，才能加強人們的綠色化學環保意識。一方面，對傳統無機及分析化學教學進行綠色化改革；另一方面，實驗以綠色化學為主，讓學生親自參與到防治化學污染實踐中。綠色化學的實施離不開綠色化學的教育。綠色化學的教育也必須應用于綠色實驗中。

1 實現無機及分析綠色化的措施

1.1 樹立綠色化教學實驗理念

每個化學教師應有意識地進行保護環境教育以提高學生防止環境污染的行為和意識。讓學生認識要實施綠色化環境的措施只有從根本上切斷污染的根源。一些應對實驗污染的綠色化改革內容可以在實驗原理講解的同時穿插進去。鼓勵學生做綠色環保的提倡者，以達到良好的實驗教學效果。以周邊地區典型的環境惡化事件為例，讓學生體驗到化學污染門的危害，培養學生對實施綠色化學保護環境的責任感和重要性。如：氯氣的泄漏，不僅僅造成農民莊稼、蔬菜的枯死，還會引起人呼吸困難，情節嚴重的會損害人們的身體健康等。近幾年酸雨的危害，我們也是有目共睹的（如圖1所示）。一方面酸雨能使非金屬建筑材料表面腐蝕硬化，從而損壞建筑物。另一方面酸雨能加快礦物質營養元素在土壤的流失導致土壤貧瘠化，直接影響植物正常發育導致產量下降。這可以啟發教師在對氮硫化合物講解時，分析酸雨形成的成分、途徑、原因及其危害。還有，涉及我們實驗中增加環境中水的硬度的“殺手”如含有Mg2+和Ca2+的試劑。讓學生從思想上意識到化學實驗嚴格按照實驗規章制度操作實驗，認識到化學污染的嚴重性和危害性。明白使用好化學藥品、處理好廢液才能有效地解決化學實驗造成的污染問題，牢固樹立綠色化學理念。

圖1 酸雨的危害

1.2 選用綠色化學試劑

綠色化學要求反應物及反應過程中應采用無毒、無害的原料，產品應是環境友好的，綠色化學的核心就是要從源頭消除污染。在目前的化學工業生產中，我們看見仍然使用一些劇毒的原料。為了人類的可持續發展，在化工生產過程中，迫切需要采用無毒或低毒的化學原料來代替有毒的原料，使用綠色試劑，淘汰有毒原料。所以在實驗過程中盡量選取綠色環保的化學試劑。有機溶劑的選擇以毒性和揮發性小為原則，可以用去離子水代替的用去離子水。傳統實驗中的沉淀離子大部分是Pb（N03）2，AgN03，K2CrO4等有毒重金屬，會嚴重污染水資源且屬于貴重金屬。我們以NaOH為沉淀劑選用的沉淀離子為Cu2+，Fe3+可以減少使用有毒重金屬試劑。對Br-和I-的檢測用雙氧水替代氯水，既可以去除制備氯氣的煩瑣操作以及對身體和環境造成傷害。

1.3 實驗裝置的微型化

實驗裝置的微型化以盡可能少的化學試劑而獲得比較清晰明白的反應結果和化學信息的一種實驗方法。如圖2所示的氯氣制備與性質微型實驗。減少了對環境的污染，是實現綠色化學實驗的一個重要途徑［6］。實驗裝置的常規實驗試劑用量減少了90%以上，時間縮短1/3左右。裝置的微型化采用價格低廉且為不易破損的塑料制品提高了實驗的安全性。微型化實驗具有以下特點：（1）成本低，反應器可以利用廢棄物制作；（2）試劑用量少，為常規實驗的試劑耗量的1/10至1/100；（3）節省時間，如在酸堿滴定實驗中，50 mL的酸式滴定管被4 mL的酸式滴定管替代，不僅僅使濃度降低了一個數量級，還減少了廢液量的產生。同時也可保證實驗的誤差在允許范圍內。如用K2Cr2O7基準物質標定Na2S203標準溶液時，我們選用100 mL容量瓶而不是250 mL容量瓶配制K2Cr2O7，移取K2Cr2O7的量為20 mL而不是25 mL，在3次平行實驗后減少了K2Cr2O7的排放量，降低了K2Cr2O7污染。再加入KI，H2SO4后，用Na2S203滴定生成I2。總之，采用微型化實驗可簡化實驗裝置，節約儀器費用成本，試劑和能源少，節省空間，縮短試驗時間，減少污染，提高安全系數，有利于環境保護。

圖2 氯氣制備與性質微型實驗

1.4 合理安排實驗和提倡組合循環實驗

實驗項目的次序進行合理安排，可以把第一個化學反應的產物轉變成下一個實驗的反應物。彼此間相互鏈接循環，這樣就充分利用每一個反應的原材料，使中間環節的原料減少。有利于學生對整個實驗工藝流程之間相互關聯的了解。例如研究Fe2+，Fe3+的性質實驗，可以先用廢鐵屑為原料制實驗中所需要的試劑硫酸亞鐵和硫酸亞鐵銨（NH4）2Fe（SO4）2試劑。驗證Fe（Ⅱ）的還原性：緩慢滴加NaOH溶液到含有（NH4）2Fe（SO4）2試劑的試管中，觀察是否有Fe（OH）2沉淀的生成。當沉淀放置一段時間，觀察沉淀顏色是否有變化，滴加稀鹽酸沉淀是否溶解。了解Fe（Ⅲ）的溶解性：將溶液分成兩份，一份滴加KSCN溶液，作為Fe3+的定性檢驗；另一份滴加K4［Fe（CN）6］溶液，看是否有普魯士藍沉淀生成。另一個綠色化學實驗措施就是將獨立的單個實驗以化學反應的關聯的形式連起來，可把化學試劑進行了最大限度地使用［7］。例如，在教學中可把氯氣的制備與氯氣的性質實驗、酸堿中和滴定實驗、二價錳鹽的性質與二氧化錳的回收實驗組合起來。不但可以極大地提高產物的利用率，而且不會污染環境，還使二氧化錳變成可再生的資源。其操作次序為：首先，將制取氯氣實驗反應中生成的氯氣作為原料，用于氯氣的性質實驗中消耗掉；其次，將實驗產物作為未知濃度的待測酸溶液，用于酸堿中和滴定的實驗中；然后，將中和滴定的產物（含有氯化鈉的氯化錳溶液）作為二價錳的性質實驗的原料；最后回收二氧化錳。在整個實驗過程中，只生成食鹽和水。整個實驗就是綠色組合實驗，防止了氯氣的制備與性質實驗的浪費和它對環境的污染，使酸堿中和滴定實驗節約了配制未知溶液的化學試。使二價錳鹽的性質與二氧化錳的回收實驗節省了二價錳鹽，且回收的二氧化錳可供氯氣的制備與性質實驗循環使用。

1.5 重視實驗廢棄物的回收利用

廢棄物在實驗過程中會大量產生這是無法避免的，倘若不加以處理而隨便排放到空氣、水、土壤中會對環境造成嚴重的污染。對廢棄物的處理主要按變廢為寶、化害為利、分別處理采用不同的處理方法。然后在條件允許的情況下，可以讓學生自己設計廢液處理分離方案并加以實施。實驗產生的廢液常用到處理方法有：（1）酸堿廢液，采用酸堿中和法，首先集中收取廢酸、廢堿溶液，然后用酸堿中和反應進行處理，最后調節廢液pH為中性后排放；（2）含有鋅、汞、鉛、銅、錳等重金屬化合物的廢液，首先調節廢液的pH值到8～10，然后加入廢堿、碳酸鹽或Na2S，讓重金屬離子轉變為氫氧化物、碳酸鹽或硫化物沉淀，最后再將廢液的pH調到6～8后排放；（3）有毒廢液，含Pb2+廢液首先用石灰乳做沉淀劑，生成Pb（OH）2沉淀，吸收CO2的Pb（OH）2會形成為解度更小的PbCO3；（4）有機廢液，采用掩埋法、焚燒法、氧化分解法。我們在實驗中對產生的廢液除按常規化學方法處理外［8-10］可以對一些產品進行分析、分類回收。濃度高的用來配制下一個實驗的標準溶液。純度不高的用來配制待測溶液或做其他實驗的原材料；回收的廢酸像硫酸、鹽酸可用來沖洗廁所；含銀廢液可制成硝酸銀變廢為寶；重金屬及其鹽可加堿或硫化鈉使其形成氫氧化物或硫化物沉淀，過濾分離出固體等。

2 結束語

將綠色化學的意識滲透到我們基礎化學教學實驗中，能夠強化學生的綠色環保意識。在教學過程中時刻引導學生注意采用綠色化學試劑，實驗裝置的微型化，合理安排實驗和提倡組合循環實驗，重視廢棄物的回收利用。這樣有效地減少了環境污染，而且使學生深切地感受到綠色化學教育，加強了環保意識，積極完善和探索無機及分析化學教學實驗的綠色化，為人類和諧綠色環境做出我們的貢獻。

參考文獻

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Exploration Green Chemistry in Inorganic and Analytical Chemistry Experiment

Shen Lihua
Xi'an University of Science and Technology， Xi'an， 710054， China

Abstract:The concept of green chemistry should be established through pay attention to green chemistry experiment. Realization of green of inorganic and analytical chemistry experiments adopt the following measures: green chemical reagent should be selected， the mini-type devices of experimental should be found， reasonable arrangement of experiment and cycle experiment should be promoted and treating and recycling of the experimental waste experimental should be implemented.

Key words:green chemistry； green chemistry concept； green chemical reagent

收稿日期：2015-12-23

作者簡介：申麗華，博士，副教授。

基金項目：青年科學基金項目（編號：21505102）。