大學化學實驗的綠色化探討

劉紅宇+張長水+杜西剛+柴元武

摘 要：文章通過建立綠色化學思想，結合農、林、醫、藥、食品等專業的特點，以開設符合專業要求的特色實驗、推廣實驗微型化、實行串聯實驗、開設多媒體實驗等多種途徑，探討了在普通綜合性大學中實行大學化學實驗綠色化的方法。

關鍵詞：大學化學實驗；綠色化學；串聯實驗

大學化學是高等學校非化學專業開設的一門先行公共課。一般針對材料、藥學、農林、食品等專業開設，講授化學的基本知識、基本技術和基本方法。

大學化學實驗是配合大學化學學習而單獨設立的一門實驗課，目的是使學生能夠掌握化學實驗的基本技能，無機物的制備、提純和表征方法及弱酸解離常數的測定、物質旋光度的測定，以及各種常規儀器的原理及使用的基本技能。

河南科技大學（以下簡稱“我校”）是中西部一所普通綜合性大學，在開設大學化學實驗過程中，使用了對環境有污染的金屬離子如銀離子、鋇離子、鈷離子、鎘離子和有機試劑乙醇等。由于實驗開課班級較多，實驗人數較大，一方面會產生大量的環境污染物質；另一方面，有些試劑本身價格昂貴，會浪費大量的教學資源。因此，在大學化學實驗中，引入綠色化學概念，合理使用化學試劑，對節約資源、避免污染環境具有重要意義。

綠色化學又稱環境無害化學，其核心內涵是在反應過程和化工生產中，盡量減少或不產生對人類健康和生態平衡有害的各種物質。

將綠色化學概念引入大學化學實驗體系，已經有多所兄弟院校進行過嘗試[1][2]。由于經費所限和其他各種原因影響，我校還不能全盤采取大學化學實驗綠色化措施。如引入特殊的微型實驗儀器，開設專門實驗機房用來開展計算機虛擬實驗等。本文結合學生的專業要求，探索在一般綜合性大學中實現大學化學實驗綠色化的方式和方法。

一、結合學生專業要求，優化實驗項目

在綜合性大學中，大學化學實驗的開設專業較多。我校大學化學實驗對象主要為農、林、醫、藥和食品、生物專業的學生，因此，我們結合學生專業需求，精心挑選污染少、鍛煉學生操作能力的實驗項目。

過濾、滴定、萃取、重結晶、常壓蒸餾等是必須掌握的基本操作技能，因此我們在上學期開設了粗食鹽的提純實驗[3]。作為大學化學實驗的第一個實驗項目，粗食鹽的提純實驗只需要提供粗食鹽和蒸餾水以及加熱、過濾裝置，實驗過程中無毒害物質，卻能夠鍛煉學生過濾、提純等基本操作技能。也開設了基于酸堿平衡的滴定實驗。如標準溶液的配制和比較滴定，標準溶液的標定和混合堿的測定實驗，這些實驗符合農、林、醫、藥專業的實驗技能要求，實驗藥品均為常見無污染藥品。

下學期開設了鍛煉學生萃取操作能力的實驗：從茶葉中提取茶葉堿和鍛煉學生重結晶操作能力的實驗，如苯甲酸的重結晶，回收的苯甲酸可循環使用。這些實驗無環境污染，符合學生專業要求，幾乎不產生對人類健康和生態平衡有害的物質，符合綠色化學理念。

二、嘗試實驗微型化，分類收集實驗廢液，滲透綠色化教育

所謂微型化學實驗，就是以盡可能少的化學試劑來獲取所需化學信息的實驗方法與技術。雖然微型化學實驗所需的化學試劑用量一般只為常規實驗用量的幾十分之一乃至幾千分之一，但其效果卻可以達到準確、明顯、安全、方便和防止環境污染等目的[4][5]。為了實施微型化學實驗，一般需要有專門購買的微型化學實驗裝置和微型化學儀器。限于財力，我校沒有將所有的大學化學實驗微型化，而是嘗試減少部分試劑昂貴、有重金屬污染的實驗藥品使用量，使實驗微型化，這也為中西部普通高校的實驗微型化探索出新的道路。盡管無微型實驗儀器，但教師應遵循綠色化學實驗思想，在保證實驗效果的前提下，探索減少化學藥品使用量的方案。如在沉淀反應與沉淀平衡試驗中，我們沒有引入特殊的微型化實驗儀器，只是把教材中規定的20mL大試管換為5mL小試管，大大減少了沉淀反應所需重金屬離子的使用量。

因為沒有接受過化學實驗的鍛煉，大多數學生的化學實驗技能比較差，不僅僅體現在實驗操作動作不到位，而且體現為不太明確化學試劑添加量對實驗結果和環境的影響，因此需要指導教師從基礎操作、基本原則講起。

每一次實驗，除講解實驗目的、原理和實驗步驟，還應特別注意給學生灌輸綠色化學思想。比如，使用試劑瓶時，大部分學生把膠頭滴管錯誤地插入試劑瓶液面下；藥品鼓泡后，把滿滴管的藥品加入到反應體系中。

指導教師不僅應該指出在試液中鼓泡的錯誤操作，還應該說明綠色化學的理念，如指示劑的添加量一般是2～3滴，而液體化學試劑按照要求的毫升數添加。如需要約1mL的液體藥品，一般使用膠頭滴管大約是20滴，切忌把一滴管的試劑都添加進去。

又如，在講解酸堿滴定操作時， 指導教師往往講解滴定管洗滌的步驟：自來水洗滌，蒸餾水洗滌和待測液潤洗。但是，如果不著重給大家灌輸綠色化學思想，有些學生會加入大量的待測液潤洗，甚至有的學生加入整整一滴定管的待測液潤洗，從而造成試劑的浪費。

作為初次進行科學實驗的一年級新生，實驗結束后，有些學生時常把火柴桿、濾紙等廢棄物丟到水槽，把液體廢液直接倒在水槽中，把破損的玻璃儀器直接丟進垃圾桶。

作為實驗教師，應該指導學生培養將實驗產生的垃圾進行分類收集的良好理念[6][7][8]。如為了避免破損的玻璃制品割傷垃圾清運人員，已破損的玻璃制品要放入專門的垃圾桶；有機廢液也要單獨收集至廢液缸，然后統一焚燒；含有重金屬的無機廢液經收集后再經絮凝操作，待重金屬離子沉淀后再排放廢液。明確實驗過程中產生的廢液，不能直接將廢液排放到下水槽中，以免污染環境。

三、開展串聯實驗，實行綠色實驗教學

串聯實驗就是通過調整實驗順序， 盡可能地對實驗產物再利用，使上個實驗的產物成為下個實驗的原料[9][10]。我們在大學化學實驗教學中也探索并實施串聯實驗。如首先開設Fe（OH）3的膠體制備實驗，隨后開設半透膜的制備與Fe（OH）3膠體純化實驗，最后開設電泳實驗，這樣，三個實驗就成為 串聯實驗。第一個實驗的產物是Fe（OH）3膠體，它是第二個實驗膠體純化的原料，而其純化后的Fe（OH）3膠體又是第三個實驗即電泳實驗的原料，從而提高了試劑使用率，降低了實驗成本，可減少廢物對環境的污染。

串聯實驗的第二個例子是滴定反應實驗。首先開設第一個實驗：酸堿溶液的配制。學生先配制近似濃度的NaOH和HCl溶液。第二個實驗是酸堿溶液的比較滴定。學生學習滴定操作方法，得出第一個實驗所配制酸堿溶液的比較關系。第三個實驗是NaOH溶液的標定。學生通過基準物質鄰苯二甲酸氫鉀配制鄰苯二甲酸氫鉀標準溶液，然后用其標定第一個實驗配制的NaOH溶液，繼而通過第二個實驗的結論，也就是酸堿溶液的比較關系，得到HCl溶液的準確濃度。第四個實驗是混合堿的分析，使用HCl標準溶液，測定混合堿的組成。通過這樣四個串聯實驗，學生不僅學到了標準溶液配制、酸堿滴定等實驗技能，也有效地激發了學生的實驗興趣和創新意識，同時加深了大家對綠色化學思想的感悟，達到了理想的實驗教學效果。

四、引入現代化教學手段，開展多媒體實驗

大學化學實驗綠色化探索文獻中，不乏開展多媒體實驗教學的報道[11][12][13]。限于開發經費，我們沒有建設專門的機房，而是嘗試開設一個多媒體實驗， 涉及大學化學教材的“物質結構基礎” 這一章。在講解核外電子運動狀態近 代描述時，面對原子結構、電子軌道 如球形的s軌道、啞鈴型p軌道與花 瓣形的d軌道知識，學生普遍反映難以理解。

基于此，我們搜集了國內外關于核外電子運動軌道形成過程的圖片、動畫以及模型，制作為電子實驗演示課件，供學生瀏覽觀看。同學們利用業余時間在網上預約時間，然后在實驗室登記，完成該實驗項目。這種多媒體實驗教學手段的應用，不僅沒有用到化學試劑，達到了綠色化學實驗的目的，而且把抽象的理論內容形象化，貼近大學化學理論教學的教學難點，提高了大學化學理論課的教學質量。

五、結束語

大學化學實驗由于選課人數較多，化學試劑使用量較大，因而開展綠色化教學探索迫在眉睫。本文中總結了我們在大學化學實驗綠色化探索的幾種做法，以期對其他兄弟院校有所幫助。實施大學化學實驗的綠色化，核心是給學生灌輸綠色化學實驗的思想，不僅可以有效降低大學化學實驗對環境的危害，同時也給學生留下了深刻印象，對保護環境意義重大。

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