中學化學實驗的綠色化改進

摘? 要 化學實驗綠色化就是在滿足教學目標的基本前提下，將綠色化學的原理和理念融于實驗中，對一些設計不合理的實驗進行綠色化改進。基于此，在綠色化學理念的指導下對SO2的制備及其性質實驗進行改進設計，符合綠色化學的基本要求，便于教師演示和學生親自動手實驗。

關鍵詞 化學實驗;綠色化學;SO2;實驗室;實驗儀器

中圖分類號：G633.8? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）21-0116-03

1 前言

《普通高中化學課程標準（2017年版）》指出，化學實驗是研究和學習物質及其變化的基本方法，是科學探究的一種重要途徑[1]。然而作為高中化學教學的一個重要組成部分，其開展的情況并不樂觀。實驗現(xiàn)象不明顯、有毒有害、耗時長等，都是教師和學生規(guī)避化學實驗的重要原因，講實驗、畫實驗的現(xiàn)象也一直存在于中學課堂中，長此以往，必然將影響教師的教學，也會打消學生學習化學的積極性和興趣。綠色化學作為一門新興學科，將其基本理念融入中學化學實驗中，對一些設計不合理、現(xiàn)象不明顯和有危險性的實驗進行改進設計，使其更好地服務于師生，是一件迫在眉睫的事情。

2 綠色化學與化學實驗綠色化

綠色化學一詞最早是由美國化學會提出來的，又被稱為清潔化學、環(huán)境無害化學和環(huán)境友好化學，它是基于化學學科且具有明確的科學目標和適應社會需求的一門新興學科[2]。綠色化學主張利用相關的技術和原理從源頭上減少污染，其核心內容之一是“原子經濟性”，即使反應物中的各個原子都被充分地利用，使其盡可能地轉移到目標產物中[3]。原子經濟性可以用原子利用率來衡量，一般認為，原子利用率越高，原料的利用率越好。

核心內容之二主要體現(xiàn)在“5R”原則上：

第一是reduction（減量），即減少實驗反應物和排放物的量;

第二是reusing（循環(huán)使用），即重復使用一些未參與反應的物質，如催化劑;

第三是recycling（回收），即將一些未參與反應的原料和副產物等回收利用;

第四是regenreation（再生），即變廢為寶;

第五是rejection（拒絕），即拒絕使用無法再生和一些有毒有害的物質[4]。

化學實驗綠色化就是在滿足教學目標的基本前提下，將綠色化學的基本原理和理念融于化學實驗中，并對一些設計不合理、安全性能低和污染嚴重的實驗內容和儀器進行改進，達到綠色化學的減量、循環(huán)利用、回收、再生、盡可能減少或避免有毒有害物質的產生等要求，最大限度地減小化學實驗對師生健康和生態(tài)環(huán)境的不良影響[5]。

3 化學實驗綠色化改進的意義

化學實驗是學習化學的基礎，是化學學習中的一個重要環(huán)節(jié)，是將化學理論知識和實踐有效結合的重要手段，對學生的創(chuàng)新意識、動手能力和科學思維的培養(yǎng)都起著至關重要的作用。而目前高中化學實驗的開展情況并不樂觀，只注重實驗結果而忽視了實驗的過程，甚至大多數(shù)學生都持有“化學實驗室所產生的污染都是微乎其微的”“藥品用得越多，現(xiàn)象越明顯”的觀點。

實驗過程的缺失以及學生的錯誤觀念，都不利于綠色化學理念的貫徹。化學實驗的綠色化改進，不僅能夠更好地培養(yǎng)學生的綠色化學意識，有利于教師進行綠色化的教學，也使得學生意識到化學絕不僅僅意味著污染、危險、爆炸，還有更高層次的化學、清潔無害的化學等待著自己去學習、探究和發(fā)展;同時，可以調動學生學習化學的積極性和主動性，培養(yǎng)學生對化學的興趣，有利于學生主動建構知識和發(fā)現(xiàn)問題，為營造輕松的課堂學習氛圍和提高課堂教學效率提供良好的范例[6]。

4 SO2的制備及其性質實驗改進實例

改進原因? SO2氣體的相關性質是高中化學中的一個重要知識點，且有關SO2的制備及其性質實驗也是高中化學中一個重要的演示實驗。人教版高中《化學》必修一中有關SO2的性質實驗是通過收集一試管已經制備好的SO2氣體，再將其倒扣在水中來驗證SO2的酸性和漂白性的。該實驗有很大的不足，例如：已經收集好的SO2氣體容易溢出，造成污染;實驗藥品用量大，造成浪費，不利于貫徹經濟化學的原則;實驗操作具有一定的難度，在將SO2倒扣在水中的過程中很容易造成氣體的泄露;沒有尾氣吸收裝置。基于該實驗的不足和SO2的毒性與刺激性，久而久之，SO2氣體的相關實驗就被視頻所代替，不利于教師的教，也不利于學生的學。

通過查閱文獻資料發(fā)現(xiàn)，對于SO2的制備及其性質實驗的改進從未間斷[7-8]。如唐生岳在《二氧化硫制備和性質實驗的組合設計》一文中，將藍色石蕊試紙、滴有品紅溶液的濾紙、滴有酸性KMnO4溶液的濾紙和滴有Na2S溶液的濾紙貼在燃燒匙上，再將燃燒匙中裝入固體Na2SO3，實驗過程中通過將燃燒匙中的Na2SO3倒入盛有濃H2SO4溶液的試管中來制備SO2和驗證其相關性質。但此裝置無法很好地控制反應速率，也無法對比SO2使品紅溶液和酸性KMnO4溶液褪色原理的不同。

又如王秀榮在《二氧化硫制備與性質實驗的改進與探究》一文中，通過向盛有飽和Na2SO3溶液的具支試管中注射濃H2SO4溶液來制備SO2氣體，然后將制備好的SO2氣體通入另一支具支試管中來驗證其相關性質。他通過SO2可以使pH試紙和鮮花褪色而不能使有色布條褪色來說明SO2具有酸性和漂白性，但是驗證其漂白性有選擇性的操作過于煩瑣，可直接用藍色石蕊試紙代替這三者;且他將盛有品紅溶液的小試管置于盛有酸性KMnO4溶液的具支試管中來驗證SO2使二者褪色的原理不同，然而KMnO4溶液顏色較深，將兩支試管套在一起，即使顏色有變化，也容易造成視覺誤差。

針對人教版高中《化學》必修一中有關SO2性質實驗的不足和已有改進的缺點，本文設計一種集SO2氣體的制備和性質檢驗實驗為一體的實驗裝置，實現(xiàn)化學實驗的微型化、封閉化和合并化，易于操作，現(xiàn)象明顯;并對實驗中產生的廢氣進行妥善處理，符合綠色化學的基本原則;且改進后的實驗更利于教師演示，也有利于學生自己動手操作，便于學生更好地理解SO2的相關知識。

實驗原理

SO2氣體的制備：

H2SO4（濃）+Na2SO3 === SO2↑+Na2SO4+H2O

SO2氣體的性質：

SO2+H2O === H2SO3

3SO2+2Na2S === 3S↓+2Na2SO3

5SO2+2MnO4-+2H2O === 5SO42-+2Mn2++4H+

尾氣處理：

SO2+2NaOH === Na2SO3+H2O

實驗儀器及藥品? 實驗儀器包括試管、注射器、Y型試管、導管、軟木塞、鐵絲、酒精燈、鐵架臺、棉花。實驗藥品包括濃H2SO4、飽和Na2SO3溶液、藍色石蕊試紙、Na2S、

酸性KMnO4溶液、品紅溶液、NaOH溶液。

實驗裝置圖? 實驗裝置如圖1所示。

實驗步驟及說明

1）檢查氣密性：將左側試管中導管口浸沒在液面下，微熱試管，左邊試管中的導管口有氣泡冒出;移走熱源后，導管末端形成一段水柱，說明裝置氣密性良好，反之則漏氣。

2）在左側試管中加入2 mL飽和Na2SO3溶液，注射器中吸入2 mL濃H2SO4，塞上軟木塞，并在塞子上插入一根細鐵絲，鐵絲上綁有濕潤的藍色石蕊試紙和沾有Na2S溶液的濾紙。

3）另取一支Y型試管，分別在兩側加入酸性KMnO4溶液和品紅溶液，并在試管口塞上一團沾有NaOH溶液的棉花用于吸收尾氣，然后用導氣管將Y型試管與左側試管相連。

4）實驗開始時將注射器中的濃H2SO4緩緩注入盛有飽和Na2SO3溶液的試管中，并將生成的氣體通入Y型試管，充分反應后加熱Y型試管，觀察現(xiàn)象。

5）反應結束后用注射器向左側試管中注入空氣，使殘余的SO2氣體完全進入Y型試管中被沾有NaOH溶液的棉花吸收;若擔心仍有殘余，可用注射器再吸取適量NaOH溶液注入，以保證尾氣被充分吸收。

實驗現(xiàn)象及結論

1）左側試管中有氣泡產生，說明濃H2SO4和飽和Na2SO3

溶液反應，生成SO2氣體;

2）濕潤的藍色石蕊試紙變紅但不褪色，說明SO2氣體溶于水生成酸性物質，且SO2的漂白性有選擇性;

3）沾有Na2S溶液的試紙上有黃色固體生成，說明SO2有還原性;

4）酸性KMnO4溶液褪色，說明SO2有氧化性;

5）品紅溶液褪色，說明SO2有漂白性;

6）加熱酸性KMnO4溶液后顏色不恢復，但品紅溶液加熱后恢復原色，說明SO2使酸性KMnO4溶液和品紅溶液褪色的原理不同，且SO2的漂白性不能長久維持;

7）冷卻后品紅溶液又褪色，說明SO2的漂白作用具有可逆性。

改進優(yōu)點

1）藥品減量化：減少化學試劑和儀器的用量，現(xiàn)象明顯易觀察，操作簡單，節(jié)約時間，且從源頭上減少了污染。

2）裝置合并化：提高藥品的利用率，節(jié)約成本和時間，且在一定程度上減小了污染。

3）裝置封閉化：防止產生的SO2氣體泄露，低危害、低污染。

4）反應過程的綠色化。

①注射器的使用，能夠根據(jù)需要及時控制反應物的加入量和加入速度;反應結束后也可利用注射器及時將殘留的SO2氣體趕出，有利于消除污染。

②用飽和Na2SO3溶液代替Na2SO3固體，增大了反應物的接觸面，使反應更加快速和充分，最大限度地利用了原料，且有利于SO2氣體的溢出。

5）能量的綠色化：用濕潤的藍色石蕊試紙代替石蕊溶液;用沾有Na2S溶液的濾紙代替Na2S溶液;將SO2使酸性KMnO4溶液和品紅溶液褪色的裝置合并，這些操作都簡化了實驗裝置且減少費用。

6）尾氣處理：用NaOH溶液吸收尾氣，防止尾氣泄露造成污染，有利于保護環(huán)境。

5 結論

化學是一門以實驗為基礎的課程，設計污染小、易操作、現(xiàn)象明顯的實驗操作，對于學生理解和掌握化學知識、培養(yǎng)學習興趣和拓展科學思維都有著極其重要的作用。化學實驗的綠色化創(chuàng)新和改進，不僅能夠幫助調動學生學習化學的積極性和主動性，也能夠輕松實現(xiàn)綠色化教學，讓學生更好地掌握綠色化學的相關理念。SO2的制備及其性質實驗只是教材中實驗改進的一個實例，更清潔、更綠色、更環(huán)保的化學需要每一個人的努力。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.

[2]劉麗珍.綠色化學原則背景下化學實驗策略分析[J].世界有色金屬，2017（1）：17-18.

[3]白陽陽.高中化學教學中滲透綠色化學教育的研究[D].武漢：華中師范大學，2015.

[4]邢季穎.綠色化學理念在高中化學實驗中的應用研究[D].遼寧：遼寧師范大學，2013.

[5]焦蓉.高中化學實驗綠色化的初步研究[D].上海：上海師范大學，2005.

[6]關寧，張麗霞.綠色化學理念下氨氣、二氧化硫的制取及性質實驗的改進[J].化學教與學，2016（4）：94-96.

[7]唐生岳，熊言林.二氧化硫制備和性質實驗的組合設計[J].教學儀器與實驗，2005（11）：53.

[8]王秀榮.二氧化硫制備與性質實驗的改進與探究[J].化學教學，2017（10）：49-51.作者：董銀萍，上海師范大學碩士研究生，研究方向為化學教學（200234）。