無機化學教學中綠色化學教育

　　無機化學教學中綠色化學教育【1】

　　摘要：介紹了綠色化學的內涵，闡明了在無機化學教學中實施綠色化學的重要意義，探討了在教學中實施綠色化學教育的措施。

　　關鍵詞：無機化學教學;綠色化學;教育

　　隨著經濟的發展，傳統的化學工業給環境帶來了嚴重的污染和破壞，環境問題已成為世界各國無法回避的共同問題。

　　人們認識到光靠治理污染已經無法從根本上保護環境，要保護環境就必須從源頭消除污染。

　　二十世紀九十年代，在可持續發展方針的指導下，形成了綠色化學的概念。

　　綠色化學是用化學的技術和方法去減少或消除有害物質的產生和使用，但它不是一般的控制污染，而是從根本上消滅污染，它不再使用有毒有害的物質，不再產生廢物，是一門從源頭上防止污染的化學[1]。

　　此后，人們賦予這一新事物不同的取名：環境無害化學、環境友好化學、清潔化學等。

　　一、綠色化學的內涵

　　綠色化學不同于環境化學，環境化學是一門研究污染物的分布、存在形式、遷移及其對環境影響的科學。

　　綠色化學的最大特點是在始端就采用預防污染的科學手段,因而過程和終端均為零排放或零污染。

　　綠色化學的核心內容是“原子經濟性”，即充分利用反應物中的各個原子，因而既能充分利用資源,又能防止污染。

　　綠色化學的特點是：(一)采用無毒、無害的原料;(二)在無毒、無害的反應條件(催化劑、溶劑)下進行;(三)減量、循環、重復使用;(四)具有“原子經濟性”，即反應具有高選擇性，極少副產品，甚至實現零排放;(五)產品應是對環境友好的;(六)滿足價廉物美的傳統標準[2]。

　　目前世界上許多國家已把“化學的綠色化”作為新世紀化學發展的主要方向之一。

　　二、無機化學教學中綠色化學教育

　　(一)無機化學理論教學中的綠色化學教育

　　在進行理論課教學時，要充分挖掘教材中涉及有關綠色化學的內容，進行及時的、適當的知識加深與更新以及思維的拓展。

　　例如在介紹H2O2的制備時，目前的方法是乙基蒽醌法[3]。

　　以H2和O2為原料，乙基蒽醌和鈀作為催化劑，苯作為溶劑。

　　乙基蒽醌在鈀存在時可被H2還原為乙基蒽醇，而乙基蒽醇易被O2氧化成乙基蒽醌和H2O2。

　　生成的乙基蒽醌循環使用。

　　反應過程中消耗的是H2和O2，生成的是H2O2。

　　由此為切入點，可引入綠色化學的核心內容之一，即原料的重復使用，并體現了綠色化學的最大特點：在過程和終端均為零排放或零污染。

　　較之傳統的制備方法，這是一個典型的綠色化學方法。

　　又如制備NaClO3，學生常會提出以Cl2和NaOH反應來制取，反應如下：

　　3Cl2+6NaOH(熱)5NaCl+NaClO3+3H2O

　　從反應式可看出，原料中有5/6的氯生成了NaCl，未被利用，從而引出綠色化學原理的核心內容之二，反應的“原子經濟性”。

　　它的目標是在設計化學反應時使原料分子中的原子更多或全部變成最終希望的產品中的原子，使原子利用率盡可能高，最大限度地實現零排放。

　　據此引導學生采用電解熱的NaCl溶液，制備NaClO3，反應如下：

　　2NaCl+2H2O2NaOH+H2+Cl2

　　Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O

　　3NaClO2NaCl+NaClO3

　　生成的NaCl可循環使用。

　　其實在無機化學教材中，可以挖掘的內容很多，只要是一個有心人，會發現教材中處處可見綠色化學。

　　例如，講到氫時，介紹氫能源的利用;講到氧化還原反應一章時，可講一講干電池的污染、氫燃料電池的利用;在配合物的應用部分可介紹無氰電鍍等綠色工藝。

　　講到鹵素一章時，增加“氯氣用于自來水消毒的利弊、新型消毒劑ClO2、毒氣與軍事、氟污染與人身心健康、氟利昂對臭氧層的破壞與保護、開發利用氟氯烴清潔替代品”等教學內容。

　　講到氧族、氮族元素時，組織“酸雨的危害與防治、水體大氣污染與防治、臭氧層空洞、水體富營養化、光化學煙霧、汽車尾氣與大氣污染”等這些教學內容，不僅滲入了綠色化學的理念，而且也使課堂內容更加生動充實。

　　實踐證明，在課堂上適時或適當地把綠色化學的思想和知識融入到無機化學的教學中，所用的教學時間多則7-8min,少則2-3min,在一節課教學中占時不多而又畫龍點睛。

　　這種方式的教學，可使學生在潛移默化中受到綠色化學教育，使他們意識到綠色化學對于人類及其所賴以生存環境的可持續發展所具有的重要性。

　　同時又不對原本緊張的教學時間安排造成新的沖擊，還可使教學內容顯得豐富生動，增強學生對學習這門課程的興趣。

　　(二)無機化學實驗教學中的綠色化學教育

　　1、整合、精選實驗內容

　　無機化學實驗是為大一新生開設的實驗課程，作為基礎化學實驗，開設的內容較多。

　　其中有些實驗與后續的實驗課內容互相重疊，互相交叉，造成實驗內容的重復，課程安排缺乏全局性、整體性。

　　造成化學試劑的用量和實驗室“三廢”的排放量變大。

　　特別是近幾年，隨著招生規模的不斷擴大，學生人數不斷增多，藥品的消耗和產生的廢物更多，因此，首先要對實驗內容進行整合。

　　例如，溶液的配制、酸堿滴定、天平的使用這些實驗無機化學實驗中有，分析化學實驗中也出現，就可以進行實驗內容上的調整、篩選和重組;玻璃加工實驗也同時出現在無機和有機實驗中，也可進行整合，避免重復。

　　在實驗項目的安排上不僅滿足培養學生實驗技能的需要，同時也要體現綠色化學的教育的思想。

　　教師要根據教學需求，本著將毒害降低至最小的宗旨，合理選擇實驗內容，對實驗方案進行優化。

　　在實驗內容上，盡量根據低能耗、低毒原則進行篩選。

　　2、開展封閉式實驗[4]

　　對于有毒有害氣體的實驗，傳統的方法是在通風櫥內進行，這樣只能避免對小環境的污染，有毒有害氣體還是排放到空氣中，造成對大環境的污染。

　　為了避免這種情況，可將反應裝置設計成封閉式，使反應在封閉狀態下進行，并能在系統內部將反應產生的有毒氣體吸收掉，實現零排放。

　　例如，鹵素實驗中,既要制備氯氣、氯酸鉀、次氯酸鉀，又要進行氯氣的一系列性質實驗。

　　可將從氣體發生裝置出來的氣體，導入收集裝置，再依次通過裝有NaOH的兩個具支試管，這兩個具支試管分別放在裝有熱水和冷水的燒杯中，實現次氯酸鉀、氯酸鉀的制備，最后氣體再轉移到點滴板，點滴板中依次加入品紅溶液、蒸餾水、KBr溶液、KI-淀粉溶液、NaOH溶液。

　　將氣體的產生，收集、性質和尾氣吸收實驗串聯在一起，氣體不易泄露，大大減少了對環境的污染。

　　3、進行微型化學實驗

　　目前，越來越多的學校將微型化引入到實驗教學中來，微型化學實驗是著眼于環境安全和污染預防的需要,用盡可能少的藥品，在微型化的儀器裝置中進行的化學實驗[5]。

　　微型化學實驗具有節省試劑、減少污染、縮短實驗時間、安全、節約經費、便于攜帶等優點。

　　我們也進行了這方面的嘗試，并作了實驗上的一些改進。

　　例如，元素性質實驗,所用藥品種類多，份量大，在不影響實驗效果的前提下，盡可能降低試劑濃度，盡量改用點滴板替代試管做實驗，或在濾紙上進行有色反應的實驗，使藥品用量大大減少。

　　又例如，上面提到的鹵素的實驗，氯氣的制備就采用微型化的注射器和具支試管。

　　具支試管(5ml)裝入KMnO4，注射器(5ml)中吸有濃HCl，這就是氣體的發生裝置。

　　SO2的制備也是用這樣的裝置，并與點滴板聯合，進行性質實驗，最后用堿液吸收多余的氣體。

　　這樣藥品用量很少，又不影響實驗現象的觀察，縮短了實驗時間，改善了實驗環境，降低了廢氣和廢液的排放量，大大減少了對環境的污染。

　　三、結語

　　綠色化學是在環境與發展矛盾日益突出的形勢下，應運而生的一門新興學科，但它不是一門獨立的學科，它是在傳統化學基礎上發展起來的更高層次的化學。

　　作為高校化學教師，要樹立可持續發展的觀念，應把傳授綠色化學知識作為自己義不容辭的責任，用實際生動的范例充實我們的教學內容，按照范例所涉及的知識點，將綠色化學知識自然、生動地滲透到化學教學中。

　　培養學生的環保意識和可持續發展意識，使綠色化學的理念扎根于學生的頭腦中，貫穿于他們以后的工作中。

　　實踐證明，將綠色化學滲透到無機化學教學中的做法是可行的。

　　通過綠色化學教育在無機化學教學中的滲透，學生反映他們的知識面擴展了，學習無機化學的興趣提高了，更重要的是，他們了解了綠色化學，接受了綠色化學。

　　因此，這種有效的做法值得我們去進一步完善和推廣，為推動我國的綠色化學教育事業的發展，為保護我們的家園，作出應有的貢獻。

　　參考文獻：

　　[1]Anastas P T,Williamson T C.Green chemistry – designingchemistry for the environment[M].ACS Symoposium Series 626th,Washington D C:American Chemical Society,1996.

　　[2]蘇惠,徐翠蓮.基礎化學實驗綠色化的探索[J].河南教育學院學報(自然科學版),2006,15(3):65-66.

　　[3]天津大學無機化學教研室.無機化學[M].北京:高等教育出版社,2002:330.

　　[4]顏蕓.淺談以綠色化學新理念指導基礎化學實驗教學[J].廣東化工,2008,(1):110.

　　[5]Singh M M.Szafran Z,Pike R M.J.Chem.Educ.1999,76(12):1684-1686.

　　無機化學實驗教學中綠色環保模式【2】

　　摘 要：無機化學實驗是師范院校化學專業學生入學后接觸的第一門實驗課程，對于培養學生的動手能力和環保意識具有至關重要的作用，然而現在無機化學實驗的現狀卻不容樂觀。

　　實驗室污染不但嚴重威脅著師生的身體健康，也造成了周圍環境的污染，因此在無機化學實驗教學改革中推行綠色環保模式就顯得尤為重要。

　　本文提出在向學生灌輸環保意識的同時，通過改革實驗內容，使用低毒或無毒藥品，采用微型實驗、連續實驗、計算機模擬實驗以及改革實驗考核方式等改革措施來預防和減少實驗室污染。

　　關鍵詞：無機化學實驗;綠色環保模式;改革措施

　　無機化學實驗是化學專業學生進入大學后接觸的第一門實驗課程，對于培養學生的動手能力、創新能力具有重要的作用。

　　近年來，隨著招生規模的不斷擴大，實驗室造成的污染也逐漸加重，當前無機化學實驗的主要目的在于鍛煉學生的實驗操作技能，而幾乎忽略了環保意識的培養。

　　師范院校的大學生肩負著培養祖國下一代的偉大使命，因此在無機化學實驗中推行綠色環保模式，使環保意識深入人心顯得尤為重要。

　　1.努力提高學生的環保意識

　　當前中國作為最大的發展中國家，經濟飛速發展的同時也造成了環境的嚴重污染。

　　高等師范院校化學專業畢業的大學生將來大部分是未來的中學化學老師。

　　在實驗中給學生灌輸環境保護的知識和理念，使他們認識到環境污染的危害性，學會正確處理實驗中產生的“三廢”污染，將會潛移默化地影響我們的下一代。

　　因而對于21世紀的青年大學生，改變傳統思維方式，加強環保意識培養至關重要。[1]

　　2.跟隨時代發展，改革實驗內容

　　目前我們所用無機化學實驗教材中的內容和形式過于陳舊，重復內容多，試劑消耗大，實驗時間長，學生興趣低，不利于發展學生的創新思維和提高學生的創新能力，也不利于綠色環保理念的滲透。

　　因此有必要合理調整實驗內容，認真選擇實驗項目，淘汰一些對環境污染較大的實驗項目，如硫化氫、氯氣等的制備實驗，毒性大的含汞試劑的性質實驗，盡量選擇低毒、污染小、價格相對便宜的試劑為原料的實驗。

　　在鍛煉學生綜合實驗技能的同時，節約大量實驗藥品和實驗經費，最大限度地提高原料的利用率，減少污染源。

　　另外教材應緊跟時代發展步伐，可以涉及一些納米材料合成的實驗。

　　例如，以FeCl3為原料制備納米氧化鐵(Fe2O3)，再進行納米材料與普通材料的對比，可以讓學生深刻感受到納米技術的好處，也激發了學生探索的精神。

　　另外還可以增加與生活相關的實驗。

　　例如，可以做生物體中幾種元素的定性鑒定實驗。

　　3.要正確處理實驗中的“三廢”

　　對于H2S、HCl等酸性廢氣，常見的處理方法是用堿液吸收，而NH3等堿性氣體用稀酸吸收，可以用點燃大量CO氣體轉化為無毒的CO2再排放。

　　在密閉體系內做有毒氣體實驗時，在通風櫥氣體出口處加裝多孔性固體吸附劑，將有害物質吸附處理后再排放到大氣中。[2]

　　此外，我們還可以在實驗室種植一些吊蘭、虎皮蘭、蘆薈等能凈化空氣的綠色植物。

　　無機實驗中的廢渣主要是一些制備實驗的產物，應該集中在一起盡量回收利用，或者統一深埋處理。

　　如，堿式碳酸銅可進一步進行熱分解反應和制備其他銅鹽。[3]

　　無機實驗室中產生的“三廢”污染最主要是廢液。

　　要有效處理每次試驗中產生的大量廢液，我們可以在分類回收的基礎上，做一個處理有毒廢液的知識庫，這樣可以提醒學生在做完實驗后還要做好后續工作。

　　例如，在做ds區金屬實驗時，鎘、汞元素的廢液都是有毒的，因此實驗后廢液應倒入回收瓶，再進行處理。

　　含汞鹽廢液應先調pH至8～10，然后先加過量的硫化鈉，再加硫酸亞鐵，這樣就可以使汞沉淀下來，過濾分離。

　　[4]再如，我們在實驗室常用的鉻酸洗液失效后可以用高錳酸鉀氧化法使其再生，重復使用。

　　4.使用藥品要綠色化

　　在使用藥品時，我們要遵守5R原則，即減量(reduction)、重復使用(reuse)、拒用(rejection)、回收(recycling)、再生(regeneration)。[5]

　　使用反應物時要盡量選擇無毒或毒性小的試劑。

　　例如，可以用雙氧水、臭氧代替氯氣做漂白劑或氧化劑，硫代硫酸鈉代替硫化氫氣體做還原劑，用銅離子、鋅離子、氫氧根離子和硫離子代替毒性較大的鉛離子、銀離子、鉻酸根離子做沉淀劑，[6]在不影響實驗效果的前提下，降低成本，減少污染物的排放。

　　萃取實驗常用乙醚萃取乙酸水溶液中的乙酸，但是乙醚沸點低，易揮發燃燒，安全性低，且用乙醚做萃取劑，用量大，成本高，易污染環境。

　　若用水做萃取劑，從乙酸乙酯―乙酸混合液中萃取乙酸，實驗效果也很好。

　　5.進行微型或半微型實驗

　　微型實驗是20世紀80年代起源于美國的一種國際上公認的可以體現綠色化學理念的化學實驗的新方法新技術，其實際用量是常規的0.1%～10%。

　　[7]這樣一來，與傳統實驗相比，消耗的藥品減少了，節約了開支，節省了時間，減少了污染。

　　例如，在做Cu2+的鑒定實驗時，傳統實驗為取一滴0.5 mol/L CuCl2溶液于試管中，加一滴6.0 mol/L HAc溶液酸化，再加一滴0.5 mol/L亞鐵氰x鉀溶液，實驗結果為有棕紅色沉淀產生，表示有Cu2+存在。

　　我們只需要將普通試管換為小試管(10 mm×75 mm)即可做微型實驗：取一滴0.1 mol/L CuCl2溶液于小試管中，加一滴2.0 mol/L HAc溶液酸化，再加一滴0.1 mol/L亞鐵氰x鉀溶液，結果同樣為產生明顯的棕紅色沉淀。

　　[8]通過比較我們可以發現，微型實驗所需藥品濃度降低很多，這樣節省了藥品，減少了污染，而且不影響實驗結果。

　　但由于所用的試劑很少，實驗中很小的誤差便會給實驗結果帶來較大影響，尤其是大一新生，基本操作還不熟練，所以實驗時必須加強指導、認真仔細檢查，盡量減小誤差。

　　6.采用連續實驗的方法

　　這是指將實驗順序做一個調整，將同一元素的實驗放在一起做，使前一反應的產物作為下一反應的反應物。

　　將原來的產物轉化為反應物，不但減少了有毒物質的排放，還節約了時間和藥品，實驗的連貫性也增強了，有利于學生系統地掌握知識，構建知識框架。

　　例如，實驗課本中將第一過渡系元素的性質實驗放在了重鉻酸鉀的制備、高錳酸鉀的制備、二氧化鈦的制備、鈷(Ⅲ)配合物的制備實驗前面，我們可以調整實驗順序，將這些物質先制備出來再進行第一過渡系元素的性質實驗，也可以在制備好一種物質時就直接做這種物質的性質實驗。

　　[9]再如，在銅的氫氧化物實驗中，可以將生成的氫氧化銅留著，接著做氧化亞銅的生成和性質實驗。

　　7.采用全封閉的實驗系統

　　現在我們做有關硫化氫、氮的氧化物、氯氣等有毒氣體實驗時，對于廢氣通常都是未經收集處理便直接由通風櫥排入大氣中。

　　這雖然能減少對實驗室的污染，但卻給大氣帶來污染，危害周邊居民的健康。

　　若我們采用全封閉系統，可以把這些有毒氣體收集起來，進而轉化為無毒氣體，或者用試液吸收這些有毒氣體。

　　例如，在注射器內進行銅與濃、稀硝酸的反應，將一氧化氮、二氧化氮收集在注射器內，再用氫氧化鈉溶液吸收，這樣就解決了有毒氣體隨意排放的問題。

　　再如，做Cl2、Br2、I2的氧化性及Cl-、Br-、I-的還原性試驗時，由于氯氣、溴蒸氣對人體氣管、肺部、眼、鼻、喉都有強烈的刺激作用，所以我們應在全封閉的體系內做實驗，收集廢氣，然后用NaOH溶液吸收。

　　8.計算機模擬實驗

　　在當今計算機水平如此發達的時代，化學實驗中也可以充分利用這一技術來幫助我們學習。

　　這樣一來，大大激發了學生的興趣，尤其是對于元素性質驗證實驗。

　　元素實驗所需藥品種類繁多，產物種類多，廢液廢渣不易處理，再加上由于做實驗人數多，時間長，有的藥品由于放置時間過長而被污染或失效，從而使得實驗現象并不明顯。

　　但若借助計算機教學，學生通過聲音、動畫、文字等，達到身臨其境的效果，這樣學生會加深印象，更好地掌握知識點。

　　例如，在剛進實驗室的第一節課，我們就可以利用多媒體教學來學習無機化學實驗操作，使學生了解化學實驗的規范操作和錯誤操作，以加深印象。

　　再如，在做ⅠA、ⅡA元素的焰色反應時，要求用到鉑絲，但由于鉑絲價格昂貴，難以實現。

　　但若用鐵絲代替則影響實驗效果，這時我們可以利用計算機模擬實驗來觀察LiCl、NaCl、KCl、CaCl2、SrCl2、BaCl2溶液在氧化焰中灼燒的火焰顏色，這樣觀察起來結果清晰、準確。

　　與傳統教學相比較，實施計算機模擬實驗，做到了零污染、零投入，對于那些毒性較大、易燃易爆、存在安全隱患的實驗，無疑是一個很好的選擇。

　　9.改良實驗考核方法

　　合理處理“三廢”是山西師范大學現在比較薄弱的一項工作，應該在每次實驗時都強調這一點，多加強這方面的訓練。

　　傳統的考核制度并沒有將學生對“三廢”的處理情況列入其中，為了加強學生的環保意識，應將“三廢”尤其是廢液處理情況也作為考查內容之一，占到總成績的10%。

　　這樣無形之中學生便會自覺處理廢氣、廢液、廢渣，營造一個好的實驗環境。

　　隨著綠色化學概念日益深入人心，無機實驗的綠色改革也迫在眉睫。

　　建設綠色化學實驗室、加強學生的環保意識是一個漫長的過程，任重而道遠，需要對規章制度的完善和對儀器設備的改進，需要加強對實驗室工作人員的環境意識和綠色化觀念的灌輸，需要我們共同的努力。

　　參考文獻：

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