淺議無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化

陳宏 萬新軍

（巢湖學(xué)院化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

隨著我國高等學(xué)校大規(guī)模地?cái)U(kuò)招，化學(xué)類學(xué)生的數(shù)量大幅上升，相應(yīng)地，無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也大量增加，化學(xué)試劑的消耗量和實(shí)驗(yàn)“三廢”排放量急劇增長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，“無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課教學(xué)所使用的藥品近150種，其中，鉛鹽、鉻鹽、鋇鹽、鎘鹽、汞及其化合物等毒性非常大，鎳、銅、鋅、錫、鈷等的化合物當(dāng)濃度比較高時(shí)也有很強(qiáng)的毒性，并且氯仿、乙醚、苯等有機(jī)溶劑，還能對人體和環(huán)境產(chǎn)生比較嚴(yán)重的危害，實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的二氧化硫、硫化氫、二氧化氮、氯氣、一氧化碳等具有強(qiáng)烈的刺激氣味或毒性。因此，提出無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化的要求就是適時(shí)的和重要的。綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)指在綠色化學(xué)理念的指導(dǎo)下，采取預(yù)防化學(xué)污染的新方案、新技術(shù)，對教學(xué)中的常規(guī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)改革而形成新的化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。

1 無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化的重要性

無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，一般在相關(guān)專業(yè)學(xué)生大一時(shí)開設(shè)。將綠色化學(xué)理念融入這門課的教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化，學(xué)生不但能得到一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境，而且在剛進(jìn)入大學(xué)時(shí)就潛移默化地受到綠色化學(xué)的熏陶，這對于培養(yǎng)其科學(xué)的環(huán)境觀點(diǎn)和資源觀點(diǎn)，提高其環(huán)保意識(shí)和責(zé)任意識(shí)，都具有相當(dāng)大的意義[1]。

具體說來，無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化的意義主要有以下幾點(diǎn)。

1.1 保護(hù)實(shí)驗(yàn)者的身體健康

在無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生要做大量的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，所用的化學(xué)藥品種類多，消耗量大；而且，大部分試劑和藥品具有腐蝕性或毒性，有的實(shí)驗(yàn)還有有毒或有害物質(zhì)的釋放。因此,在教學(xué)中,教師首先應(yīng)該避免有毒、有害物質(zhì)對學(xué)生身體健康的損害，在必要地訓(xùn)練、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能的前提下，可以去除一些能產(chǎn)生很大毒性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，或者選用無毒害的替代物對原來的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改造。例如：使用硫化鈉取代硫化氫氣體；把實(shí)驗(yàn)中使用的有機(jī)溶劑改為綠色溶劑，選用去離子水或超臨界水作溶劑；對反應(yīng)條件再改進(jìn)，采用綠色催化促使反應(yīng)在比較溫和的條件下完成；等等。這些措施能夠有效地保護(hù)實(shí)驗(yàn)者的身體健康不受損害，在教學(xué)中上貫徹了“以人為本”方針。

1.2 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維

教師帶領(lǐng)學(xué)生開展無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的研究，一般的，主要包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的再選擇、實(shí)驗(yàn)藥品和試劑的再選用、實(shí)驗(yàn)裝置的再設(shè)置、化學(xué)反應(yīng)過程和操作步驟的再設(shè)計(jì)等。實(shí)踐表明，這些不僅可以減少甚至杜絕實(shí)驗(yàn)對環(huán)境的污染和對學(xué)生身體的傷害，還可以大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，培育其創(chuàng)新思維和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，強(qiáng)化訓(xùn)練其動(dòng)手能力，有利于他們了解現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展趨勢。

1.3 保護(hù)環(huán)境和節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本

按照目前普遍使用的無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材，化學(xué)藥品和試劑的使用量是非常大的。這主要是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不合理所造成的。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，對許多只需微量試劑就能觀察到明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，減少藥品和試劑的使用量；循環(huán)使用某些化學(xué)試劑和藥品；對要開展的實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行整合，合理安排實(shí)驗(yàn)次序，將一些關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)串連起來；實(shí)現(xiàn)某些產(chǎn)物或副產(chǎn)物的回收利用，減少有毒、有害的廢棄物的數(shù)量和排放。這樣，既減輕了實(shí)驗(yàn)對環(huán)境的污染，又節(jié)約了應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)的資源和費(fèi)用。

1.4 培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中保護(hù)環(huán)境的意識(shí)和能力

傳統(tǒng)的無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法對自身污染環(huán)境的問題考慮得很少。實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)需要消耗大量的化學(xué)試劑和藥品，如酸、堿、鹽及有機(jī)物，其中很多屬于有毒有害的物質(zhì)；實(shí)驗(yàn)過程中大量產(chǎn)生的廢氣、廢水、廢渣對人體和環(huán)境的危害日漸明顯，而這些廢棄物的種類和濃度沒有規(guī)律性，不能采取處理工業(yè)“三廢”的方法來處理，只能依據(jù)污染物的性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，采取措施預(yù)防或減少污染。因此，在高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)也能危害環(huán)境的教育。通過對傳統(tǒng)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化改革，引導(dǎo)學(xué)生參與減少化學(xué)實(shí)驗(yàn)污染及污染治理的實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生強(qiáng)烈的環(huán)保意識(shí)和能力。

2 實(shí)現(xiàn)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化的主要措施

無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有項(xiàng)目多、內(nèi)容廣，藥品和試劑品種多、消耗量大、某些試劑和產(chǎn)物具有毒性等特點(diǎn)。因此，在無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)現(xiàn)綠色化，需要根據(jù)其特點(diǎn)采取下述主要措施。

2.1 教師的教學(xué)理念要切實(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色化實(shí)驗(yàn)觀念

在無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要安排實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，配制所需試劑，為學(xué)生作實(shí)驗(yàn)講解和演示，并直接指導(dǎo)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，自始至終居于主導(dǎo)地位?？梢哉f，教師的觀念和素質(zhì)對于實(shí)驗(yàn)教學(xué)成功與否起著關(guān)鍵作用，同樣的，也是綠色化實(shí)驗(yàn)教學(xué)成功與否的關(guān)鍵[2]。要切實(shí)轉(zhuǎn)變教師的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)意識(shí)為綠色化實(shí)驗(yàn)意識(shí)，并相應(yīng)地提高其實(shí)驗(yàn)教學(xué)素質(zhì)。教師在課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要持續(xù)灌輸綠色化學(xué)思想。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，教師盡量要選擇污染小的項(xiàng)目；在無法避免使用有毒有害物質(zhì)或者產(chǎn)生污染物質(zhì)的情況下，實(shí)驗(yàn)方案必須包含有效保護(hù)人身、環(huán)境安全和消除危害的措施內(nèi)容。教師要充分掌握各種藥品、試劑的具體危害性。教師要掌握綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本思想和基本知識(shí)、技能，并自覺地運(yùn)用這些知識(shí)、技能實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化。教師更要勇于創(chuàng)新，關(guān)注發(fā)展中的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，不拘泥于教材，積極地采用、推廣那些符合綠色化學(xué)要求的實(shí)驗(yàn)，以更好地實(shí)現(xiàn)保護(hù)實(shí)驗(yàn)者健康、減少實(shí)驗(yàn)對環(huán)境的危害、引導(dǎo)學(xué)生逐步樹立實(shí)驗(yàn)環(huán)保意識(shí)的教學(xué)目的。

2.2 較大地改變現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容

現(xiàn)在，無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用的試劑和藥品很多，其中元素化學(xué)實(shí)驗(yàn)所占比例偏大。按照綠色化學(xué)觀念，要從源頭消除污染。在滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本要求的前提下，對一些涉及有毒試劑的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化[3]。這可以從兩個(gè)方面采取措施：1、改進(jìn)或去除劇毒實(shí)驗(yàn)。在選擇無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，對危險(xiǎn)性、毒性大，“三廢”難處理的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要去除，不使用或少使用一些無法回收、替代、重復(fù)使用和再生的藥品、試劑。2、尋找替代品，盡量用一些無毒或低毒的化學(xué)試劑來替代有毒試劑。例如，在沉淀—溶解平衡實(shí)驗(yàn)中，沉淀離子及沉淀劑大部分使用Pb2+和CrO42-，雖然該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象比較明顯，但Pb2+和CrO42-屬于有毒重金屬離子，排放的實(shí)驗(yàn)廢液將會(huì)對水資源造成嚴(yán)重污染，而選用Fe2+或Cu2＋與OH-反應(yīng)，也可以達(dá)到相同的教學(xué)目的，但大大減少了實(shí)驗(yàn)廢液的污染，成功地體現(xiàn)了無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化。

2.3 采取微型化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

微型化實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有操作簡便，使用試劑量少，節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，節(jié)省時(shí)間，減少環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化的有效途徑之一[4]。微型制備實(shí)驗(yàn)，通常是由常量實(shí)驗(yàn)通過微型實(shí)驗(yàn)方法轉(zhuǎn)變而成的，是把常規(guī)計(jì)量的化學(xué)實(shí)驗(yàn)簡單化、縮小化，利用化學(xué)基礎(chǔ)原理重新設(shè)計(jì)、改造、組合各種儀器設(shè)備，獲取相應(yīng)的化學(xué)知識(shí)。它可以減少化學(xué)藥品的使用量和對環(huán)境的污染，還可以拓寬學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的思路，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力。例如，無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在一般是通過觀察比較明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如沉淀的形成、顏色的改變、氣體的生成等來驗(yàn)證物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，但藥品及試劑的使用量大。其實(shí)，只要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，易于觀察，就可以達(dá)到良好的教學(xué)效果。所以，這樣的常量實(shí)驗(yàn)可以用點(diǎn)滴板實(shí)驗(yàn)來代替。常量實(shí)驗(yàn)中一般要用1-2ml試劑用量，而使用點(diǎn)滴板實(shí)驗(yàn)，可以大幅度減少試劑用量，僅使用1-2滴試劑就可以達(dá)到同樣明顯的效果。

2.4 回收、處理廢氣、廢液和廢渣

把實(shí)驗(yàn)廢棄物質(zhì)回收、處理和再利用，既能節(jié)省資源，又能增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)[5]。教師要正確掌握對廢氣、廢液、廢渣的處理方法，盡量綜合利用廢棄物。對于含有NO2和H2S等廢氣的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該增加吸收裝置，讓H2S通入硫酸銅溶液中，用堿溶液吸收 NO2、Cl2、SO2等酸性氣體。在實(shí)驗(yàn)室中，要準(zhǔn)備廢酸缸和廢堿缸，對腐蝕性或有害的廢液不能直接倒入下水道，而應(yīng)分別儲(chǔ)存在這兩個(gè)缸內(nèi)；并定期對其進(jìn)行中和處理，用大量水稀釋后排入下水道。含有重金屬的廢液要倒入回收瓶，定期處理成低毒物質(zhì)再排放。例如，鉻酸洗液具有毒性，排放前要加入一些強(qiáng)還原性物質(zhì)，把它還原成低價(jià)鉻離子，再用廢堿液中和處理成低毒性的氧化鉻沉淀；在遠(yuǎn)離水源的地方掩埋。還比如，銀鏡反應(yīng)后試管上附著的銀，可用硝酸洗液洗滌，生成硝酸銀，再使用于銀元素系列性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)中。

2.5 運(yùn)用多媒體演示無機(jī)化學(xué)的實(shí)驗(yàn)

采用現(xiàn)代化的多媒體教學(xué)方式，既可以讓學(xué)生全面掌握豐富的科學(xué)知識(shí)，又可以有效地對學(xué)生滲透環(huán)保意識(shí)[6]。對易爆、劇毒、危險(xiǎn)、能產(chǎn)生有害物質(zhì)的一類化學(xué)實(shí)驗(yàn)，如果無法通過改變實(shí)驗(yàn)方案來實(shí)現(xiàn)綠色化，就可以把實(shí)驗(yàn)的原理、方法及操作步驟等制成多媒體課件，通過聲音和圖像的結(jié)合，直觀、清晰、生動(dòng)地展示實(shí)驗(yàn)操作過程給學(xué)生。這類模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生感受到不同實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果，既生動(dòng)形象，又節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用。

2.6 在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中鞏固綠色化學(xué)思想

寫作實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，學(xué)生除按照常規(guī)要求完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，還應(yīng)該對處理此次實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的廢棄物的方法、效果進(jìn)行總結(jié)。這是鞏固、強(qiáng)化學(xué)生綠色化學(xué)理念的十分重要的環(huán)節(jié)，具有承上啟下的作用。例如，對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的含CN-廢液的處理方法就有多種，高錳酸鉀法、配位法、臭氧法等，而具體選用哪種方法才是更加環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)的，就成為鍛煉和提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。抓住此環(huán)節(jié)，通過比較和綜合分析的理性思考，學(xué)生就能夠提高自己處理實(shí)驗(yàn)廢棄物的能力，為從根本上實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化奠定必要基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

進(jìn)入新世紀(jì)，在我國高校迅猛發(fā)展，化學(xué)類學(xué)生大量增加，因而化學(xué)實(shí)驗(yàn)規(guī)模迅速擴(kuò)大的歷史條件下，化學(xué)綠色化已經(jīng)表現(xiàn)出越來越大的必要性和重要性。而無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化，需要在綠色化學(xué)觀念的指導(dǎo)下，通過教師統(tǒng)籌安排，設(shè)計(jì)和施行科學(xué)、環(huán)保的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)過程，合理預(yù)防污染和處理無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的廢棄物，才能逐步實(shí)現(xiàn)。概要說來，就是：師生牢固樹立無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的理念，激發(fā)教師對傳統(tǒng)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行改革，培養(yǎng)學(xué)生環(huán)境保護(hù)意識(shí)和科學(xué)創(chuàng)新精神[7]；設(shè)計(jì)并實(shí)施綜合性實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)或去除一些有毒性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；開展微型化實(shí)驗(yàn)，回收利用實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物；采用多媒體實(shí)驗(yàn)教學(xué)等現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法和技術(shù)等。

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