《中學(xué)綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究》課題研究方案

藍(lán)永紅

《中學(xué)綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究》課題組為了使課題的研究與實(shí)施有章可循，便于操作和各項(xiàng)工作措施落實(shí)到位，特?cái)M定如下課題研究方案。

一、課題的提出與理論假設(shè)

隨著素質(zhì)教育的整體推進(jìn)，以及培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力在學(xué)科層面的有效實(shí)施和落實(shí)，有關(guān)化學(xué)實(shí)驗(yàn)及教學(xué)理論與實(shí)踐研究有了較大的進(jìn)展?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生領(lǐng)悟和感受到科學(xué)給人類創(chuàng)造文明的同時(shí)，也伴隨著對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人類的危害。這就要求化學(xué)教師嚴(yán)肅認(rèn)真地對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，既要科學(xué)地、直觀地展示實(shí)驗(yàn)所要達(dá)到的目的，又要以改進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為突破口，進(jìn)行綠色實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、廢液的回收再利用等，以點(diǎn)滴事例的實(shí)踐去教育學(xué)生、感染學(xué)生，增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。

所謂綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)，是指實(shí)驗(yàn)所用試劑、實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的條件、實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物對(duì)環(huán)境沒有或影響很小。探究綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)，既減少化學(xué)實(shí)驗(yàn)污染，又降低實(shí)驗(yàn)事故的發(fā)生概率，減少?gòu)U棄物的產(chǎn)生和排放。

二、研究的目的和意義

綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，操作更簡(jiǎn)便，充分體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中的各項(xiàng)基礎(chǔ)功能。在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)包括實(shí)驗(yàn)觀察能力、分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力、實(shí)驗(yàn)思維能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力的同時(shí)，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)本身就具有解決環(huán)境污染這一問(wèn)題的能力，從而在日常教學(xué)中滲透環(huán)境教育，提升“綠色化學(xué)”這一新的理念。

三、課題研究的內(nèi)容和實(shí)施步驟

為了更有效地進(jìn)行《中學(xué)綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究》課題的研究與實(shí)施，我們課題組成員分工協(xié)作，銳意改革，共同努力完成該課題的研究。

1.綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想

（1）轉(zhuǎn)變思想觀念，強(qiáng)化創(chuàng)新意識(shí)

綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)論是在內(nèi)容的選擇上、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)上，還是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求和評(píng)價(jià)上，不僅要注重學(xué)科訓(xùn)練，更要側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和誘發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣。改變過(guò)去的在實(shí)驗(yàn)中“照方抓藥”“因陋就簡(jiǎn)”的習(xí)慣做法，更不能把化學(xué)實(shí)驗(yàn)當(dāng)作完成教學(xué)任務(wù)，敷衍了事。

（2）拓展實(shí)驗(yàn)功能

教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生把注意力放在實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)上，在積極、主動(dòng)的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中形成化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，使實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練與培養(yǎng)置于實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中，將二者有機(jī)結(jié)合起來(lái)。更重要的是，使學(xué)生經(jīng)歷和體驗(yàn)獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的探索過(guò)程。只有親身經(jīng)歷了這樣的過(guò)程，學(xué)生才能對(duì)什么是科學(xué)實(shí)驗(yàn)有較為深刻的理解，才能在這樣的過(guò)程中受到科學(xué)過(guò)程和科學(xué)方法的訓(xùn)練，形成科學(xué)態(tài)度、情感和價(jià)值觀，感受到綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的魅力。

（3）實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)貼近生活，貼近社會(huì)

身邊的化學(xué)及化學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生有更直接的感性認(rèn)識(shí)，教師要善于發(fā)現(xiàn)和引導(dǎo)，將一些司空見慣的、枯燥無(wú)味的實(shí)驗(yàn)換一個(gè)角度、換一種思維去理解、認(rèn)識(shí)，并進(jìn)行綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生將其上升到正確的理性認(rèn)識(shí)，通過(guò)綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)解釋和解決日常生活和社會(huì)實(shí)際問(wèn)題，使之成為“有用的化學(xué)”。

2.綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則

中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)以“綠色化學(xué)”為依據(jù)，具體原則是：（1）采用無(wú)毒無(wú)害的實(shí)驗(yàn)原料；（2）在無(wú)毒無(wú)害的反應(yīng)條件（如催化劑、溶劑）下進(jìn)行反應(yīng)；（3）具有原子經(jīng)濟(jì)性，即反應(yīng)中原子利用率達(dá)到100%，實(shí)現(xiàn)“零排放”；（4）會(huì)造成污染的廢棄物集中收集并處理后轉(zhuǎn)化為非污染物；（5）在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯的前提下，實(shí)驗(yàn)藥品的用量能少不多，既不浪費(fèi)藥品，又將污染減小到最低。

3.綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容

（1）化學(xué)試劑的綠色化

化學(xué)試劑的選擇盡量采用那些無(wú)毒無(wú)害試劑或有潛在環(huán)保屬性的試劑。如白磷自燃實(shí)驗(yàn)，白磷有毒，燃燒產(chǎn)物P2O5對(duì)環(huán)境污染也較為嚴(yán)重。采用鎂粉和石英粉為原料，首先制備Mg2Si，然后將其投入水中，Mg2Si水解產(chǎn)生的SiH4在水面上遇空氣立即自燃，整個(gè)實(shí)驗(yàn)安全、無(wú)毒、無(wú)污染，符合綠色實(shí)驗(yàn)的要求。

（2）催化劑的綠色化

化學(xué)實(shí)驗(yàn)中催化劑的選擇盡量避免使用有毒有害的物質(zhì)作催化劑，如重金屬離子、強(qiáng)酸強(qiáng)堿；使用固體酸堿、酶無(wú)毒無(wú)害的物質(zhì)作催化劑。

（3）化學(xué)反應(yīng)的綠色化

化學(xué)反應(yīng)中應(yīng)盡量提高試劑的利用率，即使化學(xué)反應(yīng)具有較高的轉(zhuǎn)化率，這樣不僅可以提高實(shí)驗(yàn)的效率，而且可以避免產(chǎn)物帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。如CO還原CuO的實(shí)驗(yàn)，為了防止未反應(yīng)的CO排放到空氣中造成環(huán)境污染，同時(shí)也可以節(jié)約加熱CuO所需的能量，可設(shè)計(jì)將尾氣中CO燃燒的裝置。

（4）反應(yīng)產(chǎn)物的綠色化

化學(xué)反應(yīng)后的產(chǎn)物應(yīng)盡量是無(wú)毒無(wú)害的物質(zhì)，或以一種環(huán)境友好的物質(zhì)狀態(tài)存在（如固態(tài)產(chǎn)物），這就是一種環(huán)境友好產(chǎn)品。如SO2的漂白性實(shí)驗(yàn)，在試管中先加品紅溶液，再加少量稀HCl，然后放入一塊帶孔塑料板，將固體Na2SO3小心放置在塑料板上，在試管口套上一個(gè)氣球，傾斜或振動(dòng)試管，使固體Na2SO3滲入混合溶液中，可觀察到溶液紅色褪色。加熱，再冷卻，可使二氧化硫漂白性實(shí)驗(yàn)不斷呈現(xiàn)，并達(dá)到綠色實(shí)驗(yàn)的要求。

4.綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)施步驟

（1）在教學(xué)過(guò)程中滲透環(huán)境教育

中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中有許多涉及環(huán)境污染和環(huán)境保護(hù)的內(nèi)容，如二氧化硫的產(chǎn)生及酸雨的形成和防治、氮的氧化物及光化學(xué)煙霧、原電池的形成及電池中重金屬的污染、有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中有害物質(zhì)的處理等，這些內(nèi)容都可使學(xué)生對(duì)環(huán)境污染有更深刻的認(rèn)識(shí)，并可在教師指導(dǎo)下開展研究性學(xué)習(xí)和綠色實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。

（2）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，提倡綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)

①增加尾氣處理系統(tǒng)。中學(xué)化學(xué)教材中許多實(shí)驗(yàn)是屬于粗放型的，只注重實(shí)驗(yàn)結(jié)論，沒有考慮到對(duì)空氣的污染，如果教師能本著綠色化學(xué)的宗旨，改進(jìn)現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)，不僅能減少污染，還可以使學(xué)生真正感受到保護(hù)環(huán)境的重要性。

在這里舉一例說(shuō)明：高二教材中銅與濃、稀硝酸的反應(yīng)，反應(yīng)一旦開始，就不好控制，并會(huì)產(chǎn)生有毒氣體二氧化氮和一氧化氮，而一氧化氮在試管中立即與氧氣結(jié)合變成二氧化氮，其自身的顏色卻很難觀察到。這就要求我們?cè)谧鰧?shí)驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行少許改進(jìn)，既要控制反應(yīng)，又要注意尾氣的處理，更要使現(xiàn)象明顯。為此，銅與稀硝酸的實(shí)驗(yàn)可這樣改進(jìn)：在一個(gè)潔凈的針管中加入少許銅片，排除空氣；另在一小燒杯中注入稀硝酸并微熱，用注射器吸取少量稀硝酸迅速用小膠帽（眼藥水瓶蓋）蓋住注射器吸口。當(dāng)觀察到藍(lán)色溶液、無(wú)色氣體時(shí)（活塞會(huì)隨著氣體的產(chǎn)生緩慢外移），打開瓶帽，拉動(dòng)活塞，吸入空氣，會(huì)看到氣體由無(wú)色變成紅棕色，此時(shí)迅速將氣體注入足量氫氧化鈉溶液中。這樣的實(shí)驗(yàn)既簡(jiǎn)單易行，效果明顯，又達(dá)到綠色實(shí)驗(yàn)的要求。

②用密封的成品化儀器代替有毒實(shí)驗(yàn)，避免了有害物質(zhì)的產(chǎn)生。用密封的成品化儀器來(lái)完成有毒的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，這種儀器和藥品可循環(huán)使用，不存在污染毒害。如碘的升華實(shí)驗(yàn)，可用碘錘來(lái)完成（碘錘的兩頭向內(nèi)凹陷，內(nèi)封有碘晶體），具體方法是：一頭滴冷水，另一頭在酒精燈上加熱，因冷水起到冷凝作用，碘升華后聚在碘錘上方內(nèi)壁，反之也可。另外，溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響的實(shí)驗(yàn)，可采用密封有二氧化氮的U胖肚管來(lái)進(jìn)行。

③把有害物質(zhì)合理替換，也是解決污染問(wèn)題的有效途徑。在不影響實(shí)驗(yàn)效果的前提下，將某些易產(chǎn)生有害物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)換成無(wú)害物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。在“比較電解質(zhì)導(dǎo)電能力”的實(shí)驗(yàn)中，教材用的酸、堿、鹽分別是鹽酸、醋酸、氫氧化鈉、氯水、氯化鈉，其中鹽酸、氯化鈉在通電時(shí)會(huì)發(fā)生電解，產(chǎn)生有毒物質(zhì)（氯氣）。如果用稀硫酸代替鹽酸，用硫酸鈉代替氯化鈉，既能達(dá)到比較電解質(zhì)導(dǎo)電能力強(qiáng)弱的目的，又能避免氯氣的污染，一舉兩得。

另外，多媒體課件也是實(shí)驗(yàn)很好的替代品。如電解飽和食鹽水的實(shí)驗(yàn)，會(huì)產(chǎn)生氯氣，同時(shí)學(xué)生對(duì)離子的移動(dòng)缺乏理解，如果用電腦三動(dòng)畫從微觀的角度詮釋微粒的運(yùn)動(dòng)，并顯示兩極的變化，效果比實(shí)驗(yàn)好。

（3）在分組實(shí)驗(yàn)中，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成良好的習(xí)慣

①學(xué)生實(shí)驗(yàn)微型化，有利于減少污染，增加安全系數(shù)。搞微型化，從用量上加以控制?？蓪⒃嚬苤械哪承?shí)驗(yàn)改在點(diǎn)滴板上進(jìn)行，這樣節(jié)省藥品、污染少、操作安全、速度快。

②“三廢”分類集中，引導(dǎo)學(xué)生回收利用。告訴學(xué)生大量廢棄物長(zhǎng)期倒入下水管道后可能產(chǎn)生的隱患：制氫氣的鋅粒和廢酸可能在下水道富集引起爆炸、重金屬鹽類對(duì)水質(zhì)的污染、眼鏡反應(yīng)的廢液放久后變成氮化銀而引起爆炸，苯、苯膠、硝基苯等有毒致癌物這些廢棄物的任意排放，會(huì)損害自然環(huán)境。在高年級(jí)中大力提倡“三廢”的回收利用。如廢酸、廢堿的中和處理和循環(huán)使用，重金屬離子的沉淀轉(zhuǎn)化法，銀鏡反應(yīng)的廢液和洗滌試管中提煉硝酸銀以備“鹵素”實(shí)驗(yàn)之用。

（4）開放研究性課題，讓學(xué)生自主探求綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的新方式

在課題選擇上，教師應(yīng)側(cè)重在不同年級(jí)，結(jié)合課本，有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生。如在高一設(shè)置這樣一些課題：有關(guān)加碘鹽的調(diào)查報(bào)告、本地區(qū)降雨酸度的調(diào)查、夏季各類水的用量及化驗(yàn)結(jié)果。在高二設(shè)置：白酒中甲醇含量的調(diào)查、電池的種類及回收的意義、白色污染的危害、水發(fā)食品中的甲醛含量的調(diào)查。

研究性課程的設(shè)置，意在培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)，應(yīng)加以合理引導(dǎo)，抓住機(jī)遇，從課題選擇上適當(dāng)調(diào)整，促進(jìn)學(xué)生關(guān)注社會(huì)、關(guān)注環(huán)境的意識(shí)。

（作者單位：江西省南康中學(xué)）