例析中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中存在的科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)*

馬春生

例析中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中存在的科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)*

馬春生

以一氧化碳還原氧化鐵實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室制取乙烯并驗(yàn)證乙烯能與溴單質(zhì)發(fā)生加成反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)為例，分析中學(xué)實(shí)驗(yàn)中存在的科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)，說明在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知教育的必要性。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)；風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知；風(fēng)險(xiǎn)決策

科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)存在于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，存在于中學(xué)化學(xué)教學(xué)中。由于科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知的缺失，學(xué)生經(jīng)常在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)受傷、亂用藥品、儀器損壞等事故。所以在化學(xué)教學(xué)中對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知的教育十分重要。

如何評估化學(xué)實(shí)驗(yàn)中存在的科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)，防范實(shí)驗(yàn)事故呢？下面通過兩個(gè)實(shí)例加以說明。

一、CO還原Fe2O3的實(shí)驗(yàn)的科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知和決策

一氧化碳還原氧化鐵實(shí)驗(yàn)屬于較復(fù)雜的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，較復(fù)雜的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中存在著較復(fù)雜的科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)因素，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)當(dāng)對這類化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)因素的認(rèn)知和決策，從而確保實(shí)驗(yàn)安全、獲得正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和所需的產(chǎn)物。

分析該實(shí)驗(yàn)中使用的藥品、儀器和操作環(huán)節(jié)，該實(shí)驗(yàn)中主要存在5項(xiàng)科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)，下面對這5項(xiàng)科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行認(rèn)知和決策。

【風(fēng)險(xiǎn)1】什么樣的加熱條件下，實(shí)驗(yàn)的主要產(chǎn)物是鐵？

風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知：由滬教版九年級化學(xué)新舊教材的不同插圖(如圖1所示)引出話題，在CO還原Fe2O3的實(shí)驗(yàn)中為什么將酒精燈改為了酒精噴燈？

圖1　滬教版九年級化學(xué)新舊教材中CO還原Fe2O3的裝置圖

查找資料：不同溫度下，CO還原Fe2O3所得的產(chǎn)物曲線圖(如圖2所示)。酒精燈火焰的溫度一般低于600 ℃，酒精噴燈的火焰溫度可達(dá)到800 ℃以上。

圖2　不同溫度下，CO還原Fe2O3所得的產(chǎn)物

由圖2可知在酒精燈加熱的條件下，實(shí)驗(yàn)中生成的含鐵元素的主要產(chǎn)物是Fe3O4，在酒精噴燈加熱的條件下，實(shí)驗(yàn)中生成的含鐵元素的主要產(chǎn)物是Fe。

對比實(shí)驗(yàn)：取少量A，B實(shí)驗(yàn)(如圖1所示)中生成的黑色固體于試管中，滴加稀鹽酸，盛A實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的試管中僅有很少氣泡，盛B實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的試管中有大量的氣泡，證明B實(shí)驗(yàn)中的固體產(chǎn)物主要是Fe。

風(fēng)險(xiǎn)決策：在CO還原Fe2O3實(shí)驗(yàn)中，必須用酒精噴燈加熱才能獲得主要產(chǎn)物Fe。

【風(fēng)險(xiǎn)2】實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)意外風(fēng)險(xiǎn)如何處理？

風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知：課前進(jìn)行準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有時(shí)玻璃管會(huì)因高溫產(chǎn)生熔裂，致使實(shí)驗(yàn)中止。

風(fēng)險(xiǎn)決策：準(zhǔn)備備用裝置，在突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)進(jìn)行更換(在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，玻璃管受高熱破裂屬于隨機(jī)風(fēng)險(xiǎn)事件，較難避免)。

【風(fēng)險(xiǎn)3】能否直接排放未參加反應(yīng)的CO？

風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知：由已有知識(shí)可知，CO有毒，直接排放會(huì)有人體中毒的危險(xiǎn)并污染環(huán)境。

風(fēng)險(xiǎn)決策：可將未參加反應(yīng)的CO燒掉，使其轉(zhuǎn)化成無毒的CO2氣體，或用貯氣裝置盛接尾氣，需要對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)(如圖3所示)。

圖3　點(diǎn)燃未參加反應(yīng)的CO

【風(fēng)險(xiǎn)4】能否在通氣前就對裝置進(jìn)行加熱？

風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知：由已有知識(shí)可知，CO與空氣的混合氣在加熱時(shí)會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。

風(fēng)險(xiǎn)決策：先通CO，排盡裝置內(nèi)的空氣后再加熱玻璃管，最后點(diǎn)燃排出的CO。

【風(fēng)險(xiǎn)5】加熱過程中，實(shí)驗(yàn)者是否存在意外燒傷的可能？

風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知：對從未用過酒精噴燈進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)的學(xué)生而言，其實(shí)驗(yàn)行為具有不確定性，存在意外燒傷的可能。

風(fēng)險(xiǎn)決策：由教師進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)(教師經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)成為該實(shí)驗(yàn)的熟練操作者)。

二、實(shí)驗(yàn)室制取乙烯并驗(yàn)證乙烯能與溴單質(zhì)發(fā)生加成反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)的科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知和決策

試對下列實(shí)驗(yàn)室制取乙烯并驗(yàn)證乙烯能與溴單質(zhì)發(fā)生加成反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)(如圖4所示)裝置進(jìn)行科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)并給出實(shí)驗(yàn)操作的合理建議。

圖4　實(shí)驗(yàn)裝置

(1)乙醇的沸點(diǎn)低(78.4 ℃)，硫酸沸點(diǎn)高(338 ℃)，乙醇可溶于硫酸。(2)濃硫酸有強(qiáng)氧化性和腐蝕性，濃硫酸與乙醇混合液共熱時(shí)會(huì)有二氧化硫生成。(3)溴單質(zhì)不僅能與乙烯發(fā)生反應(yīng)，在水溶液中也可與二氧化硫反應(yīng)。(4)乙醇在濃硫酸的催化下，加熱到140 ℃生成乙醚。

風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知：(1)該設(shè)計(jì)中將溫度計(jì)插入溶液中測量反應(yīng)溫度，在燒瓶中放入碎瓷片防止溶液暴沸，在燒瓶下墊石棉網(wǎng)使燒瓶均勻受熱的做法是正確的。(2)為使反應(yīng)溫度能迅速上升到170 ℃，要控制乙醇與濃硫酸的比例。一般的比例是1:3，若乙醇的量較多，反應(yīng)溫度不能迅速上升到170 ℃，主要產(chǎn)物就是乙醚了。(3)因?yàn)樯傻臍怏w中混有二氧化硫，所以不能將生成的氣體直接通入盛有溴水的試管中，必須將氣體中的二氧化硫除去后再通入盛有溴水的試管中。(4)將生成的氣體直接通入到試管中的液體中易產(chǎn)生倒吸現(xiàn)象，發(fā)生危險(xiǎn)事故。

風(fēng)險(xiǎn)決策和操作建議：對上述實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)(如圖5所示)。增加安全瓶，防止試管中的溶液倒吸入燒瓶中；增加盛有氫氧化鈉溶液的裝置吸收反應(yīng)中生成的二氧化硫；實(shí)驗(yàn)前配制乙醇和濃硫酸的混合液時(shí)，要按體積比1:3的比例將乙醇緩慢地倒入濃硫酸中，邊加邊攪拌；實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意裝置的安裝順序，鐵夾要注意松緊適度；不能直接接觸實(shí)驗(yàn)藥品，要戴上防護(hù)眼鏡和橡膠手套。

圖5　改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置

三、結(jié)束語

在對化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知的過程中，要通過查找資料，回顧已有知識(shí)、反思分析、對比實(shí)驗(yàn)等方式，明確所用儀器、藥品的屬性，逐一分析各個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置、操作環(huán)節(jié)中可能產(chǎn)生的科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)，在此基礎(chǔ)上做出正確的風(fēng)險(xiǎn)決策，從而讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作正確，產(chǎn)物理想，人員安全，保護(hù)環(huán)境。

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開展科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知和決策意識(shí)的教育，具有現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)意義?？纱偈箤W(xué)生自覺認(rèn)識(shí)化學(xué)藥品的屬性，在進(jìn)行復(fù)雜實(shí)驗(yàn)前分析實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)因素，確定合理的實(shí)驗(yàn)裝置和操作步驟。在面對突發(fā)事故時(shí)，能有理智地應(yīng)變，保護(hù)自己和身邊人的安全，正確處理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中有毒有害廢物，建立環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)。具有科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知與決策意識(shí)的素養(yǎng)，也有助于學(xué)生在走上社會(huì)后有自我保護(hù)的意識(shí)，能積極參與對事物所存在的科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估并發(fā)表自己的見解。

[1] 楊昭寧.學(xué)?？萍硷L(fēng)險(xiǎn)教育研究學(xué)?？萍硷L(fēng)險(xiǎn)教育研究[D].重慶:西南大學(xué)博士學(xué)位論文,2012.

[2] 夏玉珍,楊永偉.科學(xué)技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)后果與治理—一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)社會(huì)理論視角的分析[J].廣西社會(huì)科學(xué),2014(5):145-149

馬春生，本科，教授級高級教師。江蘇省南京田家炳高級中學(xué)，210037

全國教育科學(xué)規(guī)劃2014年度教育部重點(diǎn)課題《理科教育中的科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知與決策能力研究》(編號：DHA140284)；江蘇省教學(xué)研究重點(diǎn)課題《基于學(xué)科核心素養(yǎng)的高中化學(xué)教學(xué)評一致性研究》(編號：2015JK11-Z004)。