實現(xiàn)分析化學實驗課綠色化的探索與實踐

張京京 何 萍

(營口理工學院 化學與材料工程系，遼寧 營口 115014)

分析化學實驗是一門是以實驗操作為主的技能課程，是化工、環(huán)境、生物、農(nóng)林、醫(yī)藥、食品科學等專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，其實驗內(nèi)容覆蓋面廣泛，涉及到的試劑藥品種類繁多，且多數(shù)為常量實驗，有毒實驗約占50%以上。近十年來，隨著我國高等教育的迅速發(fā)展和科學研究規(guī)模的不斷擴大，地方高校中與化學及化工相關(guān)的專業(yè)不斷增多，分析化學實驗的數(shù)量明顯增加，實驗室教學、畢業(yè)論文設(shè)計及高校教師的科研項目越來越多，學生及教師有更多的機會接觸到有毒有害的污染物，地方高校分析化學實驗的安全與環(huán)境保護已經(jīng)成為地方高校不能忽視的問題[1,2]。

綠色化學是又被稱為友好化學，是一門利用化學技術(shù)與方法來降低或消除有害物質(zhì)產(chǎn)生，從源頭阻止污染的化學，是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在化學領(lǐng)域里的體現(xiàn)[3]。綠色化學實驗是在綠色化學思想指導下，在保留常規(guī)實驗的基礎(chǔ)上，開展對分析實驗綠色化的研究，內(nèi)容從改進實驗內(nèi)容、減少化學試劑用量、采用多媒體技術(shù)模擬實驗、妥善處理實驗廢液等方面進行考慮。

1 在綠色化學的原則下，優(yōu)化實驗教材，合理安排實驗排序

現(xiàn)在高校廣泛使用的傳統(tǒng)分析化學實驗教材，由于編著的時間較早，教材內(nèi)容沒有體現(xiàn)綠色化學的原則，不能表現(xiàn)出時代性與創(chuàng)新性，學生長期使用這類教材不利于學生在課堂的學習中樹立綠色化學的意識，不利于為國家培養(yǎng)出新型的高端技術(shù)型人才。在熟悉綠色化學原則的基礎(chǔ)上，將綠色化學的理念融合進教學內(nèi)容和教材改革之中，在教學大綱的規(guī)定下，以綠色化學為主線，結(jié)合分析化學實驗的學科特點，將符合綠色化學原則的實驗內(nèi)容編入教材，在教材中添加綠色化學領(lǐng)域中的研究成果及實際應(yīng)用，以及綠色化學相應(yīng)的理論知識，介紹綠色化學的基本思想和技術(shù)，在分析化學實驗課的課堂上，逐漸引導和培養(yǎng)學生的綠色化學的意識，實現(xiàn)分析化學實驗的綠色化[4]。選擇實驗項目時，刪減對環(huán)境污染較大的實驗項目，用綠色分析化學實驗代替非綠色化學的實驗，選擇毒性小、危害小、污染少的實驗內(nèi)容。如基礎(chǔ)實驗中銨鹽中氮含量的測定，此實驗是以甲醛法測定氮含量的方法，甲醛對人體有害，易揮發(fā)，教師及學生長時間吸入甲醛，對身體造成危害，損害了身體健康，根據(jù)綠色化學的原則，刪除此實驗；傳統(tǒng)的實驗教材中將苯酚的含量作為學習碘量法原理的實驗，長時間在暴露在含苯酚的環(huán)境中，苯酚對人體的危害較大，選擇碘量法測定葡萄糖的實驗代替。

可以靈活采用串聯(lián)實驗的方法合理安排實驗順序，達到化學藥品的循環(huán)利用。通過調(diào)整實驗教學計劃，合理安排分析實驗的項目和次序，充分利用相關(guān)反應(yīng)，盡可能使得上個實驗的產(chǎn)物能在下個實驗中被利用上，且最好可以循環(huán)使用。它在一定程度上減輕了化學試劑對環(huán)境的污染，有利于環(huán)境保護[5]。例如，分析化學實驗的教學安排有“EDTA標準溶液的配制和標定”，及“鉛、鉍混合液中Pb2+、Bi3+的連續(xù)滴定”。兩個實驗都要用到EDTA，前一個實驗學生學習配制一定濃度的EDTA溶液后進行標定，而后一個實驗需要用EDTA溶液對鉛、鉍混合液進行滴定，在實驗安排上，就將EDTA標準溶液的配制和標定排在前面，這樣第一次實驗多配制的EDTA溶液正好可以用在第二個實驗上，這樣就避免倒掉和污染的問題了。通過對分析實驗內(nèi)容的改革和實驗順序的優(yōu)化安排，可以減少有毒害的化學物質(zhì)使用及藥品循環(huán)重復利用，可以減少對環(huán)境的污染及危害，實現(xiàn)分析化學的綠色化[5]。

2 減少化學試劑用量，將半微量分析實驗代替常量實驗

分析化學實驗以常量滴定分析為主，常量的分析滴定所用的玻璃儀器的規(guī)格一般都是50 mL滴定管，25 mL移液管，250 mL錐形瓶等，因為玻璃儀器的規(guī)格較大，所用化學試劑的用量大，費用高，對環(huán)境的污染更大，為了從源頭上改變這種現(xiàn)象，在不能更換滴定儀器的條件下，為了做到綠色化就要在保證實驗效果的提前下降低化學試劑的濃度。例如氯化物中氯含量的測定(莫爾法)是一個必做的實驗，教材中要求硝酸銀的濃度是0.1 mol/L，由于硝酸銀的價格高，銀本身又屬于重金屬元素，不僅資源稀少而且大量的污水排放會造成環(huán)境污染。如果根據(jù)教材要求，硝酸銀的濃度高，消耗量較大，不僅造成環(huán)境污染，而且實驗的成本也不低。為了降低實驗成本和保護環(huán)境，將實驗中用到的硝酸銀濃度從0.1 mol/L降低到0.05 mol/L；碘量法測定葡萄糖含量的實驗中，教材中碘標準溶液的濃度要求是0.05 mol/L，經(jīng)過實驗教師的研究比較，將碘標準溶液的濃度降低到0.02 mol/L，其他藥品用量相應(yīng)的減少了，實驗同樣能達到精密度和準確度的要求。雖然半微量實驗測定結(jié)果的準確度低于常量分析實驗的準確度，但其測定結(jié)果的重現(xiàn)性較好，精密度高，終點變色敏銳，化學藥品試劑用量減少，不僅減少有毒試劑對環(huán)境的污染，又降低了實驗成本，符合綠色化學的基本原則，值得提倡[6,7]。

3 利用計算機多媒體技術(shù)模擬實驗，實現(xiàn)綠色化

傳統(tǒng)的常規(guī)分析化學實驗需要耗費大量的化學試劑及純凈的水資源，其中一些實驗所涉及到的藥品價格昂貴或藥品的毒害性較大，還有某些實驗在實驗過程中會有產(chǎn)生一些有毒有害的氣體，這樣的實驗對學生及教師的身體造成較大的危害。根據(jù)綠色化學的原則，我們將這類在過程中易產(chǎn)生危害人體健康及污染環(huán)境的實驗或者需要加入大量有毒有害化學試劑且不易控制的傳統(tǒng)實驗，實驗教師通過計算機多媒體技術(shù)對實驗儀器及實驗過程進行仿真，從而有效地控制和減少對環(huán)境的污染，最后達到綠色化學的目的。

隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，開發(fā)虛擬實驗，對傳統(tǒng)的驗證性實驗進行改進，利用3D化學實驗仿真實驗室及Flash等軟件，將虛擬實驗教學更廣泛的應(yīng)用到實際教學中，對常規(guī)實驗的裝置、過程、現(xiàn)象及結(jié)果進行模擬，再輔助于動畫和視頻等多媒體技術(shù)，讓學生在實驗的課堂上更加直觀和全方位的感受到到實驗的動態(tài)過程，同樣可以達到教學的目的。計算機多媒體模擬實驗既可以讓學生學會實驗方法，又讓危害人體健康、污染環(huán)境、試劑價格高昂的實驗從根本上實現(xiàn)了綠色化[8]。

4 重視實驗室廢液的處理及回收利用

分析化學實驗中產(chǎn)生的廢液較多，主要是分析實驗過程中剩余試劑、溶劑、潤洗玻璃儀器的試劑溶液及試劑瓶的洗滌水等。實驗室廢液按照污染程度可分為無污染、低濃度和高濃度。無污染性主要包括類似氯化鈉的鹽溶液和葡萄等非危險性質(zhì)的試劑；低濃度地污染性的廢液主要包括實驗過程中所使用的低濃度低污染性的試劑、實驗用水和各種玻璃儀器或者其他器具的潤洗液和洗滌廢水等；高濃度高污染廢液主要是實驗中使用的濃度過于高、有毒或者危害性較大的試劑等。分析實驗中涉及到的廢液多數(shù)為無機性廢液，廢液中主要含有重金屬(鉛、鉍、銅、鉻等)及金屬的絡(luò)合物。長期以來，實驗室的廢液排放并沒有引起許多高校的重視，隨著環(huán)境污染的不斷加劇，學生隨意將實驗過程中產(chǎn)生的廢液和實驗完成后剩余的試劑直接倒入下水道中，這樣的現(xiàn)象應(yīng)該杜絕。每次實驗結(jié)束后，應(yīng)該要求學生將廢液進行處理后排放或者二次利用。根據(jù)廢液性質(zhì)的不同，采用不同的處理方法：如酸、堿廢液可以集中收回并定期進行相互中和處理；含氯化銀的廢液可以先加入適量的稀硫酸，攪拌后加入過量的鐵屑，將氯化銀轉(zhuǎn)化為銀以后再回收；《鉛、鉍混合液中Pb2+、Bi3+的連續(xù)滴定》實驗中，廢液中含有大量的鉛、鉍離子，選擇硫化鈉作為沉淀劑將鉛、鉍離子回收后，達到廢液回收再利用的目的，既節(jié)約實驗成本，又降低了含的鉛、鉍的廢液直接排放后污染環(huán)境的影響，達到了實驗的綠色化目標[9]。

實踐證明，通過以上四個方面的改革，有助于學生在分析化學實驗課的課堂中樹立綠色化學的理念，有利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)、有利于學生實驗技能及綜合素質(zhì)的提高，同時分析化學實驗的綠色化不僅可以節(jié)約實驗成本，而且減少分析化學實驗室對環(huán)境的污染與破壞，對環(huán)境保護具有重要的現(xiàn)實意義。

[1] 吳曉瓊.分析化學實驗的綠色化[J]科技信息，2008,7，393.

[2] 殷馨，王海文.探索綠色化學之路 改革化學實驗教學[J],化工高等教育，2014(1):64～66.

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[4] 李杰.高級技工建筑專業(yè)化學教學中滲透綠色化學理念的分析[J]中國校外教育(下旬刊)，2014，9：134.

[5] 高喜平，赫玉欣，姚大虎等.如何實現(xiàn)無機實驗的綠色化[J]化工時刊，2012，26(9):59～61.

[6] 王芬.半微量分析化學實驗研究與應(yīng)用[J]沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2003，34(3)：217～218.

[7] 谷春秀，王曉蕾，李穎等.微型實驗的開發(fā)與研究—分析專業(yè)常規(guī)實驗微型化[J]生命科學儀器2012，10(6)：1～8.

[8] 凌育趙，計算機在化學實驗綠色化的作用.[J]中山大學學報，2005，25(5)：105～107.

[9] 張學東，張宜欣，劉永紅.化學分析實驗室綠色環(huán)?；ㄔO(shè)探討[J]實驗技術(shù)與管理，2013,29(3): 357～359.