基于綠色化學(xué)理念的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)策略

何大明++關(guān)寧

【摘 要】本文論述運(yùn)用綠色化學(xué)理念改進(jìn)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，從源頭上減少或消除污染，實(shí)現(xiàn)原子利用率的最大化，將綠色化學(xué)理念滲透到高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，引導(dǎo)學(xué)生積極思考、大膽探索，理解化學(xué)知識，掌握技能，培養(yǎng)學(xué)生的綠色環(huán)保意識。

【關(guān)鍵詞】綠色化學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 環(huán)保意識

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）06B-0034-02

綠色化學(xué)（green chemistry），是研究在化學(xué)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)和加工生產(chǎn)過程中減少或消除對人類健康和環(huán)境有害影響的科學(xué)。其核心內(nèi)容是從源頭上減少或消除污染，實(shí)現(xiàn)原子利用率的最大化。目前中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢水、廢氣、廢渣等都會對周圍環(huán)境造成不同程度的污染，甚至影響師生健康。我國在 2003 年由教育部正式頒布的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》明確提出，在設(shè)計(jì)必修課程時(shí)，應(yīng)將綠色化學(xué)理念融入其中。在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)讓學(xué)生多參與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與改進(jìn)，潛移默化地滲透綠色化學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

一、開展微型實(shí)驗(yàn)，有效實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)綠色化

對比常規(guī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)來說，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)是開展探究性學(xué)習(xí)有效的工具之一。在分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果使用常規(guī)的實(shí)驗(yàn)儀器，組裝費(fèi)時(shí)，占用空間大，所需藥品量多，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長，難以實(shí)現(xiàn)使每人動手和隨時(shí)隨處做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)的目的，這給探究性學(xué)習(xí)帶來一定的局限性。相比之下，利用微型實(shí)驗(yàn)儀器的小巧、簡便、快速、節(jié)約、安全等優(yōu)點(diǎn)，方便學(xué)生在遇到問題時(shí)可以隨時(shí)隨處設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從實(shí)驗(yàn)中思考并探討結(jié)論，從而更有效地開展探究性學(xué)習(xí)。

比如，在二氧化硫的制取及性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)中，儀器組裝比較復(fù)雜，藥品用量多，而且容易造成二氧化硫逸出污染環(huán)境?；诖?，筆者使用了微型實(shí)驗(yàn)儀器來完成這一系列實(shí)驗(yàn)（如圖 1 所示）。

圖1 二氧化硫的制取及性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)

（一）實(shí)驗(yàn)原理

1.SO2 的制備

Na2SO3+H2SO4（濃）=Na2SO4+SO2+H2O

2.性質(zhì)檢驗(yàn)

酸性：SO2+H2O=H2SO3（可逆反應(yīng)）

漂白性：SO2 使品紅溶液褪色。

還原性：2KMnO4+5SO2+2H2O=K2S04+2MnSO4+2H2SO4

氧化性：Na2S+SO2+H2O=H2S+Na2SO3

2H2S+SO2=3S+2H2O

3.尾氣處理：SO2+2NaOH=Na2S03+H2O

（二）實(shí)驗(yàn)藥品

亞硫酸鈉固體、濃硫酸、硫化鈉溶液、紫色石蕊試液、高錳酸鉀溶液、品紅溶液、濃氫氧化鈉溶液。

（三）實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

1.用 6 孔井穴板代替 6 個(gè)反應(yīng)器，用塑料滴管代替分液漏斗。

2.檢查氣密性良好。把水倒入大燒杯，在第 1 個(gè)井穴中裝入小半勺亞硫酸鈉粉末，作為制取二氧化硫所用。

3.在第二個(gè)井穴中滴幾滴紫色石蕊試液，檢驗(yàn)二氧化硫的酸性；在第 3 個(gè)井穴中滴幾滴品紅溶液，檢驗(yàn)二氧化硫的漂白性；在第 4 個(gè)井穴中滴幾滴高錳酸鉀溶液，檢驗(yàn)二氧化硫的還原性；在第 5 個(gè)井穴中，滴幾滴酸化的硫化鈉溶液，檢驗(yàn)二氧化硫的氧化性；在最后一個(gè)井穴中加入幾滴濃氫氧化鈉溶液，進(jìn)行尾氣處理。

4.蓋好長進(jìn)短出的塞子，吸滴管的濃硫酸，插入第1個(gè)井穴的長導(dǎo)管上，輕輕擠壓滴管，觀察現(xiàn)象。

可以很快觀察到紫色石蕊試液變紅，說明生成了酸性的物質(zhì)；品紅溶液褪色說明 SO2 具有漂白性；高錳酸鉀溶液褪色體現(xiàn)了 SO2 的還原性；硫化鈉溶液中產(chǎn)生黃色的渾濁，說明 SO2 具有一定的氧化性。通過這樣的微型實(shí)驗(yàn)一次性探究了二氧化硫的幾種重要性質(zhì)。

（四）改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

1.利用微型實(shí)驗(yàn)將 SO2 的制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一體化，裝置簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)藥品用量少，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在一個(gè)密閉體系中完成，基本不造成污染，符合綠色化學(xué)的理念。

2.本試驗(yàn)裝置將 SO2 的多個(gè)重要性質(zhì)在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行探究，有利于學(xué)生理解和記憶，有利于開展探究性學(xué)習(xí)，從而很好地落實(shí)新課改的要求。

總的來說，利用微型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新和改進(jìn)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，產(chǎn)生更好的教學(xué)效果。教師在整個(gè)教學(xué)中應(yīng)不斷向?qū)W生滲透綠色化學(xué)思想，促進(jìn)教學(xué)理論知識與實(shí)踐知識的結(jié)合，使學(xué)生能在了解化學(xué)知識中提高保護(hù)環(huán)境的意識，從而提高綠色化學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。

二、整合實(shí)驗(yàn)裝置，提高綠色實(shí)驗(yàn)成效

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置是降低污染、避免危害、有效滲透綠色化學(xué)理念的重要途徑。教師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況，引導(dǎo)學(xué)生積極思考、大膽探索，通過整合實(shí)驗(yàn)裝置，將實(shí)驗(yàn)對環(huán)境的污染降低到最低程度。

例如，人教版化學(xué)必修 2 中講授離子鍵時(shí)列舉了金屬鈉與氯氣的反應(yīng)，經(jīng)過實(shí)際操作，發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)存在以下缺點(diǎn)：（1）要另外搭建制取裝置收集氯氣；（2）預(yù)先收集的氯氣在課堂演示時(shí)會泄露而產(chǎn)生污染，影響課堂效果；（3）氯氣用量大，導(dǎo)致原料浪費(fèi)?；诖?，筆者進(jìn)行了如圖 2 所示的改進(jìn)。

（一）實(shí)驗(yàn)裝置圖和藥品

圖2 金屬鈉與氯氣的反應(yīng)裝置

1.按如圖 2 組建好裝置，檢查裝置的氣密性，在具支管 Ⅰ 中加入少量的高錳酸鉀固體，在管口插入吸有濃鹽酸的注射器。

2.在具支試管 Ⅱ 內(nèi)放入少許石棉絨，在石棉絨上放一粒綠豆大的金屬鈉 （吸干煤油，除去氧化膜）。

（二）實(shí)驗(yàn)操作

1.打開止水夾 a，關(guān)閉 b 和 c。將適量濃鹽酸滴入裝有高錳酸鉀固體的具支管 Ⅰ 中，當(dāng)具支試管 Ⅰ 充滿黃綠色氣體時(shí)，關(guān)閉止水夾 a，打開 b。用注射器收集約 50 mL 氯氣。關(guān)閉止水夾 b。

2.加熱具支試管 Ⅱ，當(dāng)金屬鈉熔成球狀時(shí)，打開止水夾 c，推動注射器，使氯氣進(jìn)入具支試管 Ⅱ，會發(fā)現(xiàn)金屬鈉燃燒，火焰呈黃色，有濃濃的白煙，反應(yīng)后，試管壁附著白色固體氯化鈉，整個(gè)過程現(xiàn)象明顯。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，關(guān)閉止水夾 c。

（三）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的明顯優(yōu)點(diǎn)

1.整個(gè)裝置固定在一塊紙板上，體現(xiàn)了新方法、新材料的應(yīng)用。

2.極好的解決了氣體的制取與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)相統(tǒng)一的問題，即用即得，操作方便，便于控制。

3.實(shí)驗(yàn)過程中試劑用量少，節(jié)約藥品，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，符合實(shí)驗(yàn)微型化。

4.增加尾氣吸收裝置，避免對環(huán)境的污染，符合綠色化學(xué)理念。

5.用注射器取用、貯存氯氣比用集氣瓶更方便、安全。

三、節(jié)約實(shí)驗(yàn)藥品，體現(xiàn)綠色化學(xué)思想

高中化學(xué)的有些實(shí)驗(yàn)并沒有實(shí)驗(yàn)藥品用量的具體標(biāo)準(zhǔn)，而常采用“適量”“少量”“足量”等模棱兩可的詞，有一些化學(xué)藥品的用量明顯過高，造成浪費(fèi)現(xiàn)象。教師在做實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量在實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果的前提下，以節(jié)約的方式完成化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

比如在原電池原理教學(xué)中，學(xué)生按課本“活動與探究”的要求很容易完成原電池實(shí)驗(yàn)。但是有幾點(diǎn)不足：（1）用燒杯盛放的稀硫酸溶液用量多，比較浪費(fèi)，不符合綠色化學(xué)理念；（2）由于鋅片不純，鋅片上仍有大量氣泡并很快模糊一團(tuán)，難以觀察現(xiàn)象，同時(shí)有酸霧般的刺激性氣體造成空氣污染；鋅片或者鋅粒散落在裝置或者水槽里，處理起來較麻煩。基于這些原因，筆者進(jìn)行了如圖 3 改進(jìn)。

圖3 原電池實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過程：

1.用導(dǎo)線將銅絲和鋅片連接電流計(jì)的正負(fù)接線柱。

2.把濾紙放在器皿的表面上，再往濾紙上滴加幾滴稀硫酸。

3.把銅絲、鋅片與濾紙接觸，電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，鋅片上幾乎觀察不到有氣泡產(chǎn)生，而銅片上卻產(chǎn)生大量的氣泡，實(shí)驗(yàn)效果非常明顯。

本實(shí)驗(yàn)操作簡便、快速，無需洗滌燒杯等儀器，每次實(shí)驗(yàn)最多只需更換濾紙；鋅銅和溶液用量均很少，避免了稀硫酸的用量大而造成的浪費(fèi)和一定的空氣污染，而且實(shí)驗(yàn)效果好。濾紙實(shí)驗(yàn)無廢水排放，有利于環(huán)保，符合綠色化學(xué)要求。

當(dāng)前，化學(xué)教育工作者已經(jīng)很重視對化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)，使化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有了一定的改善，但還不夠深入。如何通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)滲透綠色化學(xué)理念，如何通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，如何讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)等，還有待進(jìn)一步提高?？傊?，綠色化學(xué)是一種新的教育理念，把綠色理念滲透到高中化學(xué)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中很有必要，是素質(zhì)教育的重要的體現(xiàn)，它有助于培養(yǎng)學(xué)生的綠色環(huán)保的意識以及保護(hù)環(huán)境的責(zé)任感。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李思思.基于綠色化學(xué)理念的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].成功（教育），2015（10）

[2]馮鈴慧.淺談初中化學(xué)教學(xué)中如何滲透綠色化學(xué)教學(xué)增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識[J].科學(xué)咨詢（教育科研），2016（4）

（責(zé)編 盧建龍）