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從化學(xué)實驗開始中的綠色化學(xué)論文
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從化學(xué)實驗開始中的綠色化學(xué)論文【1】
【摘 要】 通過對國內(nèi)外綠色化學(xué)分析，總結(jié)實驗教學(xué)開展微量化學(xué)實驗、綠色化學(xué)實驗操作要求、綠色化學(xué)儀器和藥品及信息技術(shù)在綠色化學(xué)實驗研究和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)意識。
【關(guān)鍵詞】 綠色化學(xué);綠色化學(xué)實驗;綠色化學(xué)意識
一、引言
突破傳統(tǒng)的化學(xué)實驗方法，綠色化學(xué)已成為世界各國普遍接受并大力提倡、實施的人類、自然環(huán)境等可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方針的重要組成部分[1]。
二、綠色化學(xué)國內(nèi)外現(xiàn)狀分析
1990年，美國國會通過《污染防治條例》;1996年由美國環(huán)保署P.T.Anastas等編寫的《綠色化學(xué)》叢書陸續(xù)出版;1998年，美國正式啟動"綠色化學(xué)"計劃;1999年1月，英國皇家化學(xué)會主辦的國際性雜志《綠色化學(xué)》創(chuàng)刊;2001年秋季開始美國波士頓Massachusetts大學(xué)開始設(shè)立綠色化學(xué)博士學(xué)位[2]。
1993年，中國政府制定了《中國21世紀(jì)議程一一中國21世紀(jì)人口、環(huán)境與發(fā)展白皮書》;1995年，中國科學(xué)院化學(xué)部組織《綠色化學(xué)與技術(shù)一一推進(jìn)化工生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的途徑》院士咨詢活動;1997年5月，中國以"可持續(xù)發(fā)展問題對科學(xué)的挑戰(zhàn)一一綠色化學(xué)"在北京舉行;首都師范大學(xué)專門編著了《環(huán)境與綠色化學(xué)》一書于2005年1月由清華大學(xué)出版社出版[3];2007年8月由清華大學(xué)出版社出版，完成了《環(huán)境與綠色化學(xué)》配套教材的建設(shè)[4]。
三、培養(yǎng)綠色化學(xué)意識是實現(xiàn)綠色化學(xué)的基礎(chǔ)
1、綠色化學(xué)含義
綠色化學(xué)，又稱環(huán)境無害化學(xué)、環(huán)境友好化學(xué)、清潔化學(xué)，是指在化學(xué)品的設(shè)計、生產(chǎn)和應(yīng)用中消除或減少有毒有害物質(zhì)的使用和產(chǎn)生，設(shè)計研究沒有或只有盡可能少的環(huán)境副作用、在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上可行的產(chǎn)品和化學(xué)過程，是在始端實現(xiàn)污染預(yù)防的科學(xué)手段[5]。
2、培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)意識
教師具有豐富的綠色化學(xué)知識并采取有效的行動，例如：在實驗室張貼綠色化學(xué)標(biāo)語，鮮明提出綠色化學(xué)的口號，在教學(xué)中強調(diào)12項基本原則[6]，潛移默化地去感染學(xué)生。
三、實施綠色化學(xué)教育
3.1綠色從微量實驗開始
關(guān)于微型實驗、綠色化學(xué)與微型實驗己有大量文獻(xiàn)報道[7]，國內(nèi)有關(guān)微型化學(xué)實驗的研究成果也陸續(xù)出版[8～10]，微型實驗具有儀器裝置微型化和試劑少量化兩個基本特點，操作方便，節(jié)約藥品， 減少污染，代表了綠色實驗發(fā)展的方向[11]。
是一種以盡可能少的試劑來獲取所需化學(xué)信息的實驗原理和技術(shù)，其試劑用量是對應(yīng)的常規(guī)實驗的0.1%～10%[12]。
如利用試管代替燒杯進(jìn)行水中花園實驗，節(jié)約了試劑(原方法試劑用量的1/20) 實驗效果明顯安全材料易得[13]。
因此，既節(jié)省了藥品，又使得產(chǎn)生的“三廢”大大減少，基本解決了實驗室的污染問題[14]。
3.2 綠色實驗基本操作
有些學(xué)生實驗設(shè)備動手能力較差，不能按實驗要求操作，如：SO2、溴苯、硝基苯等有毒，制備和性質(zhì)實驗特別強調(diào)規(guī)范操作;如：不能向燃著的酒精燈添加酒精;如：乙烯、乙炔、CH4等點燃前要驗純，降低事故發(fā)生率，節(jié)約藥品，減少污染嚴(yán)格遵守實驗操作規(guī)則。
3.3選擇綠色藥品及儀器
選用對環(huán)境友好的原料、催化劑等實驗藥品。
例如：在乙酸乙酯制備實驗中，常用的硫酸催化酯化法存在用酸量大、副反應(yīng)多、過程復(fù)雜、收率低、廢酸污染等不足，可依據(jù)實驗原理，選用 PW12 / SiO2 綠色催化劑取代濃硫酸，催化合成乙酸乙酯[15]。
白磷毒性大，燃燒產(chǎn)物五氧化二磷對環(huán)境污染也較嚴(yán)重，改用 Mg2S i水解產(chǎn)生的 SH i 4在水面上自燃代替白磷，整個實驗安全無毒無污染，符合綠色實驗要求[16]。
3.4 綠色處理廢液和剩余藥品
在化學(xué)實驗教學(xué)中，把用過的酸類、堿類、鹽類等各種廢液應(yīng)分類倒入各自的回收容器內(nèi)，可采取中和、分解、吸收、燃燒、回收循環(huán)利用等方法處理廢棄物。
例如：在實驗室制取氯氣時，采用向上排氣法收集氯氣，并把多余的氯氣用氫氧化鈉溶液吸收。
保證了化學(xué)實驗?zāi)┒司G色化，使學(xué)生受到良好的綠色化學(xué)教育。
3.5綠色實驗設(shè)計方案
從實驗技術(shù)、方法、儀器等方面進(jìn)行重新設(shè)計，實驗產(chǎn)物或中間產(chǎn)物循環(huán)使用多種操作有機組合，如：乙醇系列實驗：工業(yè)酒精 95%的乙醇- 乙酸乙酯- 乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)測定及乙酸乙酯-乙酰乙酸乙酯-苯甲酰乙酰乙酸乙酯，乙酰水楊酸系列[17]。
如：次氯酸鈉、氯酸鉀的制取和氯氣的氧化性實驗連到一起做，不僅節(jié)約了時間、藥品，而且基本上聞不到氯氣、氯化氫的氣味，環(huán)保效果好[18]。
3.6 信息技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗
對于實驗中排放較多的有毒氣體、有毒廢水，特別適合演示實驗。
如膠體的電泳：硫化氫的性質(zhì)制取Co、So2、CL2等毒性實驗，氫氣還原氧化銅時先加熱后通氫氣，將水加入濃硫酸以稀釋濃硫酸)用啟普發(fā)生器制取乙炔等[19]。
利用信息技術(shù)對實驗反應(yīng)過程進(jìn)行仿真，既有助于學(xué)生理解，又減少了三廢污染。
總之，綠色化學(xué)是全體化學(xué)教育工作者必須研究和解決的課題。
把綠色化學(xué)的新理念、新方法和新技術(shù)落到實處，實現(xiàn)綠色家園偉大的中國夢想。
參考文獻(xiàn)
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倡導(dǎo)綠色化學(xué)中的微型化學(xué)實驗【2】
摘要：環(huán)境保護(hù)是目前全世界人民最關(guān)心的問題，也是國際社會面臨的嚴(yán)重問題。
在新課標(biāo)化學(xué)教材中實驗所占的比重很大，實驗過程中往往會產(chǎn)生、排放大量的有毒有害物質(zhì)，這些物質(zhì)的排放給環(huán)境造成了危害。
我們可以用綠色化學(xué)觀點改進(jìn)中學(xué)化學(xué)實驗，
即對中學(xué)化學(xué)某些實驗進(jìn)行微型實驗，使其向無污染方向發(fā)展。
關(guān)鍵詞：環(huán)境保護(hù);微型實驗;綠色化學(xué)
環(huán)境保護(hù)是目前全世界人民最關(guān)心的問題，也是國際社會面臨的嚴(yán)重問題。
在新課標(biāo)化學(xué)教材中實驗所占的比重很大，實驗過程中往往會產(chǎn)生、排放大量的有毒有害物質(zhì)，這些物質(zhì)的排放給環(huán)境造成了危害。
我們可以用綠色化學(xué)觀點改進(jìn)中學(xué)化學(xué)實驗，即對中學(xué)化學(xué)某些實驗進(jìn)行微型實驗，使其向無污染方向發(fā)展。
微型化學(xué)實驗具有減少污染、現(xiàn)象明顯、快速、節(jié)約、安全等優(yōu)點，非常符合“綠色化學(xué)”的思想，既真正地保護(hù)了環(huán)境，又不失時機地把環(huán)保教育滲透于化學(xué)教學(xué)之中。
筆者在教學(xué)實踐過程中充分體現(xiàn)“綠色化學(xué)”的思想，將化學(xué)實驗“微型”化，初見成效。
一、解決方案的內(nèi)容與實施
1、在保證獲取最有效實驗信息的前提下，采用盡可能少劑量實驗，對試劑“減量”或“降低濃度”或“微型”實驗儀器
如實驗室制取氯氣及氯氣性質(zhì)實驗中，因為氯氣是有毒氣體，泄漏到空氣中會嚴(yán)重污染大氣，影響身體健康。
而且驗證氯氣性質(zhì)實驗較多，按照教材操作比較繁瑣，且不可避免造成氯氣泄漏。
我們可以改進(jìn)實驗措施，實驗用品及試劑有五條濾紙條，紙條上分別滴有(1)品紅試液;(2)石蕊試液;(3)淀粉一KI試液;(4)Na2S溶液;(5)KBr溶液;(6)高錳酸鉀晶體;(7)吸有濃鹽酸的膠頭滴管。
實驗步驟：實驗時只須擠幾滴濃鹽酸即可發(fā)生變化。
(1)褪色;(2)先變紅后褪色;(3)變藍(lán);(4)出現(xiàn)淡黃色固體;(5)變?yōu)槌燃t色。
這樣設(shè)計實驗后，實驗裝置簡單、現(xiàn)象明顯、所需藥品少、無污染。
2、改“演示實驗”為“演示實驗和學(xué)生實驗”的結(jié)合體
如電解飽和食鹽水實驗中，反應(yīng)在U型管里進(jìn)行，使得離子在兩極之間遷移距離過長，造成整個電路的電阻較大，電源功率損耗大，使陰、陽兩極產(chǎn)生的氣泡較少，很難收集到足夠的氫氣;用鐵棒作電極，電阻大，表面積太小，不利于氫氣的產(chǎn)生，也難收集到足夠的氫氣進(jìn)行驗證實驗;尾氣不及時處理，會對環(huán)境造成污染，不符合綠色環(huán)保的新理念。
我們也可以改進(jìn)一下：將一塊濾紙裁成兩半，取一半平放在玻璃板上，用NaC1酚酞試液充分浸潤，分別用舊電池芯、鐵釘作陽、陰極按輕輕將電極卷在其中，并接通電源。
通電2分鐘后，立即打開裹有碳棒的一端濾紙，滴人一滴碘化鉀淀粉溶液，濾紙變藍(lán)，證明陽板有氯氣生成，再打開另一端，發(fā)現(xiàn)濾紙變紅，證明NaOH在陰極生成。
這樣，實驗中藥品用量少，電極產(chǎn)物檢驗簡單，現(xiàn)象直觀，節(jié)省時間;實驗操作簡單，效果明顯，可用作教師演示實驗和學(xué)生實驗，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度。
3、盡可能密閉可控、處理尾氣
例如，在銅和濃硝酸的反應(yīng)中，利用注射器代替試管進(jìn)行試驗：取一支10mL的注射器，抽出活塞，在針筒內(nèi)裝入0.04g銅屑，推上活塞并吸入0.1mL的濃硝酸，觀察現(xiàn)象，等反應(yīng)完畢后將注射器中的液體小心排入廢液瓶中，裝有無色氣體的針筒內(nèi)再吸入空氣，可看到無色氣體變成紅棕色。
改進(jìn)后的裝置是封閉體系，易于對比觀察，效果明顯，藥品用量比改進(jìn)前少得多，同時能防止有毒氣體二氧化氮的泄漏并污染空氣。
結(jié)合汽車、飛機等運輸工具排放廢氣污染空氣而形成光化學(xué)煙霧的實例，對學(xué)生進(jìn)行環(huán)境意識的教育，以提高學(xué)生的環(huán)保意識。
實驗完畢，啟發(fā)學(xué)生利用已學(xué)知識對廢棄物進(jìn)行處理，以防止重金屬銅和有氣體二氧化氮的污染，使學(xué)生養(yǎng)成從我做起，保護(hù)環(huán)境。
4、回收和重復(fù)使用試劑，提高藥品的利用率
回收未反應(yīng)的原料、副產(chǎn)物(含“三廢”)，如用KMnO4制取O2所得到的剩余物質(zhì)中主要含有MnO2、K2MnO4和未反應(yīng)掉的KMnO4，這三種物質(zhì)的混合物均可用來加入濃鹽酸制取氯氣。
再如像在《乙酸乙酯的制取》實驗中，由于最后的混和液中尚有相當(dāng)?shù)臐饬蛩�，就要求學(xué)生集中倒在指定的廢物桶中，處理后再排放。
還可以回收催化劑等非反應(yīng)試劑，如《化學(xué)反應(yīng)速率化學(xué)平衡》的催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響實驗中，MnO2是H2O2分解生成O2的催化劑。
在實驗結(jié)束時，要求學(xué)生將小試管中的H2O和MnO2一起倒入指定的回收容器(燒杯等)中，以便集中回收MnO2。
重復(fù)使用主要是將上一個實驗步驟中剩余的藥品以及回收來的化學(xué)藥品用到下一個實驗步驟中或用到其他的實驗中去。
如前面提到的濃硫酸稀釋后，不是直接倒掉，而是用到后面的濃、稀硫酸的性質(zhì)比較實驗中去。
再如回收的MnO2、K2MnO4和KMnO4用于濃鹽酸制取氯氣的實驗中。
這樣，大大減少了藥品用量，提高了藥品使用效率。
5、計算機仿真化學(xué)實驗
常規(guī)的、傳統(tǒng)的化學(xué)實驗不可避免地消耗許多藥品和大量的水資源，尤其是對一些試劑昂貴、實驗中容易引起爆炸或必須采用有毒、有害的試劑(如苯、苯酚、重金屬等)的實驗，并在整個實驗中排放較多的有毒氣體、有毒廢水，給師生身體健康帶來極大的危害，且對環(huán)境造成較大破壞的實驗，我們可以利用計算機多媒體技術(shù)，對實驗原理、裝置、流程、實驗過程進(jìn)行仿真，用文字、聲音、圖像、動畫的效果讓學(xué)生在計算機屏幕上做實驗，達(dá)到身臨其境的感覺。
如有毒溶劑的燃燒，有毒物質(zhì)的性質(zhì)及相互轉(zhuǎn)化等實驗，這樣既讓學(xué)生學(xué)會了實驗方法，而且使那些毒性大、危險性大、試劑昂貴的實驗變成了綠色化的實驗，自始至終，不會對人體和環(huán)境造成污染。
但需要注意的是微型化學(xué)實驗不是常規(guī)化學(xué)實驗的簡單縮微或機械減量，也不是對常規(guī)實驗的補充，更不是與常規(guī)實驗的對立，而是在整個實驗過程中貫穿了綠色化學(xué)的思想，有效實現(xiàn)“盡可能小劑量實驗、省資源、少污染、減成本”，還增強學(xué)生的環(huán)境保護(hù)意識，是對中學(xué)化學(xué)常規(guī)實驗進(jìn)行的改革和發(fā)展。
因此，微型實驗雖然具有許多優(yōu)越性，但也并不是所有實驗都可用之代替的。
在教學(xué)中，應(yīng)根據(jù)實驗的內(nèi)容、目的、現(xiàn)象和定量要求等進(jìn)行選擇，使常規(guī)實驗和微型實驗相結(jié)合，兩者取長補短，這樣可以發(fā)揮更好的教學(xué)效果。
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