“綠色化學(xué)”理念下開展中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的途徑和措施

通過考察定西市安定區(qū)四所高中化學(xué)實驗室的配備情況、實驗室三廢的處理情況、現(xiàn)場觀察實驗課、對師生進(jìn)行綠色化學(xué)的問卷調(diào)查，總結(jié)出了欠發(fā)達(dá)地區(qū)化學(xué)實驗綠色化過程中存在的問題和不足，進(jìn)行反思，構(gòu)建出了欠發(fā)達(dá)地區(qū)在“綠色化學(xué)”理念下開展中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的途徑和措施。這有助于教師在今后的教學(xué)中將綠色化學(xué)的思想、知識、原則等相關(guān)內(nèi)容滲透在化學(xué)實驗教學(xué)中。一、轉(zhuǎn)變教師陳舊的實驗教學(xué)觀念21世紀(jì)，隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對資源的過度開采造成環(huán)境的日益惡化，人們向往綠水青山的生活環(huán)境，“綠色化學(xué)”作為一個新名詞，越來越受到人們的關(guān)注，讓學(xué)生從小了解有關(guān)“綠色化學(xué)”的新觀點、新思想非常必要?；瘜W(xué)實驗是化學(xué)課程內(nèi)容的重要組成部分，實驗的綠色化是化學(xué)綠色化的核心。[1]在調(diào)查中我們發(fā)現(xiàn)，許多化學(xué)教師的教學(xué)觀念和模式都很陳舊。如何在化學(xué)實驗教學(xué)中滲透“綠色化學(xué)”的概念、思想等知識理念，是化學(xué)教育工作者面對的一個新課題，尤其對于在化學(xué)教學(xué)活動中起主導(dǎo)作用的化學(xué)教師，要樹立終身學(xué)習(xí)的思想理念，更新自己的知識，提升自己的知識結(jié)構(gòu)，掌握先進(jìn)的實驗方法。在化學(xué)實驗教學(xué)中，讓學(xué)生懂得用減量、循環(huán)、回收、再生、拒用來考慮和解決化學(xué)實驗中的污染問題，培養(yǎng)他們關(guān)心、保護(hù)、熱愛自然環(huán)境的良好習(xí)慣。二、實現(xiàn)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的綠色化（一）規(guī)范實驗操作規(guī)范的實驗操作，是實驗成功的關(guān)鍵，還可減少在實驗中產(chǎn)生污染物。要規(guī)范學(xué)生實驗操作，需做到以下幾個方面：要求學(xué)生熟練掌握儀器的使用規(guī)范，避免錯誤操作引起的諸如試管的破裂、硫酸液滴的飛濺灼傷皮膚等事故的發(fā)生，或者在實驗中，有毒氣體外溢，而不知如何處理，對環(huán)境造成污染。更重要的是，化學(xué)教師要起到言傳身教的示范作用，每一個化學(xué)演示實驗都要在課前準(zhǔn)備、試做，杜絕由于不規(guī)范操作或沒注意實驗細(xì)節(jié)造成實驗失敗的現(xiàn)象。教師在學(xué)生實驗課上要給學(xué)生講明藥品的具體用量，對教材中沒有給出用量的，教師在保證實驗效果的基礎(chǔ)上，給學(xué)生限定一個具體的最少量數(shù)據(jù)，這樣能方便學(xué)生操作、節(jié)約藥品、減少污染。教師還要提醒學(xué)生注意事項，如銀鏡反應(yīng)中，試管潔凈，水浴加熱，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的實驗方法。實驗結(jié)束后，廢棄物要集中處理，廢氣進(jìn)行尾氣處理，廢液收集到指定的廢液缸，不能隨便倒入下水道，廢渣不能隨手扔進(jìn)垃圾箱。做好實驗的課前預(yù)習(xí)，學(xué)生在實驗操作的時候，就不會看一步，做一步，手忙腳亂，漏洞百出。（二）綠色化改進(jìn)污染環(huán)境的實驗根據(jù)“綠色化學(xué)”研究的核心5R原則[2]，在化學(xué)實驗設(shè)計中實現(xiàn)化學(xué)實驗的綠色化，就要做到：（1）實驗原料、產(chǎn)物、催化劑對環(huán)境無毒害。（2）盡可能選擇原子利用率高的反應(yīng)。（3）減量、循環(huán)、重復(fù)使用。在實際應(yīng)用中，設(shè)計或改進(jìn)的化學(xué)實驗滿足上面其中一條，就認(rèn)為達(dá)到了綠色化學(xué)的設(shè)計要求。1.實驗裝置綠色化的改進(jìn)“綠色化學(xué)”理念是實現(xiàn)污染物的零排放。根據(jù)這一理念，中學(xué)化學(xué)教材中許多有關(guān)物質(zhì)的制取、性質(zhì)檢驗的化學(xué)實驗，都可重新設(shè)計。比如，儀器的改進(jìn)，用碘錘做碘升華的實驗，也可用來做氯化銨的受熱分解。再如高一化學(xué)第四章，有關(guān)濃H2SO4性質(zhì)的實驗，用濃H2SO4與蔗糖反應(yīng)，證明濃H2SO4的強(qiáng)氧化性與脫水性，課本中濃H2SO4與蔗糖的用量分別是25mL，6藥匙，反應(yīng)物用量很大，導(dǎo)致生成大量有毒的SO2氣體，且直接排放到空氣中，污染環(huán)境。那么，如何在保證實驗現(xiàn)象的前提下，從“化學(xué)實驗綠色化”的角度設(shè)計此實驗?zāi)?？?jīng)過師生討論，改進(jìn)方法如下：將用于反應(yīng)的燒杯放在裝有少量氫氧化鈉溶液的玻璃水槽內(nèi)，燒杯下要墊一個稍高于液面的大理石小墊塊，再在小燒杯上面倒扣一個大號燒杯。2.實驗內(nèi)容綠色化的改進(jìn)中學(xué)化學(xué)課本中的大量實驗都體現(xiàn)了“綠色化學(xué)”的思想內(nèi)涵，但還有少部分實驗，我們需進(jìn)一步討論，重新設(shè)計。作為中學(xué)化學(xué)教師，我們要有改革和創(chuàng)新的精神，大膽實踐，不能墨守成規(guī)，固步自封，在保證完成實驗教學(xué)目的的前提下，改進(jìn)污染環(huán)境的化學(xué)實驗。比如，在探究鐵鹽與亞鐵鹽的氧化性與還原性實驗時，把氯水氧化Fe2+換成用雙氧水氧化Fe2+，既達(dá)到了氧化Fe2+的目的，又避免了在制備氯水的過程中對環(huán)境造成污染。三、妥善處理化學(xué)實驗的廢棄物（一）妥善處理實驗廢棄物保護(hù)環(huán)境，要從小事做起，從身邊做起?；瘜W(xué)實驗所產(chǎn)生的“廢氣、廢液、廢渣”已成為環(huán)境污染的主要元兇之一。比如，醛類、苯的同系物等有毒物質(zhì)會致癌;銀鏡反應(yīng)的廢液，富集放久后會轉(zhuǎn)變成氮化銀而發(fā)生爆炸;重金屬鹽直接排放到水中，污染水質(zhì)，人與牲畜長期飲用后，會在體內(nèi)富集，造成中毒。因此，要妥善處理化學(xué)實驗室產(chǎn)生的三廢，不亂排亂放，重新回收使用，變廢為寶，對不能再重新使用的、對環(huán)境有害的廢棄物，一定要無害化處理。（二）合理、循環(huán)利用化學(xué)實驗廢棄物中學(xué)化學(xué)實驗的根本目的，就是通過化學(xué)實驗，來驗證或探討物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，或推導(dǎo)證明一些化學(xué)定律或基本原理，如質(zhì)量守恒定律、勒夏特列原理等，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、分析解決問題的能力、動手操作能力等，實驗?zāi)康耐瓿?，實驗產(chǎn)物不像化工生產(chǎn)中的產(chǎn)品一樣可以利用，而是成了廢棄物，一般被直接排放或傾倒，沒有發(fā)揮重新利用的價值，消耗原料的同時還會污染環(huán)境。充分利用資源，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化，就要改變這種線性非循環(huán)的實驗?zāi)Ｊ?，重?gòu)“原料—產(chǎn)品—再生原料”的環(huán)狀模式，實現(xiàn)產(chǎn)物的循環(huán)利用。所謂循環(huán)利用，就是把化學(xué)實驗中的產(chǎn)物再生利用，使它們在循環(huán)的鏈條中重新發(fā)揮自己的作用，延長它們的使用周期，實現(xiàn)實驗廢棄物的零排放，節(jié)約自然資源。比如，把探討鋁片與稀HCl反應(yīng)放熱的實驗，在實驗完畢后，將生成的氯化鋁溶液全轉(zhuǎn)入試劑瓶，貼上標(biāo)簽，用于以后制備氫氧化鋁的實驗，而在探討鋁兩性的實驗中，也可繼續(xù)使用。四、改進(jìn)中學(xué)化學(xué)實驗的教學(xué)模式（一）播放多媒體教學(xué)視頻或開展計算機(jī)仿真實驗，來代替有毒害的化學(xué)實驗在化學(xué)實驗教學(xué)中，因為演示實驗主要驗證物質(zhì)的性質(zhì)或化學(xué)定律，用于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力。所以，對于有毒害藥品、用量大或易燃易爆的演示實驗，可利用播放多媒體視頻來代替。這樣就實現(xiàn)了化學(xué)試劑的“零投入”或廢棄物“零排放”，如SO2、NO2等有毒氣體的制取與性質(zhì)實驗等。這樣做的好處是，既讓學(xué)生獲得了需要的化學(xué)信息，又節(jié)約了藥品，安全可靠，避免了對環(huán)境造成污染。計算機(jī)仿真實驗就是利用計算機(jī)軟件來模擬現(xiàn)實實驗，它對耗費(fèi)大量人力物力、實驗效果又不明顯的化學(xué)反應(yīng)具有重要的意義，如氯水在光照下的分解實驗，實驗受氣候條件的限制，即使在強(qiáng)光照射下，實驗現(xiàn)象也不明顯，從氯氣的制備到將氯氣溶于水制成氯水，整個實驗過程煩瑣，而且氯氣有毒，危害教師和學(xué)生的健康，對環(huán)境造成污染。用多媒體模擬軟件做成仿真實驗，可輕松解決上述問題，且做成的動畫，有圖有聲音，形象生動，讓學(xué)生在輕松愉快的氛圍中掌握了所學(xué)化學(xué)知識。這樣，在完成教學(xué)任務(wù)的同時，既節(jié)約了實驗藥品，又避免了污染，使教學(xué)效果在各個環(huán)節(jié)最大化。計算機(jī)仿真實驗雖然在化學(xué)實驗綠色化方面具有不可替代的作用，優(yōu)勢明顯，但卻不真實，在實際操作中，以現(xiàn)實實驗為主，仿真實驗為輔。（二）重新整合教學(xué)實驗?zāi)Ｊ剿^整合，就是依據(jù)“綠色化學(xué)”的基本理念以及自然科學(xué)的統(tǒng)一性和教育總體目標(biāo)，將課本上相關(guān)教學(xué)實驗重新安排整合，形成一個前后相互關(guān)聯(lián)的知識體系，如把物質(zhì)的制取與性質(zhì)實驗統(tǒng)一起來，重新整合。在整合的過程中，綜合開發(fā)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力?；瘜W(xué)實驗教學(xué)都是根據(jù)教學(xué)內(nèi)容制定的，各個實驗相互獨(dú)立，各成體系，沒有關(guān)聯(lián)。為了節(jié)約藥品，充分高效地利用化學(xué)試劑，在實際的實驗教學(xué)中，可調(diào)整實驗順序，把實驗重新組合，相互銜接，使上一個實驗的產(chǎn)物成為下一個實驗的原料，這樣，在節(jié)省原料、減少成本的同時，更減少了有毒廢棄物對環(huán)境的污染。在這個流程中，上一個實驗是下一個實驗的基礎(chǔ)，是下一個實驗成功的關(guān)鍵，這就迫使學(xué)生在做實驗時要做好每一個環(huán)節(jié)步驟，從而鍛煉了學(xué)生的動手能力和操作技能，實現(xiàn)實驗產(chǎn)品得到有效利用的鏈?zhǔn)搅夹匝h(huán)。尤其是有毒氣體的制備與性質(zhì)實驗，在教學(xué)中，如果多次重復(fù)使用，就會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，在教學(xué)過程中，合理的實驗順序就顯得非常重要。比如，高一化學(xué)實驗氯氣的制備與性質(zhì)（教材必修一，富集在海水中的元素——氯）一節(jié)中，安排了氯氣相關(guān)的性質(zhì)實驗，若按課本的安排進(jìn)行實驗，會重復(fù)制取氯氣，浪費(fèi)試劑的同時，產(chǎn)生的氯氣對環(huán)境造成污染。因此，我們可以根據(jù)氯氣的制備與性質(zhì)檢驗這一主題，重新整合實驗順序，就會產(chǎn)生事半功倍的效果，節(jié)省時間，提高教學(xué)的效率。課本安排的氯氣的性質(zhì)實驗有：（1）Cl2與Fe、Cu、Na等活潑金屬的反應(yīng)。（2）Cl2與H2等非金屬的反應(yīng)。（3）氯水在光照下的分解。（4）氯水的漂白性。（5）干燥Cl2是否有漂白性的實驗驗證。上面實驗順序零亂而不連貫，我們可對實驗順序重新整合，先制備氯氣再驗證其性質(zhì)，檢驗性質(zhì)時，先干后濕。具體順序如下：（1）制取氯氣。（2）收集四瓶干燥的氯氣備用，分別用于做氯氣與鈉、氫氣、鮮花瓣、干花瓣的實驗。（3）再把氯氣通入水中制備氯水，做氯水在光照下的分解實驗，氯水的漂白實驗。（三）開設(shè)微型或半微型化學(xué)實驗教學(xué)模式微型或半微型化實驗主要是通過使用微型化學(xué)儀器減少廢棄物的排放量，是一種值得提倡的好方法，是將來化學(xué)實驗改革的主要趨勢。在微型化學(xué)實驗中，用很少的化學(xué)試劑，就可觀察到明顯的實驗現(xiàn)象，獲得想要的實驗效果和化學(xué)信息，在化學(xué)實驗的綠色化設(shè)計中具有舉足輕重的作用。其宗旨是用少量的化學(xué)試劑獲得需要的化學(xué)信息，被譽(yù)為“綠色化學(xué)實驗的革命”。[3]微型化學(xué)實驗的特點有：（1）跟常規(guī)實驗相比，試劑用量大幅度減少，實驗成本降低，輔助材料水電的消耗也相應(yīng)減少。（2）實驗的安全系數(shù)提高，有效避免爆炸、中毒等安全事故的發(fā)生，同時，產(chǎn)生的實驗廢棄物的量也很少，減少了對環(huán)境的污染。[4]微型化學(xué)實驗是對一個化學(xué)實驗的創(chuàng)造性改造，有其獨(dú)立的理念和思想。它的低成本和安全性、高效性，也容易在化學(xué)實驗中普及和推廣，更符合現(xiàn)代科學(xué)研究的實際需求。對培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣，樹立學(xué)生“綠色化學(xué)”理念方面，具有不可替代的作用。我國微型化學(xué)實驗這幾年有了很大發(fā)展，并取得了一些成就。1992年，第一本《微型化學(xué)實驗》問世，此后有很多相關(guān)的著作問世。但相對國外而言，