高等學校無機化學實驗課程的綠色化建設與實踐

高等學校無機化學實驗課程的綠色化建設與實踐摘要：無機化學實驗作為高?；瘜W及相關專業(yè)開設的一門必修課，在教學過程中產生了大量的危險廢棄物。高校通過對實驗教學內容、教學方式、實驗室化學廢棄物的回收和處理等實施一系列綠色化教學改革措施，旨在適應國家可持續(xù)發(fā)展和和諧發(fā)展的趨勢，同時把綠色化學理念融入到教學過程中，滲透綠色化學思想，培養(yǎng)具有深厚綠色意識和較強環(huán)保能力的高素質綜合型人才。

關鍵詞：實驗教學；綠色化學；微型化實驗；環(huán)境保護

中圖分類號：G642.3文獻標識碼：A文章編號：1002-4107（2024）10-0034-03

化學是一門以實驗為基礎的自然科學，實驗作為化學學習和研究的重要手段，在鞏固和加深學生對化學基本理論和基本知識的理解，培養(yǎng)學生觀察、分析、解決問題的能力，以及提高學生的實踐動手能力中起著舉足輕重的作用[1-3]。無機化學實驗是高等院?；瘜W及化學相關專業(yè)所開設的第一門必修實驗基礎課，學生的基本實驗技能和良好的實驗習慣都是通過該門課程來學習和養(yǎng)成的，該門課程的教與學也是大學新生學習方法和學習思維從高中到大學轉變的關鍵一步。然而，無機化學實驗在開設的過程中會產生各種形式的廢棄物，雖然實驗教學中每個學生用的化學試劑的量并不是很大，但大量的學生不斷地開展實驗也會出現(xiàn)積少成多、聚沙成塔的效果，尤其是一些毒性較強的廢氣、廢液，不僅對環(huán)境造成污染，也對實驗教師和學生的身體健康產生不良影響。所以，如何對無機化學實驗的教學內容和教學方式進行改革，在保證教學質量的前提下，減少實驗過程中有毒試劑的用量和廢棄物的排放量，提高試劑的利用效率，已成為我們迫切需要解決的問題。

21世紀以來，隨著工業(yè)的發(fā)展，化學在改善生活的同時也帶來了諸如酸雨、溫室效應、水體和土壤的重金屬污染等各種環(huán)境問題。作為教師，在講授化學化工技術發(fā)展的同時，重視技術對環(huán)境造成的沖擊，對學生進行綠色化學教育也是十分必要的。綠色化學是指用化學的技術和方法減少或杜絕那些對人類健康、社會安全、生態(tài)環(huán)境有害的原料、催化劑、溶劑和試劑、產物、副產物等的使用和產生。它的最大特點是在始端就采用預防污染的科學手段，從而實現(xiàn)過程和終端的零排放或零污染。綠色化學實驗室是以綠色化學思想為準則，將綠色化學的原則應用于實驗室，解決實驗室與環(huán)境污染之間的矛盾，使實驗室能更好地服務于教學和科研。在無機化學實驗教學和實驗室管理過程中滲透綠色化學教育思想和理念，不僅可以實現(xiàn)化學實驗的綠色化，更重要的是讓學生在大學起始階段就學會用綠色化學原則思考問題和解決問題，培養(yǎng)他們具有深厚的環(huán)保意識。

一、實驗內容選擇的綠色化

要實現(xiàn)無機化學實驗教學的綠色化，就必須要對實驗教學內容進行綠色化的改革和創(chuàng)新，篩選與化學學科進展相關的實驗項目，刪去內容陳舊、儀器落后、教學效果不佳的實驗項目；增加與甘肅農業(yè)大學教師科研方向相近的體現(xiàn)學科發(fā)展前沿、適合實驗室開設并有利于提高學生實驗能力的實驗項目；替換環(huán)境污染嚴重、對師生身體健康有危害的實驗項目；對現(xiàn)有必須開設的實驗項目進行改進和優(yōu)化，并讓學生參與改進和優(yōu)化實驗的過程。即選擇實驗項目時要盡量選擇既能保證學生的基本實驗技能得到訓練，又對環(huán)境產生影響較小的環(huán)保型實驗項目，從源頭上減少有害廢棄物的排放。如“硫酸銅的制備與提純實驗”的主要目的是讓學生進一步練習并熟練掌握加熱、蒸發(fā)、減壓過濾、重結晶等基本操作，弄清重結晶提純物質的基本原理，但該實驗會產生大量有毒的二氧化氮氣體，且銅離子作為重金屬離子進入環(huán)境對動植物和人類的危害也較大，因此我們將實驗項目換成了“轉化法制備硝酸鉀”，其既可以達成相關的基本操作練習和使學生掌握重結晶提純原理的實驗目的，也將因實驗產生的廢棄物給環(huán)境和人體帶來的危害降到最小。

二、實驗教學方式的綠色化

（一）微型化實驗方法的引進

微型化實驗是在微型化學儀器中進行實驗，它崛起于20世紀80年代的美國，是一種以盡可能少的化學試劑獲得較明顯和準確的化學信息的實驗教學方法，也是實現(xiàn)實驗室教學綠色化的主要途徑[4]。元素及其化合物性質實驗是無機化學實驗的重要組成部分，對于高校學生化學綜合實驗能力的培養(yǎng)有著不可或缺的重要作用。該類實驗所用的藥品種類多達上百種，涉及有毒性的鋇鹽、錫鹽、鉻酸鹽、鉛鹽及易揮發(fā)的四氯化碳、乙醚、戊醇等有害物質，而且在實驗的過程中還會釋放出刺激性或毒性氣體如硫化氫、氯氣、二氧化氮、二氧化硫等，對環(huán)境和實驗人員的健康造成很大的危害。對此類實驗進行微型化改革，既可以有效減少實驗室“三廢”的排放，降低實驗成本，也可以縮短反應時間，給學生更充足的時間去思考或探討實驗的現(xiàn)象和機理。常規(guī)元素實驗多數(shù)是在試管中進行，為觀察到明顯的現(xiàn)象，所用試劑的量相對來說還是比較大的，如果將反應容器改為點滴板或井穴板，就可以大大減少試劑的使用量，而且多孔的設計也可以同時進行多個實驗，利于學生觀察對比不同的實驗現(xiàn)象[5]。同時使用帶有刻度的小試管和多用滴管可以在取液時更加準確快速，實驗結果的準確性和嚴密性并不亞于常量實驗。對于顯色的性質實驗，在達到讓學生通過實驗了解該反應現(xiàn)象存在的實驗目的的前提下，“濾紙試驗”用起來更方便簡單且現(xiàn)象明顯[6]。如二價鎳的鑒定是加丁二酮肟（鎳試劑）生成鮮紅色的沉淀，在濾紙上進行該實驗不僅產生顏色鮮艷的產物，而且實驗后不需進行廢液回收和儀器洗滌，大大降低了實驗成本。

（二）實驗裝置的積極改進

對無機化學實驗的裝置進行積極的優(yōu)化改進，使一些無機合成實驗在反應原料減量的同時，取得較好的教學效果并減少廢棄物的排放。硫酸亞鐵銨是一種復鹽，在工農業(yè)生產和醫(yī)藥上都是重要的合成原料，它的制備是無機化學實驗課程的經典實驗之一。該實驗不僅可以讓學生了解復鹽的一般特征和制備方法，還能綜合訓練學生的蒸發(fā)、濃縮、結晶、干燥、過濾等相關的一系列基本操作。常規(guī)的硫酸亞鐵銨的制備是將4.0g鐵屑經過10%碳酸鈉煮沸除油后與3mol/L的硫酸30ml反應生成硫酸亞鐵再與等摩爾硫酸銨反應生成硫酸亞鐵銨晶體。該方法存在著試劑量大、污染嚴重、產品質量不高、耗時較長等缺點。我們的實驗則采用1.0g鐵屑與3mol/L的硫酸8ml在錐形瓶中采用水浴加熱控溫60℃的方法，錐形瓶通過橡膠塞和玻璃彎管與安全瓶相連，安全瓶再通過玻璃彎管連接尾氣接收瓶[7-8]。該裝置既可以通過封閉控溫系統(tǒng)減少水分蒸發(fā)，避免生成的硫酸亞鐵被氧化，又可以將廢鐵屑與硫酸反應時產生的硫化氫等有毒有害氣體吸收，減少對環(huán)境的污染和人體的危害。

“硫代硫酸鈉的制備”也是大學本科無機化學實驗課程中經常開設的一個綜合實驗項目，該實驗通常采用的方法是將亞硫酸鈉和硫酸反應生成二氧化硫，生成的二氧化硫和硫化鈉反應得到新制備的單質硫之后再與亞硫酸鈉合成出硫代硫酸鈉。該方法所用裝置復雜，操作繁瑣，學生按此法進行實驗，燈用酒精消耗量大，實驗的反應時間較長，且在實驗過程中常發(fā)生倒吸和二氧化硫泄漏的現(xiàn)象，產率較低，有時甚至可能得不到產品，產品形態(tài)也不是很好，經常是白色粉末狀而非晶形。微波輻射法是近年在化學合成中備受關注的一種方法[9]，通

過微波照射合成物質已應用于不同的研究領域，我們將其用于硫代硫酸鈉的制備中，以亞硫酸鈉和硫粉在水溶劑中置于微波爐加熱，通過對反應時間、火力大小、結晶方式等實驗條件進行優(yōu)化，獲得了一套較為成熟的實驗方案，實驗的效果良好。利用微波輻射法制備硫代硫酸鈉，改變了傳統(tǒng)的酒精燈加熱的方式，既可以讓學生了解一種較新的合成方法，也可以利用微波加熱快速、均勻的特點，節(jié)約能源，縮短反應時間，提高制備產率，減少對環(huán)境的危害。

（三）現(xiàn)代化教育技術的應用

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展和進步，一些新的實驗方法和現(xiàn)代化教育技術層出不窮，因此需將能反映學科發(fā)展新動向和具有良好教學效果的教學手段及時充實應用于無機化學實驗的教學過程，改變過去教師演示為主、學生訓練為輔的教學模式。隨著多媒體技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的實驗教學也逐漸擺脫了單一模式而逐漸向多樣化發(fā)展，這其中微視頻以其短小、內容廣泛、形態(tài)多樣等特點受到教師和學生的青睞。微視頻一般是指播放時長在30s到20min左右的視頻短片，它可通過電腦、手機在網(wǎng)絡社交媒體如、QQ空間等傳播交流，制作簡單、可隨時隨地拍攝并可重復播放是其最大特點。

在無機化學實驗的授課中，除了實驗室安全操作和實驗基本技能操作可以制成微視頻以利于學生在課前和課后觀看學習之外，通過微視頻與課程網(wǎng)站相結合，將一些毒性較強、危害較大或者實驗成本較高的實驗內容制成微視頻的形式，讓學生既可以有直觀的印象，便于理解掌握實驗的原理，也可以減少對環(huán)境的危害，實現(xiàn)化學實驗的綠色化。比如三氧化二砷的性質、二氧化氮的性質和制備、砷酸鹽的性質等，這些實驗內容因其具有高毒性而在無機實驗開設中被漸漸取消，現(xiàn)在將其制成微視頻的形式則可讓學生觀察相關的實驗現(xiàn)象從而對抽象的理論知識產生具體的印象。另外將多媒體教育技術與計算機模擬實驗結合，一些傳統(tǒng)的污染性高的實驗，以模擬實驗取而代之，學生通過相關軟件進行操作，不僅可以實現(xiàn)實驗室的“零污染”，也可促進學生學習興趣的提高。

三、廢棄物處理的綠色化

無機化學實驗室的廢棄物主要是各種化學廢液，固體廢棄物和廢氣較少?；瘜W廢液根據(jù)其危險特性一般包括具有較強腐蝕性的酸堿廢液、較強毒性的金屬鹽溶液和少量的有機溶劑等，這些廢液如果隨意傾倒和排放，不僅會腐蝕下水管道，還會對水質環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)產生危害。無機實驗室廢棄物的處理要想實現(xiàn)綠色化，主要從以下幾方面入手。

1.分類回收：盡管無機化學實驗室產生的廢棄物種類較多，但基本上都是已知的種類，實驗室管理人員要清楚每一種化學試劑和藥品的危險性，根據(jù)實驗室所做實驗項目的類別，分類擺放不同的回收缸，做好廢液回收和標記工作，簡化后續(xù)處理的難度。同時盡可能將回收缸放置在通風櫥中，定期檢查廢液收集量，積累到一定程度就及時處理，避免長期放置廢液。

2.區(qū)別處理：廢液在回收處理之前需要判斷其具體性質，掌握化學廢液的簡單處理辦法。針對回收的酸堿廢液，可以進行中和處理，檢驗中和液的pH值基本在7左右即可，中和之后的廢液直接倒入下水管道中并用大量水沖洗。而對有毒有害的金屬鹽類廢液則采用沉淀法如硫化物沉淀法分離鎘、汞離子，絮狀沉淀法分離鋁、鋅離子，氧化還原沉淀法除鉻離子等[11]，同時將過濾之后的沉淀物保管好后送危險廢棄物處置中心統(tǒng)一處理。少量的有機廢棄物元素組成相對簡單的除了回收再利用外，不可回收的則采用焚燒法處理；氯仿、四氯化碳等易揮發(fā)有機溶劑可在回收瓶上面覆蓋一層水，減少其揮發(fā)；不適合焚燒的廢棄物如戊醇則可采用吸附法將廢液中戊醇濃度降低到一定程度之后再排放。

3.循環(huán)利用：高?；瘜W實驗室通常包括無機、有機、分析、物化等專業(yè)實驗室，一個實驗室產生的廢棄物，處理之后可能變成另一個實驗室的實驗原料或輔助物。如將無機化學實驗回收的乙醇溶液作為有機化學實驗的原料通過蒸餾得到較為純凈的乙醇可以作為燈用酒精；將含汞的廢液調節(jié)pH到8—9后加硫化鈉生成硫化汞沉淀，再加入硫酸亞鐵作為共沉劑，過濾后，清液排放，沉淀可再制成汞溶液[10]；實驗室常用的鉻酸洗液失效后進行濃縮冷卻，再用高錳酸鉀進行氧化濾去生成二氧化錳，沉淀后可以再用；銀鹽沉淀法得到的副產物氯化銀，通過鋅粒置換法可以回收金屬銀；酸堿廢液較多的時候還可以通過自然蒸發(fā)技術提取鹽類等可再利用產品，制得的粗鹽可用于粗鹽的提純與分離實驗，也可作為防凍除冰劑等[12]。

四、教學過程中綠色化學意識的培養(yǎng)

在無機化學實驗內容的選擇、實驗方法改進、廢液處理等方面實行綠色化的同時，任課教師還要在授課的過程中時刻體現(xiàn)綠色化學的原則，傳授綠色化學知識，滲透綠色化學理念。在每次實驗開始時，教師指出本次實驗從設計、準備到操作、儀器清洗、廢物處理等實驗各部分所涉及的綠色亮點，對學生進行引導、啟發(fā)，同時為充分發(fā)揮學生的主觀性和能動性，在進行一定的基礎實驗技能訓練后，采用項目教學法開展綜合性和設計性實驗，讓學生自主設計綠色化的實驗方案并實施，教師參與指導和輔助，充分調動學生的積極能動性，讓學生在項目的開展實施中滲透綠色化學思想，提高學生的環(huán)保意識和獨立思考學習能力；教師在授課過程中則多穿插