21世纪化学研究生教育成果：绿色化学教育与范例

“化学教学论实验研究”课的绿色化学教育和范例

●(忻州师范学院，范志鹏)

摘　要　实验绿色化是“化学教学论实验研究”课程绿色化的核心，绿色化学教育的内容是12条原则、原子经济、5“R”原则、微型实验、掌上实验技术。绿色实验设计和探究才能使课程绿色化，才能创新实验教学范例，使师范研究生受到绿色化学教育。

关键词　实验室、绿色化、教育、内容、方法、范例

什么叫绿色化学？据媒体介绍，不仅一些中学化学教师和研究生不知为何物，竟然连大学化学教师都摇头。显然我国在绿色化学方面的研究和教育目前还落后于一些发达国家。

师范院校承担着培养未来教师进行基础教育的重担。绿色化学教育是化学教育的前沿，是科学技术迅猛发展的21世纪化学教育的首要任务。化学是以实验为基础的一门学科，即化学实验是化学课程的重要组成部分，化学实验的绿色化是化学课程绿色化的核心。而实验化学课程绿色化的中心是实验设计绿色化，实验探究绿色化。因此，“化学教学论实验研究”课程的绿色化学教育，对于师范研究生来说意义尤为重要。

一、课程绿色化学教育的内容

我们知道，对于师范院校毕业的学生来说，就业岗位大多在城乡结合部的城镇中学，化学教学和化学实验教学两副重担一肩挑。城镇中学又不配备化学实验员，且仪器、药品短缺。大多数化学教师还身兼实验员和化学器材、药品的保管等实验室工作。课程是中学化学教师、学生开展化学实验教学和科研活动的基本材料。然而没有课程的绿色化，就不可能有化学实验绿色化。因此，对于研究生来说，需要对他们进行系统的绿色化学的新思想、新方法和新技术的教育，在“化学教学论实验研究”课程与教学内容的整合与更新上增加实验绿色化学教育这门课十分必要。

1.什么是绿色化学

绿色化学的准确定义是什么？到目前为止，学术界众口不一。20世纪90年代，美国国会通过一个“防止污染运动”的法令，接着1991年绿色化学由美国化学会(ACS)提出并成为美国环保署(EPA)的中心口号。美国“Green Chemistry Journal”指出绿色化学是:在制造和应用化学产品时应有效利用(最好可再生)原料，消除废物，避免使用有毒和危险试剂或溶剂。有人定义为:用化学的技术、原理和方法去消除对人体健康安全和生态环境有害的化学品。其基本内容是12条原则和原子经济，即用原子利用率来衡量反应的原子经济性。如合成反应中应最大限度地利用原料分子的每一个原子，使之结合到目标分子中，达到废气物零排放。原子利用率越高，反应产生的废气物越小，对环境造成的污染也越小。因此，常把绿色化学称之为环境友好化学或清洁化学。必须指出:先污染，再治理，叫做环境保护，不是绿色化学。

2.使用化学药品的5“R”原则

化学实验中使用化学药品的5“R”原则也是绿色化学的核心内容，其内涵体现在五个“R”上:第一是Reduction“减量”，节约原料、降低能耗、减少废气物，即减少“三废”排放；第二是Reuse“重复使用”，如化学工业过程中的催化剂、载体的回收再利用，三废回收，变废为宝等，这是降低成本和减废的需要；第三是Recycling“回收利用，循环再生”，可以有效实现“省资源、少污染、减成本”的要求；第四是Regeneration“再生”，是节省资源、能源，减少污染的有效途径；第五是Rejection“拒用”，指对一些无法替代，又无法回收、再生和重复使用的有毒副作用及污染作用明显的原料，拒绝在化学过程中使用，这是杜绝污染的最根本方法。

3.微型实验是绿色化学

微型(含点滴板)实验是绿色化学实验，这是因为它首先符合上述5“R”中的第一条Re－duction。其试剂用量是常规实验的1/1 000～1/10，将优点总结为:①用量少，实验经费明显减少；②环境污染少，实验证明，经过绿色化实验设计循环实验，如产生的废气SO2和CO₂可用NaOH吸收，生成的Na2SO3和Na2CO3可用重结晶法提纯，“三废”可达到零排放，此举培养和激发了学生的绿色化创新实验；③节时，据统计微型实验节时均在常规实验(3学时)的一半以上，对于实验而言，节省教学时数就意味着节能、节资、增效；④安全，绿色化学第12条原则警示我们“一个化学过程中使用的物质或物质的形态，应考虑尽量减少实验事故的潜在危险，如有害气体释放、爆炸和着火等”，绿色化实验安全第一；⑤节能，微型化学仪器是常规仪器的缩微，有机实验中试剂用量比常规实验节约90%以上，节能一半以上是典型的绿色化实验。

4.掌上实验技术

掌上实验技术(The lab in hand technology)是绿色化学实验。它是由手持技术(Handheld technology):包括数据采集器(Data logger)、传感器(Sensor)、探头(Probe)和网络技术组成的现代测量技术。它所测量的范围包括中学理科电流、光、电压、力、温度、湿度、压力、pH、呼吸等。优点是:①便携，非常方便，将传统实验现状彻底改变，对于难度较高、具有危险性或没有条件做的实验，可以通过Internet网操作远程实验室来实现，如测定酒精灯、酒精喷灯的焰心、内焰、外焰三层火焰温度；②适时，实验过程和数据变化过程同时进行；③准确，电脑自动采集实验数据；④综合，与各种探头连接，可同时进行数、理、化、生、体育、环境、气象等学科的实验科学探究；⑤直观，显示屏可用图像、指针、刻度计、表格、坐标等各种形态显示出来。综上所述，绿色化学强调的是安全、节约(节时、节能、节省原料)，掌上实验技术与绿色实验技术相吻合，如没有条件或者危险性(爆炸)实验可通过Internet实现；掌上实验比常规实验(3学时)至少省时2/3。而且测量时同一试剂或被测物可重复使用。

二、实验设计、探究绿色化

在实验教学中“双主(教师为主导，学生为主体)探究”教学模式适合我国教育的国情。我国目前教育改革是以科学、和谐发展观为指导，以建设小康社会为目标，以人为本，建设创新型国家为主旨。视教育改革与发展为基础性、全局性、战略性、前瞻性、长远性问题。现时情况是教师勤教、学生苦学，素质教育和升学压力双层压心头。其实开展实验设计、探究绿色化与素质教育是一致的。在教材中找素材、挖掘素材、利用素材，培养学生敢于质疑的精神，善于设计，勇于探究，才能发现解决绿色化学问题。在实验教学中，设计与探究是一条线上的两个环节，其进程是先设计，再探究；没有设计就不可能有探究，所谓探究是设计出来的。譬如，怎样将教本(案)变为学本(案)，并且均为绿色的，这里就存在一个设计问题，以制备硫化亚铁为例，Fe＋S→─△FeS，似乎无探究可言；但是，仔细一想，如果把硫粉和铁粉按56∶32(质量比)混合，分为两份:一份放入坩埚中加热，另一份放入试管中加热，现象会截然不同，前者硫粉暴露在空气中，必然会生成有毒的SO2，污染环境；而后者无此现象，于是教师的主导性就是把学本设计为两个实验，发挥学生的主体主动性，让学生在实验中亲自动手探究，并找出铁与硫的最佳质量比。

三、绿色化学实验教学范例(www.chuimin.cn)

范例1　“氧气性质”实验探究中，将氯酸钾和二氧化锰混合物制备氧气的残渣回收，从“残渣再制备二氧化锰和氯酸钾”可作为一个废物利用的综合性绿色化学实验。

范例2　“乙酸乙酯的制备与水解”实验的探究。可利用乙醇与乙酸和浓硫酸混合液制备的乙酸乙酯，用饱和碳酸钠吸收，用分液漏斗分离出乙酸乙酯；将分离出的乙酸乙酯再用于水解实验的探究。这是一个回收利用的综合性绿色化学实验。

范例3　“海带中碘的检验”实验的探究。开始，氧化海带中I^－，可用氧化剂很多:酸化重铬酸钾、酸化高锰酸钾、双氧水、氯水，哪类氧化剂对环境友好呢？前两者氧化剂既有毒又有色，反应后的生成物也有色，肉眼不好识别。把海带中的Cl^－氧化生成的氯气也有毒。后者氯水有毒，显然只有双氧水是真正的绿色氧化剂。实验的最后一步，当用CCl₄萃取出单质I2后，可在学本中提问，为什么要加NaOH废液处理CCl₄层——振荡试管使紫红色变为无色？其原理是什么？这是一个以废治废的绿色化学实验。

范例4　“电解水”实验的探究。用的电解液是10%NaOH溶液，对皮肤(手)有强烈腐蚀、刺激作用，可将装满电解液的试管直立，用塑纸膜封口，在大气压的作用下，倒立，再插入装有各类电极(碳、铅、铜、铁棒)且盛有电解液的电解池中，进行电解实验研究，整个实验过程浓碱液或酸液都不沾手。其中用塑纸膜封口，倒立，插入电解池这个技巧是利用大气压托住试管中电解液的一个典型的设计性绿色化学实验。

范例5　“氢气性质”的实验探究，可用废电池锌皮代替锌粒与稀H2SO4制取氢气，其性质实验:氢氧爆鸣器，可由排水集气法收集满氢气的易拉罐(底部中央扎一小孔)，放置于台桌上，点燃孔中央火柴头的做法；改革为手持易拉罐外壳，直接用火柴或纸条点燃中央小孔的办法。这是因为前者火柴梗已被水湿润，用5根左右火柴都不能对接点燃。而学生却可能误认为氢气已逸漏，要进行多次收集，才能成功爆鸣一次，且易拉罐冲向上空，既危险又浪费资源，而后者可轻易地一次性点燃，爆鸣声清脆，无危险；下方开口处，火光向下猛然冲出，效果极佳。作为实验后的废液回收，继续做“废干电池锌皮制取硫酸锌晶体”的实验探究，这是废物利用，废液回收制取产品硫酸锌的一个综合性绿色化学实验。

范例6　用结晶析出法“测定硝酸钾溶解度并绘制曲线图”学生实验探究。把细玻璃搅棒的底端在酒精喷灯上烧制弯成环状，使其直径小于大试管内径，大于温度计外径，将环套在温度计上，插入双孔胶塞，其中插有温度计的胶孔剪出缺口，便于观察温度计的刻度，另一孔插入带环搅棒，用该胶塞盖住大试管，用手上、下推拉环状搅棒，搅拌试液做实验，可大大减少实验误差，并缩短实验时间。这是一个典型的设计性绿色化学实验。

范例7　制取氧气也好，甲烷也好，还是木炭还原氧化铜也罢，用普通硬质试管进行实验，高温加热反应结束后，一是反应后的混合物残渣牢固的黏在试管壁上，不好清洗，若用酸液溶解洗涤，势必造成酸液的大量浪费；若用玻璃棒去刮擦试管上的黏附物，易造成试管的破损；二是普通硬质试管在高温时也易变形和破裂，若用铝箔(包装香烟的箔纸去掉白纸)卷成圆筒状，封底后，套装入试管内且紧贴试管内壁，再把反应混合物装入铝箔筒内，进行实验。该装置不仅使反应混合物传热快，受热均匀，反应速度加快，反应完全，产气量增多，反应现象明显(如铜珠析出)。而重要的是反应结束后，不会有残渣黏在试管壁上，使得清洗方便，并且也不存在试管变形、破裂、破损等情况，这是一个集节约、节能、防污和废物利用(香烟箔纸)于一体的典型的设计性绿色化学实验。

范例8　实验室接触法制硫酸或氨的非铂催化氧化，为防止有毒的SO2或NH3逸出，可用电热丝管内高温催化氧化法制取SO3或NO2。前者，O2可用氧气瓶鼓气，SO2用自制储气瓶鼓气；后者，O2可用手提打气筒鼓空气于氨水中。尾气都用碱液吸收，效果甚佳。

范例9　有毒有机物苯酚、苯磺酸、乙苯、苯乙烯等不得倒入水槽，回收后前两者必须用NaOH吸收，后两者用酸化高锰酸钾氧化后，再用NaOH吸收。

范例10　实验室中产生的“三废”，如果直接排放就会污染周围环境的空气、地下管道、土壤、水源等，而这些都直接涉及损害人体健康，危及家畜家禽、农作物的生存。如氰化物是强毒性化合物，经皮肤、呼吸道、消化道进入人体，可引起神经、血液、心、肝、肾、肺等内脏疾病，如神经障碍、头晕、头疼、无力、兴奋、疲劳及器官损害等。氰及氰化物的致死量为50mg，所以对含氰废液必须认真处理。对于少量含氰废液可先加废碱液(NaOH)调节pH＞10，再加入几克高锰酸钾使CN－氧化分解。大量的含氰废液可用碱性氯化法处理，先用废碱液将废氰液调至pH＞10，再加入漂白粉，使CN－氧化为氰酸盐，并进一步分解为二氧化碳和氮气。这是一个以废治废、廉价治废的绿色化学典例。

四、绿色化学教育的方法和措施

将实验室绿色化学教育内容编制成《中学化学教师绿色实验常识》教材，纳入“化学教学论实验研究”课程的绿色化学教育范畴。将该教材作为师范研究生自学自修的必修课，使他们遇到实验问题时既知其然，又知其所以然。在期末考核时，将该教材知识内容和范例作为笔试考试部分，其成绩占20%～30%，促使师范研究生掌握实验基本绿色化学常识。

教育改革，以发展学生为本，树立绿色化学课程意识，开发绿色化学教材，设计、探究绿色化学实验教学范例，使其成为绿色化学课程，是我们化学教师的义务，也是教育改革赋予我们的权利。

参考文献

[1]朱文祥.绿色化学与绿色化学教育.化学教育，2001，21(1):1－2.

[2]钱扬义，杜永峰.掌上实验技术与中学理科探究.化学教育，2004，25(8):12－14.

[3]北京师范大学无机化学教研室.无机化学实验.3版.高等教育出版社，2001.