“綠 色 化 學” \\( Green Chemistry\\) 又 稱 環 境 無 害 化 學\\( Environmental Benign Chemistry\\) ,是指從預防污染的基本思想出發,設計無環境污染或污染盡可能小的,在技術上和經濟上可行的化學品或化學過程.綠色化學實驗是以綠色化學的理論和方法為核心和基本原則對化學實驗進行改進,盡可能減少環境污染或無污染,使化學實驗過程達到綠色化的方法[1].無機化學實驗作為大學化學專業的第一門必修課,將綠色化學理念融入實驗教學中,實現綠色化實驗,不但能使學生在潛移默化中受到綠色化學理念的熏陶,還能培養學生的環境意識、資源觀念,增強他們的環保責任感[2].本文結合我校教學實際,依據綠色化學使用化學藥品的 “5R”原則,即減量\\( reduce\\) 、拒用\\( rejection\\) 、重 復 使 用 \\( reuse\\) 、回 收 \\( recycling\\) 、再 生\\( regeneration\\)[3],就如何實現無機化學實驗的綠色化,進行了初步的實踐和探究.

1 設計開設綠色化學實驗

從可持續發展的觀點看,將綠色化學實驗理念融入到整個實驗環節中,探索無機實驗新方法,培養學生環保意識,是化學實驗發展的必然趨勢[4].根據綠色化學實驗使用化學藥品的“5R”原則,結合具體教學環節,在設計開設無機實驗時采用以下方法.

1. 1 推廣微型或小型實驗

依據減量\\( reduce\\) 原則,我校開設微型和小型化實驗,盡量做到 “性質實驗點滴化,制備實驗減量化”.微型化學實驗\\( Microscale Chemical Experiment\\) 是20 世紀80 年代在西方高校興起的一種實驗方法,它是從環境安全和污染預防的角度出發,用盡可能少的藥品在微型化的儀器裝置中進行的化學實驗[5 -6],適用于一些毒性較大、藥品昂貴、耗量大、污染嚴重、操作復雜的實驗.無機實驗中性質實驗較多,所用試劑種類繁雜,傳統的做法都是在試管中進行,試劑使用量一般為1 ~ 2 mL,試劑用量較多,廢液廢氣排放量較大.我們采用點滴板操作,試劑用量減少為幾滴,可達到同樣的實驗效果,且減小了環境污染,使這部分實驗趨于綠色化.

對于一些制備實驗和測定實驗,實行微型化得不到產品或實驗效果不明顯,此時應盡量將實驗小型化.如硫酸銅的提純、硫酸亞鐵銨的制備、大環化合物的制備等實驗,我校采用藥品用量減為三分之一的方法.在測定化學反應速率及原電池電動勢的實驗中,適當減小所用溶液的濃度和劑量.結果表明,經過以上改進,能夠達到同樣的實驗效果,同時培養了學生節約資源,保護環境的觀念和科學的實驗態度.

1. 2 刪除或改進劇毒實驗

綠色化學是從源頭上消除污染,而不是污染后再治理.依據拒用 \\( rejection\\) 有毒試劑原則,我校在選擇實驗時,盡量避免選擇無機實驗中一些毒性大、危險性大、 “三廢”處理困難的實驗.如 Cl2的性質和制備,砷化物和砷酸鹽的性質以及含氰電鍍等實驗,我們選擇大膽刪除.對于毒性較大又必須做的實驗應盡可能改進或選擇產生污染少、具有相同教學效果的替代實驗.

如 H2O2的氧化性這一實驗中,通常采用 PbS 與 H2O2反應,通過沉淀顏色的改變判斷新物質的生成,從而確定 H2O2的氧化性,這一過程中用到重金屬 Pb2 +,雖然現象明顯但危害較大.我們用 I-與 H2O2反應,可獲得相同的實驗效果,且可防止因溴蒸氣的揮發對人體造成的毒害.再如多相離子平衡實驗,其目的是根據溶度積規則及平衡移動原理驗證沉淀的生成、溶解、分步沉淀及沉淀的轉化.傳統實驗中,沉淀離子及沉淀劑大部分使用的是 Pb\\( NO3\\)2和 K2CrO4,采用這些沉淀離子及沉淀劑,現象比較明顯,但 Pb2 +、Cr3 +等有毒重金屬離子隨廢液排放到水中,會對水資源造成嚴重污染,依據拒用\\( rejection\\) 有毒試劑原則及多相離子平衡的實驗原理,我校對傳統實驗進行改進,其結果如表 1 所示.

通過改進實驗,仍然能達到預期的實驗目的,但減少了實驗過程的有毒有害氣體和重金屬離子的排放,降低了對人體的危害和環境的污染.

1. 3 設計連環式實驗.

在傳統的實驗中,達到實驗目的后,產物被直接棄置排放,造成環境污染和資源浪費.在綠色化學 “5R”原則指導下,我們對無機實驗教材中的所有實驗進行了系統的研究,發現無機化學實驗中的很多產物都可以作為后續實驗的原料,因此可以把一些孤立的實驗首尾連接起來,組成連環式實驗.如由孔雀石制備 CuSO4·5H2O,產物可用作 CuSO4·5H2O 鐵含量的測定、CuSO4·5H2O 結晶水的測定和差熱分析及溶度積的測定等實驗的原料,還可做含結晶水的物質溶液的配制的原料,所配制的 CuSO4溶液可做為原電池電動勢測定實驗的導電解液,電解液用完后還可將剩余物除溶劑得粗產品用于 CuSO4的提純實驗.再如溶液配制中的稀 H2SO4可與廢鐵屑作用制備\\( NH4\\)2Fe\\( SO4\\)2·6H2O,所 得產品回收保存,可用作合成K3[Fe\\( C2O4\\)3]·3H2O 的原料,制得的 K3[Fe\\( C2O4\\)3]·3H2O 又可作為 [Fe\\( C2O4\\)3] -配陰離子組成及電荷數測定實驗的原材料[7 -8].按同樣的思路,可建立一系連環實驗.這樣不僅節約了試劑,降低了實驗成本,更重要的是減少了實驗廢棄物的排放量,降低了環境污染,實現了無機化學實驗的綠色化.同時,因連環實驗每一步的實驗產物都是下次實驗的原料,一次實驗不仔細,下面的實驗就無法進行或效果不理想,這就使得學生認真仔細地對待每次實驗,可鍛煉學生的細心和耐心,培養其系統的思維方法,強化學生理論聯系實驗實際的綠色化學意識.

1. 4 構建封閉式實驗.

封閉式實驗是實現無機化學實驗綠色化的一個重要途徑.

如從廢舊干電池中回收鋅皮制備硫酸鋅實驗,是典型的變廢為寶、再生利用鐵資源的環保型實驗,傳統的實驗為敞開式.然而由于傳統實驗裝置為敞開式,該體系中含有的 S、P 等雜質和硫酸反應時生成的 SO2、H2S、PH3等有毒氣體被直接排放到大氣中,直接危害師生的身體健康,不符合綠色化學的要求.

參考廢鐵屑制備硫酸亞鐵銨這一實驗[9],將原先敞開式實驗裝置改為可吸收廢氣的封閉式實驗裝置,如圖 1 所示,將燒杯換為封閉的錐形瓶,并且添加了安全裝置和尾氣吸收裝置.

使用這種封閉式的裝置,實驗中產生的有毒氣體極易被NaOH 溶液吸收,實現了有毒氣體 零排放.此外,由于實驗裝置是封閉的,反應過程中水分蒸發很少,反應過程中無需補充蒸餾水,這也給實驗操作帶來方便.

2 引進綠色化教學手段

除了實驗過程的綠色化,實驗教學手段的綠色化也是今后發展的趨勢.在計算機普及的今天,多媒體演示實驗無疑成為實施綠色化實驗教學的最佳選擇之一.在傳統的無機實驗教學中,教師要對實驗進行講解和演示,這樣不僅耗時,而且重現性較差.我校部分實驗采用多媒體演示,該法優點是可任意回放實驗過程,學生能更好地觀察實驗現象,還可減少試劑、水、電等資源的消費,節約資金.此外,該法最大的優點是避免了有毒、有害試劑對人體和環境造成的危害,真正實現了“零污染”、“零排放”的綠色環保理念.

此外,在無機化學實驗教學中還可引進微波、超聲波等現代實驗技術,如微波消化、微波灼燒、超聲催化等[10],這些技術的引入是實現無機化學實驗綠色化的一個重要途徑.

3 結 語

實踐證明,在 “5S”綠色化學理念指導下,通過開展微型或小型實驗、刪除或改進有毒實驗、構建封閉式實驗、設計連環式實驗,并適當應用多媒體輔助實驗教學等現代實驗技術和教學方法,能真正降低實驗室 “三廢”排放,減小對人體的危害和對環境的污染.通過對無機化學實驗的綠色化改革,對激發教師探索化學實驗教學改革,培養學生的綠色化學意識、環境保護意識和科學創新精神等方面都有很大的幫助.

參考文獻

[1] 閔恩澤. 綠色化學技術[M]. 南昌: 江西科學技術出版社,2001:3 - 4.

[2] 聞星火,郭英姿,魏婧,等. 高校大型儀器共享系統建設實踐與探索[J]. 實驗技術與管理. 2010,27 \\( 9\\) : 1 -5.

[3] 曾懋華,龍來壽,趙三銀,等. 高?；瘜W實驗教學中藥品使用的 5R原則探討[J]. 實驗室研究與探索,2010,29\\( 8\\) : 343 -345.

[4] 李再峰. 綠色化學實驗[M]. 武漢: 華中科技大學出版社,2008:5 - 6.

[5] 朱清梅,賈宏葛,翟明翚,等. 綠色高分子化學實驗室的研究與建設[J]. 實驗室科學,2013,16\\( 4\\) : 108 -111.

[6] 錢貴晴. 微型化學實驗與\\( M. L. \\) 儀器的研制 [J]. 化學通報,1999\\( 1\\) : 48 - 51.

[7] 王亮,姜艷,何明陽,等. 化學實驗“綠色化”理念的培養及實踐探討[J]. 廣州化工,2012,40\\( 18\\) : 164 -167.

[8] 鐘國清,周齊文,夏安. 硫酸亞鐵銨的制備反應條件與綠色化研究[J]. 實驗技術與管理,2013,30\\( 5\\) : 14 -16.

[9] 袁愛群,褟金彩,張直,等. 用綠色化學理念改進硫酸亞鐵銨制備實驗[J]. 化學教學,2004\\( 5\\) : 8 -9.

[10] 顏蕓. 淺談以綠色化學新理念指導基礎化學實驗教學[J]. 廣東化工,2008,35\\( 1\\) : 109 -111.