主题:【资料】无机化学实验的绿色化!

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无机化学实验的绿色化
白广梅, 李 英
(北京工业大学环境与能源工程学院, 北京 100022)
摘 要: 依据绿色化学使用化学药品的原则, 就如何实现无机化学实验的绿色化进行了初步的探讨。结合
实际教学经验, 指出寻找替代品、推行微型实验、发展封闭式实验、发展串联实验、开发模拟实验、回收
利用实验产物是实现无机化学实验绿色化的重要途径。
关键词: 无机化学实验; 教学改革; 绿色化学
中图分类号: 06237  文献标识码: A  文章编号: 100224956 (2006) 0220104202
Study on the Greening of Inorganic Chemistry Experiment
BA I Guang2mei, L I Ying
(College of Environment and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100022, China )
Abstract: According to the ruler of green chemistry about the use of chemical reagents, study on how to bring about
a green reform of inorganic chemistry experiment is done in this paper. Combined with the teaching experience, some
measures on greening of inorganic chemistry experiment are put forward, such as exp loring substitute, p racticing
mini2experiment, and sealed experiment, develop ing series experiment, develop ing simulated experiment, retrie2
ving and reusing experiment p roduct.
Key words: Inorganic chemistry experiment; Teaching reform; Green chemistry
 绿色化学是美国最早提出的一门新兴学科, 它的提出, 是21 世纪可持续发展对环境的挑战[ 1 ] 。绿色化学是指设计没有或尽可能小的环境副作用,并且在技术上和经济上可行的化学品和化学过程,是一门从源头上阻止污染的化学。把绿色化学理念融于化学教学中, 使绿色化学成为化学教育的一个重要组成部分, 是化学教育的新课题。无机化学实验作为化学专业学生学习的第一门大学化学实验课, 将绿色化学理念融入其中, 实现机化学实验绿色化,使学生一开始就在潜移默化中受到绿色化学的教育, 这对培养学生科学的环境观、资源观, 提高他们的环保紧迫感和责任感, 树立绿色化学的意识都有相当大的意义。
绿色化学是维护生态环境的化学, 从长远的发展观点看, 放弃有污染的传统化学实验, 探索传统化学实验的绿色化, 是化学实验工作的必然趋势。本文依据绿色化学在使用化学药品时遵循的5R原则, 即: 拒用危险品(Reject) ; 减量使用( Re2duce) ; 循环使用(Recycle) ; 重新使用(Reuse) ;再生(Regenerate) , 就如何实现无机化学实验的绿色化进行了初步的探讨。
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1 寻找替代品
绿色化学的理念在于不再使用有毒、有害的物质, 不再产生废物, 从而也就不再需要考虑废物的处理。遵照绿色化学的理念, 从源头上阻止污染,可以根据实验目的, 在能够达到同样教学效果的前提条件下, 寻找替代品, 尽量用低毒或无毒化学试剂替代有毒化学试剂。比如无机化学实验中多相离子平衡这个实验,实验的目的是根据溶度积规则及平衡移动原理验证沉淀的生成、溶解、分步沉淀及沉淀的转化。传统实验中, 沉淀离子及沉淀剂大部分使用的是Pb(NO3 ) 2和K2 CrO4 ; 采用这些沉淀离子及沉淀剂,现象比较明显, 但是Pb、Cr是有毒重金属, 实验废弃物排放到水中, 会对水资源造成严重污染。为了既保留传统实验的精华, 又减少实验废弃物对环境的污染, 我们根据绿色化学的理念以及多相离子
平衡的实验原理重新选择沉淀离子及沉淀剂, 并对传统实验和改进后的实验进行了对比见表1。
表1 传统实验和改进实验的对比
传统实验改进实验
沉淀
生成
沉淀离子Pb2 + Cu2 +
沉淀剂KI NaOH
实验现象
黄色沉淀
(PbI2 )
浅蓝色沉淀
(Cu (OH) 2 )
沉淀
转化
沉淀离子Ag + Cu2 +
沉淀剂①K2CrO4 ②NaCl ①NaOH ②Na2S
实验现象
砖红色沉淀→白色沉淀
Ag2CrO4 AgCl
浅蓝色沉淀→黑色沉淀
Cu (OH) 2 CuS
分步
沉淀
沉淀离子Ag +  Pb2 + Cu2 +  Fe3 +
沉淀剂K2CrO4 NaOH
实验
现象
先现黄色沉淀(PbCrO4) ,
后现砖红色沉淀(Ag2CrO4)
先现红棕色沉淀(Fe (OH) 3) ,
后现浅蓝色沉淀(Cu (OH) 2)
  结果表明: 改进后的实验效果也非常好, 现象很明显, 同样达到了实验目的, 而且减少了有毒物质的使用和排放, 实现了无机化学实验的绿色化。
2 推行微型实验
微型化学实验是绿色化学的一项实验方法[ 2 ] ,它是在微小型的仪器装置中, 在可能的实验条件下, 采用尽可能少的试剂来进行的实验。与传统实验相比, 它具有节约开支、减少污染等优点。微型化学实验不是常规实验的简单缩微, 也不是对常规实验的补充, 更不是与常规实验的对立, 它是在绿色化学理念下, 用预防化学污染的新实验思想、新方法和新技术对常规实验进行改革和发展的必然结
果, 是化学实验方法的创新性的变革。由于微型化学实验的成套仪器较贵, 要完全实现无机化学实验的微型化, 还有一些困难; 但可以在能够达到实验目的的前提下, 在可能的实验条件下, 通过改造实验装置, 使之趋于微型化。比如无机化学实验中的一些性质实验, 传统的做法都是在试管中进行, 试剂使用量一般为1~2 mL, 我们采用点滴板操作, 试剂用量减少为几滴, 同样可以达到实验效果, 减小了化学药品对环境的污染, 使这部分实验趋于绿色化。
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3 发展封闭式实验
对于一些有有毒气体产生的实验, 传统的做法是在通风橱中进行, 这样只能避免实验室小环境的污染, 有毒气体排放到空气中还是造成了环境污染。应用绿色化学的理念, 可将这部分实验设计成封闭式实验, 让反应在封闭体系内进行, 而且能在反应系统内将尾气吸收掉, 实现零排放。比如硫酸亚铁铵的制备, 该实验通常选用机械行业产生的废弃物———铁屑为原料。从环境保护的角度来说, 属于变废为宝的环保型实验; 然而由于传统实验装置为敞开式, 废铁屑中含有的硫、磷等杂质和硫酸反应时生成H2 S、H3 P等有毒气体, 导致实验室弥漫着强烈的刺激性气体, 直接危害师生的身体健康, 不符合绿色化学的要求。我们改进实
验的第一步, 将硫酸亚铁的制备改为闭路回收式,借鉴文献[ 3 ] 的实验装置采用碱性吸收液吸收第一步反应产生的H2 S、H3 P等有毒气体, 实现零排放, 大大改善了实验环境。
4 发展串联实验
串联实验是指通过调整实验教学计划, 巧妙地安排实验项目和次序, 充分利用相关反应, 尽可能地使第一个反应的产物转变成下一个实验的反应物, 实现实验的连续性。这也是实现无机化学实验绿色化的一个重要途径, 它在一定程度上减轻了对环境的污染, 有利于环境保护。比如铁系元素的性质实验, 传统实验是将铁、钴、镍三种元素的同一个性质搁在一起做, 这样做的好处是可以对3种元
素的同一性质进行比较, 便于学生理解元素周期表中元素性质的递变规律; 但不便于学生对物质转化关系的了解, 而且没有充分利用反应产物, 实验废弃物量比较大, 不符合绿色化学的要求。根据绿色化学的理念, 我们重新安排实验内容, 有效地利用同一元素物质之间的转化关系, 设计成串联实验,以铁的化合物的性质为例说明如下。用煮沸过的去离子水配制(NH4 ) 2 Fe ( SO4 ) 2溶液, 酸化后, 把装有煮沸过的NaOH溶液的滴管插入(NH4 ) 2 Fe ( SO4 ) 2溶液底部, 慢慢放出NaOH溶液, 观察Fe (OH) 2沉淀的生成, 静置一段时间,观察沉淀颜色的变化, 了解Fe ( Ⅱ)的还原性; 滴加少许稀盐酸, 观察沉淀的溶解, 了解Fe (OH) 3在稀盐酸中的溶解性; 将溶液分成两份, 一份滴加KSCN溶液, 观察溶液颜色的变化, 了解Fe3 +的定性检验, 接着滴加NH4 F溶液, 观察溶液血红色的褪去, 了解Fe3 +与F—的配位反应; 另一份滴加K4[ Fe (CN ) 6 ]溶液, 观察蓝色沉淀的析出, 了解Prussian蓝的生成。实践证明, 改进实验后, 不但可以大大减少实
验废弃物的排放量, 实现无机化学实验的绿色化,而且可以促进学生对物质转化关系的了解。
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5 开发模拟实验
  模拟实验是一种化学试剂和仪器装置“零投入”和“废弃物零排放”的特殊实验方式, 可以避免传统无机化学实验所带来的人体健康危害和环境污染问题, 从而实现无机化学实验的绿色化。
无机化学实验中有一些元素化合物的性质实验, 所需试剂比较多, 污染物的排放量比较大, 污染物组成又比较复杂, 对环境的污染比较严重; 而且学生做这部分实验时, 实验所用试剂都是实验室老师事先配好, 学生进实验室做实验, 只是简单地滴加、混合, 学生觉得简单, 没意思, 反应又瞬间完成, 印象不深刻, 很难达到教学效果。如果把这类实验开发成模拟实验, 让学生在计算机上模拟、完成实验, 凭借模拟实验的诸多优点, 既能够实现无机化学实验的绿色化, 又能够帮
助学生清晰、生动地学习无机化学实验。高敬群等[ 4 ]进行了计算机模拟实验教学的探索, 实践证明, 计算机模拟实验可以极大地提高学生对实验课的兴趣, 调动学生的积极性和主动性。
6 回收利用实验产物
回收利用实验产物也是实现无机化学实验绿色化的一个途径。在传统的化学实验中, 实验者观察到有关的现象和数据, 达到目的后, 就把实验产物直接弃置、排放, 污染环境。应用绿色化学的理念,可将每次实验的产物回收利用, 不仅节约药品, 又减少或避免有害物进入环境, 造成环境污染。比如硫酸亚铁铵的制备, 实验产物是硫酸亚铁铵, 如果将它废弃, 不仅污染环境, 而且是一种浪费。实际教学中, 我们先开设硫酸亚铁铵的制备,并将实验产物回收保存, 然后用作三草酸合铁的合成原料, 这样的结果是不仅节约了实验药品, 更主要的是减少了实验废弃物的排放量, 实现了无机化学实验的绿色化。
7 结束语
通过开展无机化学实验绿色化的研究, 我们认为, 要实现无机化学实验的绿色化, 需在绿色化学理念的指导下, 实行污染预防全过程控制。从教学管理角度出发, 在制定教学计划、教学内容、教学方式等每个环节都要考虑保护生态环境, 都要符合绿色化学的要求; 而且, 在实际教学过程中, 要在保证实验教学效果的前提下, 积极、合理地应用绿色化的措施, 实现无机化学实验的绿色化。
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