申麗華

西安科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 陜西西安 710054

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綠色化學(xué)在無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探索

申麗華

西安科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 陜西西安 710054

摘 要：通過重視綠色化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)理念，采取選擇綠色化學(xué)試劑，實(shí)驗(yàn)裝置的微型化，合理安排實(shí)驗(yàn)和提倡組合循環(huán)實(shí)驗(yàn)，重視實(shí)驗(yàn)廢棄物的回收利用的途徑實(shí)現(xiàn)無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化。

關(guān)鍵詞：綠色化學(xué)；綠色化學(xué)理念；綠色化學(xué)試劑

化學(xué)是一門承上啟下的科學(xué)，與人類文明也有著非常密切的關(guān)系。但是化學(xué)在自身發(fā)展過程中為人類創(chuàng)造財(cái)富的同時(shí)，也給人類的環(huán)境帶來了危難［l］。我們所知的一些環(huán)境事件都與化學(xué)相關(guān)，多數(shù)由于缺乏根本的環(huán)保意識(shí)，沒有重視在化學(xué)工業(yè)過程中產(chǎn)生的廢氣和廢渣導(dǎo)致的。實(shí)施綠色化學(xué)是針對(duì)世界環(huán)境日趨惡化提出的一個(gè)全面切實(shí)可行有效的方案。綠色化學(xué)又稱環(huán)境友好、化學(xué)環(huán)境無害化學(xué)或清潔化學(xué)［2］，是指充分利用化學(xué)反應(yīng)和過程中參與反應(yīng)的每個(gè)原子，從源頭上實(shí)施預(yù)防污染。綠色化學(xué)作為高層次的環(huán)境友好化學(xué)其具體內(nèi)容遵循以下12項(xiàng)基本原則：（1）防止先污染后處理；（2）最大限度地使反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物；（3）保證反應(yīng)中使用和生成的物質(zhì)對(duì)人類和環(huán)境危害性最??；（4）化學(xué)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要保持其安全性；（5）輔助劑的使用和選擇安全的溶劑；（6）能量使用應(yīng)最小并且充分利用設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的能量；（7）最大限度地使用可回收的原料；（8）避免衍生物的生成；（9）催化劑的用量?jī)?yōu)于化學(xué)計(jì)量試劑；（10）設(shè)計(jì)容易降解的物質(zhì)；（11）在線監(jiān)測(cè)污染；（12）從化學(xué)反應(yīng)的安全上防止事故發(fā)生。

無機(jī)及分析化學(xué)是高等近化學(xué)類專業(yè)工業(yè)院?；?、輕工、應(yīng)用化學(xué)、生物工程、食品等相關(guān)專業(yè)的第一門必須課程。無機(jī)及分析化學(xué)課程旨在培養(yǎng)學(xué)生所具備的基本化學(xué)概念及思路。旨在培養(yǎng)學(xué)生的理論運(yùn)用到實(shí)踐的動(dòng)手能力、分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新能力。高校的實(shí)驗(yàn)作為環(huán)境污染的一部分常常被人們忽略。排放量雖然不多，但實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目廣，所用試劑繁多，重要的是很多實(shí)驗(yàn)都要用到有毒試劑［3-5］。在這種前提下，只有將綠色化學(xué)的教育觀念融入實(shí)際教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，才能加強(qiáng)人們的綠色化學(xué)環(huán)保意識(shí)。一方面，對(duì)傳統(tǒng)無機(jī)及分析化學(xué)教學(xué)進(jìn)行綠色化改革；另一方面，實(shí)驗(yàn)以綠色化學(xué)為主，讓學(xué)生親自參與到防治化學(xué)污染實(shí)踐中。綠色化學(xué)的實(shí)施離不開綠色化學(xué)的教育。綠色化學(xué)的教育也必須應(yīng)用于綠色實(shí)驗(yàn)中。

1 實(shí)現(xiàn)無機(jī)及分析綠色化的措施

1.1 樹立綠色化教學(xué)實(shí)驗(yàn)理念

每個(gè)化學(xué)教師應(yīng)有意識(shí)地進(jìn)行保護(hù)環(huán)境教育以提高學(xué)生防止環(huán)境污染的行為和意識(shí)。讓學(xué)生認(rèn)識(shí)要實(shí)施綠色化環(huán)境的措施只有從根本上切斷污染的根源。一些應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)污染的綠色化改革內(nèi)容可以在實(shí)驗(yàn)原理講解的同時(shí)穿插進(jìn)去。鼓勵(lì)學(xué)生做綠色環(huán)保的提倡者，以達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。以周邊地區(qū)典型的環(huán)境惡化事件為例，讓學(xué)生體驗(yàn)到化學(xué)污染門的危害，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)施綠色化學(xué)保護(hù)環(huán)境的責(zé)任感和重要性。如：氯氣的泄漏，不僅僅造成農(nóng)民莊稼、蔬菜的枯死，還會(huì)引起人呼吸困難，情節(jié)嚴(yán)重的會(huì)損害人們的身體健康等。近幾年酸雨的危害，我們也是有目共睹的（如圖1所示）。一方面酸雨能使非金屬建筑材料表面腐蝕硬化，從而損壞建筑物。另一方面酸雨能加快礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素在土壤的流失導(dǎo)致土壤貧瘠化，直接影響植物正常發(fā)育導(dǎo)致產(chǎn)量下降。這可以啟發(fā)教師在對(duì)氮硫化合物講解時(shí)，分析酸雨形成的成分、途徑、原因及其危害。還有，涉及我們實(shí)驗(yàn)中增加環(huán)境中水的硬度的“殺手”如含有Mg2+和Ca2+的試劑。讓學(xué)生從思想上意識(shí)到化學(xué)實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)規(guī)章制度操作實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)到化學(xué)污染的嚴(yán)重性和危害性。明白使用好化學(xué)藥品、處理好廢液才能有效地解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)造成的污染問題，牢固樹立綠色化學(xué)理念。

圖1 酸雨的危害

1.2 選用綠色化學(xué)試劑

綠色化學(xué)要求反應(yīng)物及反應(yīng)過程中應(yīng)采用無毒、無害的原料，產(chǎn)品應(yīng)是環(huán)境友好的，綠色化學(xué)的核心就是要從源頭消除污染。在目前的化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，我們看見仍然使用一些劇毒的原料。為了人類的可持續(xù)發(fā)展，在化工生產(chǎn)過程中，迫切需要采用無毒或低毒的化學(xué)原料來代替有毒的原料，使用綠色試劑，淘汰有毒原料。所以在實(shí)驗(yàn)過程中盡量選取綠色環(huán)保的化學(xué)試劑。有機(jī)溶劑的選擇以毒性和揮發(fā)性小為原則，可以用去離子水代替的用去離子水。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的沉淀離子大部分是Pb（N03）2，AgN03，K2CrO4等有毒重金屬，會(huì)嚴(yán)重污染水資源且屬于貴重金屬。我們以NaOH為沉淀劑選用的沉淀離子為Cu2+，F(xiàn)e3+可以減少使用有毒重金屬試劑。對(duì)Br-和I-的檢測(cè)用雙氧水替代氯水，既可以去除制備氯氣的煩瑣操作以及對(duì)身體和環(huán)境造成傷害。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置的微型化

實(shí)驗(yàn)裝置的微型化以盡可能少的化學(xué)試劑而獲得比較清晰明白的反應(yīng)結(jié)果和化學(xué)信息的一種實(shí)驗(yàn)方法。如圖2所示的氯氣制備與性質(zhì)微型實(shí)驗(yàn)。減少了對(duì)環(huán)境的污染，是實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要途徑［6］。實(shí)驗(yàn)裝置的常規(guī)實(shí)驗(yàn)試劑用量減少了90%以上，時(shí)間縮短1/3左右。裝置的微型化采用價(jià)格低廉且為不易破損的塑料制品提高了實(shí)驗(yàn)的安全性。微型化實(shí)驗(yàn)具有以下特點(diǎn)：（1）成本低，反應(yīng)器可以利用廢棄物制作；（2）試劑用量少，為常規(guī)實(shí)驗(yàn)的試劑耗量的1/10至1/100；（3）節(jié)省時(shí)間，如在酸堿滴定實(shí)驗(yàn)中，50 mL的酸式滴定管被4 mL的酸式滴定管替代，不僅僅使?jié)舛冉档土艘粋€(gè)數(shù)量級(jí)，還減少了廢液量的產(chǎn)生。同時(shí)也可保證實(shí)驗(yàn)的誤差在允許范圍內(nèi)。如用K2Cr2O7基準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定Na2S203標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí)，我們選用100 mL容量瓶而不是250 mL容量瓶配制K2Cr2O7，移取K2Cr2O7的量為20 mL而不是25 mL，在3次平行實(shí)驗(yàn)后減少了K2Cr2O7的排放量，降低了K2Cr2O7污染。再加入KI，H2SO4后，用Na2S203滴定生成I2?？傊?，采用微型化實(shí)驗(yàn)可簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置，節(jié)約儀器費(fèi)用成本，試劑和能源少，節(jié)省空間，縮短試驗(yàn)時(shí)間，減少污染，提高安全系數(shù)，有利于環(huán)境保護(hù)。

圖2 氯氣制備與性質(zhì)微型實(shí)驗(yàn)

1.4 合理安排實(shí)驗(yàn)和提倡組合循環(huán)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的次序進(jìn)行合理安排，可以把第一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物轉(zhuǎn)變成下一個(gè)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)物。彼此間相互鏈接循環(huán)，這樣就充分利用每一個(gè)反應(yīng)的原材料，使中間環(huán)節(jié)的原料減少。有利于學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)工藝流程之間相互關(guān)聯(lián)的了解。例如研究Fe2+，F(xiàn)e3+的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，可以先用廢鐵屑為原料制實(shí)驗(yàn)中所需要的試劑硫酸亞鐵和硫酸亞鐵銨（NH4）2Fe（SO4）2試劑。驗(yàn)證Fe（Ⅱ）的還原性：緩慢滴加NaOH溶液到含有（NH4）2Fe（SO4）2試劑的試管中，觀察是否有Fe（OH）2沉淀的生成。當(dāng)沉淀放置一段時(shí)間，觀察沉淀顏色是否有變化，滴加稀鹽酸沉淀是否溶解。了解Fe（Ⅲ）的溶解性：將溶液分成兩份，一份滴加KSCN溶液，作為Fe3+的定性檢驗(yàn)；另一份滴加K4［Fe（CN）6］溶液，看是否有普魯士藍(lán)沉淀生成。另一個(gè)綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)措施就是將獨(dú)立的單個(gè)實(shí)驗(yàn)以化學(xué)反應(yīng)的關(guān)聯(lián)的形式連起來，可把化學(xué)試劑進(jìn)行了最大限度地使用［7］。例如，在教學(xué)中可把氯氣的制備與氯氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)、二價(jià)錳鹽的性質(zhì)與二氧化錳的回收實(shí)驗(yàn)組合起來。不但可以極大地提高產(chǎn)物的利用率，而且不會(huì)污染環(huán)境，還使二氧化錳變成可再生的資源。其操作次序?yàn)椋菏紫?，將制取氯氣?shí)驗(yàn)反應(yīng)中生成的氯氣作為原料，用于氯氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)中消耗掉；其次，將實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物作為未知濃度的待測(cè)酸溶液，用于酸堿中和滴定的實(shí)驗(yàn)中；然后，將中和滴定的產(chǎn)物（含有氯化鈉的氯化錳溶液）作為二價(jià)錳的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的原料；最后回收二氧化錳。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，只生成食鹽和水。整個(gè)實(shí)驗(yàn)就是綠色組合實(shí)驗(yàn)，防止了氯氣的制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的浪費(fèi)和它對(duì)環(huán)境的污染，使酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)節(jié)約了配制未知溶液的化學(xué)試。使二價(jià)錳鹽的性質(zhì)與二氧化錳的回收實(shí)驗(yàn)節(jié)省了二價(jià)錳鹽，且回收的二氧化錳可供氯氣的制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)循環(huán)使用。

1.5 重視實(shí)驗(yàn)廢棄物的回收利用

廢棄物在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)大量產(chǎn)生這是無法避免的，倘若不加以處理而隨便排放到空氣、水、土壤中會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。對(duì)廢棄物的處理主要按變廢為寶、化害為利、分別處理采用不同的處理方法。然后在條件允許的情況下，可以讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)廢液處理分離方案并加以實(shí)施。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢液常用到處理方法有：（1）酸堿廢液，采用酸堿中和法，首先集中收取廢酸、廢堿溶液，然后用酸堿中和反應(yīng)進(jìn)行處理，最后調(diào)節(jié)廢液pH為中性后排放；（2）含有鋅、汞、鉛、銅、錳等重金屬化合物的廢液，首先調(diào)節(jié)廢液的pH值到8～10，然后加入廢堿、碳酸鹽或Na2S，讓重金屬離子轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸?、碳酸鹽或硫化物沉淀，最后再將廢液的pH調(diào)到6～8后排放；（3）有毒廢液，含Pb2+廢液首先用石灰乳做沉淀劑，生成Pb（OH）2沉淀，吸收CO2的Pb（OH）2會(huì)形成為解度更小的PbCO3；（4）有機(jī)廢液，采用掩埋法、焚燒法、氧化分解法。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中對(duì)產(chǎn)生的廢液除按常規(guī)化學(xué)方法處理外［8-10］可以對(duì)一些產(chǎn)品進(jìn)行分析、分類回收。濃度高的用來配制下一個(gè)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)溶液。純度不高的用來配制待測(cè)溶液或做其他實(shí)驗(yàn)的原材料；回收的廢酸像硫酸、鹽酸可用來沖洗廁所；含銀廢液可制成硝酸銀變廢為寶；重金屬及其鹽可加堿或硫化鈉使其形成氫氧化物或硫化物沉淀，過濾分離出固體等。

2 結(jié)束語

將綠色化學(xué)的意識(shí)滲透到我們基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，能夠強(qiáng)化學(xué)生的綠色環(huán)保意識(shí)。在教學(xué)過程中時(shí)刻引導(dǎo)學(xué)生注意采用綠色化學(xué)試劑，實(shí)驗(yàn)裝置的微型化，合理安排實(shí)驗(yàn)和提倡組合循環(huán)實(shí)驗(yàn)，重視廢棄物的回收利用。這樣有效地減少了環(huán)境污染，而且使學(xué)生深切地感受到綠色化學(xué)教育，加強(qiáng)了環(huán)保意識(shí)，積極完善和探索無機(jī)及分析化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化，為人類和諧綠色環(huán)境做出我們的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］馬紅霞，王一菲，程瓊.無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的改革實(shí)踐［J］.教育改革，2011（10）:15-16.

［2］張秀蘭.高師無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的研究與實(shí)踐［J］.廣州化工，2011（9）:179-180.

［3］王立霞，王琦.實(shí)驗(yàn)廢棄物的回收利用與分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化［J］.滄州師范?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2006（3）:5l-53.

［4］鐘國(guó)清，蔣琪英.無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化探索與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010（91）:150-153.

［5］邱樹君.實(shí)現(xiàn)無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的探討與研究［J］.科技息，2014（11）:134.

［6］鐘囤清.化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化改革與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006（12）:18-19.35.

［7］陳自然，楊麗華.實(shí)現(xiàn)無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的探索［J］.四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（1）:115-116.

［8］趙樺萍，李莉，趙麗杰.無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行綠色化學(xué)教育的嘗試［J］.化工時(shí)刊，2010（2）:76-77.

［9］陳俊平，吳翠霞，周開梅.工科分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見廢液的處理與回收［J］.江漢大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)規(guī)版），2003（3）:26-29.

［10］張學(xué)東，張宜欣，劉永紅.化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室綠色環(huán)?；ㄔO(shè)探討［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管，2012（3）:357-359.

Exploration Green Chemistry in Inorganic and Analytical Chemistry Experiment

Shen Lihua
Xi'an University of Science and Technology， Xi'an， 710054， China

Abstract:The concept of green chemistry should be established through pay attention to green chemistry experiment. Realization of green of inorganic and analytical chemistry experiments adopt the following measures: green chemical reagent should be selected， the mini-type devices of experimental should be found， reasonable arrangement of experiment and cycle experiment should be promoted and treating and recycling of the experimental waste experimental should be implemented.

Key words:green chemistry； green chemistry concept； green chemical reagent

收稿日期：2015-12-23

作者簡(jiǎn)介：申麗華，博士，副教授。

基金項(xiàng)目：青年科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：21505102）。