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綠色化學(xué)理念下的無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

2023-01-02 20:56黃劍平石曉明谷惠文
化工時刊 2022年2期
關(guān)鍵詞:化學(xué)試劑硫酸亞鐵廢液

黃劍平 石曉明 谷惠文

(長江大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 荊州 434023)

在環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的今天,化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化已成為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容。無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)是我?;瘜W(xué)化工類專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)課,該課程也是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后的第一門基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程,對學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)基本知識和技能、養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣、形成科學(xué)的思維方式和研究方法有著非常重要的作用。在實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的同時,如何在教學(xué)中充分體現(xiàn)綠色化學(xué)理念,最大限度地減少實(shí)驗(yàn)污染,盡可能地降低實(shí)驗(yàn)成本,培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識、節(jié)約意識是每一個化學(xué)實(shí)驗(yàn)教師務(wù)必認(rèn)真研究和探討的問題。近年來,我們結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,將綠色化學(xué)理念融入教學(xué)實(shí)踐中,進(jìn)行了一些有益的探索與嘗試,取得了良好的效果。

1 結(jié)合教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行綠色化學(xué)教育

綠色化學(xué)是利用化學(xué)的技術(shù)和方法去減少或停止那些對人類健康、生態(tài)環(huán)境有害的原料、催化劑、溶劑和試劑、產(chǎn)物、副產(chǎn)物等的使用和產(chǎn)生[1]。綠色化學(xué)的目標(biāo)是“杜絕污染源”,實(shí)現(xiàn)廢物的“零排放”。我們在無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,結(jié)合教學(xué)內(nèi)容,從點(diǎn)滴做起,從細(xì)微處入手,有意識地將綠色化學(xué)的理念傳遞給學(xué)生,讓學(xué)生意識到綠色化學(xué)對于人類及其賴以生存的環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的重要性,并牢固地樹立綠色意識,在學(xué)習(xí)和生活中自覺地養(yǎng)成節(jié)約、環(huán)保的習(xí)慣。

2 選用無毒無害的化學(xué)試劑

根據(jù)綠色化學(xué)理念,我們在實(shí)驗(yàn)中盡量選用無毒無害的化學(xué)試劑,力求從源頭上阻止實(shí)驗(yàn)對環(huán)境造成的污染。例如,實(shí)驗(yàn)“電解質(zhì)溶液”中涉及難溶電解質(zhì)的沉淀溶解平衡,要求根據(jù)溶度積規(guī)則及平衡移動原理驗(yàn)證沉淀的生成與溶解、分步沉淀以及沉淀的轉(zhuǎn)化等相關(guān)知識。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中[2],“沉淀的生成”是在Pb(NO3)2中加入KI,觀察PbI2沉淀(黃色)的生成;在K2CrO4以及NaCl中加入AgNO3,觀察Ag2CrO4沉淀(磚紅色)以及AgCl沉淀(白色)的生成?!胺植匠恋怼笔窃贙2CrO4與NaCl的混合溶液中滴加AgNO3,觀察沉淀顏色的變化以確定沉淀的先后次序?!俺恋淼霓D(zhuǎn)化”是在Pb(NO3)2中先加入NaCl,觀察PbCl2沉淀(白色)的生成,離心分離后往沉淀上滴加KI,振蕩或攪拌后觀察沉淀顏色的變化以確定沉淀轉(zhuǎn)化的方向。在所用試劑中,鉛(Ⅱ)、鉻(Ⅵ)是有毒重金屬,銀是貴重金屬。為了減少實(shí)驗(yàn)污染,我們將“沉淀的生成”中的Pb(NO3)2替換成CuSO4,KI替換成Na2S,讓學(xué)生觀察CuS沉淀(黑色)的生成;同時將K2CrO4替換成CuSO4,NaCl替換成FeCl3,AgNO3替換成NaOH,讓學(xué)生觀察Cu(OH)2沉淀(淺藍(lán)色)以及Fe(OH)3沉淀(紅棕色)的生成。這樣,“分步沉淀”則是讓學(xué)生確定淺藍(lán)色沉淀[Cu(OH)2]與紅棕色沉淀[Fe(OH)3]產(chǎn)生的先后次序。同樣,關(guān)于“沉淀的轉(zhuǎn)化”,我們是在CuSO4中先加入NaOH,離心分離后往沉淀上滴加Na2S,讓學(xué)生觀察淺藍(lán)色沉淀[Cu(OH)2]向黑色沉淀(CuS)的轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,選用無毒無害的化學(xué)試劑后,同樣能看到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,達(dá)到滿意的實(shí)驗(yàn)效果。

3 減少化學(xué)試劑的使用量

對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中無法替換的有毒有害試劑,我們在保證實(shí)驗(yàn)效果的前提下盡可能地減少化學(xué)試劑的使用量,以此來達(dá)到降低實(shí)驗(yàn)污染的目的。例如,“可溶性氯化物中氯含量的測定(莫爾法)”實(shí)驗(yàn)中,傳統(tǒng)做法是將AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度配制成0.1 mol/L左右,指示劑(5%K2CrO4)需要1 mL,結(jié)果是不僅要消耗大量貴重的AgNO3,同時還會造成較大的鉻(Ⅵ)污染,而且到達(dá)滴定終點(diǎn)時,由于大量AgCl白色沉淀的存在還會影響到學(xué)生對滴定終點(diǎn)的準(zhǔn)確判斷。因此,教學(xué)中我們將AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度降低至0.02 mol/L左右,同時,相應(yīng)減少試樣的稱取量,指示劑(5%K2CrO4)的用量只需要10滴即可。結(jié)果表明,改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn),滴定終點(diǎn)更容易判斷,并且還減少了環(huán)境污染,節(jié)約了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。

又如,“膽礬中銅的測定(碘量法)”實(shí)驗(yàn)中,傳統(tǒng)做法是將Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度配制成0.1 mol/L左右,標(biāo)定Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液時需要基準(zhǔn)物質(zhì)K2Cr2O7約1.2克。在教學(xué)中我們將Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度降低至0.02 mol/L左右,在標(biāo)定Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液時,基準(zhǔn)物質(zhì)K2Cr2O7則只需要稱取0.2~0.3克,同時也大大減少了KI試劑的使用量(碘化鉀試劑價(jià)格不菲),改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)同樣能達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。

4 切實(shí)采取防污減排措施

實(shí)驗(yàn)過程中難免會產(chǎn)生一些廢氣、廢液和廢渣,如果不加以處理就直接排放,會對環(huán)境造成污染。例如,綜合實(shí)驗(yàn)“硫酸亞鐵銨的制備與分析”,該實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)做法是將鐵屑與稀硫酸放在敞口的小錐形瓶中,通過水浴加熱制備硫酸亞鐵溶液。由于鐵屑中含有硫、磷等雜質(zhì),與稀硫酸反應(yīng)時會產(chǎn)生H2S、PH3等有害刺激性氣體,對環(huán)境造成嚴(yán)重污染并直接影響師生的身心健康。同時,在敞口容器中進(jìn)行反應(yīng)時易導(dǎo)致部分Fe2+被氧化成Fe3+,從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此,在教學(xué)中我們將實(shí)驗(yàn)裝置由敞開式改為封閉式,即在小錐形瓶瓶口加裝橡皮塞,用導(dǎo)氣管將反應(yīng)產(chǎn)生的有害氣體導(dǎo)入盛有堿液(可用給鐵屑除油污時使用過的碳酸鈉溶液)的燒杯中,讓反應(yīng)產(chǎn)生的有害氣體被堿液吸收,避免了有害氣體的直接排放,保護(hù)了實(shí)驗(yàn)環(huán)境。同時,也防止了硫酸亞鐵因裸露在空氣中而被氧化,提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

我們對實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的廢液和廢渣做到分類收集、集中處理。例如,對普通的稀酸和稀堿廢液,讓學(xué)生分別倒入指定的廢液桶內(nèi),實(shí)驗(yàn)完成后,將兩種廢液相互中和后再排放(pH6~8);對實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的含銀化合物廢液,則采用硫化鈉沉淀法處理。對實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的含Cr(Ⅵ)廢液采用還原、沉淀法處理[3]。

5 對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物進(jìn)行回收利用

為了節(jié)約資源,降低實(shí)驗(yàn)成本,同時也減少實(shí)驗(yàn)廢棄物對環(huán)境造成的污染,我們加強(qiáng)了對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的回收利用。例如,實(shí)驗(yàn)“硫酸亞鐵銨的制備與分析”中制備的硫酸亞鐵銨,可用于“三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀的制備及組成分析”中的原料藥品,也可用于“分光光度法測鐵”中的鐵樣品;實(shí)驗(yàn)“粗食鹽的提純”中的產(chǎn)品(NaCl)可用于“可溶性氯化物中氯含量的測定”中的氯樣品,也可用于配制“水的硬度測定”實(shí)驗(yàn)中的鉻黑T指示劑、鈣指示劑。這樣,既減少了資源浪費(fèi),也有利于培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)理念,幫助學(xué)生構(gòu)建綠色化學(xué)思維。

6 結(jié)語

綠色化學(xué)是人類可持續(xù)發(fā)展的客觀要求,也是化學(xué)學(xué)科發(fā)展的必然趨勢。在無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中選用無毒無害的化學(xué)試劑、減少化學(xué)試劑的使用量、采取防污減排措施、對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物進(jìn)行回收利用等措施符合綠色化學(xué)的理念,不僅減少了實(shí)驗(yàn)造成的環(huán)境污染,降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本,同時也增強(qiáng)了學(xué)生的綠色化學(xué)意識和社會責(zé)任感,有利于學(xué)生綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提高。

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