实现无机化学实验绿色化的实践和探究

    “绿 色 化 学” ( Green Chemistry) 又 称 环 境 无 害 化 学( Environmental Benign Chemistry) ,是指从预防污染的基本思想出发,设计无环境污染或污染尽可能小的,在技术上和经济上可行的化学品或化学过程.绿色化学实验是以绿色化学的理论和方法为核心和基本原则对化学实验进行改进,尽可能减少环境污染或无污染,使化学实验过程达到绿色化的方法[1].无机化学实验作为大学化学专业的第一门必修课,将绿色化学理念融入实验教学中,实现绿色化实验,不但能使学生在潜移默化中受到绿色化学理念的熏陶,还能培养学生的环境意识、资源观念,增强他们的环保责任感[2].本文结合我校教学实际,依据绿色化学使用化学药品的 “5R”原则,即减量( reduce) 、拒用( rejection) 、重 复 使 用 ( reuse) 、回 收 ( recycling) 、再 生( regeneration)[3],就如何实现无机化学实验的绿色化,进行了初步的实践和探究.

    1 设计开设绿色化学实验

    从可持续发展的观点看,将绿色化学实验理念融入到整个实验环节中,探索无机实验新方法,培养学生环保意识,是化学实验发展的必然趋势[4].根据绿色化学实验使用化学药品的“5R”原则,结合具体教学环节,在设计开设无机实验时采用以下方法.

    1. 1 推广微型或小型实验

    依据减量( reduce) 原则,我校开设微型和小型化实验,尽量做到 “性质实验点滴化,制备实验减量化”.微型化学实验( Microscale Chemical Experiment) 是20 世纪80 年代在西方高校兴起的一种实验方法,它是从环境安全和污染预防的角度出发,用尽可能少的药品在微型化的仪器装置中进行的化学实验[5 -6],适用于一些毒性较大、药品昂贵、耗量大、污染严重、操作复杂的实验.无机实验中性质实验较多,所用试剂种类繁杂,传统的做法都是在试管中进行,试剂使用量一般为1 ~ 2 mL,试剂用量较多,废液废气排放量较大.我们采用点滴板操作,试剂用量减少为几滴,可达到同样的实验效果,且减小了环境污染,使这部分实验趋于绿色化.

    对于一些制备实验和测定实验,实行微型化得不到产品或实验效果不明显,此时应尽量将实验小型化.如硫酸铜的提纯、硫酸亚铁铵的制备、大环化合物的制备等实验,我校采用药品用量减为三分之一的方法.在测定化学反应速率及原电池电动势的实验中,适当减小所用溶液的浓度和剂量.结果表明,经过以上改进,能够达到同样的实验效果,同时培养了学生节约资源,保护环境的观念和科学的实验态度.

    1. 2 删除或改进剧毒实验

    绿色化学是从源头上消除污染,而不是污染后再治理.依据拒用 ( rejection) 有毒试剂原则,我校在选择实验时,尽量避免选择无机实验中一些毒性大、危险性大、 “三废”处理困难的实验.如 Cl2的性质和制备,砷化物和砷酸盐的性质以及含氰电镀等实验,我们选择大胆删除.对于毒性较大又必须做的实验应尽可能改进或选择产生污染少、具有相同教学效果的替代实验.

    如 H2O2的氧化性这一实验中,通常采用 PbS 与 H2O2反应,通过沉淀颜色的改变判断新物质的生成,从而确定 H2O2的氧化性,这一过程中用到重金属 Pb2 +,虽然现象明显但危害较大.我们用 I-与 H2O2反应,可获得相同的实验效果,且可防止因溴蒸气的挥发对人体造成的毒害.再如多相离子平衡实验,其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 K2CrO4,采用这些沉淀离子及沉淀剂,现象比较明显,但 Pb2 +、Cr3 +等有毒重金属离子随废液排放到水中,会对水资源造成严重污染,依据拒用( rejection) 有毒试剂原则及多相离子平衡的实验原理,我校对传统实验进行改进,其结果如表 1 所示.

    通过改进实验,仍然能达到预期的实验目的,但减少了实验过程的有毒有害气体和重金属离子的排放,降低了对人体的危害和环境的污染.

    1. 3 设计连环式实验.

    在传统的实验中,达到实验目的后,产物被直接弃置排放,造成环境污染和资源浪费.在绿色化学 “5R”原则指导下,我们对无机实验教材中的所有实验进行了系统的研究,发现无机化学实验中的很多产物都可以作为后续实验的原料,因此可以把一些孤立的实验首尾连接起来,组成连环式实验.如由孔雀石制备 CuSO4·5H2O,产物可用作 CuSO4·5H2O 铁含量的测定、CuSO4·5H2O 结晶水的测定和差热分析及溶度积的测定等实验的原料,还可做含结晶水的物质溶液的配制的原料,所配制的 CuSO4溶液可做为原电池电动势测定实验的导电解液,电解液用完后还可将剩余物除溶剂得粗产品用于 CuSO4的提纯实验.再如溶液配制中的稀 H2SO4可与废铁屑作用制备( NH4)2Fe( SO4)2·6H2O,所 得产品回收保存,可用作合成K3[Fe( C2O4)3]·3H2O 的原料,制得的 K3[Fe( C2O4)3]·3H2O 又可作为 [Fe( C2O4)3] -配阴离子组成及电荷数测定实验的原材料[7 -8].按同样的思路,可建立一系连环实验.这样不仅节约了试剂,降低了实验成本,更重要的是减少了实验废弃物的排放量,降低了环境污染,实现了无机化学实验的绿色化.同时,因连环实验每一步的实验产物都是下次实验的原料,一次实验不仔细,下面的实验就无法进行或效果不理想,这就使得学生认真仔细地对待每次实验,可锻炼学生的细心和耐心,培养其系统的思维方法,强化学生理论联系实验实际的绿色化学意识.

    1. 4 构建封闭式实验.

    封闭式实验是实现无机化学实验绿色化的一个重要途径.

    如从废旧干电池中回收锌皮制备硫酸锌实验,是典型的变废为宝、再生利用铁资源的环保型实验,传统的实验为敞开式.然而由于传统实验装置为敞开式,该体系中含有的 S、P 等杂质和硫酸反应时生成的 SO2、H2S、PH3等有毒气体被直接排放到大气中,直接危害师生的身体健康,不符合绿色化学的要求.

    参考废铁屑制备硫酸亚铁铵这一实验[9],将原先敞开式实验装置改为可吸收废气的封闭式实验装置,如图 1 所示,将烧杯换为封闭的锥形瓶,并且添加了安全装置和尾气吸收装置.

    使用这种封闭式的装置,实验中产生的有毒气体极易被NaOH 溶液吸收,实现了有毒气体 零排放.此外,由于实验装置是封闭的,反应过程中水分蒸发很少,反应过程中无需补充蒸馏水,这也给实验操作带来方便.

    2 引进绿色化教学手段

    除了实验过程的绿色化,实验教学手段的绿色化也是今后发展的趋势.在计算机普及的今天,多媒体演示实验无疑成为实施绿色化实验教学的最佳选择之一.在传统的无机实验教学中,教师要对实验进行讲解和演示,这样不仅耗时,而且重现性较差.我校部分实验采用多媒体演示,该法优点是可任意回放实验过程,学生能更好地观察实验现象,还可减少试剂、水、电等资源的消费,节约资金.此外,该法最大的优点是避免了有毒、有害试剂对人体和环境造成的危害,真正实现了“零污染”、“零排放”的绿色环保理念.

    此外,在无机化学实验教学中还可引进微波、超声波等现代实验技术,如微波消化、微波灼烧、超声催化等[10],这些技术的引入是实现无机化学实验绿色化的一个重要途径.

    3 结 语

    实践证明,在 “5S”绿色化学理念指导下,通过开展微型或小型实验、删除或改进有毒实验、构建封闭式实验、设计连环式实验,并适当应用多媒体辅助实验教学等现代实验技术和教学方法,能真正降低实验室 “三废”排放,减小对人体的危害和对环境的污染.通过对无机化学实验的绿色化改革,对激发教师探索化学实验教学改革,培养学生的绿色化学意识、环境保护意识和科学创新精神等方面都有很大的帮助.

    参考文献

    [1] 闵恩泽. 绿色化学技术[M]. 南昌: 江西科学技术出版社,2001:3 - 4.

    [2] 闻星火,郭英姿,魏婧,等. 高校大型仪器共享系统建设实践与探索[J]. 实验技术与管理. 2010,27 ( 9) : 1 -5.

    [3] 曾懋华,龙来寿,赵三银,等. 高校化学实验教学中药品使用的 5R原则探讨[J]. 实验室研究与探索,2010,29( 8) : 343 -345.

    [4] 李再峰. 绿色化学实验[M]. 武汉: 华中科技大学出版社,2008:5 - 6.

    [5] 朱清梅,贾宏葛,翟明翚,等. 绿色高分子化学实验室的研究与建设[J]. 实验室科学,2013,16( 4) : 108 -111.

    [6] 钱贵晴. 微型化学实验与( M. L. ) 仪器的研制 [J]. 化学通报,1999( 1) : 48 - 51.

    [7] 王亮,姜艳,何明阳,等. 化学实验“绿色化”理念的培养及实践探讨[J]. 广州化工,2012,40( 18) : 164 -167.

    [8] 钟国清,周齐文,夏安. 硫酸亚铁铵的制备反应条件与绿色化研究[J]. 实验技术与管理,2013,30( 5) : 14 -16.

    [9] 袁爱群,褟金彩,张直,等. 用绿色化学理念改进硫酸亚铁铵制备实验[J]. 化学教学,2004( 5) : 8 -9.

    [10] 颜芸. 浅谈以绿色化学新理念指导基础化学实验教学[J]. 广东化工,2008,35( 1) : 109 -111.