初高中化学实验安全和绿色化设计的探索与实践

初高中化学实验安全和绿色化设计的探索与实践
我国著名化学家戴安邦先生曾经说过：“化学实验教学是实施全面化学教育的一种最有效的形式。

”可见化学实验对于学习化学的重要性；但是我们初中高中的一些化学实验往往存在一些安全隐患、污染和药品资源的浪费现象。

我国是一个发展中国家，经济和技术还不是很发达，人与环境的矛盾尤为突出。

教育在人，我们应该从身边的一些小事做起，在做实验的同时教育环境的保护。

故而，安全和绿色化学的提出是国际的一种公认和推广，是一种化学实验的新技术和新方法理念。

它具有实验微型化、安全、污染少、现象明显、快速、节约等优点，并以其良好的教学功能和教学效果，在化学实验教学改革等领域扮演着重要的角色，引起世界各国化学界的高度重视。

根据绿色化学的这些特点，对中学化学实验进行绿色化设计可以从以下几个角度思考。

1、选择对环境影响尽可能小的反应物，淘汰或改进对健康危害大的实验。

有些化学反应，本身就需要一些有毒的化学药品，或者会产生有毒的物质，对这些实验要精心设计，
尽量减少污染。

如高一《卤素》中氯气的制取，按课本的方案很难控制氯气的量的多少，因此，一收集完，老师惟有将装置移出室外，任其继续“放毒”，这样只是做到了“污染转移”，而并没有从根本上制止污染。

这难道不应引起我们的重视吗？学生的环保意识教育，不只是简单的说教，更应该是从自己出发,从实际出发，从小事做起。

对于这个实验，我认为造成氯气污染的原因主要有两个，一是氯气的发生和量难于控制；二是实验设计的欠合理性。

有人观察到用PP片（医用高锰酸钾片）与浓盐酸反应时，由于PP片有较高密度，在与浓盐酸反应几小时后，未反应完的PP片未见其松散溶解，且固体与液体的反应接触面积较小，反应不是特别剧烈。

于是利用PP片的这一特点，在简易启普发生器中用PP片和浓盐酸反应制取氯气，效果较好，而且做到随开随用，随关随停，解决了教学中由于氯气发生装置难于控制氯气的量造成大量氯气外逸的教学环境污染问题。

2、精心设计，严格控制，最大限度节约试剂和节约能源。

比如“二氧化硫的制取和性质”实验，改进方案：
（1）取一支大试管，向试管内加入约1克亚硫酸钠晶体。

（2）截取一段玻璃管（外径、长度以能放入大试管为宜），在玻管外壁从上到下依次用透明胶带粘牢蓝色石蕊试纸环一个，滤纸环三个。

试纸环用蒸馏水湿润，滤纸环分别用品红溶液、酸性高锰酸钾溶液、硫化钠溶液湿润。

（3）取一支带有单孔橡皮塞的球形干燥管，球内装有碱石灰或浸有氢氧化钠溶液的脱脂棉。

（4）沿着试管壁加入适量（约2mL）浓硫酸，立即塞上带橡皮塞的干燥管，观察各纸环的变化。

在2分钟内可看到兰色石蕊试纸变红、品红褪色、高锰酸钾溶液褪色、浸过硫化钠溶液的试纸出现少量黄色固体。

再如：“卤素各单质的活动性比较实验”，教材上是在试管中进行的，五十个学生同时实验，氯气和溴蒸汽污染就相当严重。

改进在点滴板上进行实验，现象明显，也大大减少了污染。

又如：用滤纸作载体，也可以做一些化学实验。

这种实验具有简便易做、容
易成功、现象明显、节省试剂等特点和优点。

下面说明如何利用滤纸做化学微型实验。

①、反应后生成有色物质的实验
例如，铁离子的显色反应：
在一片滤纸(裁成3×8cm的长条，下同)上滴三滴三氯化铁溶液，再滴一滴硫氰酸钾或亚铁氰化钾溶液，滤纸上立即出现血红色或蓝色沉淀。

类似反应还有酚酞与碱液混合，淀粉溶液与碘液反应等实验。

②、氯气的部分性质实验
在一张滤纸上依次滴碘化钾溶液、红墨水、溴化钠溶液，插入一个充满氯气的集气瓶(集气瓶配胶塞，胶塞中间划一刀，夹入滤纸条)中，可见红墨水褪色(次氯酸的漂白性)，并分别出现碘、溴单质的颜色。

3、通过实验试剂和产物的循环使用，尽量做到零排放。

如：“四氯化碳萃取碘水中的碘”实验后的四氯化碳（溶有碘单质），就可以通过加入氢氧化钾溶液，再分液，得到四氯化碳和碘化钾溶液。

4、改进和设计实验的“尾处理”装置。

许多实验本身会产生对环境有污染的物质，根据实际情况，可增加或改进原实验装置的“尾处理”部分，使污染物被转化或吸收，减少污染。

现对一些微型化、绿色化实验研究案例进行具体的分析
⑴实验室制取氯气及氯气性质实验。

存在的问题：氯气是有毒气体，泄漏到空气中会污染大气，影响身体健康。

而且验证氯气性质实验较多，按照教材操作比较繁琐，且不可避免造成氯气泄漏。

改进措施：实验装置如右图：五条滤纸条（宽约为1cm，长不超过试管直径），纸条上分别滴有①品红试液；②石蕊试液；③淀粉－KI试液；④Na2S溶液；⑤KBr溶液；⑥高锰酸钾晶体；⑦吸有浓盐酸的胶头滴管。

实验步骤：实验时只须挤几滴浓盐酸即可发生变化：①褪色；②先变红后褪色；③变蓝；④出现淡黄色固体；⑤变为橙红色。

实验评价：装置简单、现象明显、所需药品少、无污染。

微型化学实验不是普通实验的简单微缩，也不是对常规实验的补充，它是在绿色化学思想的指导下，用预防化学污染的新思想、新方法和新技术对常规实验改革和发展的必然结果。

⑵电解饱和食盐水。

存在的问题：反应在U型管里进行，使得离子在两极之间迁移距离过长，造成整个电路的电阻较大，电源功率损耗大，使阴、阳两极产生的气泡较少，很难收集到足够的氢气；用铁棒作电极，电阻大，表现积太小，不利于氢气的产生，也难收集到足够的氢气进行验证实验；尾气没有及时处理，不符合绿色环保的新理念。

改进措施：将一块滤纸裁成两半，取一半平放在玻璃板上，用NaCl酚酞试液充分浸润，分别用旧电池芯、铁钉作阳、阴极，按如下图方式轻轻将电极卷在其中，并接通电源。

通电2分钟后，立即打开裹有碳棒的一端滤纸，滴入一滴碘化钾——淀粉溶液，滤纸变蓝，证明阳板有氯气生成，再打开另一端，发现滤纸变红，证明NaOH在阴极生成。

实验评价：药品用量少，电极产物检验简单，现象直观，节省时间。

实验操作简单，效果明显，可用作教师演示实验和学生实验，以提高学生学习的参与
度。

⑶铜与稀硝酸反应制取一氧化氮
存在的问题：铜与稀硝酸发生反应的化学方程式为：3Cu＋8HNO3（稀）＝3Cu（NO3）2＋2NO ＋4H2O。

铜与稀硝酸反应，由于产生的无色一氧化氮很容易与空气中的氧气反应生成红棕色二氧化氮，从而无法判断出铜与稀硝酸到底是生成一氧化氮还是二氧化氮，实验现象与理论反应无法吻合，给教学工作带来负面影响，而且气体泄漏会污染空气。

改进措施：
1．把两片铜片放进注射器内，向注射器内吸取少量水，再排净，注射器内无空气。

2．向注射器内吸取稀硝酸，迅速把注射器的针头插入胶塞，使装置与空气隔绝，把注射器倒立，记录稀硝酸的体积。

3．观察注射器内的现象并记录稀硝酸的体积。

反应一段时间后，把无色气体挤入密闭盛有空气的小瓶内，观察小瓶内气体颜色的变化。

4．用注射器吸取小量的浓氢氧化钠溶液于小瓶内，并摇动小瓶。

实验评价：本实验反应在缺氧条件下进行，能观察到NO的“庐山真面目”——无色气体；实验中没有向空气中排放有毒气体，避免了空气受到污染；器材简单、操作方便、现象明显。