化学-化学实验设计的绿色化和环境保护论文

摘要化学最基本的教学方案是用实验进行理解的学科，实验可以激发学生的理解意识、实践操作、主动创新的能力。但是多数的化学实验所使用的原料以及产生的废水、废气、废渣往往会对环境造成污染。因此本文对化学实验设计的绿色化进行研究，通过网上资料和相关文献的阅读，了解了绿色化学的思想和化学实验存在的问题，为实验设计的绿色化提供了可靠的依据。文中简述了化学实验的绿色化，介绍了绿色化的实验设计的重要流程，并论述了学生环保意识的树立有利于推进实验的绿色化。通过对绿色化学实验设计的研究，总结不同情况下绿色化的实验设计的优势。希望本论文的研究能为减少今后的化学实验的环境问题提供一定的帮助。关键词：绿色化；实验设计；环境保护AbstractThemostbasicteachingplanofchemistryisthesubjectofunderstandingthroughExperimentscanstimulatestudents'understandingconsciousness,operation,andinitiativeability.However,therawmaterialsusedinmostchemicalexperimentsandthegeneratedwastewater,exhaustgas,andwasteresiduesoftencausepollutiontotheenvironment.Therefore,thisarticlestudiesthegreeningofchemicalexperimentdesign.Throughreadingonlinematerialsandrelatedliterature,weunderstandtheideasofgreenchemistryandtheproblemsofchemicalexperiments,whichprovideareliablebasisforthegreeningofexperimentaldesign.Thearticlebrieflydescribesthegreeningofchemicalexperiments,introducestheimportantprocessofgreeningexperimentaldesign,anddiscussestheestablishmentofstudents'environmentalawarenesstopromotethegreeningofexperiments.Throughtheresearchontheexperimentaldesignofgreenchemistry,theadvantagesofgreenexperimentaldesignindifferentsituationsaresummarized.Ihopethattheresearchinthispapercanprovidesomehelpforreducingtheenvironmentalproblemsoffuturechemicalexperiments.Keywords:Green;experimentdesign;Environmentalprotection目录TOC\o"1-3"\h\u1引言 化学实验设计的绿色化和环境保护1引言1.1中国环境现状近些年，在社会经济的迅速发展下，人们的日常生活水平相比提高了不少。但是，接踵而至的环境污染问题也日益严重。中国的环境现状是在特定的历史条件和社会背景下产生，长时间积累所导致的，问题较为复杂多样[1]。较为严重的主要有以下几种问题：1.水环境污染问题。在工业发展时代下，因生产过程中从排泄管流出的“三废”是我国水污染的重要因素，这些污染物流经地表时会再次渗入到地下造成二次污染。另外随着城市经济的发展状况，导致人口不断扩张，污水处理不及时，疏通管道设施不够完善的情况下，城市生活污水慢慢泛滥成灾。农村的污水更是不容小觑，来自农村农业的污染物源头数以万计，农村的技术以及管理设备能力上差距较大，很多水质中含有大量有毒物质，因此水中生物因没有足量氧气导致死亡。水资源以及鱼类资源给人类在一定程度上造成了巨大的经济损失。水是我们日常必需品，水环境污染问题提醒人类要高度重视[2]。2.大气污染问题严峻。由于城市机动车辆大量增加，汽车排放的尾气污染也逐渐加重，汽车尾气造成大城市的NOx、CO、臭氧放量数据日益增多，大多数城市普遍存在的现象就是总悬浮微粒(TSP)超标。随着现代工业的发展，人类生产活动规模的扩大和人类生活需求的升高，向大气释放的二氧化碳等温室气体不断增加，导致大气的组成发生变化。大气质量受到威胁，气候有逐渐变暖的趋势[3]。3.固体废物污染。随着化学工业的发展，有毒有害固体废物也在增加。有毒有害固体废弃物大部分都是未曾经过严格的无害化和科学的安全处置，这存在严重潜在性危害的环境问题，必须引起重视及时处理。同时，国外工业废物逐步引进中国加工，这必会加重中国的环境问题[4]。1.2绿色化学的产生与内涵绿色化学起源于美国，它是在20世纪90年代由耶鲁大学教授提出的。它的英文名为Greenchemistry，也被称为清洁化学或环境友好化学。顾名思义，它是一门对环境更友善，更安全的新兴化学分支，涉及各类学科比如有分析化学、有机合成等等，内容广泛。绿色化学的理想是在生产的一开始就预防污染，在原料的选择上始终坚持使用无毒，无害的原则，在整个合成和生产过程中实现零排放或零污染，即没有废物的产生，也不需要在利用科学技术手段去处理废物。绿色化学从社会的可持续发展道路出发，研究对环境没有任何副作用的化学试剂，化学制品，化学工艺。它利用化学技术和原理降低或消除那些对人类健康和生态环境产生不利影响的化学物质，从源头上阻止污染物的产生[5]。绿色化学的出现让我们懂得向“先污染后治理”坚决地说不，也让我们看到了化学工作者从化学的角度对保护环境做出贡献。1.3化学实验的现状由于展开化学实验所需要的各种化学药品相比来说比较多。各种化学实验发生之后，在过程中难免会产生新物质，对这些新产生化学物质还得进一步提取化验，有可能是有毒物质，从而对环境造成了影响。化学实验涉及的问题较多，包括材料筛选、药品的提取、用量和加热、废弃物的处理。从一个角度来看，学生在实验操作过程中，没有养成良好的操作习惯以及反应不够及时经常会出现各种各样的问题：比如错误地认为填加的原料越多对反应进行越有利，导致药品成本多数浪费影响环境，增加了能源的使用。从另一个角度来看，大多数院校的实验内容不够完善，基础课及专业课实验大都以基础实验、验证型实验为主。由于外加经费有限，对于比较昂贵的实验器材无法进购，甚者有些化学设施还相对的陈旧落后。学生实验结束后的废渣及废液通常是倒入水槽中用大量的水冲掉或者倒入指定的“废液桶”中，而“废液桶”大多是由值日学生清理倾倒至“规定场所”，没有经过专业人员的检测及处理，依然对环境有着严重的污染。虽然每个实验室产生的污染物的量不多，但设想下这种“集腋成裘”的污染方式无不疑会对环境造成不可忽视的破坏效应[6]。为了保护我们的环境与试验者健康，化学实验的绿色化设计与环保知识教育必须攻克。对于实验的设计，应从原料开始到实验的过程以及产生的物质，做到零污染，绿色化，以保护环境为首要条件，这需要长时间的不断进行优化。在不断实践中进行改良，并且要严格要求自己，培养严谨的实验意识，一丝不苟的完成实验并按规定要求处理废弃物，长此以往，我们就能在安全的环境中完成实验，学到知识。2化学实验的绿色化我们不应被动地治理环境污染，而应积极主动地防止污染。在实际工作中，我们应该科学实行化学实验，强化环保意识，采取得力措施，妥善处理好实验中的“三废”，努力实现化学溶剂绿色化、试剂微量化、过程绿色化、实验微型化，以减少对环境的污染，从而达到保护环境的目的[7]。2.1规范实验操作化学实验过程中一定会触及和使用化学试剂，且实验室的试剂有些是有毒、有腐蚀性，有些在实验的反应过程中还会产生有毒气体，对人体会造成危害。因此，必须严格要求学生实验操作规范。在实验操作前，要求学生认真阅读实验步骤、强调正确适当的取用药品、设计最简的实验装置、合理修正实验方案设计，对待实验中产生的污染物要科学认真地处理，既能防止实验危险事件的发生，同时又能在某种意义上避免化学原料和能源的浪费、污染环境[8]。要求学生严格遵守实验操作，不仅是确保自己和周围人安全所必需的，而且具有环境保护的意义。2.2减少试剂的用量、合理更换实验药品众所周知，环境一旦形成污染就需要耗费很大的人力物力加以控制和处理，不然将会破坏环境的稳定性，危害人类的健康和生活并导致难以估量的损失[9]。为此，这就需要我们将预防化学污染的理念运用到实验中来。为了避免或减少使用和降低向环境排放物质就必须用绿色化学方法。在实验中我们可以从适当降低药品的浓度，减少试剂的用量，更换无毒无害的实验药品，改进实验装置方便操作，发展微型化实验[10]，力求消除或减少污染源，在实验的设计、操作过程中真正感受到保护环境的重要性，感受到优先选择预防污染而不是后果发生后找到解决污染方法的优点。2.3合理处理“三废”在化学实验课程安排中，重视培养和训练学生的基础操作技能，却很少涉及到有关“三废”的处理及对环境的影响。因而，这将促使学生形成一个错误的认识——化学本身或工业生产一定会对环境造成污染和破坏，这种破坏和污染是人类无法避免的。废气的处理：在实验中，当产生有害气体时，应加强尾气吸收。尾气吸收常用方法有：①点燃法：对于像一氧化碳等易燃性气体，可在尾气出口处放一点燃的酒精灯。②吸收法：根据气体的性质不同选择不同的溶剂进行溶解和吸收。比如氨气、氯化氢、溴化氢、碘化氢气体可以直接用水进行溶解；而像硫化氢、氯气、二氧化硫、三氧化硫和二氧化氮等气体可用氢氧化钠溶液吸收。③转化法：采用一定的方法，使有毒的气体转化为另一种或几种对环境无污染的或者污染小的物质。如：一氧化氮能转化为氮气即可排放。废液的处理：分类处理实验产生的废液，是绿色化达标的重要环节。可从以下几个方面对废液进行无污染处理：（1）酸液和碱液分开收集：实验中，经常使用到酸性或碱性试剂，这些试剂较易残留在试管中变成废液，而这些废液可以分类回收，在对实验没有妨碍的作用下可以直接利用，不能直接使用的还可用于尾气吸收，这有利于实验室废液的管治工作。（2）学生实验废液的利用：学生进行个人实验时，每个实验桌上都有摆放各自药品，一不注意取用药品量就过了，造成更多的废液产生，在这种问题下就更需要进行处理反复利用。这不仅是降低成本的需要，更是减废的需要。（3）演示实验废液的回收：虽然演示实验产生的废液较少，但积少成多，每次实验收集的废液有的可以直接利用到下次实验，有的需要经过处理才能重复利用[11]。废渣的处理：残渣是多数化学实验会产生的，而这些残渣可能是反应产物可能是反应没有完全的或者仅仅只是改变反应速率的物质。若残留的物质有较强毒性，不对其进行处理将会污染环境、危害身体健康，有的还有再次利用的可能，如：属于重金属类化合物的二氧化锰，在过氧化锰分解实验中充当着催化剂，直接扔掉会造成污染，可以通过过滤、洗涤干燥这些处理步骤后再重新使用；有一类残渣虽没有毒性，但还有利用的价值，因此这样的残留物也要处理回收循环利用，增强了实验药品的使用率。化害为利，变废为宝，懂得科学合理地回收和处理废渣，是实现化学实验绿色化的有效途径之一。再如有些难以达到反应条件或易燃易爆危险性较高的或反应过程过于缓慢的，操作不易控制的这些实验，可采用计算机和多媒体模拟实验，需要时还可以重复操作模拟。让学生更直观观察到实验现象，加深对知识的理解，远比教师在讲台上演示实验效果更佳。这种方法不仅满足了教育教学目标同时也减少了药品的使用，最大程度上保护了环境，避免了危险。还可以在实验结束时，向学生讲述有关“三废”未处理的隐患，比如长期将大量的废水直接倒入下水道，有可能会导致水体重金属污染等问题，及教授学生三废处理的小知识，鼓励学生对“三废”回收再利用，能有效避免有害物质暴露在环境中。3实验设计绿色化的重要流程实验设计的流程：1、明确探究问题；2、作出合理假设；3、设计实验步骤；4、预测实验结果；5、得出实验结论。绿色化化学实验设计的重要步骤在于设计，其设计理念提现在化学实验过程和化工生产流程是否符合绿色化学，结合出来有以下这几个方面：1.预防污染，从源头上防止废物的产生。也就是重在“防”不在“治”，转变了污染治理的理念。2.化学原料的选择和过程的设计应着眼于使包括释放、爆炸、着火等化学事故的可能性降至最低。3.在任何可能的情况下最大程度避免辅助物质的使用。如需使用溶剂、分离试剂和其他物品，应为天然无公害的。如不可避免的话，应采用水，离子液体，固定化溶剂的使用，即天然无公害的物质。4.采用合成过程中对反应进程有高效率的催化剂。这比使用化学统计学的试剂更加优胜得多。5.在设计合成方法时，应最大限度把制造过程所用的全部物料结合在最终制成品上，即减少了废弃物的产生。6.在合成的过程中尽可能的采用无毒无害的化学原料，降低化学品的暴露和危害，用一切可能的办法减少生产过程中对人类生命健康和环境有害的物质。7.只要技术上、经济上是可行的，充分利用可循环使用的资源。8.制定能源需求时，应从对环境影响及经济方面考虑，合理使用能源，尽量降低化学过程中所需能量。应采用可在常温之下进行的合成程序。9.应可能的避免或减少化学合成中的一些衍生程序，如保护基团、取消保护和短暂改变物理或化学过程的修饰。因为在这些程序上不仅产生了对环境污染的废弃物还浪费了不必要的原料和资源。10.按设计生产的生产物，当其有效作用完成后，可以分解为无害的降解产物，在环境中不继续存在。使用可生物降解材料代替难降解材料，消除“白色污染”。11.需要进一步开发新的分析方法和相关技术，对危害物质在形成前进行实时监测和控制，及时检测反应是否完成。因为化学反应是一个动态的过程，常常存在着隐患和环境问题。12.设计的产品应尽可以保持有效的期望功能又不会引起对健康有危害的问题。使用产品后，还能利用有效手段对其进行处理，且在处理过程中不会产生污染。综上得出结论：化学实验设计是在实验前，一定要按照标准和要求，对实验的原理、装置和步骤等进行合理安排与规划。4学生环保意识的推进学校应增强学生在化学教学与环境教学的融合，激发学生的环保意识，从自身做起，将低碳生活的理念推动到生活中，让学生在日常实践中有效的起到作用。如：垃圾分类回收不污染，节约用水用电等，从生活中做到零污染延续至化学实验设计中[12]。在对化学专业知识及化学实验设计的实验中可以有效的从环境保护的实际问题出发，提升污染控制水平。环境保护的话题是大家较为关注的话题，可以通过分组讨论，组建自己的团队，通过对常见的环境污染问题的现象对化学实验设计进行分析论证，通过收集证据，做出可行性报告，通过简易的化学实验方案进行比对验证结果，适合推广出去的可以与实际生活相结合[13]。这不仅培养了学生的创新能力，实践动手能力，还有团队协作能力，最重要的是增强了学生的环保意识，而且对化学实验设计起到了重要作用。5学生分组实验绿色化设计在实验操作的过程中，并非每个实验现象都是显而易见的，每个人都能成功地进行实验，学生错误的操作、条件控制不当、配置试剂的纯度不纯、对知识的认知和理解的差异等原因，都有可能导致实验结果偏离原来的预设结论，进而导致实验药品的浪费。为了解决这个问题，我们可以将个人实验设计为小组实验，而在进行分组实验的过程中我们又可对其实验进行绿色化设计，这个方案有着不可取代的价值所在[14]。而如何进行绿色化设计呢，可以从我们生活中的废品入手对部分实验装置进行设计。通过合理利用生活中的废弃物减少学生在实验室中对实验仪器及设备的需求，在化学实验中发挥中重要的作用，因此我们就需要尝试“变废为宝”。比如，喝完的饮料瓶，不用的玻璃杯或者护肤瓶，装零食的铁盒、塑料盒、纸箱，包装袋等等。还有我们见过的一种普通的医疗用具注射器也能运用到化学实验中。这些我们日常生活中经常丢弃的废弃物不仅能减少实验成本同时也能展现出它们在实验过程中的可观效果。如饮料瓶不仅可以用来制作实验中可能用到的漏斗，还能替代试管使用，也由于它的硬度小在气体的性质实验中呈现出试管无法达到的功能，使实验现象更明显。而注射器则能应用它上面显示的刻度来定量的取液和加液严格控制试剂的用量，也可利用它的密闭性和推杆可移动的优势，使一些实验如气体定量、探究压强对化学平衡的影响实验等操作更加简捷，现象更易观察[15]。所以在设计学生分组实验时，我们也要尽可能的设法充分利用生活中的废品，以节省药品，操作简单明了的同时也可以更好的减小污染。6绿色化学实验设计的研究对绿色化学实验设计的研究中发现较为明显的有利于减少环境污染以及实验设计的方面有[16]：ⅰ精选和合理安排实验项目:选择对环境污染小，操作条件简单的实验，减少各个实验的孤立，开展串联实验，淘汰掉毒性大，危害大的实验。(ⅱ)减少用量:①在保证实验现象明显的前提下，减少能源的使用和药品的用量。②降低在实验过程中“三废”的排放。这是使污染物达到最小的前提。(ⅲ)实验装置的简约化和封闭化:简约化即采用简单的装置使实验操作简单化，封闭化即实验不在敞口的装置中进行，而是处于密闭的状态。它包括发生、收集气体装置、气体检验装置、处理尾气装置等等。(ⅳ)回收、反复利用:回收、反复利用即循环重复使用，比如:未参加反应的药品、可应用与下一次实验的产物等，它是培养环保理念、实现节约资源、降低一些排除废弃物的需要。(ⅴ)拒绝使用危害品:在实验选择原材料问题时，拒绝使用不能回收、循环利用或者不可再生又无法寻找替代物的反应物。它是消除污染最基础最直接的办法。6.1案例一对实验试剂和仪器的使用进行研究和设计，我将二氧化硫气体制备和性质检验实验合并在一起进行。具体设计过程如下：①通过对教材进行解读，为了节约化学原料的使用，提高原料的利用率，本实验将上述提到的两个实验进行整合。②考虑到在反应过程中溶液的接触面积比固体的接触面积大，能充分的使用原料，减少化学试剂的用量，且促使二氧化硫气体逸出，加快反应进程，节约时间，选择用亚硫酸钠溶液代替亚硫酸固体。③为了根据需要能够随时控制试剂的用量和加入的速度，也能在反应结束后及时地将二氧化硫气体排送出去，选择使用注射器。④为了避免实验过程中学生对石蕊溶液、Na2S溶液和NaOH溶液的大量使用，经过深思熟虑，分别用湿润的蓝色石蕊试纸、沾有Na2S溶液的滤纸和沾有NaOH溶液的棉花进行代替。⑤为了简化实验操作过程，防止学生由于实验的繁琐，失去兴趣，进而随意操作实验步骤，浪费实验溶剂，将SO2能使品红溶液和酸性高锰酸钾溶液褪色的装置联合起来。实验装置：左边：试管（试管内装有饱和亚硫酸钠溶液），软木塞插上一根绑有蓝色石蕊试纸和沾有Na2S溶液的滤纸的细铁丝和注射器（注射器内装有浓硫酸）；右边：Y型试管（Y型试管左侧装有酸性高锰酸钾溶液，右侧装有品红溶液，试管口塞上沾有NaOH溶液的棉花），Y型试管下放置酒精灯；左右两边用导气管连接。这个实验设计理念符合了药品简量化，反应过程绿色化，装置封闭化，装置联合化，能量绿色化，而且对环境保护做出了贡献。6.2案例二电解氯化铜溶液（1将一个透明的矿泉水瓶去掉底部，然后对其进行裁剪，裁剪的底面积跟表面皿大小差不多，进而在裁剪两个小孔，刚好可以放铅笔芯。（2）取两张紫色石蕊试纸，重叠着放在表面皿中，向试纸上滴加10滴的氯化铜溶液。（3在之前准备好的矿泉水瓶上用双面透明胶黏上沾有氢氧化钠溶液的棉花，用凡士林涂其瓶底边缘，紧接着将其盖在表面皿上。（4从小孔中插入两段铅笔芯分别放在紫色石蕊试纸的两端做电极。将电极的两端分别于直流电源的正负电极联接。（5打开电源，不久后可以看到紫色石蕊试纸的一端先变红后褪色，另一端的铅笔芯上覆盖着一层红色的铜。这个装置也适用于电解饱和食盐水的实验。这个实验不仅加快了反应速率，减少了CuCl2溶液的使用，也解决了因敞口体系使生成的有害气体氯气四处飘逸而污染空气的问题。6.3案例三醇、醛氧化系列实验整个过程为：在2根硬质玻痛管中，一根装入缠绕成螺旋状的铜丝，作为乙醇氧化的催化剂。另一根玻璃管中装入醋酸锰，作为乙醛氧化的催化剂。在具支试管中装入乙醇和瓷环，并插入20W内热式电烙芯加热乙醇，将乙醇加热沸腾后，用气唧通过导管向侧支试管内鼓气，乙醇蒸气和空气的混合气体通过有热铜丝的硬质玻璃管（管下用酒精灯加热），铜丝就反复出现由黑变红，再加热又由红变黑的现象。反应生成的气体进入盛氢氧化铜悬浊液的试管，将试管加热就会生成红色沉淀。然后将弹簧夹换到Y形管的下端，使生成的乙醛蒸气不进入盛氢氧化铜的试管，而进入盛醋酸锰的硬质玻璃管中，乙醛在催化剂作用下被氧化生成醋酸，蒸气通入盛紫色石蕊试液的试管，溶液就会变成红色。图6-1醇醛氧化系列实验图6-1醇醛氧化系列实验七展望在化学实验设计中，设计者往往只是站在理论知识的角度来思考，而忽视很多细节的问题，也没有很好考虑实际操作过程中会遇到的情况。比如大多实验室是否有该实验的仪器，药品，溶剂。在现行的教材中很多实验都是比较经典的实验，且这些实验都是沿用了很多年了，在部分设计中存在着不足，比如对试剂的用量没有严格的要求，只是粗略的表述；有些实验的催化剂没有选用最适合的，而只是选择合适的；在反应的过程中没有很好地综合考虑多方面的问题进行设计，仅仅让其该反应能够进行即可；在有些涉及尾气处理的过程中，也没有进行相关的文字表达等问题，而这些不足在实验的过程中必定会造成环境的影响也会导致试剂的取用不当。因此推进实验设计的绿色化是每个从事化学领域工作者的任务。实验设计的绿色化是一项综合性比较强的思维活动，它需要我们要具有扎实可靠的知识，不断更新、充实和丰富自己的学科知识，努力开拓知识领域，提高自己的学科素养。这些要求需要我们长时间的坚持和努力，需要我们不断的在实践中总结。作为化学实验未来的发展方向，化学实验设计的绿色化任重而道远，需要挖掘的问题还有很多，希望通过今后更好的进行化学实验的绿色化设计，提高学生的环保意识，在实验过程中尽可能增加原料的利用率，减少废弃物的排放，以实现对环境的保护。参考文献[1]蒋芯宇.我国媒体对环境污染报道的现状[J].新闻研究导刊,2016,7(08):132.[2]安敏,何伟军,袁亮,等.中国地区工业