以科学发展观统领化学实验教学和实验室管理

2022-09-11

在现代社会中, 化学实验室一方面在为创造物质文明和改善人类生活而发挥重要作用, 另一方面又由于大量耗费资源和严重污染环境而与人类社会的可持续发展极不和谐。许多学校的化学实验室的教学与管理基本上还是保持传统的思想意识, 在发展思路、管理模式、教育理念以及教学方法等多方面已经与新时代的要求不太适应。主要表现为: (1) 管理模式落后, 机构设置重叠, 基础设施重复建设。 (2) 教材内容陈旧, 一直沿用几十年一贯制的实验教学内容。 (3) 思想认识片面, 认为化学实验只追求效果, 是不计成本的。 (4) 节约意识不强, 硬件设施盲目追求高档, 华而不实, 仪器设备闲置而造成浪费。 (5) 污染环境严重, 每个化学实验室都是一个污染源, 而全国数以万计的化学实验室每天都排放出各种污染物, 破坏生态环境, 其危害是严重的。

改革开放以来, 各级学校实验室基础设施建设获得了飞跃性的发展, 但也与全社会的发展一样, 进入了一个“矛盾凸显期”, 由于其粗放型的增长方式造成了与能源、资源、环境等制约因素的矛盾日益突出。针对化学实验室的环保问题, 许多人都以绿色化学为主题, 提出了各种预防和治理化学实验室污染的观点, 其中不乏真知灼见。而要使实验室全面、科学、健康地发展, 我们的观念要与时俱进, 必须树立科学发展观。科学发展观涵盖了绿色化学的理念, 但又大于其范畴。绿色化学的基本思想是预防污染与保护环境。科学发展观的实质, 是实现又快又好地发展, 以创新发展模式、提高发展质量和讲求综合效益为方向, 以注重资源的节约和环境的保护为前提。我们运用科学发展观来指导化学实验室的工作, 应该意识到:化学实验不能完全不计较成本, 也要讲求效益。这个成本不仅是指经济上的, 更要考虑生态环境方面的;追求的效益不只是教会学生掌握科学知识, 更要培养学生树立环保思想、创新意识和科学发展观。要实现化学实验室的科学发展, 可以采取如下措施。

1 改革实验内容及合理选择实验试剂

实施绿色化学使用化学品的4R原则:即Reject—拒用危害品, Reduce—减量使用, Recycle—循环使用, Reuse—重新使用。

对于危险性大、涉及毒性较强的物质以及有毒“三废”处理有困难的的实验项目, 应该删除或改进 (改进实验方案或选用替代品) 。已有专家及实验人员提出了不少这样的具体方案, 例如:由于使用或产生毒性较强的苯及硝基苯, 硝基苯、溴苯的制备实验应该删去, 可以用“溴乙烷”代替“溴苯”实验;排放氰化物、汞、铅、剧毒苯化合物的实验尽量不做或选用无毒低毒代用品;在检验铵盐实验中, 用强碱和石蕊试纸代替奈斯勒试剂 (汞化合物) ;用硫代乙酰胺代替硫化物作为提供硫离子的试剂可减少溶液中排放的H2S及S 2-;在适当介质条件下, 用过氧化氢 (有“绿色氧化剂”美名) 代替浓硫酸、硝酸或高锰酸钾等污染较严重的氧化剂, 是一种很值得提倡的措施。抚顺石油学院宫红等老师对有机化学实验中己二酸的合成实验用浓硝酸或高锰酸钾氧化法, 改为采用30%过氧化氢作为氧化剂, 在回流温度下, 采用钨酸钠-磷酸催化剂催化氧化环己烯制备己二酸获得成功。又如在实验中可用“肉桂酸”代替“喹啉”实验, 避免苯胺, 硝基苯等有毒致癌试剂对环境的污染。

2 推行微型实验与实验微型化

这是从源头上解决减少污染和降低资源消耗的最有效措施之一。

2.1 大力推行微型实验

根据专家的研究与设计, 制造出一整套的微缩型常用化学实验仪器, 以此通过硬件措施对常用实验试剂加以限量。微型实验仪器包括代替试管的井穴板以及缩小了许多倍的烧杯、滴管、试剂瓶、锥形瓶等各种常用的玻璃仪器, 还可以把容量瓶、烧瓶、启普发生器等微型化。微型实验具有一系列的优越性:首先是节约实验药品, 微型实验比常规方法最多可节约90%的药品。更重要的是从源头上大幅度地减少了对环境的污染以及对师生健康的危害;还有安全性好、便于安装操作、仪器方便管理和清洗 (用水少也有利于环保) 等好处, 也有利于激发学生的学习动力和培养创新能力。不足之处是微型化使得有些实验现象不够明显, 但可以借助现代化教育技术手段把实验结果放大来弥补。

2.2 常规实验微型化

实验微型化与微型实验是有区别的。实验微型化不需要专门的微型实验仪器, 而是在常规实验中, 在保证实验效果的前提下, 使实验药品剂量尽量小、实验仪器装置尽量小型化和简单化, 以达到节约资源和减少废物排放的改进实验的技术。根据微型化的思路, 可以对各项化学实验制定出许多行之有效的措施。例如:许多学校的化学实验室所用的试管绝大多数都是15*150mm以上的, 实际上大多数的定性实验可以使用12*100或10*100的试管或点滴板来做, 仅此一项就能使资源耗费和废物排放减少一半以上, 而且不影响实验效果。有些实验如指示剂变色反应、Fe3+显色实验甚至可以在滤纸上进行;电解食盐水或氯化铜溶液等电解反应, 过去常用一号干电池的碳棒作电极, 以烧杯或U型管为电解池。可以改为用五号电池碳棒作电极, 在两个电极套上一段玻璃管 (防止短路并有利于气体导出) 并捆绑在一起, 用小烧杯做电解池, 不仅减少试剂, 而且电极距离小电阻就小, 因而耗电少且反应快。

3 实验仪器装置封闭化

把实验装置设计成全封闭式系统, 可以在很大程度上控制有害气体向环境排泄。例如H2S和SO2的反应装置:用两个气球分别收集H2S和S O2与通过导管和胶塞与具支试管连接, 支管也连接导管并事先封闭。实验时, 把H2S和SO2挤压入试管中混合反应, 实验结束后将尾气从试管的支管导入碱液中, 有效地防止有毒气体的污染。

某些金属如铜与浓硫酸、硝酸的反应, 由于产生有毒气体N O、N O2、S O2等, 在实验仪器装配中可以设计为封闭式集气装置。可以用具支试管为反应容器, 小型分液漏斗预装酸溶液, 在支管口套上透明的塑料袋并用橡皮筋扎紧, 实验过程中产生的气体不会泄漏, 实验结束后再作无害化处理。

4 药品的回收利用

实验结束时, 充分做好废弃物的集中处理与回收, 尽量做到重复使用和循环使用。未反应完或实验产生的金属及容易分离的固体物, 可直接回收, 经分离、洗净、干燥后, 即可保存备用。有些混合于废液中价值较高的物质, 可以通过化学处理来回收, 如废液中的银及其化合物, 可以运用沉淀法、配位法及电解法进行转化提纯而获得回收;碘也是较贵的化学试剂, 利用过氧化氢在适当条件下将碘离子氧化, 再用蒸馏法把溶液中的碘分离出来;废干电池中的二氧化锰可以用比重法分离提纯后用于某些纯度要求不高的实验如氯酸钾分解反应的催化剂。

5 污染物的处理与控制排放

化学实验过程中产生的废气、废液与废渣, 如果直接排放就会对空气、水源和土壤造成污染, 同时也损害人体健康。因此, 实验室的废弃物必须经过无害化处理后, 才能排放。 (1) 处理废气:如果残留一氧化碳可以先燃烧除去, 由于有毒其他主要是酸性氧化物, 可用碱溶液吸收或与其它物质反应, 使其变成液体或固体, 再作处理。 (2) 处理废液:有机溶剂可以用分馏法回收, 无法回收的就用燃烧法减小危害性;废酸用石灰乳或碳酸钠中和;含重金属离子的废液可用锌、铁等活泼金属还原, 也可加碱或硫化钠使其沉积, 再过滤分离, 尽量提取可用物。含氰废液必须认真处理, 少量的含氰废液可先加NaOH调至PH>10, 再加入适量高锰酸钾使CN-氧化分解。量大的含氰废液可用碱性氯化法处理, 先用碱调至PH>10, 再加入漂白粉, 使CN-氧化成氰酸盐, 并进一步分解为C O2和N2。 (3) 废渣尽可能再生利用, 不能再生的有毒物要远离生活区深埋。

6 减少能源和资源的消耗

尽量减少能源和资源的消耗, 也是在化学实验室工作中落实科学发展观的重要环节。 (1) 水资源的节约:增强实验微型化的意识, 在节约药品的同时也节约水资源;要注重水的循环使用, 在有机合成实验及蒸馏实验中, 大都采取非循环的水冷方式。几十个水龙头同时长时间开着, 水的浪费很大, 可以改为循环水的冷却系统, 做成专用的冷却水管道和水池。还有一些中学化学实验室仍采用水龙头直冲减压过滤, 这种浪费水的落后方式应该杜绝, 都要求运用循环水真空泵做减压过滤。 (2) 能源的节约:有些实验室无论什么实验都让学生使用蒸馏水, 实际上可以根据实验内容, 不必用蒸馏水的就不用, 因为蒸馏水的制取要耗费大量的能源。对于纯度要求不是很高的纯水, 尽量采用离子交换法制取, 这是制取纯水成本最低的方法。 (3) 采取科学的加热方式, 目前化学实验的加热大都运用酒精灯 (或喷灯) 以及外热式电加热。对于电加热, 尽量采用内热式, 可以大幅度减少电能损耗。 (4) 根据实验的要求, 能用化学纯的就不用分析纯, 还有一些化工商品可以替代化学试剂, 如食盐、纯碱、小苏打、染料 (铁红、立得粉、钛白粉、铬黄粉等) , 这些商品比化学试剂的价格低得多。 (5) 适当减小试剂浓度, 如定性实验中的A g N O3溶液通常配成0.1mol.L-1, 通过验证, 配成0.05mol.L-1就可以达到定性实验的要求。

7 模拟化学实验

运用计算机技术模拟化学实验是一种化学试剂和仪器装置“零投入”和“废弃物零排放”的特殊实验方式, 对于某些危害健康和破坏环境严重的化学实验适宜采用这种方式, 模拟实验虽然效果不能跟真实实验相比, 但对于一些代价高昂的化学实验, 还是有一定的实用价值。现在的计算机多媒体技术很先进, 制作功能强大, 可以制作出十分逼真、互动性很强的模拟化学实验软件, 演示效果很好。

摘要：化学实验室为教育、科研以及推动社会进步发挥着不可替代的作用, 但又由于它产生大量污染物以及消耗资源而对生态环境构成危害。以科学发展观统领化学实验室的工作, 是解决这一矛盾的正确途径。

关键词：化学实验,科学发展观,防止污染,资源