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绿色化学是世界科学可持续发展的需要,自1995年,由中国科学院化学部确定了《绿色化学与技术》的院士咨询课题以来,我国的绿色化学也逐渐活跃起来。近几年,随着环境污染的日益加剧,生态环境的不断恶化,人们越来越关注污染问题,绿色化学观点的提出,让许多与化学息息相关的行业都积极响应。面对学术界绿色环保的方兴未艾,作为化学教育工作者,除了具有扎实的基础知识以外,还应将环境污染、保护、治理等作为自己的研究方向。将绿色化学的理念根植于心,牢固树立可持续发展的观念,“计利当计天下利,求名应求万世名”,正确处理可持续发展和绿色环保的关系,将绿色化学的十二条原则始终贯穿于化学教学实验全过程之中,从一点一滴入手,培养并传播绿色化学的理念,绿色化学强调的是原子经济性,即在获取新物质的化学原料中,充分利用每个原料原子,实现“零排放”,既充分利用资源,又从根本上解决污染物排放问题,让这种理念时刻伴随学生,随着知识的积累而得到传承和发展。在传授学生知识的同时,还要引导学生正确认识科技发展的负面性:若保护不好环境,发展也会受到严重制约。在课堂上,教师可以提出关注较为广泛的问题进行讨论,比如:40年代初期发生在美国洛杉矶市的“化学烟雾事件”。光化学烟雾是大量碳氢化合物和挥发性有机物在阳光作用下,与空气中其他成分起化学作用而产生的。这种烟雾中含有臭氧、氧化氮、乙醛和其他氧化剂。在1952年12月的一次光化学烟雾事件中,洛杉矶市65岁以上的老人死亡400多人。由此引出我国社会关注度较高的问题——雾霾的成因。光化学烟雾主要为气态污染物,而雾霾则是大气颗粒物,然而光化学烟雾最终生成大量的臭氧,增加大气的氧化性,这导致大气中的二氧化硫、二氧化氮被氧化并逐渐凝结成颗粒物,从而增加PM2.5的浓度。也就是说,光化学烟雾可能成为雾霾的来源之一。因为这种讨论与我们每个人生活都息息相关,积极指导学生开展与化学相关的绿色环保行动,这既有利于知识的巩固,又能增强学生的环保意识,使学生明白,我们生活的地球处处需要保护环境。
二、尝试探索创新,推广绿色实验
众所周知,很多化学知识都是以化学实验引入并且加以验证的,实验是化学教学中的重中之重,如果能在基层教学过程中,大力推广绿色实验,势必会将绿色化学贯穿整个教学。传统化学实验所使用的实验药品,以及伴随实验所产生的各种废弃物,不但对环境造成污染,对师生的健康或多或少都会有一些影响。因此,在教学实验中,教师应严格把关,Anastas和Warner提出了绿色化学的12条原则,这些原则可作为实验化学家开发和评估一条合成路线、一个生产过程、一个化合物是不是绿色的指导方针和标准。
1.防止废弃物的产生,比先产生后治理要重要;
2.合成方法应设计尽可能将所有起始物嵌入到最终产物中去;
3.只要可能,合成反应应设计成反应中使用和生产的物质对人体和环境无毒或毒性很小;
4.设计的化学产品应在保证其应有功能的同时尽量使其无毒或毒性很小;
5.尽量不用辅物质(如溶剂、分离试剂等),当不得已使用时,也应使用无毒物质;
6.能量消耗应是越少越好,应能为环境和经济方面所认可,合成方法应在常温、常压下实施;
7.只要技术上和经济上是可行的,尽量选择可再生的原料;
8.应尽量避免不必要的派生过程;
9.尽量使用具有催化选择性的试剂;
10.化学产品中的设计应保留其功能,减少其毒性,当完成自身功能后不再滞留于环境中,使之降解为无毒的物质;
11.需要开发实时、跟踪监控的分析方法,预先监控有毒物质的形成;
12.化学物质及其在化工过程使用中的物态,应选择潜在化学随机事故(包括气体泄露、爆炸和着火)最小的,等等。从以上论点可以总结出,化学实验绿色化的内容包括:化学试剂、溶剂和催化剂的绿色化,尽量选择低毒和可再生资源,溶剂尽量选择水溶剂,避免采用有毒有害和挥发性溶剂,催化剂应首选采用无毒害、无腐蚀的物质;实验剂量绿色化,在保证完成化学反应的情况下,尽量使用最小剂量的试剂、溶剂和催化剂;对实验产生的“三废”进行无毒无害化处理,确保污染程度降到最低。
三、激发探究精神,完善绿色化学
(一)开展微型化学实验
微型化学实验,就是以尽可能少的化学试剂来获取所需化学信息的实验方法与技术。虽然它的化学试剂用量一般只为常规实验用量的几十分之一乃至几千分之一,但其效果却可以达到准确、明显、安全、方便和防止环境污染等目的。近年来,在我国化学实验教学改革领域中,微型化学实验蓬勃发展,引起国内化学教育界极大关注。目前微型化学实验开展到分析化学、物理化学、医用化学和高分子化学实验的微型化探索,并取得了骄人的成绩,逐渐形成了具有中国特色的微型化学实验特点:微型仪器价格低廉且配套比较完整,在国际上具有很强的竞争力。此外,微型化学实验与传统实验相比,具有明显的绿色环保、节约药品和节省时间的特点。微型化学实验的优势已经在教学中呈现出来,受到了广大师生的欢迎。目前,国内已有800余所大、中院校开始采用微型化学实验。
(二)探究精神在绿色化学实验中的应用
一、綠色化学应用的概念
绿色化学是以绿色思想为基础,通过化学分析理论和研究原则,分析绿色化学研究的相关内容,明确绿色未来的发展趋势和方向。加强绿色化学产业技术人才的培养,配置良好的技术研发团队,不断提升绿色化学应用发展效果,尽可能的提升绿色化学的应用,改善化学技术的研发过程,提升绿色化学应用效果,完善资源的循环理论标准,提升污染物的排放和绿色处理,加强与国外技术的相互交流水平,向优秀的绿色化学研究技术方式学习,引进优秀的绿色化学研究技术方法,实现本国中绿色化学生产工业水平的快速提升。[2]
绿色化学是以化学反应、溶剂、催化剂等反应技术,通过绿色方式,提升新合成技术的研究效果。特别是催化过程。新化学研究中包含生物资源的转化、新反应条件的利用,无公害介质资源的研究等等。根据绿色化学产品的设计,逐步提高研制技术水平。
二、绿色化学的研究趋势对象
1.原材料的绿色化研究
绿色化工研究生产是降低产品中的毒性问题,改善安全环保效果,完善人类的安全生活环境,提升化工产品的无公害生产水平。
2.化学反应绿色化应用
化学绿色反应的管理需要服务绿色需求标准,根据经济原子性标准,即最大限度的提升废物的排放效果,改善周围环境水平,以良好的选择标准价值,提升选择规范性效果,实现在绿色化学选择上的立体规范性。[3]
3.生产产品的绿化发展
生产产品需要绿化发展模式,逐步提升人身基本安全建设,完善化工产品的安全水平。例如,采用降解剂、除垢剂、杀虫剂等,使用可以降解的塑料制品,绿色燃料、绿色涂料等。随着现代科技的快速发展水平,越来越多的存在污染性化工产品被取代,绿色产品受到现代绿色环保化工发展的需求。目前,化工生产中,常常使用具有腐蚀性的化学材料作为催化剂,催化效果较好,但会对环境产生严重的腐蚀性问题。而采用仿酶催化剂、水溶催化剂可以有效地达到催化的目标,减少催化后造成的各种腐蚀问题。
4.溶剂的绿化作用
溶剂的绿化发展是以有效分离为技术标准,通过介质作为分离,提高溶剂的有机合成效果。但在反应过程中会产生有机化合物,引发臭氧的形成,造成水资源污染环境的产生。需要对溶剂进行研究,加强绿化溶剂的研究分析。
5.化学绿化的设计
利用计算机应用完成化学绿化的辅助设计,首先需要建立良好的化学反应资料库标准,利用计算机化学反应组合方式,确定实际原材料使用方式和标准,搜寻产物的目标反应结果,利用计算机模拟分析化学绿色反应结果,确定适合的化学绿色反应效果。根据目标产品的基本原则,准确的分析产物实际的化合原料,确定预定的原料标准内容,对相关反应路线和实际环境效应进行准确的分析,从中选取最佳途径进行分析。
6.绿化技术的合成
根据实际绿色化学合成技术,准确的分析有毒害物质的有效使用效果。采取合理的非物质化学方式,利用多环境效应,逐步改善化学产品的实际选择效果,降低产品的整体能耗。按照实际常温水平,常压标准,分析电化学实际洁净中的各种优势,确定绿化技术合成效果。
三、绿化技术的新技术和新工艺方式
1.催化技术
催化技术是不断加强实际有效反应效果,大力加强化学反应的高效应用选择性,对实际的转化率水平进行合理的分析,逐步提升产品的整体质量,降低成本的同时消除产品的副作用,减少可能出现的各种污染,最大限度的完善各种资源的保护水平,实现对生态有效环境的保护作用,这是绿色化学整体研究的重要方向。
2.生物化学技术
生物化学技术利用现代生物科学技术应用,逐步提升高新技术水平,大力开展生物技术的食品、药品、能源、化工技术的整体应用效果。按照最大有效特征性水平进行综合生物资源的快速利用,实现生物化学的有效节能,改善清洁生产水平,实现化工技术的整体生物化工过程。生物化工过程中包含基因化工技术、细胞化工技术、酶化工技术和微生物加工技术。
3.超声化工技术的研究
超声化工是利用现有的化学试剂,准确的分析声学、化工学的相互融合效果。通过分析声学技术的变化原理,准确的分析实际有效提升整体反应的选择过程,增加化学整体反应速度,加强化学反应速率和生产率,实现能好的有效降低,实现整体废物的快速排放,改善化工绿色的多元化技术分析,实现化学超声技术的广泛性应用。
4.膜工程化工技术
膜工程化工是利用膜分离技术、膜催化技术,通过分离的方式,实现成本低的化工工程,工程能耗较低,效率较高,污染小,有良好的回收效果。膜催化反应往往是超出整体平衡的反应,可以有效地提升整体反应的选择效果,提升原材料的实际转化作用,节约了资源成本,降低了污染。磨技术的快速应用是具有广泛应用价值的。在化工产业、石油产业、环保产业、电子产业、医药技术产业等多种行业中进行发展和分析,提升高新化工绿色产业的快速发展。
结语
实现化学实验绿色化的一些方法探索
1.绿色化学方法一:废物回收。我们知道,废物回收可以再生利用,在化学实验中,我们更需要发挥这一优良传统。无论是教师给学生进行教学演示,还是学生分组自行实验,都必须做好实验废弃物的回收工作。在学生对化学药品不了解的时候,教师在实验中的引导起着至关重要的作用。废弃物一般可分为液体、固体、重金属盐、有机物等几类,教师要积极引导,在言传身教的同时,也要加以督促并检查,让同学们早日养成废弃物回收的好习惯。
2.绿色化学方法二:具体实践。我们需要通过实际的环境对比观察实验来验证这一方法。对实验后的废弃物先进行观察,如颜色、气味、PH值等;其次,与正常的水体做比对;再次,将活的生物放入其中,完成存活实验———金鱼在实验后的酸、碱、盐回收液中只能存活十分钟左右。通过这样一步步逐渐深入的认识与了解,来达到了解废弃物危害的目的。在高中的化学实验中,所使用的如重铬酸及重铬酸盐、氰类物质、苯、芳香烃、醛类物质等都是剧毒的。有实验显示:学生实验中所使用的Hg(NO3)2就是对水体环境污染严重的物质,300克该物质就可以使1吨清水成为死水。
3.绿色化学方法三:控制使用量。治理环境的最佳方法便是从源头控制。首先,从药品的用量着手。比如,AgNO3溶液与HCl溶液反应的实验中,用1mol/L的药品与用0.1mol/L的药品其实验现象无任何差异,药品的用量却减少了90%。做有剧毒苯酚与溴反应时,用1mol/L的苯酚与溴水反应其实验效果同用0.01mol/L的苯酚进行实验无多大差别,而苯酚的用量却减少了近千倍。其次,使用小型号的化学实验仪器也是源头治理很重要的一个方案。学生实验中尽量用小型号的实验仪器或者人手一个微型化学实验仪器不仅有利于节约药品,降低药品的使用量,同时还大大增强了学生的动手机会与能力,还可纠正部分学生在刚开始做实验时贪图取用大剂量药品的不良习惯,一举多得。
变废为宝,付诸于实
(1)回收利用。一次,我们做完KClO3与MnO2经加热制取O2的化学实验后,让学生同教师一起对实验后的废弃物进行分离处理,不仅又得到了MnO2,同时还得到了KCl;不仅减少了废弃物的排放,也让学生们体会到了废弃物其实也是一种资源。用类似的方法,我们还回收过金属和有机物,尽管量不多,但是学校的环境教学的目的却功在千秋。
(2)自身反应。某些化学药品之间在经过一段时间的放置之后,药品的性质能相互反应,进行初步处理,如酸液与碱液之间能发生中和,药品自身的沉降、稀释、暴光、氧化还原。利用这些简单易行的方法进行简单处理,可以减少麻烦。
(3)废物做“好事”。我们可以用这些废弃物的特有性质与作用进行处理。如实验中回收的废酸用于冲洗厕所,以减少厕所清洗剂的使用;废酸可以用学校食堂所产生的鸡蛋壳加以处理;锅炉燃烧完产生的炭渣可以吸附有色、有毒物质。这些措施虽然很简单,却能产生很好的效果和影响。虽然如今我们掌握的知识与技术限制了我们处理实验废弃物,但是环境保护教育却任重道远。
(4)装瓶深埋处理实验废弃物。对于我们无法处理或者是实验失效的药品,我们都可以组织课外活动小组对其进行填埋处理。
(5)焚烧处理废弃物。对于燃烧不会对大气造成重大污染的大多数有机物药品都可以采用这一方法处理。在学校,就可以直接进锅炉,不仅使废弃物得到了处理,也再一次体现了它的价值。
高中化学课堂教学是渗透绿色化学教育的主渠道,教师要积极创造绿色化学教学条件,构建绿色化学知识体系,不断充实化学课本内容,培养学生的环境保护意识。在介绍化学史时,教师可从正反两方面渗透绿色化学思想教育。讲解放射性元素时,教师要对居里夫妇的精神及坚决反战的人格表示钦佩,但也要就海湾战争中使用贫铀弹对环境造成的危害提出批评。介绍环境问题时,教师可着重于介绍20世纪发生的公害事件,指明工业及传统化学是造成公害的主要原因,使学生明确绿色化学是解决环境问题的重要途径。通过在课堂教学中渗透绿色化学思想教育,激发起学生学习化学知识的兴趣,不断强化学生的环保意识、绿色意识。
2.在实验教学中渗透绿色化学教育。
在高中化学实验教学中,应最大限度地实现实验的绿色化,引导学生树立绿色化学思想和环境保护意识,具体教学策略如下:(1)改进化学实验。首先,采用无毒原料、溶剂、催化剂进行化学实验。例如,做完银镜反应后,可将清洗试管的硝酸替换为三氯化铁溶液,避免产生二氧化氮有害气体;在萃取碘单质实验中,可将四氯化碳替换为二氯甲烷作为萃取剂,消除刺激性气味,保证室内空气质量;在乙烯的制备实验中,可将硫酸替换为氧化铝作为催化剂,避免浓硫酸造成污染;其次,优化化学实验方法。又如,在海带碘元素的检验实验中,可将灼烧提取法改进为煮沸提取法,简化实验操作程序,缩短实验时间,减少因灼烧造成的室内空气污染;再次,改进化学实验装置。再如,利用密闭的装置减少实验敞开操作,可将注射器作为密闭的反应容器,进行铜和稀硝酸生成一氧化氮、二氧化硫制备与性质等实验,将污染物消除在密闭装置内。(2)开展微型化学实验。在高中化学实验中,可在保证实验教学效果的前提下进行微型化学实验,以达到降低实验成本、提高环保效益的目的。微型化学实验多采用点滴板、小试管、井穴板、多用滴管等微型化仪器,使用最小化的试剂用量,一般液体用量不超过1mL,甚至一些现象明显的定性实验可在试纸或滤纸上完成,如碘显色反应、溴水褪色、苯酚的检验、验证盐类溶液酸碱性等实验。(3)“三废”的绿色化处理。在高中化学实验中,要及时对必须使用的有毒、有害化学品和生成的污染物进行绿色化处理,从源头处控制“三废”对环境造成的污染。在废气处理过程中,可采用封闭的实验操作方法,减少有害废气的产生量,并对废气进行有效处理或用气囊收集。在废液处理中,可利用中和反应处理含酸碱的废液,使溶液pH值达到6.5~8.5之后再排放;也可用碳酸盐沉淀法、硫化物沉淀法等方法沉淀、分离含有重金属离子的废液。在废渣处理中,可回收一些化学实验中剩余或产生的金属进行再利用,如铜与硝酸反应剩余的铜片、银镜反应生成的银等。对于不能综合利用的固体生成物则要进行无毒化处理。(4)利用多媒体教学技术。在高中化学实验中,教师可利用现代多媒体教学技术辅助实验教学,尤其对于危险系数大、污染严重的实验而言,可通过电脑模拟、实验录像等对实验过程进行演示,实现废弃物的“零排放”。同时,教师也可利用多媒体教学技术模拟错误的实验操作,将不良的实验后果形象地展示给学生,让学生认清实验操作不规范带来的严重后果,以及实验室“三废”对环境造成的恶劣影响,加深学生对绿色化学的认识。
3.在课外实践中渗透绿色化学教育。
在高中化学教育中,教师要积极组织课外实践活动,让学生体验和感知传统化学对环境造成的严重危害,认清利用化学手段进行末端污染治理的局限性,引导学生关注绿色化学,理解绿色化学的重要意义。教师可根据化学教学内容,组织形式多样的课外实践活动,如实地调查、环保知识竞赛、探究性学习、文献研究等。在实地调查中,教师可带领学生参观污水处理厂、化工厂、无公害蔬菜生产基地、生态农业示范区等,对当地水资源、空气质量、环境污染情况进行调查;在探究性学习中,教师可开设相关课题,组织学生进行课题研究,如研究生物催化剂的优点、研究高效低毒农药等,培养学生实践能力和创新能力,达到课题研究的预设目标;在文献研究中,既可让学生利用图书馆馆藏资源和互联网资源,收集有关绿色化学和环境保护的文献资料,也可邀请有关专家学者来校进行讲座,使学生获取最新的科研信息。通过开展多样化的课外实践活动,促使学生更加关注绿色化学,能够运用已学的化学知识分析和解决生活中遇到的问题。
关键词:创新教育绿色化学实验
1999年6月13日颁布的《****中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》中明确指出:实施素质教育是“以培养学生的创新精神和实践能力为重点”。化学创新教育是对学生实施素质教育的重要组成部分之一。
1化学教学中创新教育模式的研究
化学是一门以实验为基础的学科,在化学教学中,要把培养学生的创新精神和实践能力作为素质教育的重点,就要改革“填鸭式”的化学教学模式,积极实行启发式和讨论式教学,激发学生独立思考和创新的意识,切实提高教学质量。要让学生感受、理解化学知识产生和发展的过程,培养学生的科学精神和创新思维习惯,重视培养学生收集信息的能力、获取新知识的能力、分析问题和解决问题的能力。
培养学生的创新精神,必须遵循思维科学的规律。人的大脑两半球基本上是以不同的方式进行思维的[1],左脑倾向于对抽象材料(概念、数字、理论)形成概念、作出判断、用推理的方式进行抽象思维;右脑则通过对形象材料、表象的加工改造进行形象思维。一个人的思维分为三种:抽象(逻辑)思维、形象(直觉)思维和灵感(顿悟)思维。创造思维是思维的最高形式,创造活动是通过抽象思维和形象思维协同进行的。通过对创造过程四个阶段的研究结果说明,形象思维在创新过程中,起着关键的作用[2]。所以,我国著名科学家钱学森说[3]:“我建议把形象思维作为思维科学的突破口。”
可是在教学理论上,由于“左脑优势”理论的长期影响,多年来化学教学一直偏重于运用左脑的功能,而忽视了右脑的开发。长期以来在化学教学中对操作性知识,主要是由老师“代劳”(演示实验),理论知识是由课本和老师先入为主地描述给学生,这对右脑的开发和真正学好化学是无太大价值的,从而使化学教学失去了在对学生实施素质教育系统中别的学科不可替代的特殊作用。
在化学教学中实施素质教育,就要根据化学的学科特点,有意识的开发学生右脑智力,把两种思维有机地结合起来,这样才会使教育思想、教育方法、和教学过程发生深刻的变化。
化学教学的创新教育模式[4]中,关键的一环是必须尽可能让学生在课堂上边学边做实验。在教师引导下,学生自己做未知的实验(而不是由老师进行演示实验),强烈的好奇心和丰富多彩的实验现象,能激发学生认真地进行实验操作,仔细地观察实验现象,深入地分析和探索实验现象的本质。在这种生动活泼的启发式和讨论式教学中,大量的实验表象在学生的右脑里积累,能促进学生形象思维能力的发展;积极主动地对化学实验现象本质进行探索,能促使学生左脑抽象思维能力的提高。这种左右脑协调发展,创新思维能力得到提高[5],实践能力得到增强的化学课堂教学,是我们在实施素质教育过程中要探索的化学教学创新教育模式的重要组成部分。
2绿色化学实验是实施化学教学创新教育模式的重要保证
绿色化学(Greenchemistry)是一门从源头上阻止污染的化学[6],是可持续发展战略在化学领域里的体现。它是用化学的技术和方法去减少或消灭那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的化学物质的使用和产生。把绿色化学思想贯穿在化学教学的全过程中,一方面是为了从小培养有强烈环保意识的人,另一方面绿色化学实验本身就是化学教学中实施创新教育的重要内容和必要保证。
让学生在课堂上边学边做实验,应该具备以下基本条件:
(1)有适合于学生在课堂上操作的小型、便携、易掌握、能快捷装配的实验仪器;
(2)取药品方便,实验安全,试剂用量少,产生的废液少,几乎没有毒气污染。
我们研制的“大学中学通用化成套微型化学实验仪器”为学生在课堂上边学边做实验提供了硬件实验设备。学生手提实验箱进入课堂,在没有通风设备并且坐得满满的课堂里边学边做实验,重要的问题之一,就是学习过程几乎得在没有毒气污染的环境中进行。所以,对绿色化学实验的研究,就成为我们在实施化学创新教育过程中必须认真研究的问题。
2.1绿色化学实验的研究
化学教学中绿色化学实验的研究,涉及到实验指导思想、实验内容选择、实验仪器研制、化学反应过程、实验装置和步骤的设计等实验各方面绿色化的研究。目前我们主要在以下方面进行了初步的研究与教学实践:
(1)研究新的绿色的化学实验:根据化学教学需要,发现、设计或选择没有污染和安全的实验取代那些污染严重或危险性大的实验。
(2)深入对微型化学实验的研究:在能获取所需化学实验信息的前提下,采用“尽可能少剂量实验”,以减少或消除实验废物。
其中,加强对无毒气污染实验的研究是绿色化学实验研究的一个重点,因为,消除了有毒气体的污染就是消除了基础化学实验中最大的污染源。我们在采用微型化学实验进行“化学教育中的创新教育模式”实验班的教学实践中,对绿色化学实验问题进行了初步的研究与实践,营造了较为良好的课堂实验教学环境。
2.2绿色化学实验研究实例
不同浓度的HNO3与Cu的反应,是证实不同浓度的HNO3氧化性不同的典型实验,在高中和大学的化学实验里都有。实验中,浓烈的有刺激气味的NO2毒气,弥漫在实验场所,严重地影响着师生的身体健康。为了能保留这一典型实验,又不污染环境,我们进行了无毒气污染的Cu与HNO3反应实验研究,并在贵阳清华中学高一年级57人的实验班中进行了教学实践检验。
2.2.1实验过程
铜与硝酸反应
我们使用的是由教育部中国教学仪器设备上海公司推广的大中学校通用化成套微型化学实验仪器。
仪器:微型化学实验操作台120mm×200mm、10mL的双颈烧瓶、小胖肚滴管(每毫升约20滴)、连接管、U形管反应器。
试剂:浓HNO3(0.5mL)、细铜屑(芝麻大小的约6粒)。
材料:PH试纸(0.5cm2)。
学生在1分钟内安装好了实验装置(如图1所示)。向双颈烧瓶内放入4粒左右的铜屑;将吸入了浓HNO3的小胖肚滴管紧塞在双颈烧瓶的左颈上;把2粒铜屑放入U形管反应器的弯管处,并向弯管处滴入约6滴蒸馏水(水刚好封住弯管);把润湿的PH试纸放在U形管反应器的右管口(只留约0.2mm的缝)。
向双颈烧瓶内先滴入约4滴浓HNO3,Cu与浓HNO3反应,双颈烧瓶内立即充满了红棕色的NO2气体:
Cu+4HNO3(浓)=Cu(NO3)2+2NO2+2H2O
NO2气体经连接管进入U形管弯管处的水里,并与水反应,生成HNO3和HNO2:
2NO2+H2O=HNO3+HNO2
在室温下HNO2迅速歧化,因而总反应是:
3NO2+H2O=2HNO3+NO
当双颈烧瓶内的反应减缓时,可以再逐滴滴入4滴浓HNO3,使不断产生的少量NO2气体,能缓缓通入U形管中的水里,充分与水反应,生成稀HNO3。
在这过程中,我们可以明显地观察到:起初放入U型管内水中的铜屑,没有与水反应,但当NO2通人水中后,慢慢地发现铜的表面产生了气泡,生成的气体是无色的NO气体:
3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO+4H2O
NO气体升到U形管管口,被空气中的氧气氧化:
2NO+O2=2NO2
生成的NO2气体与U形管管口上润湿的PH试纸里的水反应,生成HNO3,使PH试纸变红。当PH试纸变红后,可以把用水或碱液润湿的小棉花球放在U形管管口上,把产生的剩余NO2吸收掉。
为了验证是NO2与水生成HNO3使PH试纸变红,而不是NO与水反应使PH试纸变红(NO几乎不溶于水)。
把稀硝酸与铜反应生成的无色NO,直接通人水中,结果,经过较长时间不能使水中的PH试纸变红,而洗气头出口处的NO气体与空气中O2反应生成NO2后,与管口润湿的PH试纸里的水反应生成HNO3使PH试纸变红。
2.2.2实验的优点
(1)前一步反应的有毒产物是下一步反应的反应物,使前一步的有毒产物能得到很好的利用,在实验过程中几乎没有毒气散发在实验场所的空气里:
Cu与浓HNO3反应的产物NO2,是U形管内NO2与H2O生成稀HNO3的反应物;
N
O与O2在U形管口反应的产物NO2,是润湿试纸上的水与NO2反应的反应物。
(2)与常规实验相比较,这个实验能较好地显示出浓硝酸与稀硝酸、NO与NO2的区别与联系。
(3)该实验的试剂用量少,仅为常规量的十分之一左右,使实验的废弃物大大减少,而实验现象明显。
(4)该套仪器装置小巧,使用方便,全用标准10号磨口进行连接,可以快捷地安装实验装置。
(5)有利于进行启发式和讨论式教学:带着“不同浓度硝酸的氧化性相同吗?”的问题,在课堂上由教师指导,每个学生边学边做图1的实验(也可以分组边学边做实验)。在认真观察的基础上,深入对实验现象的本质进行深入研究,并对讨论结果进行验证,有利于对学生的创新精神和实践能力得到培养。
3绿色化学实验研究的展望
绿色化学实验是绿色化学新理念在化学教学中的具体体现,是化学教学中实施创新教育的重要内容和必要保证。在化学教学过程中,绿色化学实验不仅能使实验者在良好的实验环境中工作和学习,而且能使学生在实验过程中培养预防化学污染的思想和学习消除或尽可能减少毒气污染的实验技术。对绿色化学实验的研究,将为我们在化学教学中实施创新教育作出应有的贡献。
4参考文献
[1]T.R.布莱克斯利.右脑的奥妙与人的创造力,国际文化出版公司,1988:102.
[2]温寒江.开发右脑,浙江教育出版社,1997:44-50.
[3]钱学森.关于思维科学,上海人民出版社,1986:129-141.
[4]钱贵晴.微型化学实验与创新教育,化学通报,1999,(5):2-6.
[5]戚昌滋.创造性方法学,中国建筑工业出版社,1987:538-581.
1化学所面临的挑战
1.1化学的形象正在被与其交叉的学科的巨大成功所埋没
化学是一门中心科学,化学与生命、材料等朝阳科学有非常密切的联系,产生了许多重要的交叉学科,但化学作为中心学科的形象反而被其交叉学科的巨大成就所埋没。化学这门重要的中心科学(centralscience)反而被社会看作是伴娘科学(bridesmaidscience)而不受重视。
1.2化学正被各种各样的环境污染问题所困扰
化学的发展在不断促进人类进步的同时,在客观上使环境污染成为可能,但是起决定性的是人的因素,最终要靠人们的认识不断提升来解决这个问题。一些著名的环境事件多数与化学有关,诸如臭氧层空洞、白色污染、酸雨和水体富营养化等;另一方面把所有的环境问题都归结为化学的原因,显然是不公平的,比如森林锐减、沙尘暴和煤的燃烧等。这当然与化学没有树立好自己的品牌有关系,在最早的化学工艺流程里面,根本没有把废气和废渣的处理纳入考虑范围,因此很多化学工艺都是会带来环境污染的。现在,有些人把化学和化工当成了污染源。人们开始厌恶化学,进而对化学产生了莫名其妙的恐惧心理,结果造成凡是有“人工添加剂”的食品都不受欢迎,有些化妆品厂家也反复强调本产品不含有任何“化学物质”。事实上,这些是对化学的偏见,监测、分析和治理环境的却恰恰是化学家。
2绿色化学是应对挑战的必然
科学不但要认识世界和改造世界,还要保护世界。化学也如此,为了应对化学所面临的挑战,提倡绿色化学是刻不容缓。
2.1绿色化学的概念
绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学或清洁化学,是指化学反应和过程以“原子经济性”为基本原则,即在获取新物质的化学反应中充分利用参与反应的每个原料原子,在始端就采用实现污染预防的科学手段,因而过程和终端均为零排放和零污染,是一门从源头阻止污染的化学。绿色化学不同于环境保护,绿色化学不是被动地治理环境污染,而是主动的防止化学污染,从而在根本上切断污染源,所以绿色化学是更高层次的环境友好化学。
2.2绿色化学的产生及其背景
当今,可持续发展观是世人普遍认同的发展观。它强调人口、经济、社会、环境和资源的协调发展,既要发展经济,又要保护自然资源和环境,使子孙后代能永续发展。绿色化学正是基于人与自然和谐发展的可持续发展理论。在1984年,美国环保局(EPA)提出“废物最小化”,这是绿色化学的最初思想。1989年,美国环保局又提出了“污染预防”的概念。1990年,美联邦政府通过了“防止污染行动”的法令,将污染的防止确立为国策,该法案条文中第一次出现了“绿色化学”一词。1992年,美国环保局又了“污染预防战略”。1995年,美国政府设立了“总统绿色化学挑战奖”。1999年英国皇家化学会创办了第一份国际性《绿色化学》杂志,标志着绿色化学的正式产生。我国也紧跟世界化学发展的前沿,在1995年,中国科学院化学部确定了《绿色化学与技术》的院士咨询课题。
2.3绿色化学的核心内容
原子经济性是绿色化学的核心内容,这一概念最早是1991年美国Stanford大学的著名有机化学家Trost(为此他曾获得了1998年度的“总统绿色化学挑战奖”的学术奖)提出的,即原料分子中究竟有百分之几的原子转化成了产物。理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成产物,不产生副产物或废物,实现废物的“零排放”。他用原子利用率衡量反应的原子经济性,认为高效的有机合成应最大限度地利用原料分子的每一个原子,使之结合到目标分子中。绿色化学的原子经济性的反应有两个显著优点:一是最大限度地利用了原料,二是最大限度地减少了废物的排放。原子利用率的表达式是:
原子利用率=(预期产物的式量/反应物质的式量之和)×100%
如无公害氧化剂过氧化氢的制备可采用乙基蒽醌法,即由氢和氧在2-乙基蒽醌和Pd为催化剂作用下直接合成,2-乙基蒽醌复出并可循环使用。此反应原子利用率为100%,体现了原子经济性,减少废物的生成和排放,是典型的零排放例子。
2.4绿色化学的12项原则和5R原则
为了简述了绿色化学的主要观点,P.T.Anastas和J.C.Waner曾提出绿色化学的12项原则,这12项原则对我们今后从事绿色化学的研究具有一定的指导作用。
Ⅰ.防止——防止产生废弃物要比产生后再去处理和净化好得多。
Ⅱ.讲原子经济——应该设计这样的合成程序,使反应过程中所用的物料能最大限度地进到终极产物中。
Ⅲ.较少有危害性的合成反应出现——无论如何要使用可以行得通的方法,使得设计合成程序只选用或产出对人体或环境毒性很小最好无毒的物质。
Ⅳ.设计要使所生成的化学产品是安全的——设计化学反应的生成物不仅具有所需的性能,还应具有最小的毒性。
Ⅴ.溶剂和辅料是较安全的——尽量不同辅料(如溶剂或析出剂)当不得已使用时,尽可能应是无害的。
Ⅵ.设计中能量的使用要讲效率——尽可能降低化学过程所需能量,还应考虑对环境和经济的效益。合成程序尽可能在大气环境的温度和压强下进行。
Ⅶ.用可以回收的原料——只要技术上、经济上是可行的,原料应能回收而不是使之变坏。
Ⅷ.尽量减少派生物——应尽可能避免或减少多余的衍生反应(用于保护基团或取消保护和短暂改变物理、化学过程),因为进行这些步骤需添加一些反应物同时也会产生废弃物。
Ⅸ.催化作用——催化剂(尽可能是具选择性的)比符合化学计量数的反应物更占优势。
Ⅹ.要设计降解——按设计生产的生成物,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。
Ⅺ.防止污染进程能进行实时分析——需要不断发展分析方法,在实时分析、进程中监测,特别是对形成危害物质的控制上。
Ⅻ.特别是从化学反应的安全上防止事故发生——在化学过程中,反应物(包括其特定形态)的选择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。
为了更明确的表述绿色化学在资源使用上的要求,人们又提出了5R理论:
Ⅰ.减量——Reduction减量是从省资源少污染角度提出的。减少用量、在保护产量的情况下如何减少用量,有效途径之一是提高转化率、减少损失率。②减少“三废”排放量。主要是减少废气、废水及废弃物(副产物)排放量,必须排放标准以下。
Ⅱ.重复使用——Reuse重复使用这是降低成本和减废的需要。诸如化学工业过程中的催化剂、载体等,从一开始就应考虑有重复使用的设计。
Ⅲ.回收——Recycling回收主要包括:回收未反应的原料、副产物、助溶剂、催化剂、稳定剂等非反应试剂。
Ⅵ.再生——Regeneration再生是变废为宝,节省资源、能源,减少污染的有效途径。它要求化工产品生产在工艺设计中应考虑到有关原材料的再生利用。
Ⅴ.拒用——Rejection拒绝使用是杜绝污染的最根本办法,它是指对一些无法替代,又无法回收、再生和重复使用的毒副作用、污染作用明显的原料,拒绝在化学过程中使用。
3绿色化学的发展前景
3.1反应原料的绿色化即反应原料符合5R原则。
3.2原子经济性反应在基本有机原料的生产中,已有一些原子经济性反应的典范,如丙烯氢甲酰化制丁醛、甲醇羰化制醋酸和从丁二烯和氢氰酸合成己二腈等。
3.3高效合成法不涉及分离高效的的多步合成无疑是洁净技术的重要组成部分。
3.4.提高反应的选择性———定向合成如不对称合成。
3.5.环境友好催化剂例如在正己烷的裂解反应中,固体酸SiO2-AlCl3比普通AlCl3具有更好的选择性,更小的腐蚀性。
3.6.物理方法促进化学反应如微波引发和促进DielsAlder反应、Claisen重排、缩合等许多重要的有机反应。
3.7.酶促有机化学反应酶促有机化学反应有高效性、选择性、反应条件温和和自身对环境友好等特点。
3.8溶剂化学污染不仅来源于原料和产品,而且与反应介质、分离和配方中使用的溶剂有关,有毒挥发性溶剂替代品的研究是绿色化学的重要研究方向。如超临界流体、水相有机合成和室温熔盐溶剂等。
3.9.计算机辅助绿色化学设计和模拟在化学化工领域,计算机已广泛用于构效分析、结构解析、反应性预测、故障诊断及控制等许多方面。无疑,计算机在寻找符合绿色化学原则的最佳反应路线、化工过程最优化、产品设计等方面推动了绿色化学的更快发展。
3.10环境友好产品如可降解塑料、环境友好农药、绿色燃料、绿色涂料和CFCs替代物等。
绿色化学为化学的发展注入了新的活力,在21世纪化学必将大有可为。</P><P>参考文献
[1]王恩举.漫谈绿色化学.大学化学,2002,(4)
1.避免使用有毒有害物质
在传统高中化学实验教学中,普通存在使用有毒有害的物质,这些物质会造成身体上的伤害,对环境影响也很大.教师应该采用微型的化学实验,在药品用量上进行控制,尽可能地减少污染物的排放,减少对环境的污染情况,这样节约了成本,也增强了学生的动手能力,使学生更愿意参与到实验中来,激发了他们对实验的兴趣.
2.实验药品使用后妥善处理,并替换有毒有害物
有些化学工作人员十分不负责,把剩余的实验化学品直接冲洗后排放到了下水道,一些有毒有害物质会随着下水道影响到周围的水源,所以必须要采用正确的方式妥善处理好过剩的化学品.教师可以寻找一些可以替代有毒有害物质的化学品来做实验.
3.改良实验室的仪器
随着经济和科技的不断发展,高中化学教学中的实验规模也日益壮大,而这些实验产生的废物和有毒物质,加速了污染环境.而很多的实验可选择不同的仪器完成,做到以绿色为前提,所以在做实验前,要选择合适仪器.
4.运用计算机进行模拟实验
传统的化学实验中消耗了大量的有毒有害物质,如苯、苯酚和其他重金属等,在实验过程中排放了许多的有毒有害物质,给师生的身体健康造成了严重的危害,也严重污染了环境,这些都违背了绿色化学的原则和目标.为了避免实验对人体的危害和环境的污染,有些实验可以运用计算机模拟完成.这种模拟实验,节省了购买化学品的费用,而且保障了实验的质量和安全.
二、在实验中培养绿色化学观
在以绿色化学为背景的新课程下,高中化学实验课程内容中也体现了绿色化学观.如,在实验中介绍特殊的试剂,要有特别的使用方法和保存方式等,强调了实验中要有应急措施及应急预案.遇到危害的化学实验,必须在保障安全的情况下,在特定的实验室里完成,推行了化学微型的实验操作模式,加深了学生对化学知识的理解.
1.培养正确的环保意识
在化学实验教学过程中,以绿色化学为指导,加深学生对化学科学的认识,规范化学实验的操作过程,从而实现教学的绿色化.教师应该抛弃传统教学观念,以身作则,培养学生正确的环保意识和绿色化学观.
2.规范化学实验的操作
在做实验时,教师要合理安排实验的内容,要做到健康、安全、环保等,如尾气的处理办法则是安排氯气、氯化氢等实验.在操作前,要掌握好操作的先后顺序,特别是要注意细节问题,教师要及时发现和改正操作时的错误.在化学实验过程中产生的废气、废渣等都需要排放,而绿色化学就是要收集和处理、回收这些物质,如用剩的铁、铜等金属片要进行回收再利用,避免浪费和污染的产生.
3.串联及合并实验
在高中化学实验教学中,许多实验操作是可以相关联的,就是常说的串联实验.这样节省了很多的化学原料,使它们能得到合理的利用,也在一定程度上缩短了实验的时间,减少重复实验的操作,也减少了污染物的排放,真正实现了绿色化实验.
4.开展绿色化学的活动
为了使学生深刻了解绿色化学,可以开展一些与绿色化学相关的活动.如,环境保护、硫酸工业等.也可以开展一些绿色化学的专题活动,培养学生的绿色化学意识,如知识讲座和竞赛活动等.化学是一门与社会活动息息相关的课程,让学生走出课堂,从而深化知识,培养思维能力.利用活动和实践来培养绿色化学观.教师可以设计相关的学习课题,让学生积极参与并投入到实践中,亲身调查,实地观察,深刻体会,提高学生的学习兴趣和实践能力,培养学生的绿色化学意识.
三、结语
大学化学是工科院校非化学化工专业所设置的一门基础课,对绝大多数的大学生来说也是唯一的一门化学类课程。现在的大学生将是建设国家未来的工程师,由于没有其他化学类后续课程,因此可以说大学化学教学效果的好坏直接关系到国家未来的工程师们的整体素质。由于大学化学直接面向非化学化工专业学生,因此,大学化学课程对学生进行绿色化学教育有着得天独厚的条件,其影响面之大、教学效果之明显远非其它课程所能比。如何把绿色化学融合于大学化学教学内容中,使绿色化学成为21世纪化学教学的重要组成部分,促进大学化学教学绿色化,对化学工作者来说是一个崭新的课题。但是,当前绝大多数的绿色化学教育都局限于化学化工专业。对非化学化工类学生进行绿色化学理念普及教育还远未引起教育界的重视。鉴于绿色化学对人类可持续发展、环境保护等重要领域都有重要的深刻意义,本文分别从理论教学和实验教学两个方面进行绿色化学理念的构建。
2绿色化学理念在理论和实验教学中的构建
2.1绿色化学理念在理论教学中的构建
要在理论教学中进行绿色化学意识的构建,必须十分关注国内外有关绿色化学进展的各项报道,注重对国内外相关资料的收集和整理,并对已有的资料加以消化和吸收。在此基础上,将绿色化学的重要内容较为系统地整合到教学内容中,并积极跟踪科研成果的新进展、新动向及其相关的新信息,不断丰富、深化和改进绿色化学的教学内容。例如,在第一节绪论课里,在给同学们讲述化学前沿技术时,特别提到了2005年诺贝尔化学奖的绿色化学内涵。该年度的诺贝尔化学奖授予三位有机化学家———法国学者YvesChauvin和美国学者RichardR.Schroch、RobertH.Grubbs,以表彰他们在烯烃复分解反应研究方面做出的贡献。烯烃复分解反应,被诺贝尔奖委员会主席佩尔.阿尔伯格幽默地比喻为“交换舞伴的舞蹈”,对化学工业、制药工业、合成先进塑料材料以及未来“绿色医学”的发展都起着革命性的推动作用,其最大的优点就是“绿色、高效”。该项研究使得人们向绿色化学又向前迈进了一大步,它大大地减少了有害废物对人们的危害。在电化学一节,讲述了原电池的原理和应用。为了迎合信息化时代的到来,锂电池等以高速的形式发展。那么电池在给人们生活带来方便之时,同时也给环境带来了污染,连生产电池的一线员工也未能幸免于难。如无锡的某个外资电池厂所发生的员工“镉”中毒事件,以及广东一些电池厂的员工所发生的“镉”中毒事件等。电池的使用涉及到千家万户,废电池的回收处理,需要每一个人的努力。通过理论教学,让同学们了解重金属对人体的严重危害。如,镉被人体吸收后,将在体内形成镉硫蛋白,它首先使肝脏受损,继而引起骨软化症。该病以疼痛为特点,疼痛性质为刺痛,始于腰、背,继而波及肩、膝、髋关节,并逐渐扩至全身。活动时,这种疼痛会加剧,轻症患者,咳嗽或轻微外伤即可引发病理性骨折;重症患者,其四肢可屈曲变型,身高比健康时缩短10-30厘米。通过详细地讲解,让同学们更加深刻地认识到电池的利与弊,为科学合理地使用电池打下了理论基础。在水体现状和水体保护一节时,给大家介绍了近几年发生在我国国内重大的水体污染事件,如2005年的松花江水体污染事件,还有太湖的蓝藻的爆发等,让更多人意识到环境对人类可怕的报复。在讲到水体保护时,不是泛泛讲述工业废水和生活污水的一般处理方法,而是结合现代污水处理技术,以某个污水处理厂为例,通过实地拍摄图片,讲述了活性淤泥法处理污水的工艺流程。通过污水处理的讲解,不仅让同学们学到了很多有用的知识,而且也提高了同学们的科技人文素质。
2.2绿色化学理念在实验教学中的构建
化学是一门以实验为基础的科学,化学实验是训练学生动手能力的重要手段。但学生在做实验时,一般会给环境带来不同程度的污染,因此,每个化学实验室就像一个小型污染源。虽然每次实验排放污染物的量较小,但是其积聚起来的污染效应绝对不能忽视。因此,化学实验的绿色化是一个非常迫切和亟待解决的问题。很多高校化学实验室通过微型化实验、减少使用有毒试剂和仿真模拟等一系列措施,进行绿色化实验的改革,并取得了很好的效果。近几年来,化学实验室按照绿色化学的理念和要求,改变和重新设计了部分化学实验的过程和方法,改进了实验仪器和装置,进行了微型实验的研究、重要反应过程的“绿色化”。具体做法是:①尽量避免使用或尽可能少用有毒试剂和溶剂(如盐酸羟胺等);②对污染严重的实验进行彻底改造,使之尽量少的产生或不产生污染物,或用绿色化学新实验取代之;③采用微型实验,注重对实验产物或残留物的处理、回收、再生与利用。实验中绿色化学教学的开展,不但减少了环境污染,保护了师生健康,而且增强了师生的环境意识和学生的社会责任感。另外,微型实验的开展,在减少环境污染、节省实验经验、时间的同时,也为实验内容的充实与改革提供了条件。
3结语
化学是一门实践性很强的学科,化学实验教学又是化学教学过程中的重要环节,实验教学对学生科学思维、动手能力、创新意识的培养起着重要的作用。但绝大多数化学实验不可避免地对环境造成了污染。[4]以大学无机化学实验教学为例,使用到的化学药品有100多种。其中不乏各种毒性较大的物质:如钡盐、铅盐、镉盐、铬盐等各种金属盐类;硫化氢、氯气、二氧化氮、二氧化硫等有刺激性或有毒气体;四氯化碳、乙醚、丙酮等各种有机溶剂。[5]因此,对传统化学实验进行绿色化改革,全面推行绿色化学实验乃大势所趋。绿色化学实验是以绿色化学为指导思想,用预防化学污染的新思想和新技术,对常规实验进行改革而形成的化学实验的新方法。它的具体内涵体现在使用化学品遵循的“5R”原则上:[6-9]1.Reduction—减量(减少试剂用量,提高转化率,可减少“三废”排放量);2.Reuse—重复使用(催化剂、载体等,应有重复使用的设计,可降低成本、减少废弃物);3.Recycling—回收使用(回收未反应的原料、副产物、催化剂、稳定剂等非反应试剂);4.Regeneration—再生利用(变废为宝,是节省资源,减少污染的有效途径);5.Rejection一拒用(拒绝使用无法回收、无法替代的毒副作用、污染作用明显的原料,是杜绝污染的最根本方法)。具体来说,就是化学试剂、化学反应、途径、产物、剂量等等的绿色化。
二、改革教学内容和手段,将绿色化学的理念
渗透入实验过程作为高校化学教师,应不断地改进实验教材和教学内容,将绿色化学的理念融入到化学实验教学中,培养具有绿色化学意识的化学人才,实现化学实验的绿色化。主要的改进手段有以下几点。
(一)反应试剂绿色化
不管是无机化学实验、有机化学实验、分析化学实验还是物理化学实验,都多多少少要使用到有毒有害的反应试剂。反应试剂的调整对实验绿色化进程意义重大。如无机元素化学实验中将鉴定Br-、I-时使用的氯水改为双氧水,既可以省去制备氯气的烦琐操作,避免氯气、氯水对环境及健康造成的不良影响,又可以让学生灵活运用学过的知识。[10]有机化学实验中“苯乙酮的制备”要用大量苯,此实验可用生理毒性比苯小得多的甲苯代替”;[11]传统的“己二酸的制备”实验,现有有机化学实验教材是以环己醇为原料、用硝酸作为氧化剂的传统工艺,硝酸是危险、有强腐蚀性的物质,副产的NO会破坏臭氧层,而且该反应为强放热反应,极易飞速升温而失控。“己二酸的制备”可以采用绿色合成工艺,即以环己烯为原料,以H2O2为氧化剂合成己二酸,该工艺以绿色氧化剂H2O2代替HNO3,反应条件温和,易于控制。[12]
(二)常量实验微量化、半微量化
尽管很多实验经过改进以后,所用原料毒性很小或基本无毒,但排放量大了仍会造成污染。应此,实验的微量化和半微量化不仅是减少试剂用量的简单问题,也是走绿色化学之路的必然选择。自从20世纪80年代美国科学家在基础有机化学的微型制备实验研究中取得成功后,微型化学实验的探究与应用就成为一种趋势。微型化学实验是以尽可能少的反应物质来获取所需化学信息的实验方法与技术。虽然其试剂用量一般只是常规实验用量的1/10乃至更少,但其效果却可以达到准确、明显、安全、方便和防止环境污染等目的。采用微型化学实验技术,可以大大减少试剂用量、缩短实验时间、降低环境污染,也有利于强化学生的动手操作能力,培养学生的创新思维和环保意识。[5]如在无机性质实验中,对不用加热和不需要沉淀分离的实验,改在点滴板上进行,试剂用量可减低到原来的1/2~1/5。有机实验中的如乙酸乙酯的制备、从茶叶中提取咖啡因等实验改成半微量实验后产品产率和质量仍能得到一定保证。[11]
(三)实验模式循环化
传统实验是“原料—产物—废弃物”的单向线性系统,特征是原料的高消耗性以及产物对人和环境的高污染性,随着资源的短缺甚至枯竭,人类生存环境的不断恶化,这种传统实验模式正在受到前所未有的挑战,人们越来越清楚地认识到它的种种缺陷和不足。“循环实验”的根本在于“循环”两字———充分利用实验产物,绿色化处理实验废物。循环实验模式一般有两种:[13]1.原料—产物(原料)—产物(无毒、低毒废物);例如:乙酰水杨酸的制备~提纯—含量分析(酸碱滴定法)。本实验的反应物为乙酸酐和水杨酸,常温条件下生成乙酰水杨酸,在下一轮乙酰水杨酸的提纯及含量测定实验中作为样品使用。2.原料—产物(原料)—产物—原料。例如:以配位连续滴定法测定混合液中的Bi3+和Pb2+离子,是分析化学实验教学中的一个重要实验内容。按照传统的试验方法,供学生测定的混合试液几乎都是由分析纯的硝酸盐试剂配制而成。以前在学生完成分析实验之后,含有Bi3+和Pb2+废液也就随下水管排掉。这些废液如不回收,既污染环境又浪费资源。在该实验过程中,如以硫化钠为沉淀剂处理含Bi3+和Pb2+的废液,则Bi3+和Pb2+均以硫化物沉淀的形式回收,然后用稀硝酸加以溶解,并通过硝酸用量的控制,使再生后试液的酸度恰为滴定所需的pH值,这样就可供学生在实验中反复使用。[14]
(四)实验技术(仪器)更合理化
在物理化学实验中,U型管水银压力计和贝克曼温度计使用频率曾经很高。但这两种仪表都含有汞,容易造成实验室汞污染。可将U型管水银压力计改换为压力传感器,不仅能达到无汞的目的,而且还使压力测量读数更准、更快;传统的贝克曼温度计也可换为“SWC-Ⅱ型数字贝克曼温度计”,既省时又安全,效果也很好。[15]而在有机化学实验中,微波辐射法的运用也为实验绿色化开辟了一条新的道路。与常规加热法相比,微波辐射促进合成方法可以显著地节能,提高反应速率,缩短反应时间,减少污染,且能实现一些常规方法难以实现的反应。微型实验、小量一半微量实验可以据以有选择地改造为微波化学实验。微波化学反应直接或间接地减少了环境污染。作为一种新技术,应大力研究和推广,使之形成新的实验体系。[5,16]
(五)计算机和多媒体技术帮助实现实验绿色化[2,4,13,17]
利用计算机多媒体技术对化学实验进行辅助教学是近年来新兴起来的一种实验教学手段。化学实验属于消耗性实验,常规的、传统的化学实验不可避免地会消耗许多药品和大量的水资源。计算机辅助教学模拟化学实验(仿真实验)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,特别适合于演示实验。我们利用计算机多媒体技术对实验原理、装置、流程、实验过程进行仿真,用文字、声音、图像、动画的效果,让学生在计算机屏幕上所做实验达到身临其境的感受,如在直观的情景中“实验”。如醚的过氧化物爆炸、有毒溶剂的燃烧、砷化物的相互转化、胶体的电泳、硫化氢的性质与制取等。学生可以反复地操作练习,重现实验内容和实验现象,观察实验的现象变化。实验软件本身就带有较高的趣味性和游戏性,既可以大大提高学生对实验课的学习兴趣,充分调动学生的积极性和主动性,又可以减少环境污染和实验危险。
三、培养学生环保意识,妥善处理实验室“三废”[18,19]
对于污染较大并且对于学生的启发作用较小的实验进行删除,这部分实验可以通过网络教学给学生进行演示性实验,让学生了解实验现象或是实验的具体操作就可以,减少实验过程中有毒有害物质的使用,尽量选择一些在实验中所用的药品对环境污染较小的实验,在实验内容的选择上我们尽量选择“绿色化”实验教学内容,如将原有性质实验中易产生有毒有害气体的实验删除,根据理论教学的特点加入了与理论教学密切相关的配位平衡实验,在性质实验上做到了绿色、环保。在物理化学实验中,将萘的燃烧热测定实验改为葡萄糖的燃烧热测定实验,在原料上降低了对环境的污染,而同学们通过实验依然能够掌握物质燃烧热的测定方法。在综合设计性实验中,我们也尽量采取实用性强、绿色化和与生活密切相关的实验,如我们选择了《橘皮中果胶的提取》以及《鸡蛋壳中氧化钙含量的测定》等实验,这些实验在实验的过程中均能做到对环境不产生污染。我们通过对内容的删选基本实现了从源头起实现实验的“绿色化”,为实现“实验教学绿色化”打下了基础。
2加强实验设计,更新实验教学手段
加强实验设计、更新实验教学手段是促进基础化学实验教学绿色化的重要途径。教师和实验员定期开展教研活动,对实验中心所开设的全部实验进行细致的了解,认真研究各个实验,优化实验操作和实验教学手段。通过对各个实验的合理设计,充分利用在实验中所得到的产物或是实验过程中大量生成的废弃物,将实验产物或废弃物进行提纯后用在其它实验教学项目上,不仅可以节约大量实验药品还能促进学生绿色化学理念的形成。
如在《橘皮中果胶的提取》实验中,由于使用了大量的乙醇,我们将乙醇废弃物进行回收,在进行蒸馏,将蒸馏后的乙醇用于酒精灯的使用,这样不仅可以节约实验的开销,而且也避免了大量的乙醇废液倒入下水对环境造成污染。在实验的过程中,多注意每个实验之间的联系,也就是实验药品的循环使用。我们不仅仅只关注对学生所开设的实验,还要认真了解学校老师所进行的科研工作,与教师科研相联系,将部分实验所得产品进行认真提纯后用于教师的科研工作,如在综合设计性实验中我们设计了《三氮唑的制备及检测》,该实验的产品可以为一些老师科研提供辅助配体,做到了药品试剂的优化处理。在实验操作技能训练中尽量用水或无毒、价廉的药品代替实验药品,采用微型实验,药品用量微量、半微量化实验代替原有实验,减少在实验中药品的使用量。
3加强现代化建设,构建实验教学网络平台
重视实验资源的网络化与信息化建设,构建实验教学的网络教学平台,为学生提供广阔的实验教学网上信息。网络课堂是现阶段教学改革非常重视的一个手段,我们将网络教学引入到实验教学中,通过制作模拟实验动画及实验演示录像等数字化实验教学资料,讲一些基础性实验和实验仪器的使用等部分通过网络教学进行展示,这样不仅可以节省大量的教学时间,而且由于可以加入一些动画效果,提高了学生的学习兴趣,也可以获得很好的教学效果,为培养学生自主获取新知识的能力、终身学习的能力、创新的能力提供了辅助的环境和条件。在网络上建起模拟实验室和模拟实习基地,形成功能强大的网络课堂。使学生无需下厂,在模拟实习基地既可以进行仿真实验,了解在化工厂中的一些具体操作。部分实验学生可以不用进行具体实验,观看老师在网络上提供的实验视频,观察实验现象。网络信息的提供既满足了学生对知识的需求,也减少了进行实验所带来的环境污染,对实现实验教学“绿色化”具有巨大贡献。
4结语
(一)高职院校进行绿色化学教育的必要性
高职院校是为企业培养技术人才的重要阵地。化学工业绿色化是现代化工业发展的必然方向,如果企业员工大多数都接受过绿色化学教育,那么便能够通过回收废物、节能预防和控制污染扩散等方法增加企业的经济效益,因此现代企业尤为注重员工的绿色化学意识。高职院校的毕业生是化学工业将来的重要力量,需要充分理解并广泛推广绿色化学这一新生事物,同时在以后的岗位上通过自己形成的绿色化学理念和专业技术,引导化学工业生产树立绿色化学意识。另外,高职院校毕业的学生能够在较短时间内满足市场需求,不仅拓展了学生的就业面,而且也拓宽了学校的办学领域,从而有利于学校的可持续发展。所以,在高职院校化学教学过程中,开展绿色化学教育,让化学充满“绿色”尤为必要。
(二)高职院校绿色化学教育的现状
现如今,高职院校的化学教育依然是传统的教学内容,绿色化学完全没有涉及。很多高职院校还未充分认识到进行绿色化学教育的重要意义,大多数教师对绿色化学知识毫不知情。在传统化学向绿色化学发展的今天,对于化学学科这一重大变革,化学教师需要坚持可持续发展观和绿色化学教育观,把绿色化学渗透到整个化学教学过程中,从而培养一批有一批的绿色化学工作者。
二、在高职院校化学教学中渗透绿色化学教育的途径
(一)把绿色化学教育渗透到理论教学中
在教学过程中,教师渗透绿色化学教育便是在化学基本知识的时候,将与之有关的绿色化学知识一并讲解给学生。例如在组织学生观看合成氨、硫酸的工业制造方法等工业实际生产视频时,引导学生在学习生产流程、化学反应知识的同时,重点观察工业“三废”是如何产生的和正确的处理措施,同时告诉学生,因为人们环境意识淡薄“,三废”治理工作需要投入大笔费用,从而降低了企业的经济效益,使得企业不堪重负。所以,应该将资料污染的资金用在研发绿色新产品、新工艺上,从源头上切断污染,对企业、对社会大众而言都是一种“双赢”策略。
(二)把绿色化学教育渗透到化学实验教学
1.教师进行正确的示范,确保绿色化学的实施基础
在化学教学过程中,化学演示是教师讲解知识的主要方法,也是教师环境教学的有效方式。在演示实验过程中,教师的操作必须规范,把绿色化学教育渗透到演示实验的各个环节、步骤中。
2.创新实验方式和实验内容
高职化学教材中的一些实验危险性较高,这便要求教师在教学过程中进行创新与修改。另外,还需要降低实验对玻璃仪器的依赖性,有些能够明确辨别出颜色的定性实验尽量在点滴板上开展,比如Fe的显色试验等。这种定性实验也能够在滤纸上进行,比如检验醛基的存在、电解饱和食盐水等等。同时,还能够利用多媒体计算机软件等来开展仿真实验,然而必须以学生能够真正掌握相关知识为基础。
3.把绿色化学理念贯穿于整个实验过程
高职学生在初中时期已经掌握了一些实验知识与技能,了解了一些规范操作知识,在这样的前提下教师在实验过程中渗透绿色化学理念,引导学生在开展实验前制定好预备实验方案,使得学生重点思考在实验过程别过中可能出现的各种污染问题。其中需要在实验过程中培养学生的绿色化学精神更加重要。
(三)把绿色化学教育渗透到社会实践活动实践是检验真理的唯一标准。
绿色化工技术是通过改进改良现有的化学技术及方法,对化学原理的应用和使用工程技术来减少甚至消除化工原料、催化剂、溶剂、化学废物或化工产品等能够污染环境的物质,实现废物零排放,减少其对人类健康和生态环境的危害,建立友好环境。用“资源-产品-再生资源”这种全新的循环物质流动过程替换掉过去的“资源-废物”方式排放的流动过程。利用先进的绿色化工技术,研究出新型环保产品,及绿色工艺技术的运用实现清洁生产,从而大幅度降低三废排放量【1】。21世纪,绿色化工技术已经被国际发达国家在化学有机合成、生物化学、分析化学、催化等领域列为主要的研究发展方向之一。在我国制定的“九五”发展规划中,绿色化学与技术在酿造、制药、造纸、印染、海水淡化等行业作为应逐渐补充及开发应用的重大研究项目。
2绿色化工技术的开发
2.1原料的选用
绿色化工科技的发展,如果不从化工污染、化学反应的源头着手,那么始终是治标不治本而且十分被动的措施。那么化工科技及工艺发展过程中,选择无毒害溶剂、原料、催化剂等化学原料来进行化工生产、制作化工产品可实现零排放、零污染的清洁生产和加工原则,有效防止和控制化学污染的产生。近年较为常见的无害化学原料为:野生植物、农作物等生产物质。将芦苇、树木等天然野生植物纤维,以及稻草、麦秸和蔗渣等农副产品的废弃物作为原料加工糠醛、醇、酮、酸等化工原料。还有利用生物质气化产生氢气等,都是绿色化工技术中原料选择应用的非常好的例子。
2.2无毒害催化剂的选用
在百分之九十的化工生产中催化剂是提高反应速率的必需品。然而在绿色化工科技的开发过程中,无毒害的烷基化固相催化剂是国内外研发工作的重点。南京大学徐国际【2】利用环境友好性绿色化合成过程对烯丙基醇类化合物作为烷基化试剂,在无溶剂的条件下对1,3-二羰基化合物进行直接烷基化反应,反应后处理步骤简单,且催化体系可以循环使用,四次催化循环后收率仍然能大于84%。
3绿色化工技术在化学工业中的应用
3.1清洁生产技术
清洁生产技术是无毒、无害、无污染、无废物排放的绿色化工技术,包括辐射热加工技术,绿色催化技术,临界流体技术等。在冶金工业、印染工业、煤气化、制甲醇、垃圾处理、海水淡化等行业都得到了很好的运用。此外先进的脱硝脱硫技术、垃圾制沼气技术、高效清洁的煤气化技术、利用风能太阳能等自然能发电技术等等这些都利用了清洁生产技术。例如,海水淡化技术的应用不仅解决了我国淡水资源匮乏的现状,还利用有效的化学方法将海水中的盐水分离,在海水淡化的预处理过程中不会产生任何对环境状况的不良影响,也没有对生态环境造成伤害。而且,在海水淡化预处理过程中所产生的氢氧化镁作为一种成本低廉、工艺简单、不产生二次污染的清洁化工产品,具有非常广阔的发展前景。
3.2生物技术
生物技术领域包含细胞、基因、微生物和酶等技术范畴,其主要应用在化学仿生学和生物化工两个方面。生物酶在作为一种在生物体内的催化剂,具有高效、转移性,可以参与到各个生物化工的合成过程中。另外,化学仿生学中的膜化学技术也是这一领域中广泛应用的生物技术。在绿色化工技术中采用生物技术,可以利用再生资源合成化学品。从早期来源于动植物中的有机化合物原料,到后来以石油和煤炭作为原料。例如,在绿色化学工程与工艺中,制备丙烯酰胺,利用自然界中的酶替代丙烯腈催化合成丙烯酰胺后,大大降低能耗,且没有污染环境副产物产生。由此可见,利用广泛存在于自然界中的酶当做催化剂,与工业酶及一般的化学催化剂相比,自然界中的酶具有无污染、反应条件温和、产物性质优良的特点。
3.3生产环境友好型产品
“绿色变革视角下的国内外生态文化重大理论及学术流派研究”是北京大学郇庆治教授主持的国家社科基金2012年度重点项目,而本次会议也是该课题的项目开题与启动会。他首先阐释了“生态文化理论”概念的意涵,认为可以将其界定为环境人文社会科学不同学科视角下对人与自然关系某一层面的生态理性化描述、批判和超越,依此可以按照“深绿”(侧重于个体价值观的激进转变)、“红绿”(侧重于社会政治制度的激进变革)和“浅绿”(侧重于经济技术与政策管理的渐进改变)的三维分析框架,对国内外的生态文化重大理论及其学术流派作系统性梳理,并就它们对于现代文明生态化转型的变革潜能及其影响路径加以考察。
在“深绿”生态文化理论的议题领域下,周国文(北京林业大学)博士回顾性地评述了我国的生态哲学与伦理研究尤其是生态哲学研究最近几年来的学术进展,并尝试性地提出了系统评估生态哲学与伦理研究和绿色经济社会变革特别是生态文明建设实践间关系的重要性。姚晓娜(华东师范大学)以深生态学的生态美德思想为例,阐述了个体价值观念变革与人类文明绿色转型的理论与实践关联及其影响路径。程相占(山东大学)在具体辨析“生态美学”与“环境美学”概念内涵差异的基础上,系统梳理了生态美学研究的最新进展,并着重阐发了作为生态审美的生态美学所具有的生态文明与文化变革的重大潜能。郇庆治(北京大学)则专题评述了“生态地方自治主义”(“生态区域主义”或“生态无政府主义”)和“生态文明理论”这两个理论流派的研究进展与开展进一步系统探讨的必要性,他认为前者主要是一种基于地方民主自治理念的“深绿色”生态政治理论,在当前全球化不断推进与深入的总体背景下似乎更具有远不止“绿色乌托邦”的理论尤其是方法论价值,后者是党的“十”之后在国内迅速升温的一个研究领域,但生态文明建设所关涉的许多基础性理论与实践问题还依然缺乏真正学理性的研究。
在“红绿”生态文化理论的议题领域下,刘仁胜(中央编译局)系统阐述了一个生态学的理论分析框架,并着重分析了历史唯物主义的绿色经济观、绿色科技观对于绿色变革和生态文明建设的重要性,强调的唯物史观在科学认识科技、经济和社会政治变革在绿色转型中的作用。郭志俊(山东财经大学)集中评述了“绿色工联主义”理论与实践最近几年来的进展,尤其是加拿大学者比如杰夫・沙茨的相关研究,认为劳工运动与绿色运动的政治联合对于绿色变革依然有着不容置疑的理论相关性。张淑兰(山东大学)以印度学派(尤其是范达娜・席娃和碧娜・阿噶瓦尔)的“生态女性主义”为例,阐述了生态女性主义理论与实践的最新进展,并在承认(印度)生态女性主义研究局限性的同时,强调了它们所提出的对妇女与民主、环境和发展关系思考的全球普适性。李亮(南京林业大学)全面评述了默里・布克金的“社会生态学”的阶段性演进和基本观点,以及国内外学界对其著述的进一步整理与研究,并阐发了社会生态学对于社会与文化等级化结构如何影响着人、社会与自然关系的自由与和谐的观点所具有的政治社会变革意蕴。刘颖(山东师范大学)基于丰富的文献资料,对(环境)“新社会运动理论”的最新进展作了系统梳理,并对其新特点和发展趋势作了概括,强调当前的欧美(环境)新社会运动正呈现出一种“后―反全球化运动”的新特征(比如发生在英国、北欧等地的青年骚乱),而如何将这些理论框架应用于阐释我国最近发生的大众性环境公众事件也需要作进一步的探讨。
在“浅绿”生态文化理论议题领域下,李昕蕾(柏林自由大学)系统回顾了“可持续发展理论”自1992年以来的理论演进和实践成效,着重阐述了这一“浅绿”环境政治社会理论的绿色变革意蕴和潜能及其内在缺憾。李慧明(济南大学)在评述“生态现代化理论”国内外研究成果的基础上,提出了对此开展更为深入研究的具体设想,比如生态现代化与政治现代化、经济工业生态化、社会变革和欧盟社会文化环境等因素之间的关系,以及将该理论应用于中国“生态文明的社会主义工业化”建设的可能性和必要修正。孙凯(中国海洋大学)结合澳大利亚学者罗宾・艾克斯利的《绿色国家:重思与民主》一书,阐述了“绿色国家理论”的国内和国际向度,认为当代国家无论在国内政治绿化还是环境国际合作与管治方面都理应发挥一种更积极的角色,问题在于如何使国家成为一种推进绿色经济变革和生态民主的正向力量。郇庆治(北京大学)通过安德鲁・多布森不久前发表的一个研究报告,评述了“环境公民(权)”理论与实践的最新进展,认为对于环境公民职责(资格)的重视与主动培育,无论基于世界主义、共和主义还是自由主义的政治哲学理由,都对于现实中个体行为的绿色变革至关重要。郦莉(外交学院)系统评述了“环境公共管治理论”尤其是在国际和全球层面上的理论进展和实践应用,认为基于碳交易和清洁生产机制等实例的分析,有助于我们全面评价环境国际合作迄今为止取得的进展,也有助于我们对未来的环境公共(全球)管治有一个合理而正确的预期。
针对上述发言,卢风教授(清华大学)就生态文化理论和科技主义批判的关系,张云飞教授(中国人民大学)就不同生态文化理论流派的准确概括,曹孟勤教授(南京师范大学)就如何在生态文化理论视角下开展生态哲学与生态伦理的批评性研究,方世南教授(苏州大学)就生态文明建设理论与实践关系的研究,雷毅教授(清华大学)和张磊教授(中国人民大学)分别就深生态学与生态现代化理论研究的最新进展,黄娟教授(中国地质大学)就与生态文明理论之间的关系,王学东教授(中山大学)和任丙强教授(北京航空航天大学)分别就环境全球管治研究中的理论与方法论问题,作了评论性发言,并就各子课题承担人的研究设想提出了建设性建议。
关键词: 本科毕业论文指导 实验员 化工化学类毕业论文实验 角色转变
本科毕业论文是本科生教育的一个综合性科学实践教学环节,也是学生在校学习期间学习成果的综合性总结,是整个教学活动中不可缺少的重要环节。对理工科尤其是化学化工学科而言,毕业论文实验又是毕业论文工作的一个重要内容,它是培养学生综合运用所学知识和技能,理论联系实际,独立分析,解决实际问题的能力,以及训练专业科学研究思维与方法的重要环节[1]。
化学化工类毕业论文实验是一种综合性的设计实验,不同于单学科实验。在整个实验过程中,理论知识和实验内容、方法往往涉及多个学科,需要学生把所学知识有机地结合起来,才能很好地理解、掌握,这样就对论文指导提出了更高的要求[2]。然而,随着高校办学规模的扩大,招生人数的增加,毕业论文指导老师本来就有比较繁重的本科生、研究生教学与科研任务,有限的精力使得他们对毕业生实验的指导和管理经常不能到位,“带而不管、管而不力”的现象时有发生[3]。而且,学生还有可能因为实验室条件以及仪器、药品、耗材等不能到位,对实验过程拖拖拉拉,学生的侥幸心理、畏难情绪等也会影响学生毕业论文的质量。此外,当前毕业论文指导工作量的分配问题,势必会影响实验员的工作积极性,不利于毕业论文实验的顺利开展。因此,在毕业论文完成过程中,如何定位实验员的角色,发挥他们在实验室工作的优势,更好地服务本科毕业论文,提高毕业论文和人才培养质量,也将成为毕业论文教学改革研究的话题。以下就本科毕业论文指导中实验员所扮演的角色进行探讨。
1.做好实验资源规划师,实现实验资源合理利用和资源共享
近年来随着招生规模的扩大,毕业论文完成期间,进入实验室开展实验的学生人数相应增加,势必会造成实验室用房和仪器设备以及药品耗材等的紧张。因此,实验室管理人员,必须统筹规划,做好一名规划师,使实验室资源利用最大化,优势资源有效共享,保障学生毕业论文实验的正常开展。
(1)实验室用房。
我院学生毕业论文实验,一般安排在专业实验室。根据每个指导老师所带学生人数,合理分配实验室用房,有研究生用房的指导老师,会根据要求,少提供用房面积或者不提供。我院应用化学系每年拿出4个120m2的专业实验室供学生开展毕业论文实验,有效地保障了每个进入实验室开展论文实验的学生都有自己的“一亩三分地”,这样就能很好地解决实验室用房问题。
(2)实验室仪器设备、药品及耗材。
①实验室公用设备:例如电子天平、气流干燥器、超声波清洗器等,每个实验室提供一套;而干燥箱、冰箱等则放在专门的干燥实验室和冷冻实验室供学生使用。
②实验所需器材、药品等:学生在进入实验室前选题,查阅文献,统计实验所需的仪器设备、药品、耗材等,先由指导老师认真审阅签字确认,再交实验室管理人员最终审核,以指导老师为小组登记、领取。对于化学反应中常用的小型仪器,如调压器、加热套、磁力搅拌器、水浴锅,根据指导老师所带学生人数,统筹安排,保障每三个学生有两套仪器。对于药品、耗材,如高分子反应所用的引发剂,以及一些催化剂等,用量较少,而且不易保存,一般一届毕业生,共用一瓶已经足够;而耗材,如标签纸、试纸之类,一般交由指导老师小组统一领取。这样可有效避免学生“只借不用”,造成资源浪费的现象。
③大型仪器设备:如气质联用仪、流变仪、红外光谱仪等,一般由专门实验技术人员负责管理,为全校开放,保障优势资源有效共享。
2.做好实验全程的“绿化师”,加强和培养学生的环保意识
毕业论文期间,化学专业类学生,大多数都要进入实验室开展为期3个月左右的实验。实验过程中使用的有毒、有害,甚至“三致”物质等,如果进入环境,必定对环境造成污染,对人类造成危害。随着现代经济的发展和高校培养人才方式的转变,化学实验实现绿色化是化学实验教学发展的必然趋势,化学教师更应该具有绿色化学的思想,提倡绿色教育[4]。所以,实验员在毕业论文全程中,应该做好一名“绿化师”,加强和培养学生的绿色意识,严禁把废气、废液、废渣和废弃化学品等污染物直接向外界排放[5]。
在毕业论文完成过程中,要实现绿色化学,实验员首先要从源头上降低化学污染物的生成。为此,可以采取以下几方面的措施。
(1)提供微型实验装置,开展微量化学实验。如在有机合成研究课题中,实验室统一提供成套半微量玻璃仪器实验装置。这样既可以减少化学试剂的用量,降低“三废”的排放,又可以节约水电以及一些辅助耗材的消耗,降低了实验成本,并且能使爆炸、燃烧、中毒等事故相应减少,极大地改善实验环境条件,减少对环境的污染[6]。(2)提供无毒或低毒试剂和溶剂。当学生领用有毒有害试剂开展实验时,需要指导老师及学生研究讨论,考虑更换试剂,实在无法更换的,必须做好防护措施,小心操作,并且对实验过程中的所有废弃物回收处理。其次是对“三废”的有效处理。“三废”处理,必须分类集中收集,分别处理。尽可能采用废物回收、以废治废的方式,降低成本,提高实验室污染治理率[7]。如对废液中有机溶剂尤其是重结晶后的溶剂,可通过蒸馏回收,重复利用;对酸液、碱液可通过实验室提供的废液回收装置,分类集中收集,统一处理。对实验过程中产生的有毒或有异味的气体,必须采用密闭式操作或在通风橱中进行,能吸收的,进行吸收处理。对废渣,能回收利用的,回收利用,不能回收利用的,必须进行无毒化处理。最后,实验员还应该经常进入实验室,督促学生清洁实验,保持实验室卫生,培养他们的绿色意识、环保观念。
3.做好学生实验的安检员,保证毕业论文实验正常安全开展
完成毕业论文是学生自己查阅文献,确定研究思路和方案,自己搭建实验装置,分析和处理实验结果的过程。在这个过程中,实验员应该做好一名安检员,对学生实验过程中出现的不合理操作,进行适当的引导,对有危险操作步骤的学生多巡视指导,防止事故的发生,保证毕业论文实验正常安全开展。
作为一名安检员,实验员应该对以下两方面进行监督检查。第一,在实验室安全方面。首先应该给学生灌输安全思想。这方面我们采取在学生进入实验室前,全体学生集中学习实验室各种规章制度,开展安全教育,增强学生安全意识。其次是实验员还应该经常巡查有易燃易爆易腐蚀物以及有污染源的学生。例如,学生在研究混凝土高效减水剂时,用水泥净浆做性能测试,虽然学生对大量废渣已经妥善处理,如不加以提醒,忽略了烧杯壁上少量的水泥残渣,而直接冲洗进入下水道,由于积少成多,也会造成水管堵塞,影响实验室的正常运转。最后,实验员还应对精密贵重仪器以及实验室的水电、消防器材等加强监管,确保论文实验正常安全开展。学生在用气相色谱开展检测分析时,应从载气钢瓶、减压阀、注射器以及检测器等多方面给予指导,强调注意事项,并且观察学生实验过程,保证操作无误后,方能离开。第二,检查学生实验操作是否规范。论文实验过程中,由于学生素质有高有低,动手能力有强有弱,难免有操作不规范,而且只追求结果、不注重过程的人,这样就会给实验室安全带来不小隐患。学生在开展有机合成研究时,最容易造成实验装置搭建不规范。如在研究有HCl、H2S等有毒有害气体生成的实验中,没有搭接尾气吸收装置,这样既会给环境带来污染,又会给师生健康带来危害。第三,在安检方面,还应该密切关注为学生开放的精密贵重仪器室,重点检查学生操作情况与水电等,确保仪器安全。
4.做好学生问题的咨询师,服务引导毕业论文全过程
毕业论文实验期间,学生总会遇到这样那样的问题,而且学生问题覆盖毕业论文完成的全过程。实验员是学生进入实验室后离得最近的人,最有可能成为学生咨询问题的第一人。因此,实验员应该做好一名咨询师,服务引导,帮助解决论文中遇到的问题。例如,学生需要查找实验过程中的一个小步骤、药品性质;仪器不会使用,出了问题;实验过程中缺东少西,等等,这些情况学生一般都会找到实验员,要求帮助解决。在解决问题期间,实验员办公室成为服务学生的场所,实验室的办公电脑成为公用电脑,实验员成为全体学生的辅导老师。在为学生服务的过程中,实验员应充分体现优良的“敬业、献身、奉献、负责”的教育精神。
要成为一名优秀的咨询师,实验员必须加强学习,自我提高。实验员除了具备基本的人文社科素质之外[8],还应该具备文献资料查阅、仪器设备维修、结果分析处理、计算机运用以及实验操作技能等方面的能力,真正成为一名综合型、多能力的“通才”。例如,学生在用TU-1901紫外可见分光光度计对实验结果进行分析测试时,仪器初始化失败,并且出现氘灯、钨灯能量低等情形,这时,学生就会第一时间找到实验员,并且表现出束手无策的样子。其实,实验员只需打开机箱底座,松开光栅驱动轮,用手转动进行调整,再重新开机,仪器就能恢复正常。帮助学生解决问题的过程,其实就是实验员自我提高的过程,同时也是学生进入社会前进一步学习的过程。
总之,实验员在学生完成毕业论文的过程中,扮演的角色是多方面的。实验员必须正确认识自己,不断加强学习,提高自己各方面的素质,勇于承担起多重角色,发挥在实验室工作的优势,积极工作,乐于奉献,更好地服务于学生,才能真正为提高本科毕业论文和人才培养质量贡献出自己的力量。
参考文献:
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[2]聂容春.谈谈化工类专业毕业论文环节中学生能力的培养[J].化工高等教育,2005,(3):115-117.
[3]闫兰英,李天良.化学与化工系开放实验室效果分析[J].高校实验室工作研究,2004,(3):7-9.
[4]魏正妍,杨秀清.在研究型化学实验中培养绿色意识[J].实验室研究与探索,2004,23,(11):36-37.
[5]张世仙,陈文兴,勾华,等.遵义师范学院化学实验室污染调查及分析[J].遵义师范学院学报,2006,8,(1):68-71.
[6]徐常龙,曹小华,陶春元,等.通过绿色化学实验培养学生创新能力[J].化工高等教育,2009,(3):42-44.
[7]张淑华,张杰,肖忠新,等.实验室环境污染现状分析与防治对策[J].首都医科大学学报社会科学版增刊,2009,301-302.
(1)封面封面由文头、论文标题、作者、学校名称、专业、年级、指导教师、日期等项内容组成。
(2)内容提要与关键词内容提要是论文内容的概括性描述,应忠实于原文,字数控制在300字以内。关键词是从论文标题、内容提要或正文中提取的、能表现论文主题的、具有实质意义的词语,通常不超过7个。
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(5)注释对所创造的名词术语的解释或对引文出处的说明,注释采用脚注形式。
(6)附录附属于正文,对正文起补充说明作用的信息材料,可以是文字、表格、图形等形式。
(7)参考文献作者在写作过程中使用过的文章、着作名录。
4、毕业论文格式编排
第一、纸型、页边距及装订线毕业论文一律用国家标准A4型纸(297mmX210mm)打印。页边距为:天头(上)30mm,地脚(下)25mm,订口(左)30mm,翻口(右)25mm。装订线在左边,距页边10mm。
第二、版式与用字文字、图形一律从左至右横写横排,1.5倍行距。文字一律通栏编辑,使用规范的简化汉字。忌用繁体字、异体字等其他不规范字。
高中化学教育课程中绿色化学的实施
摘要:高中化学的课程目标之一就是培养学生的科学素养。随着环境问题的凸显,作为科学素养的一部分,绿色化学理念应该为学生所接受并内化。这就要求教师在高中化学教学中涵盖绿色化学理念,主动创设情境,立足实验,在课堂中渗透绿色化学理念,并对学生的绿色化学理念进行评价。
关键词:高中;教育;绿色化学
一、高中绿色化学教育目标
绿色化学是用现代化学和化工生产技术,消除或减少对人类健康、生态环境有毒的原料、催化剂、试剂和溶剂的使用,不生产有毒有害产物、副产物和废物的一门新兴学科,其宗旨是实现有害物质零排放,从源头上防止污染、保护环境。对于高中化学教育而言,绿色化学教育已经成为了不可或缺的组成部分,其教育目标具体包括以下方面:
1、知识与技能。理解绿色化学概念、原则,了解绿色化学诞生与发展,认识生产生活中的绿色化学现象;学习绿色化学的研究方法,掌握化学实验基础知识与技能,能够完成简单的绿色化学实验;理解绿色化学与其他科学之间的联系,能够运用有关知识和方法解决绿色化学问题。
2、过程与方法。在探究绿色化学问题的过程中,理解绿色化学意义,学习科学研究方法,培养团队合作精神,增强科学探究能力;掌握获取、加工绿色化学信息的方法,能够提出具有探究价值的绿色化学问题,提高自主学习、自主思考、自主探究绿色化学知识的能力。
3、情感态度与价值观。培养学习绿色化学的兴趣,激发参与绿色化学宣传与科技活动的热情,感受绿色化学与自然、社会之间的和谐发展关系;增强将绿色化学知识应用于实践中的意识,能够合理判断与绿色化学有关的社会和生活问题;关注与绿色化学密切相关的热点问题,树立绿色意识和可持续发展观念,主动承担起学习绿色化学的责任,强化保护环境和造福后代的使命感。
二、绿色化学在中学化学教学中的实施途径
1、主动创设情境,善于利用教材素材。教师在教学时,应以主动创设的或者教材中的生活化情境或问题为中心,通过主动探究式教学,鼓励、引导学生主动建构绿色化学理念,比如可以把绿色化学的理念渗透在元素化合物教学中。如在卤素教学中,教师可组织学生讨论氯气用于自来水消毒的利弊;在高分子材料的教学中,教师可以以废旧塑料的再生利用为例,让学生认识到化学对废旧物资的综合利用的作用,讨论其可能的途径。通过这些活动渗透绿色化学思想,学生经常了解及关注身边的环境问题的热点,从而提高其深入了解的兴趣,培养学生的危机感和紧迫感,并将其所学知识运用到生活中,培养学生防止污染、关注人类生存发展的责任感。
2、立足实验,渗透绿色观念。化学是一门以实验为基础的自然学科,实验是化学教学的关键所在,所以实验教学是培养学生绿色化思想的重要手段。中学化学实验中存在一些问题:一是大部分实验的药品用量在教材中都未明确量化,都是用“适量”、“几滴”等笼统的词语限定,而中学生做实验时好奇心比较重,无法准确地把握实验药品的实际用量,所以造成药品的损失,甚至可能造成污染。二是实验的产物有毒。所以要对化学实验进行调整,要定量,实验室明确告诉学生药品的用量情况,这样既可提高实验的科学性,又可为实验操作规范化奠定基础,更是减少环境污染的重要保证。三是让学生根据有毒物质的性质,探究针对该种物质如何进行回收与处理。对于实验可以进行细节上的优化和处理,使得实验更绿色化。例如在萃取操作的演示实验中,由于溴的挥发性强,毒性大,而碘的毒性较小,可以将四氯化碳萃取溴水改为萃取碘水。在铜和浓硝酸反应的实验中,将铜片改为可调节高度的铜丝,这样就可以控制反应的进行,当实验结束时可以及时将铜丝取出,减少空气污染。演示白磷和红磷着火点对比实验时,该实验反应发生时燃烧物易爆溅并且燃烧时有大量白烟产生且有毒等,实验时在铁片上方罩个玻璃罩,取用的药品也要尽可能少。由此可见,在实验时,要确保实验的安全及环保问题。另外,教师要引导学生从不污染环境、不吸入有毒烟雾及安全和便于观察等角度出发讨论、分析,共同改进完成实验,培养学生的安全意识、环境意识及绿色化理念。
三、循环使用化学试剂、充分利用反应产物
绿色化学是一门从源头上阻止污染的化学,所以,我们应该应用化学的处理方法,充分利用现有资源及反应产物。这不仅从源头上防止了污染,而且增加了经济效益。例如:在中学化学实验用CO还原Fe2O3的实验中,如果将反应后的混合集体(含未反应的CO)直接释放到空气中,既浪费了资源,又污染了空气,产生了新的隐患。如果进行循环利用,就能达到节约化学资源和保护自然环境的目的。在实验工作中,用绿色化学的思想来指导,更能有效地防止污染。
四、妥善处理化学实验中的废弃物
在中学化学实验中,大部分实验的药品用量在教材中都未明确给出限量以致学生很难把握药品的实际用量,这样既影响实验的科学性和实验效果,又会造成药品的浪费,还会对环境造成一定程度的污染,也不利于培养学生的规范化操作。若将药品规定了用量和浓度,既方便施教,又方便操作,更易让学生接受、观察和记忆,从而培养学生严谨的实验态度和科学的实验方法,同时节约药品,减少环境污染。教师实验教学过程中,限定用量,把好的经验传播给学生,妥善处理化学实验的废弃物(回收、无害化处理),加上正确引导,既提高了实验的科学性、为实验操作的规范化奠定了基础,又培养了学生良好的实验习惯、使学生学到实际应用技术,同时也增强了学生的环境保护意识,作为减少环境污染的重要保证。
参考文献
[1]董量耀.中学绿色化学教育实施策略探讨.化学教育[J].2002,11.
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