中学化学微实验与环境保护教育

【摘 要】以铜与稀硝酸反应实验的绿色化设计为例，详细讲解化学微实验的设计方法。减少化学实验对环境的影响，并以此培养学生绿色化学思想，提高学生环境保护意识。

【关键词】中学化学实验品 绿色化学 微型实验 环境保护

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2016）02B-0075-02

绿色化学理念，要求人与环境能够和谐、持续性地发展。要减少中学化学实验对自然环境的污染，必须“以预防污染”为主而不是以“治理污染”为主。广大化学工作人员和中学化学教师应该形成共识并付诸行动，保护环境，开展绿色化学教学。

何为绿色化学呢？绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学、清洁化学。教育改革，其必然趋势是由应试教育转为素质教育，而环境保护的教育纳入正规的教育体系是人与环境能够和谐、持续性发展的必然选择。我们经常讲凡事“从娃娃抓起”，也就是先入为主的思想，同样，环境保护意识也应该从小培养。中学阶段学生开始系统地学习化学知识，这就需要将绿色化学思想和环境保护意识贯穿于中学化学教育，尤其是中学化学实验教学的全过程。中学化学实验过程包括实验设计（如实验目的、实验仪器和药品、实验步骤）、准备工作、实验操作过程、善后工作等，这些都应以绿色化学新理念为指导思想，使学生慢慢形成具有环境保护意识的人，并影响其周围的人和后代。因此我们要不断地进行研究，对中学化学实验装置不断地加以改进，对实验方法不断地创新，优化实验设计，以达到现象明显、效果良好、控制排污量，提高学生环保意识，最终达到保护环境的目的。

中学化学这门学科最大的特点就是以实验为主，实验在化学教学中是一个不可或缺的环节，占有重要地位。中学化学教材中的常规实验，包括教师演示实验和学生实验，超过100个，大多为多年沿用而未作改进，部分实验设计存在不合理的现象，它们仅仅是为了教学需要而忽视了环境保护，未能将实验中涉及的有害物质在实验方法上进行科学、合理地改进。在如此众多的实验中，其中涉及到的化学药品不计其数，而全国各地的中学每天都有数以万计的中学生在做各种各样的化学实验。再说，化学实验很多情况下总会有新的物质生成（气体、液体或固体物质），这些产物中不乏有毒或有害物质，点点滴滴的累计，其危害不容忽视。如果使整个实验设计朝着微型化方向发展，那么就可以充分发挥微型实验“多、快、好、省、少”的自身优势和教学特点，从而在教学中发挥其积极的优势和作用。微型实验是在创新思维、环保观念和面向全体学生的教育思想指导下的实验方法与技术，是更为成功的教学实践。它最大的特点体现在一个“微”字——实验药品微量化及实验仪器微型化，它能有效减少试剂用量，降低实验排废量，减少环境污染，缩短实验时间，而且安全可靠。

全国各地每年都会举办实验创新大赛，笔者在教学过程中对中学化学实验装置也不断地加以改进，努力挖掘微型实验，以减少、制止污染物的产生、排放。在课堂教学中渗透绿色化学新理念和环境保护意识，又注重实验现象明显、实验效果良好。以下是笔者在教学过程中以绿色化学新理念为指导思想，对铜和稀硝酸的反应实验进行绿色化设计并成功实践的例子。2008年9月，该实验设计在广西高中化学实验创新大赛中荣获一等奖，同年 11 月该实验设计在全国高中化学实验创新大赛中也荣获一等奖。

硝酸是高中化学大纲教材第二册第一章《氮族元素》第三节介绍的一种氮元素的重要化合物，教材用如下图1-1演示实验展示稀硝酸的强氧化性。

该实验存在以下不足：

1.实验现象不明显，无法证明稀硝酸的还原产物为NO气体。因为反应试管中存在空气，生成的NO气体会立即与空气中的O2 反应而变成红棕色的NO2 气体，所以学生看到的是红棕色气体，而不是无色气体。

2.环保设计不科学。有毒气体NO气体为不成盐氧化物，不能与NaOH溶液直接反应而被吸收，从而会造成空气污染。

针对以上不足，笔者经过反复实践，最后提出以下创新改进方案：

1.将实验改在“无氧”的环境中进行，使学生能看到无色的NO气体：

3Cu+8HNO3 =3Cu（NO3）2 +2NO↑+4H2O

2.在上述实验的基础上，补充NO气体的性质实验：

（1）NO不溶于水 。

（2）常温下易与空气中的O2 化合，生成红棕色的NO2 ，其反应为：

2NO+O2=2NO2

（3）NO2 尾气处理 。NO2 为酸性氧化物，可用碱液吸收，原理如下：

2NO2 +NaOH=NaNO3 +NaNO2 + H2O

为此，改进装置设计如图1-2进行实验（仪器和药品见标注）。实验如下：

（一）实验目的

1.验证稀硝酸的强氧化性及其还原产物为NO。

2.验证NO极易被空气氧化成NO2 。

3.验证NO难溶于水的性质。

（二）实验仪器

50ml注射器 输液针 流量调节器 烧杯 铁架台（带铁夹） 镊子 木块

（三）实验药品

铜片 5 mol/L的稀硝酸 NaOH 溶液 棉花

（四）实验步骤

1.如改进装置图1-2所示，预先在注射器中放两小块铜片，将活塞（下端经过处理，即用黑色油性笔染色，以利于观察实验过程中活塞向上运动）推到底部。

2.吸入6mL 5mol/L硝酸，套上输液针，排净残留的空气，确保本实验是在“无氧”的环境中进行。调节流量为零，然后将输液针下端插入NaOH溶液中进行液封。

3.待产生一定量气体（约5mL）后，将流量调到最大，让所产生气体的压力在推动活塞向上运动的同时，也可以将注射器中的溶液全部排入烧杯中，使反应自动停止。将垫在烧杯下方的木块取出，使输液针下端与NaOH溶液脱离，然后吸入约2倍NO体积的空气。

3.待产生一定量气体（约5mL）后，将流量调到最大，让所产生气体的压力在推动活塞向上运动的同时，也可以将注射器中的溶液全部排入烧杯中，使反应自动停止。将垫在烧杯下方的木块取出，使输液针下端与NaOH溶液脱离，然后吸入约2倍NO体积的空气。

4.在烧杯底部重新垫上木块，使输液针下端插入NaOH溶液中，将注射器中的NO2 气体全部缓缓压入NaOH溶液中吸收，实行尾气处理。

纵观整个实验，有以下四大优点：

1.实验器材的选用有创新，且简单易得，操作简便、流畅。

本实验所用仪器非常简单。下面是尾气吸收装置：NaOH溶液;上面是气体发生装置—— 50mL 注射器，预先已放入铜片，活塞下端也经过了处理，即用黑色油性笔染色，有利于观察实验过程中活塞向上运动。注射器下面连着输液针（事先套上一个流量调节器，通过移动滑轮，可以调节流量，让产生的气体将反应液压出，从而使反应自动停止），针尖处插入一小团棉花，用来吸收排空时可能排出的少量酸液。

本套装置利用了启普发生器原理，其中流量调节器的使用为一大创新——有利于控制反应的进行：将流量调为零时，生成的气体能推动活塞向上运动;将流量调到最大时，可以清楚地看到生成的气体在推动活塞向上运动的同时，也能将反应液缓缓压入烧杯中，使反应自动停止，从而证明NO难溶于水。

2.实验现象明显，有利于验证实验目的。实验中，既能得到无色气体，又能清楚地看到无色NO遇空气变红棕色的过程，显而易见验证了NO极易被空气氧化成NO2，同时也验证了稀硝酸具有强氧化性及其还原产物为NO。

3.实验方案环保，体现绿色化学理念。即实验过程中没有向空气排放有毒气体，而是用NaOH溶液完全吸收NO2，避免空气受到污染。

4.实验的可行性强，易于推广。本套装置可以微型化处理（即使用更小的如 5mL 的注射器和更少的药品），有利于学生分组进行探究性实验，有利于激发学生学习兴趣、优化课堂教学。

总之，关注环境教育是新时期素质教育的必然选择，我们要用绿色化学的新理念不断地进行环保宣传和环境教育，不断激发和培养学生对环境保护应走持续性发展道路的战略意识，逐步形成正确的人地协调观念。在中学化学实验的改革过程中，要用绿色化学的新理念武装头脑，必须做到“预防污染”为主，而不是“治理污染”为主。这种预防化学污染的绿色化学新理念和新实践正日益被人们所认识、接受和重视，我们广大化学工作人员和中学化学教师更应该增强对环境保护的义务感、责任感和使命感，形成共识并付诸行动。相信不久的将来，重大的绿色化学研究成果不只是载入科学文献，也将选入中学化学教材，走进我们的生活，保护环境必将成为全人类共同的呼声。

【作者简介】练志娥（1977— ），女，广西桂林人，钦州市灵山县灵山中学教师，中学一级教师，理学学士。

（责编 卢建龙）