加强中学环保意识教育的一条有效途径
——高中化学实验绿色设计的探索与实践
周红军
摘要：本文以绿色化学思想为指导，探索一条加强中学环保意识教育的新路子。本文对高中化学绿色设计从理论和实践两个方面进行了阐述。通过对现有的一些化学实验进行了绿色设计，解决了实验带来的环境污染问题，在潜移默化中对学生进行有效的环境教育，提高了学生的环保意识，也提出了“绿色”是新时代化学实验教学的指导思想
关键词： 中学化学 环境教育 绿色化学 实验改进
正文：
一、 问题的提出
当前，环境污染问题已成为人类社会发展的最大副产品，当今十大环境问题是：（1）大气污染；（2）淡水资源短缺和污染；（3）全球变暖；（4）臭氧层破坏；（5）海洋污染；（6）土地退化和沙漠化；（7）森林锐减；（8）生物多样性减少；（9）环境公害；（10）有毒化学品和危险废物。其中至少有（1）～（5）、（8）～（10）与化学或化学工业污染有关。
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。为了全面发展经济和保护生态环境，我国于1992年制定了《中国21世纪议程》：明确指出环境保护是中国基本国策之一。现在的中学生是21世纪的主人，是中国社会主义的建设者，让他们从小学习环境保护知识，参与环境保护活动；从而提高全民族环境保护意识，是每一位化学教育工作者责无旁贷，义不容辞的任务。2000年国家教委颁布的《全日制普通高级中学化学教学大纲》（试验修订版）中指出：“教育学生关心环境、能源、卫生、健康等与现代社会有关的化学问题。” 在中学化学的环境教育内容编排上，也涉及了当今世界上主要的环境污染问题，如大气污染、水污染、温室效应、酸雨、臭氧层空洞等内容。然而，在化学实验教学和演示实验教学过程中，教材未能很好的体现环境教育的意识。相反，由于大多数学校对于化学实验室和演示实验排放的污染很少处理，虽然每次排放污染物不算大，但由于“聚沙成塔”的累计效应，中学化学实验所排出的废气、废液，成了污染源之一，非常具有讽刺意义。据报道，哈尔滨的258所中学每年因化学实验流出大量废水，造成环境污染。环保专家呼吁，中学生在做化学实验时，要注意环保。这是2002年初见诸于报端的一则消息，哈尔滨如此，全国亦然。因此，在中学化学教学中，如何把握环保意识教育的切入口，切实有效地进行环境教育，是亟待解决的一个问题。
二、加强中学化学实验的绿色设计的理论依据
化学是一门以实验为基础的自然学科，现行初、高中化学教材有许多知识和技能都是通过实验引入。而教材(统编教材)中的实验只注重操作方便，装置简单、现象明显，却很少顾及环境污染问题，更谈不上对实验进行绿色设计和对学生进行环境教育。比如白磷的自燃实验，Cl2、SO2、H2S的制备及性质，铜跟浓硝酸的反应等等，都产生有毒气体，直接影响学生和身体健康，更严重的是可能导致学生逐步形成一种错误认识：做化学实验受毒害是不可避免的，因此实验室和化工厂向外排放大量污染物也是不可避免、合情合理的。而且现行教材有关环境教育内容也多是“环境恶化”的情况介绍和形成的原因，而较少介绍应用现代科学技术和实验手段可以对环境污染进行预防和治理，对环保意识教育比较忽视。新教材（试验修订版）环境教育内容大增，但也主要集中在“环境问题”介绍，这样也容易给学生造成人类只会破坏环境，却无力改善环境的错误认识和印象，不利于学生身心健康成长。当然，新教材因此，我认为引进绿色化学的观点，对中学化学实验进行绿色设计，真正做到污染物少排放甚至零排放是十分必要的。
绿色化学 (Green chemistry)源于20世纪80 年代初美国提出的“废物最小化”，又称(Environment Benign Chemistry)，基本内涵是对产品和产品的生产过程采用预防污染的策略来减少污染物的产生。绿色化学是对环境更友善、更安全的化学，其目标是研究和寻找能充分利用的无毒害原材料，最大限度的节约原材料、节约能源，在各个环节都实现净化和无污染的反应途径和工艺。从某种程度上来说，帮助学生建立起“绿色”这一概念其实也是时代的要求， “绿色食品”、“绿色消费”、“绿色工艺”等等新名词屡屡出现在各种新闻报道和科普杂志上，“绿色系列”已成了环保的代名词和研究的前沿。作为一名化学教师，本身应具有绿色化学的思想，提倡绿色教育，具备环保意识，如果在化学演示实验和学生实验设计中以身作则，注意强调对实验排放的“三废”进行控制和处理，以减少排放量，保护环境，就可以在潜移默化中提高学生的环保意识。因此，对中学化学实验进行绿色化设计既是环保意识教育的一条有效途径，也是环境教育的一项重要内容。
三、中学化学实验绿色设计的探索与实践
笔者自参加工作以来，一直对中学实验改进很感兴趣，平时也注意收集杂志上相关的资料，并在实际教学过程中加以实践。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，更应该是现身说法，从自己出发,。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。又比如“比较电解质溶液导电能力的实验”，教材中用的酸、碱、盐分别是盐酸、醋酸、氢氧化钠、氨水和氯化钠，其中的盐酸和氯化钠溶液在通直流电时，会有有害的氯气放出，所以可以将盐酸和氯化钠溶液换成稀硫酸和硫酸钠溶液。这样既避免了氯气的污染，又不影响比较电解质溶液导电能力的实验目的。可喜的是，试验修订版新教材中的许多演示实验已作了这方面的改进。在实验设计中，如果教师有意识地进行这方面的研究，必定会涌现许多好的实验改进方案。
2、 精心设计，严格控制，最大限度节约试剂和节约能源。
（1） 取一支大试管，向试管内加入约
（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。
还有氨的喷泉实验的改进方案：
（1）锥形瓶内放入适量固体氢氧化钠，在分液漏斗内装入浓氨水，广口瓶内装满水，滴入酚酞，烧杯内也加满水，并滴加酚酞。
（2）打开A、B、C，使分液漏斗内浓氨水适量流入锥形瓶，当看到D内酚酞变红，说明氨气已收集满，当锥形瓶内反应基本结束时，关闭B、C。
（3）用洗耳球从E处鼓气，使少量水进入烧瓶，即可产生美丽的温泉，用手指堵住E处，可控制喷泉的大小，延长喷泉持续时间，突出现象。
所谓“微”，就是在确保实验现象明显的前提下，减少实验药品的用量，从而减少污染，节约经费。微型实验在当前作为绿色化学的一项方法和技术，已在国内、国际日益得到重视和推广。许多高校也开发了相对应的一些微型装置，如杭州师范学院开发的微型实验装置，效果优良，已列入教育部中学理科教学仪器目录。在教学过程中，教师可以根据学校实际情况，自己进行这方面的探索。
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。笔者指导学生在点滴板上进行实验，现象明显，也大大减少了污染。又如氢氯爆炸实验，笔者用Y型管进行改进。在Y型管的两端分别加入锌粒和高锰酸钾，分别向两端滴入几滴浓盐酸，塞住管口（松一些），片刻，在Y型管外点燃镁条，作氢氯爆炸的光激发实验，其声如爆竹，效果十分明显，而且一次性加入药品后，不须更换药品，只需重复滴加浓盐酸，氯气几乎不会逸出，可重复进行好几次爆炸实验，便于平行班教学。这样的绿色化设计，既提高了实验的效果，更重要的是减少了因大量使用化学药品给环境带来污染，潜移默化中进行了环保意识教育。
笔者经过思考和探索，发现用滤纸作载体，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。
A、 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×
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。
B、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。
C、电解实验
在滤纸上也可以进行电解实验，如电解饱和食盐水。取一张滤纸用饱和食盐水和酚酞溶液润湿，贴在一块木板上，用两颗大头针或缝衣针作电极。接通直流电，片刻后，阴极附近的滤纸变红，说明有碱性物质生成。同时放出氢气，在阳极附近滴几滴淀粉碘化钾试液，可见蓝色，说明有氯气生成。化学反应略。类似实验还有电解氯化铜溶液等。
D、原电池实验
把滤纸条放在干净的玻片上，在滤纸的一端滴2～3滴硫酸铜溶液，并复盖一小块铜片；另一端滴2～3滴硫酸锌溶液，复盖上一小块锌片。滤纸中间滴几滴氯化钾溶液，通过它将两端溶液联系起来而构成原电池。用检流计的表棒分别接触铜片和锌片，指针发生偏转。发生的电极反应如下：
正极(还原反应)：
负极(氧化反应)：
该装置操作简单，测量快速。
利用滤纸做化学微型实验的例子还有不少，在此不再一一举例。这种微型化学实验地开展，有利于普及实验教学，有利于减少仪器和节约药品，有利于把部分演示实验改为学生分组实验，有利于促进和提高学生的实验素质。
3、通过实验试剂和产物的循环使用，尽量做到零排放。
在绿色化学思想中，有一条非常重要的原则——3R原则（减量化、再利用、再循环）。笔者认为在中学化学实验绿色化设计中，可从两个方面去落实这条原则。一是做好实验“三废”的回收利用，举个最简单的例子，“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。二是尽量设计“成品化”实验，即用密封有化学药品的成品化的仪器来完成的化学实验，这种化学药品和仪器可以循环使用，真正做到零污染。
如“碘的升华实验”，可用“碘锤”来完成。“温度对化学平衡的影响”可用密封有二氧化氮的U型胖肚管来进行。这两个实验已在大部分学校得到了普及，有人根据“成品化”设计的思路，在实践中对二氧化硫的漂白实验作了成功的改进。向一支一端封口约30厘米的玻璃管，注入约15mL的刚褪完色的品红溶液，然后用酒精灯给玻管的另一端封口，将玻管中无色液体部分在酒精灯火焰上微热（不要加热过长时间），它会变为红色液体，将红色液体在玻管内来回震荡，它又会变为无色，成为一支“魔棒”。
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。这是绿色实验设计中最常规，也最有成效的设计思路之一。许多非常成功的实验改进方案也从这个思路出发。如“铜与硝酸的反应实验”，教材中的方法是在盛有铜片的敞口容器中直接加入浓硝酸（或稀硝酸）。这种实验方法则会导致大量的有毒气体直接排入大气而造成污染，其改进方法是将普通敞口试管换成具支试管（带橡皮塞），将产生的NO2气体通入到盛有浓碱液的烧杯中，使NO2被吸收。按教材做法很难看到无色的一氧化氮，也无法看清无色的一氧化氮与空气反应转化为红棕色二氧化氮的过程。本人在2000年杭州市优质课比赛（课题为硝酸的性质）中进行了如下改进，效果明显，得到了各位同行的肯定。具体改进如下：
实验仪器与装置：铁架台（带夹），J型管、分液漏斗，配套单孔塞，酒精灯，按下图装置相连。
实验操作原理及分析：从J型管长端缓缓加入稀硝酸至液面与短端管口距离约
在推行中学化学实验的绿色设计的实际操作过程中，还有两条是非常重要的。一是充分利用电化教学手段。中学化学教学中，一些毒性较大、污染严重、成功率低、危险性大的常规实验可以用微机模拟，或者制成录像片，教学时组织学生观看。二是加强实验室的管理。要正确引导学生进行实验，做好废液、废物的科学处理。特别是还要做好购买、使用、取用、配制和保存药品的常规管理工作。减少不必要的浪废和污染。
四、心得与体会
中学化学教学是对学生进行环保意识教育的主阵地。学生环保意识的培养，不仅仅是简单的说教就能达到效果的。许多学校环境教育口号喊得很响，甚至也开了环境教育的选修课，但在实际教学过程中，任由实验废气废渣污染环境，这样的环保教育只会流于形式，收不到实际效果。中学化学实验的绿色设计，通过对实际实验过程中的对“废气”、“废液”、“废渣”的处理，使学生感受到实实在在的行之有效的环境保护教育，进而说明环境教育不是空洞的说教，而是真真切切的身边事。本人在任班主任期间，通过对化学实验的绿色设计，使本班学生建立了较强的环保意识，在学校率先成立了“班级环保兴趣小组”。该小组曾自告奋勇在校内实验室做一些环境保护的小课题研究，如“化学实验室主要污染物分类”、“化学实验室产物的回收利用”等，虽然只是些很肤浅的探索研究，却让他们在接受环境教育的同时，充分认识到资源的浪费与回收利用，都与环保密不可分。该小组也在学校承担了部分环保任务，如回收旧电池，提倡分类收拣垃圾等，发挥了很好的示范和带头作用。
笔者认为，开展中学化学实验的绿色设计，在教学实践中渗透实实在在的环境教育，将绿色化学的思想真正的融入到新时代化学实验的教学中，再辅于如开设“环境污染”选修课，建立“环境教育兴趣小组”等教学活动，环境教育将不再是形式，学生的环保意识一定会越来越强。
参考书目：
[1]朱清时.绿色化学的进展.大学化学 1997（6）
[2]李军.化学实验室绿色化之思考.化学教育，2002（1）
[3]娄善平.实验污染治理的六种方法.化学教学，2002（3）
