物理化学实验绿色化分析 本文关键词：化学实验，物理，分析
物理化学实验绿色化分析 本文简介：摘要:物理化学实验是高等学校化学化工专业一门基础课，是化学教学过程的重要环节，实验过程绿色化在物理化学实验教学中具有重要意义。本文从实验内容、实验装置、废弃物处理、考核评价体系和多媒体技术等几个方面，提出了物理化学实验绿色化的方法与途径，在实验中培养学生的绿色化学意识，实现物理化学实验的“绿色化”教
物理化学实验绿色化分析 本文内容：
摘要:物理化学实验是高等学校化学化工专业一门基础课，是化学教学过程的重要环节，实验过程绿色化在物理化学实验教学中具有重要意义。本文从实验内容、实验装置、废弃物处理、考核评价体系和多媒体技术等几个方面，提出了物理化学实验绿色化的方法与途径，在实验中培养学生的绿色化学意识，实现物理化学实验的“绿色化”教学，实验环境得到了改善。
关键词:物理化学实验;绿色化学;实验教学
20世纪90年代，美国化学会(ACS)提出了绿色化学理念，绿色化学又称环境无害化学(EnvironmentallyBenignChemistry)、环境友好化学(EnvironmentallyFiendlyChemistry)或清洁化学(CleanChemistry)，是一门具有明确的社会需求和科学目标的新型交叉学科。其中心内容是从污染预防的基本思想出发，在化学产品生产的始端就采用预防的科学手段，努力实现整个过程和终端均为零排放的目标［1］。绿色化学是21世纪科学发展的主流方向之一，是当今国际前沿研究的重要领域之一，因此，我们有必要把绿色化学理念融入到日常的教学实践中。绿色化学实验是在绿色化学思想指导下，以绿色化学的12条原则为标准［2］，在药品使用中坚持“5Ｒ”原则，即减量(Ｒeduce)、重复(Ｒeuse)、拒用(Ｒejection)、回收(Ｒecycing)、再生(Ｒegeneration)［3］。物理化学实验是教育部规定独立开设的一门实验课程，是继普通物理、无机化学、分析化学等前修实验课后的一门基础实验课，是连接基础学科、应用学科和科学研究的桥梁，对于培养学生“绿色化学”意识具有直接作用［4］。虽然物理化学实验不像有机实验和无机实验那样涉及较多的化学药品，但在有些实验中会不可避免地使用或产生一些有毒有害的化学物质，对人体健康和环境造成危害，因此，有必要将绿色化学的理念融入到物理化学实验中，把绿色化学教育贯穿在实验教学的全过程。树立绿色化理念，精选实验内容，改进实验方式，妥善处理废弃物，利用多媒体技术进行辅助教学，实行绿色化评价考核机制，是实现绿色化学实验的有效途径。
1构建绿色化学理念，增强师生环保意识
物理化学实验不仅要培养学生的实验操作技能，还要培养学生的绿色环保意识。每个实验室就像一个污染源，尽管每次实验排放污染物的量较小，但长期聚集起来的污染效应绝对不能忽视。目前在师生中普遍存在对化学实验对环境带来的污染认识不足，所以我们首先要加强老师的绿色化意识，将绿色教育理念贯穿于整个实验教学中，传授绿色化学知识，以身作则，言传身教。再者就是强化对学生的管理，学生从大一开始进入化学实验室之前就要进行绿色化实验教育，由老师带领学生提前参观实验室，熟悉实验室，进行安全、绿色、低碳和环保教育，增强学生的绿色和环保意识。
2改进实验内容，使实验内容绿色化
实现物理化学实验绿色化，要从教师做起。首先在确保教学质量和实验效果的前提下改革实验内容，从环境保护的角度，认真筛选实验题目，尽可能选择对环境污染小的化学药品。有些实验可以进行一些微型化、小型化设计，减少药品的用量。2.1使用低毒或无毒试剂在“最大气泡法测定表面张力”实验中，以往的实验是测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，正丁醇属于低毒性物质，吸入一定的量会对眼鼻喉部产生刺激，严重的会呼吸困难，手部可发生接触性皮炎。我们改用乙醇作为测试对象以后，消除了有毒物质对实验室的污染，也降低了实验成本。线性拟合直线的斜率为k=1.74392×105，由此可知饱和吸附量Γ∞为5.7342×10－6mol·m－2，乙醇横截面积S0=(Γ∞×N)－1=5.7342×10－6×6.02×1023=2.78×10－19m2(文献值2.4×10－19～3.2×10－19)，从数据处理结果可以明显看出，用乙醇代替正丁醇进行表面张力的实验切实可行。在“凝固点下降法测定摩尔质量”实验中，传统的实验是使用环己烷－萘体系，萘有毒性，并且极易挥发，环己烷也是一种有毒的试剂，有刺激性气味，持续吸入会引起头晕、恶心和一些麻醉症状，并且极度易燃。此实验的溶剂和溶质回收再生困难，即浪费实验试剂，又容易造成污染，危害师生健康。将此体系改革为水－蔗糖，水－蔗糖体系的成本比萘－环己烷体系低，此体系无毒，零污染，蔗糖又是一种可再生的实验试剂，这样此实验就是一个无毒、无污染的绿色化学实验，大大减少了实验过程中由于有毒试剂的挥发而对环境造成的污染。2.2推广微型化实验在不影响实验效果的前提下，尽量减少化学药品的使用量。微型化实验［5］具有污染小、试剂用量小、缩短实验时间等优点。传统的金属相图实验测定的是铅锡合金，其蒸气的毒性很大，所用的玻璃管很容易破裂，导致实验失败和毒气泄漏，我们改革后的实验使用差示扫描量热仪测定步冷曲线，样品从十几克减少到10mg左右，大大减少了药品用量，降低了实验成本，减少了污染。在“旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数”实验中，我们将200mm泡式旋光管改为100mm的旋光管，这样不仅节约了药品，还减少了废液的排放。在“镍在硫酸溶液中的钝化行为”实验中，我们专门定制了小容积反应池，这样在实验过程中药品的使用量较少了一半。
3更新实验装置
与其它化学分支的基础实验不同的是，物理化学实验需要的中小型实验仪器设备较多，随着科技的发展，物理化学实验设备不断地更新换代，利用高效的新设备取代低效的旧设备，符合绿色化学的要求。物理化学多个实验均涉及到测温和测压装置，以前实验室所用的测压、测温装置都是含汞的，其操作步骤复杂，且容易造成汞的泄漏而污染实验室。目前，我们物理化学实验室中的测压装置均采用数字式低真空测压仪代替水银压力计，从而消除了汞蒸气可能带来的危害。在“凝固点下降法测定物质的摩尔质量”实验中，用数字式温度温差测量仪来代替贝克曼温度计，避免了使用温度计过程中操作不当而引起环境污染的风险。用温控式自动旋光仪代替普通的自动旋光仪，大大减少了药品的用量。
4实验末端绿色低碳化
每一个化学实验室就是一个小型污染源，导致化学实验室废弃物污染的原因主要有以下几个方面:
4.1师生认识不到位
物理化学实验由于使用试剂品种较少、量小，产生的废弃物相对较少，往往引不起足够的重视，经常不经过任何处理随意排放，很多实验室的下水道与城市排水管网相通，长期以往，污染物的积累必将对环境造成严重污染。教育部和国家环境保护局在2005年联合发出了《关于加强高等学校实验室排污管理》通知，严禁把实验产生的“三废”直接排放到外界。这一通知的颁布，表明国家和政府高度重视高校实验室产生废弃物的问题。因此，我们每个人必须提高认识，足够重视“三废”带来的环境污染问题。
4.2缺乏有效的监管和理论指导
高校化学实验课不是连续性的，有别于工厂所带来的环境污染，其污染具有相对隐蔽性。长期以来，高校化学实验室的排污行为缺乏有效监管，人们对高校化学实验室所带来的污染缺乏认识，这些使得多数高校未及时制定有效的污染防治措施［6］。化学废弃物种类复杂多样，其收集流程十分繁琐。目前仅少量教材有关于废弃物处理的一般指导性原则，更没有出版此类的书籍，所以在化学实验废弃物处理过程中缺乏有效的理论指导。
4.3资金投入不足
将化学废弃物交由专业的危险废弃物处置企业处置，处理费用非常高，目前仅有少数高校对化学实验产生的废弃物进行回收，再专门进行处理。不少高校由于实验教学资金投入不足，经费只能用于购买实验药品，更没有直接处理实验废弃物的设备和能力，因而对污染的防治显得无能为力。强化认识，加强有效的监管和监督，加大资金投入，鼓励申报化学废弃物处置方面的课题和项目，最终实现实验末端绿色低碳化。虽然废弃物回收实验项目的开发及其后续应用存在费用高、时间长的问题，但从环境保护和最大限度减少化学污染物这个角度来看，利大于弊［7］。
5建立绿色化考核评价体系
以往的物理化学实验教学，学生的成绩主要以实验报告和期末笔试为主，实验过程中的绿色化要求往往不会引起学生足够的重视。学生最注重的是成绩，因此，从实验成绩评价标准入手，重新划分成绩组成，加入体现绿色化要求的部分，才能让学生真正从思想上重视绿色化，进而在实验操作中认真遵循绿色化要求［8］。将实验过程药品的使用是否合理、仪器操作的规范程度、实验过程中是否有仪器的损毁、随意丢弃废弃物或随意倾倒废液、实验完成后实验台面的整理情况以及值日情况，将这些日常绿色化指标纳入期末学生的成绩评定中以引起他们足够的重视，加强他们在实验过程中对绿色化的执行力。
6利用多媒体技术对物理化学实验进行辅助教学
利用多媒体技术对物理化学实验进行辅助教学是实现实验绿色化的有效手段。通过计算机对化学实验的装置和实验操作过程进行模拟，用文字、声音、动画等手段让学生在计算机上对所做实验达到身临其境的效果［9］。教师可以将学生实验过程中常见的一些典型错误操作制作成夸张的动画展示给学生，加深学生对这些错误操作的印象。对于一些复杂的实验操作也可制成形象生动的多媒体动画，给学生以直观的感受，达到复杂操作简单化的教学效果。有一些物理化学实验项目在实验过程中因反应剧烈易燃易爆，操作不易控制，这时可用多媒体课件进行模拟和演示，从多角度、多层面展示化学反应流程，实现实验的绿色化。另外，在实验开始之前，教师可以将实验的原理、操作过程、注意事项等内容在多媒体课件进行展示讲解，提高实验课的效率。多媒体技术在物理化学实验中的应用，极大提高了学生的学习兴趣，调动了学生学习的积极性和主动性，同时实现了试剂和仪器装置的零投入、零排放，是真正意义上的绿色实验。但多媒体技术在物理化学实验中的应用不能完全取代传统的实验教学，只有与实际的实验操作结合起来，才能建立起一个合理高效的物理化学实验教学体系。
7结语
总之，物理化学实验绿色化改革是一个漫长而又需要持之以恒的工作，需要教师不断的优化实验内容，采用绿色实验手段和绿色评价手段，妥善处理废弃物，利用计算机多媒体技术，模拟实验过程。教师要把绿色化学作为一种指导思想，在物理化学实验过程中培养学生绿色化意识，真正让绿色化理念贯穿于实验的每个环节，为现代化技术人才的培养搭建有利的绿色实践平台。
作者：刘红燕 赵尧敏 梅林 单位：中原工学院材料与化工学院
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