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綠色化學實驗的實行方法

2021-4-9 | 理學

 

隨著全社會經濟意識和環保意識的不斷提高,人們開始對科學探索的重要手段——實驗進行更多與之相關的經濟與環保問題的思考,希望能尋求到一種既能節約實驗花費、降低環境污染,又不影響實驗結果的實驗技術和方法。在這樣的背景下,一種新穎的實驗技術與方法——微型實驗應運而生。微型實驗藥品用量少、廢液(量)產出低,對環境污染小,不僅具有良好的經濟效益,還體現出“綠色化學”和“環境友好化學”的精神,充分滿足了人們在經濟與環保方面的期望,正受到越來越多的關注和重視。將綠色化學理念融入無機化學實驗中,實現無機化學實驗綠色化,創造良好的實驗、學習環境,提高增強環保觀念和責任感。

 

1盡量采用微型實驗

 

微型化學實驗,就是以盡可能少的化學試劑來獲取所需化學信息的實驗方法與技術。雖然它的化學試劑用量一般只為常規實驗用量的幾十分之一乃至幾千分之一,但其效果卻可以達到準確、明顯、安全、方便和防止環境污染等目的。用盡量少的化學原料、試劑獲取盡量多的化學信息是微型實驗的宗旨。對“以盡可能少的試劑獲取所需化學信息”是這樣理解的:首先儀器微型化,把試劑用量以多少毫升減少為多少滴,并且使每滴的體積微型化,從而實現把化學原料及試劑用量減少下來,從而實現了無機化學性質實驗的微型化。實踐結果證明,采用微型化學實驗節約了4/5以上的試劑用量;微小的微型化儀器,用如此少的試劑用量,取得很明顯的實驗現象,不但降低化學實驗對環境污染,而且很容易引起學生對化學實驗的興趣和好奇心,從而高度集中注意力,養成良好的具有環境意識的化學實驗習慣。

 

如,在常規無機性質實驗中用點滴板代替試管,就能實現減少大量的試劑。因為在常規無機性質實驗中的普通試管要加入2-3mL試劑實際用量;而在一些不用加熱和不需要沉淀分離的無機元素及其化合物性質與離子檢驗實驗中,由用點滴板代替試管完成實驗,從而大量地減少化學試劑用量。又如,制備磷酸二氫鈉的實驗。在制備磷酸二氫鈉時,原實驗要求用6mol/LNaOH中和5mLH3PO4溶液到需要的PH值,結果就產生了60mL溶液,加熱溶液1h才能濃縮結晶;現將磷酸用量由5mL減少為2mL,不但試劑用量減少了50%以上,而且溶液加熱蒸發濃縮結晶時間也縮短為25min,抽濾時間也縮短了50%以上,節電、節水60%左右,磷酸二氫鈉產品也達到10g。

 

2嚴格控制有害廢氣的排放

 

在無機制備實驗中,將開放型實驗體系設計成密閉吸收型實驗體系,實現減少有害氣體泄漏和擴散到空氣中。如從廢舊干電池中回收鋅皮制備硫酸鋅實驗,廢舊干電池中大部分留存的鋅皮既是電池的負極又是電池的殼體,將其回收利用。將開放式的實驗改為閉路吸收式的實驗。如,在開放式的實驗中因含有的硫、磷等雜質和硫酸反應時生成SO2,H2S,H3P等有毒氣體,會直接危害實驗者,可采用堿性吸收液將這些有毒氣體全部吸收。又如,對在試管中進行的元素性質實驗時,只要將少許用NaOH溶液濕潤過的棉花塞在試管口,就能吸收實驗時所產生的有毒氣體。同樣在在檢驗高價鉆、鎳氫氧化物的氧化性實驗中,只要將少許用NaOH溶液濕潤過的棉花塞在試管口,就能吸收實驗時所產生的有毒氣體CI2。這樣,基本實現無機化學實驗的廢氣零排放,改善實驗室環境。

 

3改進實驗方法,減少廢液、廢渣中有毒試劑的排放

 

以節約資源獲得更加鮮明的實驗現象為目的,改進不合理的實驗方法。例如氧化還原反應實驗中,驗證Cu2+的氧化性和Pb的還原性時,所用試劑為CuSO4和Pb粒,由于生成的沉淀PbSO4和單質Cu在Pb的表面形成覆蓋膜,使反應不能繼續進行,反應現象非常不明顯,用Cu(N03)2代替CuSO4后,實驗現象非常明顯。在確保實驗效果的前提下采用低毒和無毒化學試劑,減少實驗產生的有毒廢液、廢渣試劑的排放。如,用四氯化碳做萃取劑鑒定碘,淀粉代替四氯化碳就能實現沒有毒四氯化碳的廢液、廢渣產生。多相離子平衡實驗中沉淀離子經常使用Ag+、Pb2+,多數情況下使用沉淀劑K2CrO4,但是鉛、鉻、銀是有毒重金屬,實驗廢棄物排放到水中,會對水資源造成嚴重污染,在做實驗的過程中選擇無毒的沉淀離子Ca2+、Cu2+、Fe3+及沉淀劑(NH4)2C2O4、NaOH、Na2S等,同樣達到了實驗目的,實驗現象也非常明顯。

 

4重視無機實驗廢液、廢渣的回收再利用、處理

 

實驗技術人員可以合理的實驗編排實驗,充分利用實驗產生廢液、廢渣。在無機化學實驗中,許多實驗內容相互聯系,前一個實驗產生廢液、廢渣,也可以是另一個實驗的反應物。如,銀元素的一系列實驗。首先要進行的實驗是了解Ag2O的生成和性質的實驗。將NaOH溶液滴加入盛有AgNO3溶液的試管中,然后滴加HNO3溶液,便了解Ag2O的生成和性質。然后再用生成的Ag2O做制作銀鏡的實驗。往試管中滴加1%葡萄糖溶液,進行水浴加熱,試管壁上就形成了銀鏡。再用剛才生成的銀鏡做AgCI的生成和溶解的實驗。再往試管中加入HNO3溶液,觀察銀的溶解;然后再依次加入NaCI溶液和NH3H2O,觀察白色沉淀AgCI的生成和溶解;再順次加人KBr溶液和0.1mol/LNa2S2O3溶液,觀察淡黃色Agar沉淀的生成和溶解;再加人KI溶液,觀察黃色沉淀AgI的生成。這樣就能減少大約50%的試劑用量和廢液排放量。在上述的一系列實驗中,生成銀鏡后,也可以用硝酸洗滌銀鏡,從而在試管得到的硝酸銀。再用硝酸銀去做鑒定鹵素離子或銀元素性質系列實驗,同樣可以減少大約50%的試劑用量和廢液排放量。

 

又如,制備碘酸銅實驗中可以用四氯化碳萃取升華的碘,得到的大量碘一四氯化碳溶液,加入硫代硫酸鈉就可回收到大量的四氯化碳,可以再次用于萃取實驗,從而降低了試劑的損耗。所以,綠色化學實驗的研究內容涉及到實驗方案優化選擇、實驗儀器研制、化學反應過程、實驗裝置和步驟的設計等多個過程,尤其是廢物的回收和處理方面還需要繼續進行大量的實驗研究和探索。

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