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綠色化學(xué)實驗的實行方法

2021-4-9 | 理學(xué)

 

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

 

1盡量采用微型實驗

 

微型化學(xué)實驗,就是以盡可能少的化學(xué)試劑來獲取所需化學(xué)信息的實驗方法與技術(shù)。雖然它的化學(xué)試劑用量一般只為常規(guī)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(huán)境污染等目的。用盡量少的化學(xué)原料、試劑獲取盡量多的化學(xué)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(xué)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(xiàn)把化學(xué)原料及試劑用量減少下來,從而實現(xiàn)了無機化學(xué)性質(zhì)實驗的微型化。實踐結(jié)果證明,采用微型化學(xué)實驗節(jié)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(xiàn)象,不但降低化學(xué)實驗對環(huán)境污染,而且很容易引起學(xué)生對化學(xué)實驗的興趣和好奇心,從而高度集中注意力,養(yǎng)成良好的具有環(huán)境意識的化學(xué)實驗習(xí)慣。

 

如,在常規(guī)無機性質(zhì)實驗中用點滴板代替試管,就能實現(xiàn)減少大量的試劑。因為在常規(guī)無機性質(zhì)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(zhì)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(xué)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(jié)果就產(chǎn)生了60mL溶液,加熱溶液1h才能濃縮結(jié)晶;現(xiàn)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(fā)濃縮結(jié)晶時間也縮短為25min,抽濾時間也縮短了50%以上,節(jié)電、節(jié)水60%左右,磷酸二氫鈉產(chǎn)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(shè)計成密閉吸收型實驗體系,實現(xiàn)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(zhì)和硫酸反應(yīng)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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)生的有毒氣體CI2。這樣,基本實現(xiàn)無機化學(xué)實驗的廢氣零排放,改善實驗室環(huán)境。

 

3改進實驗方法,減少廢液、廢渣中有毒試劑的排放

 

以節(jié)約資源獲得更加鮮明的實驗現(xiàn)象為目的,改進不合理的實驗方法。例如氧化還原反應(yīng)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(zhì)Cu在Pb的表面形成覆蓋膜,使反應(yīng)不能繼續(xù)進行,反應(yīng)現(xiàn)象非常不明顯,用Cu(N03)2代替CuSO4后,實驗現(xiàn)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(xué)試劑,減少實驗產(chǎn)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(xiàn)沒有毒四氯化碳的廢液、廢渣產(chǎn)生。多相離子平衡實驗中沉淀離子經(jīng)常使用Ag+、Pb2+,多數(shù)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?zāi)康模瑢嶒灛F(xiàn)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(shù)人員可以合理的實驗編排實驗,充分利用實驗產(chǎn)生廢液、廢渣。在無機化學(xué)實驗中,許多實驗內(nèi)容相互聯(lián)系,前一個實驗產(chǎn)生廢液、廢渣,也可以是另一個實驗的反應(yīng)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(zhì)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(zhì)。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(zhì)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(xué)實驗的研究內(nèi)容涉及到實驗方案優(yōu)化選擇、實驗儀器研制、化學(xué)反應(yīng)過程、實驗裝置和步驟的設(shè)計等多個過程,尤其是廢物的回收和處理方面還需要繼續(xù)進行大量的實驗研究和探索。

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