陳新峰 柳文敏 蘭青

南陽師范學(xué)院化學(xué)與制藥工程學(xué)院 河南南陽 473061

0 引言

《義務(wù)教育化學(xué)課程標準（2022 年版）》要求“引導(dǎo)學(xué)生‘做中學(xué)’‘用中學(xué)’‘創(chuàng)中學(xué)’，促進學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展”。高中化學(xué)課程標準把“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”作為化學(xué)學(xué)科的五大重要核心素養(yǎng)之一，所以說“創(chuàng)新教育”是當(dāng)前中學(xué)化學(xué)教學(xué)的一個重要理念，開發(fā)課程資源，挖掘創(chuàng)新教育素材應(yīng)是化學(xué)教育工作者重要的教學(xué)研究工作之一。我們知道，實驗是化學(xué)學(xué)科的一個明顯且重要的特征，實驗設(shè)計特別是實驗的綠色化設(shè)計涉及的因素比較多，很多時候還存在各條件相互制約、相互影響的情況，這就要求在對實驗條件篩選、實驗現(xiàn)象觀察、實驗數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上不斷地優(yōu)選優(yōu)化，才能確定最終的實驗方案。在這個過程中，學(xué)生的創(chuàng)新精神、意識和能力等方面的素養(yǎng)才能得以逐步提升。

1 創(chuàng)新基礎(chǔ)——觀察能力的培養(yǎng)

在化學(xué)教學(xué)中，觀察能力是指通過感覺器官獲取化學(xué)反應(yīng)中那些具有典型代表性的、能夠反映化學(xué)世界本質(zhì)特征的外部表象的能力，是準確把握實驗本質(zhì)、解決實驗問題的基礎(chǔ)。在實驗綠色化教學(xué)中，要著重培養(yǎng)學(xué)生以下幾個方面的觀察能力。

1.1 觀察的敏銳性

敏銳的觀察力能夠及時準確地捕捉那些稍縱即逝或者“觀察目標以外”的化學(xué)現(xiàn)象。如FeSO4和NaOH 的反應(yīng)，生成的Fe(OH)2沉淀剛開始是白色的，但很快就會轉(zhuǎn)化為灰綠色，直至完全生成紅褐色的Fe(OH)3沉淀，我們可以利用這些稍縱即逝的反應(yīng)現(xiàn)象對學(xué)生進行觀察敏銳度的培養(yǎng)。再如KClO3加熱催化制取氧氣時，產(chǎn)物是KCl 和O2，收集氧氣的方法有向上排空氣法和排水法兩種，但排空氣法收集的氧氣總混有一股刺激性的味道，而排水法收集的氧氣卻不存在這種意料之外的情況，而這意外之處正是培養(yǎng)學(xué)生觀察敏銳度的好素材，同時也為處理污染性氣體提供了一種行之有效的解決方法。

1.2 觀察的全面性

觀察的全面性是指利用多種感官（視覺、嗅覺、觸覺、聽覺等）對物質(zhì)的表象進行全方位的觀察，以獲取反映物質(zhì)性質(zhì)的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。例如在金屬鈉的教學(xué)過程中，當(dāng)用小刀切開一小塊金屬鈉時，學(xué)生可以觀察到切面處明亮的金屬光澤，但是切面處的明亮光澤很快就會暗淡下去，由此可以得出鈉的硬度比較小且在空氣中不穩(wěn)定的性質(zhì)。把小鈉塊放入盛水的燒杯中，并加入酚酞指示劑，可以看到鈉塊浮于水面之上，熔成一個光亮的小球，不停地快速游動并伴有小氣泡生成，逐漸減小直至消失，同時酚酞試液變?yōu)榧t色；可以聽到反應(yīng)中的嘶嘶響聲；手觸燒杯外壁發(fā)熱；等等。從而知道，鈉與水劇烈反應(yīng)生成氣體和堿性物質(zhì)，并伴有大量的放熱現(xiàn)象。

再如在學(xué)習(xí)乙烯的C=C 雙鍵不飽和性時，我們通常是用無水乙醇與濃硫酸為反應(yīng)原料來制取乙烯，把乙烯通入酸性高錳酸鉀和溴水溶液中，高錳酸鉀和溴水溶液褪色現(xiàn)象非常明顯。這時學(xué)生會把注意力大部分或全部都集中在獲得的這一現(xiàn)象上，并以此驗證和解釋乙烯的不飽和性，而實驗的另一個現(xiàn)象往往會被忽視，那就是混合溶液的變黑和生成的氣體會帶有一股刺激性的氣味。事實上這股有刺激性氣味是濃硫酸被還原所生成的SO2氣體，它同樣能使酸性高錳酸鉀和溴水溶液褪色。假如說我們在實驗過程中因操作溫度不當(dāng)生成的不是乙烯而是乙醚，那么因SO2的存在，同樣也可以使酸性高錳酸鉀和溴水溶液褪色。若把其通入品紅溶液中，還會得出使品紅溶液褪色的結(jié)論。這顯然是錯誤的。因此在實驗過程中要引導(dǎo)學(xué)生全面觀察，先凈化去除SO2，再進行相關(guān)實驗，才能得出既正確而又準確的結(jié)論。教學(xué)過程中我們可以利用諸如此類的實例來培養(yǎng)學(xué)生全面觀察實驗的意識及能力。

1.3 觀察的準確性

觀察的準確性是科學(xué)實驗的前提和根本，否則實驗就會得出“偽科學(xué)”的結(jié)論。影響觀察準確性的因素總的說來有主觀（觀察的態(tài)度與能力）和客觀（干擾因素）兩類。對觀察準確性的要求不僅能培養(yǎng)學(xué)生嚴謹細致的觀察態(tài)度，同時還可以培養(yǎng)學(xué)生消除干擾因素的能力。例如在銅與稀硝酸反應(yīng)的實驗中，常因試管中空氣排除不完全而殘留了部分氧氣，致使生成的無色NO 部分被其氧化，轉(zhuǎn)變?yōu)榧t棕色的NO2，不但污染了教室的空氣，還會導(dǎo)致學(xué)生的誤觀察。為消除假象并無害化處理尾氣，我們可以選取一個青霉素瓶和一套一次性輸液管進行如圖1 所示的實驗改進：用夾子夾緊1、2 兩處，把銅絲（銅片）放入瓶內(nèi)，充滿稀硝酸并蓋緊瓶蓋，倒置并固定在鐵架臺上，可以看到，隨著反應(yīng)的進行，瓶內(nèi)由無色的稀硝酸溶液變?yōu)樗{色的硝酸銅溶液，并被無色氣體（NO）排入輸液器滴壺內(nèi)，待瓶內(nèi)稀硝酸即將流出完畢時，夾子夾緊3處，打開1處，瓶內(nèi)無色的NO 氣體隨即轉(zhuǎn)變?yōu)榧t棕色的NO2氣體。此設(shè)計不但方便尾氣處理，而且可以反復(fù)進行實驗操作，便于學(xué)生多次觀察。

圖1 銅與稀硝酸反應(yīng)實驗改進裝置

1.4 觀察的深刻性

物質(zhì)的性質(zhì)往往包含多個方面，實驗中會產(chǎn)生不同的反應(yīng)現(xiàn)象，比如，有的反應(yīng)劇烈甚至伴隨著爆炸和聲響，有的反應(yīng)平緩甚至需要加壓、加熱以及催化等條件才能順利完成，有些反應(yīng)在形態(tài)、顏色等方面變化明顯，有的較難觀察到明顯變化，而這些正是其本質(zhì)屬性的反映。但對于學(xué)生來說，實驗現(xiàn)象的顯現(xiàn)度不同，觀察時引起注意的程度也不同，可能會導(dǎo)致一些反映深層次問題的實驗現(xiàn)象被忽視，因此觀察的深刻性也是培養(yǎng)觀察能力的一個重要方面。比如NH3與HCl 氣體的反應(yīng)，在進行綠色化設(shè)計時，可以將它們分別用導(dǎo)管引入密封的玻璃容器中進行，生成白煙的實驗現(xiàn)象非常明顯，但是如果我們仔細觀察，特別是反應(yīng)剛開始時，會發(fā)現(xiàn)白煙在容器內(nèi)的分布是不均勻的，而正是這個現(xiàn)象揭示著NH3與HCl 氣體的深層問題，即雖然它們都是揮發(fā)性氣體，但揮發(fā)的速度卻不相同，也就是兩種分子的運動速度不同，而這又與它們不同的分子質(zhì)量有關(guān)。通過對這些現(xiàn)象的觀察和思考，學(xué)生能夠順利理解這部分內(nèi)容并使知識系統(tǒng)化。

2 創(chuàng)新性問題思維能力的培養(yǎng)

2.1 打破思維定式

思維定式有時候能幫助我們快速找到解決問題的辦法，提高解決問題的速度和效率，卻會固化我們的思維，讓我們解決問題時囿于已有模式和方法，思路狹隘不開闊，甚至鉆牛角尖。當(dāng)遇到新事物、新現(xiàn)象，需要我們用創(chuàng)新性思維去解決問題時，容易進入思維的死胡同?；瘜W(xué)實驗中的思維定式主要表現(xiàn)在對實驗原理理解的定式思維和對實驗儀器、實驗藥品、實驗操作方法選擇的定式思維。思維定式不利于實驗問題得到更好的解決，不利于學(xué)生創(chuàng)新性思維能力的發(fā)展。因此，在實驗的綠色化設(shè)計中，要注意打破定式的阻礙，另辟蹊徑解決問題。如對于有害實驗尾氣的處理，一般都采用能化學(xué)處理就化學(xué)處理，不能化學(xué)處理就物理收集的方法。打破這種定式，我們可以考慮先進行回收再利用，既消除污染又廢物利用，一舉兩得。例如CO 還原CuO 的實驗，尾氣中的CO 不再點燃轉(zhuǎn)換為CO2后釋放到空氣中,而是將其導(dǎo)引至酒精燈上進行燃燒，既可獲取部分反應(yīng)熱源，又能夠消除對實驗室的氣體污染[1]，還可以對學(xué)生進行責(zé)任意識、環(huán)保意識和初步的可持續(xù)發(fā)展觀教育。

2.2 思維的靈活性

思維靈活性是思維的重要品質(zhì)之一，是指能夠根據(jù)具體情況靈活改變解決問題的思路，當(dāng)在某一方向上解決問題卡殼時，能夠靈活地變換思考的角度，改變解決問題的方式方法去靈活地解決問題。例如教材中對電解質(zhì)導(dǎo)電能力的教學(xué)內(nèi)容編排,電解質(zhì)的選擇包含HCl 和NaCl 溶液，但通電時它們都會電解生成氯氣而污染教室環(huán)境，我們可以選擇不易發(fā)生電解的陰離子（如SO42-）物質(zhì)來替代，用硫酸鈉溶液代替氯化鈉溶液、稀硫酸代替鹽酸同樣可以很好地達到教學(xué)效果，且避免了氯氣的環(huán)境污染。

2.3 思維的發(fā)散性

發(fā)散思維是指對于一個待解問題，從不同的方向、不同的角度去思考并提出相應(yīng)的解決方案的思維形式。它可以有效地訓(xùn)練學(xué)生思維的獨特性、變通性和流暢性，破除認識事物的思維惰性，激發(fā)創(chuàng)新精神。如在SO2的褪色漂白、加熱復(fù)色實驗中，放出的SO2是一種污染性氣體，我們知道，SO2這種污染性氣體不僅常常產(chǎn)生于實驗室，并且在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也會大量地產(chǎn)生，污染著我們的大氣環(huán)境，它是酸雨形成的重要因素之一，這對我們具有強烈的環(huán)境警示作用。這時可引導(dǎo)學(xué)生進行發(fā)散性思維，尋找能用于實驗室的快捷、易操作的處置辦法，比如物理收集、化學(xué)反應(yīng)去除等。物理收集還可以選擇不同的收集方法，化學(xué)去除可以選擇與堿反應(yīng)、與氧化性溶液（如KMnO4）反應(yīng)等。通過對這些方法的可行性、操作性、SO2去除的有效性進行對比分析，進行異中選優(yōu)最佳解決方案的選擇。

3 創(chuàng)新性實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)

3.1 實驗原理創(chuàng)新

在化學(xué)制備和合成反應(yīng)中，可以通過實驗原理創(chuàng)新，在反應(yīng)物的篩選、副產(chǎn)物、原料雜質(zhì)中的生成物、反應(yīng)條件等方面實現(xiàn)綠色化處理。比如中學(xué)化學(xué)教材中利用電石制備乙炔的實驗，由于電石中雜質(zhì)的存在，會生成H2S、PH3、AsH3等有毒氣體，雖然實驗中設(shè)計了用CuSO4溶液進行除雜，但實際上去除并不完全，況且Cu2+屬于重金屬離子，也會污染環(huán)境。若改用電石與16%的NaOH 反應(yīng)，實驗表明效果比較理想[2]。再如以往實驗室制備氧氣時常常采用加熱分解KMnO4或加熱催化分解KClO3的方法，但是KMnO4加熱制備氧氣產(chǎn)率較低，不太符合綠色化實驗的原子利用經(jīng)濟性原則，KClO3加熱催化分解不但催化劑MnO2難以回收利用，而且反應(yīng)過程中還會伴有副反應(yīng)的發(fā)生，生成諸如氯氣、二氧化氯等一些有毒有刺激性的氣體。那么是否還有其他制備方法呢？這時教師可引導(dǎo)并提出幾種可供選擇的制備方法，如HgO、Na2O2、H2O2等為原料都可以有氧氣的生成，但HgO 分解產(chǎn)生的Hg 是嚴重的污染物，而Na2O2價格貴成本高，H2O2分解的產(chǎn)物為氧氣和水，價格又便宜產(chǎn)物又清潔，是最優(yōu)選的實驗室氧氣獲得的途徑。還有我們前面提到用乙醇和濃硫酸制取乙烯，會有有毒氣體SO2生成，并且干擾乙烯的褪色現(xiàn)象，這時我們可以從反應(yīng)原理入手，乙醇反應(yīng)生成乙烯，實際上是在催化劑H+作用下的分子內(nèi)脫水反應(yīng)，那么我們只要能夠找到合適的H+提供者和脫水劑提供者即可取得相同的效果，像實驗室常用的非氧化性強酸與五氧化二磷或焦磷酸就是比較好的替代方案。

3.2 實驗方案創(chuàng)新

原理創(chuàng)新為方案創(chuàng)新提供了理論支撐，對于一個化學(xué)實驗的綠色化方案設(shè)計，我們可以根據(jù)反應(yīng)原理，引導(dǎo)學(xué)生對不同反應(yīng)路線進行分析比較，從而篩選出原子利用率最高、污染最小的反應(yīng)（合成）路線，以實現(xiàn)方案創(chuàng)新。如硝酸銅的制備方案可以有以下三種：

1） Cu+4HNO3(濃)＝Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O

2） 3Cu+8HNO3(稀)＝3Cu(NO3)2+2NO ↑+4H2O

3） 2Cu+O2＝2CuO, CuO+2HNO3(濃)＝Cu(NO3)2+H2O

通過有無污染物的生成、原子利用率的高低等條件判斷可知，最后一個制備方案是最佳的選擇。

3.3 實驗操作裝置創(chuàng)新

實驗操作裝置的創(chuàng)新優(yōu)化是實驗綠色化設(shè)計的重要途徑之一，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的又一重要途徑。以下介紹幾類有代表性的例子。

排液法收集氣體。當(dāng)遇到一些具有潛在污染性的實驗而常用裝置又不能很好地解決問題時，我們可以考慮進行操作裝置的創(chuàng)新。例如排水法是常用的氣體收集方法之一，其特點之一是容易觀察氣體收集的進度，能夠掌控收集操作的時間和氣體收集的多少。但對于易溶于水的污染性氣體如氨氣和氯化氫氣體，排水法就解決不了這些問題，這時我們可以考慮把水換成其他液體（如CCl4），但CCl4又不能用手直接觸，這就需要實驗裝置的創(chuàng)新和改造，比如圖2 所示的裝置就能很好地解決這一問題。

圖2 自動排液集氣裝置

臨時儲氣。在制取多份氣體時，為了不使連續(xù)反應(yīng)生成的氣體在更換集氣瓶時散入實驗室內(nèi)，我們可以給實驗裝置加裝一個氣體緩存裝置，如在氣體發(fā)生裝置的氣體導(dǎo)出管道中加裝一個帶有儲氣囊（也可以用氣球代替）的三通玻璃管，靠近氣體收集裝置端再加裝一截帶止氣夾橡膠管，利用氣囊臨時儲氣，避免氣體外溢。

氣體隨用隨制。我們平常所用的啟普發(fā)生器的主要功能就是方便氣體的隨用隨制，其操作原理是能夠把反應(yīng)物隨時分隔開來，利用這一原理我們還可以把它改進。例如銅與硝酸制備NO 或NO2,我們選取細銅絲代替銅片，把銅絲的一端纏繞成團狀伸入反應(yīng)容器中，另一端通過橡皮塞穿出至反應(yīng)容器外部，當(dāng)要進行反應(yīng)時，可通過外伸的銅絲把團狀銅絲推入HNO3溶液中，當(dāng)要停止反應(yīng)時，將銅絲提拉出硝酸液面即可。原理如此，可擴展到其他相似的實驗中，同時它還有一個不同于啟普發(fā)生器的好處是可以應(yīng)用于需要加熱的一些反應(yīng)。

實驗的綜合利用。學(xué)習(xí)濃硫酸性質(zhì)時，通常都要證明它的脫水性和氧化性，反應(yīng)時還會放出大量的刺激性氣體污染學(xué)習(xí)環(huán)境。這時我們可以把“黑面包”實驗改在燒瓶內(nèi)進行，通過分液漏斗向燒瓶中的蔗糖滴加濃硫酸，反應(yīng)生成的氣體通過品紅溶液（驗證SO2的生成）和堿溶液處理，既證明了濃硫酸的脫水性、氧化性，又完美地處理了有毒尾氣，提升了實驗的綜合效果。