一、物理化学实验教学绿色化的总体设想

　　物理化学是东北大学应用化学、生物工程、材料科学、冶金工程、环境科学、资源与矿物等专业的基础课程之一。而物理化学实验是物理化学教学的重要组成部分，是培养学生实践能力和科研能力的重要教学环节。[5]学校的化学实验中心每年为全校12个专业的近1200名学生开设数十个不同的物理化学实验项目。其中的“液体饱和蒸气压的测定”、“酸碱中和反应热效应的测定”、“铋－锡二元相图的绘制”等这些我们耳熟能详的、经典的物理化学实验项目曾经见证过几代学子的成长。毋庸置疑，这些实验设计得简单易行。通过实际的操作，实验者很容易理解其中蕴含的物理化学原理。然而，这些实验过程中都不可避免地会使用或产生某些有毒、有害的物质。如果不对这些物质进行无害化处理而直接排放，日积月累，不仅会影响师生的身体健康，还会污染周围环境。因此，物理化学实验绿色化是化学实验教学改革发展的必然趋势。在长期的物理化学实验教学改革过程中，我校化学实验中心高度重视贯彻绿色化学的教学理念，将绿色化学作为实验教学改革的重要组成部分。在对物理化学实验教学进行绿色化改革的进程中，我们从实验内容、实验设计、实验设备、经典实验项目整合、教学方法和教学理念等方面进行了积极的研究和探索，并取得了一定的效果。

　　二、物理化学实验教学绿色化的实践

　　（一）实验内容的绿色化

　　在实验项目的选择和实验内容的调整方面，尽量排除或减少对环境污染大、对人体毒性大的实验项目。在不影响实验效果的前提下，选用环境友好的试剂替代有毒或后处理困难的试剂，从而实现物理化学实验的绿色化。例如，“弛豫法测定铬酸根－重铬酸根离子反应速率常数”是以往我校应用化学专业学生必修的一个化学动力学实验项目。这个实验过程中需要使用的主要化学试剂是重铬酸钾。然而，通过对重铬酸钾性质的学习不难知道，它不仅有化学毒性和致癌性，而且还是一种强氧化剂，长期吸入，能破坏鼻粘膜，引起鼻膜炎和鼻中隔软骨穿孔，使呼吸器官受到损伤，甚至造成肺硬化。皮肤接触重铬酸钾溶液时易引起铬疮和皮炎。不仅如此，化学实验中心每年还需要投入高昂的实验经费用于处理由此产生的铬酸废液。因此，为保证实验教师和学生的身体免受危害，现已将其改为另一动力学实验“旋光光度法测定蔗糖水解反应的速率常数”，实验中用到的原料蔗糖无毒，而且使学生有机会学习旋光仪的使用方法。又如，在“气泡最大压力法测定溶液的表面张力”实验中，原来所使用正丁醇水溶液的最大浓度达到了0．35moldm－3。为了降低正丁醇使用浓度，我们曾对实验方案和实验装置进行了多次改进，使正丁醇的最大浓度降至0．1moldm－3。而且，实验操作也更加简便易行，实验中气泡的逸出平稳、连续。上述改进已经过多次教学实践检验，结果表明，正丁醇浓度的降低不仅节约了实验药品，而且低浓度正丁醇水溶液的表面吸附量随浓度的变化规律更符合吉布斯吸附等温式，有利于得出好的实验结果。

　　（二）实验微型化、小型化设计，减少药品用量

　　所谓微型化实验是指在微型的仪器设备中，用尽可能少的试剂获取所需的化学信息的实验方法。在保证可观测到与普通实验相同的实验现象的前提下，微型化实验还具有节约实验材料和时间、减少环境污染、操作安全等优点。所以，开展微型化实验是实现化学实验绿色化的好方法。在长期的物理化学实验教学过程中，在保证实验方案合理、实验结果稳定、实验效果显著的前提下，我们积极推行实验的微型化、小型化设计。例如，在“差热分析”实验中采用微型化实验样品管后，每份CaC2O4样品使用量减少到不超过0．05克，每学期仅CaC2O4试剂的使用量就减少到原来的十分之一。对于目前尚无法实现微型化的实验项目，我们采取了小型化设计或减少化学试剂使用量等方法，以期将物理化学实验对环境的污染降至最低。例如，在“金属二元相图的绘制”实验中，由于金属铋和锡具有熔点低、化学稳定性好、数据重现性好、原料易得、价格低廉等特点，所以，铋－锡二元系统一直以来都是我们进行此项实验教学的首选系统。若使用以往的实验设备，在实验过程中，以各种比例混合的金属铋和金属锡试样被放置在瓷坩埚中，上面覆盖一层硅油，以防止加热过程中金属样品被氧化。但是，通过查阅相关化学数据手册可知，金属铋的熔点为271℃，而硅油的燃点为320℃，仅仅比铋的熔点高约50℃。这意味着，在加热纯铋试样时，若操作者没有控制好升温速率而导致系统温度上升过快，那么样品温度很容易冲高至硅油燃点而引燃硅油。这不仅会造成大量硅油的损耗，容易引起教学事故，而且硅油高温挥发及不完全燃烧的产物还会污染空气。为此，我们放弃使用瓷坩埚而改用金属样品管盛装样品。这样不仅使单个样品的质量从过去的120克减少到几克，而且使用时很容易将金属样品管抽真空后密封，并循环使用。这种全封闭的手段有效避免了大量使用硅油作为样品保护层所带来的空气污染问题的发生。又如，在“酸碱中和反应热效应的测定”实验中，我们更换了体积更小的杜瓦瓶，使氢氧化钠和盐酸的用量减少到原来的四分之一。减少试剂用量后的中和反应系统由于溶液体积大幅减少，搅拌效率更高，系统各处的温度更趋一致，对温度变化的监测更容易，温度数据也更准确。除此之外，我们对“凝固点降低法测定分子量”、“乙酸乙酯皂化反应速率常数的测定”等实验项目也进行了小型化改进，不同程度地减少了化学试剂使用量，显著降低了实验成本，改善了实验环境。实践证明，物理化学实验的微型化、小型化设计不但可以达到与常规实验相同的实验目的和效果，而且可以大幅减少试剂用量、不同程度地减少实验过程中产生的化学废弃物、节约后处理费用、减少污染、改善实验环境，因此，此举已经成为物理化学实验教学改革的一个重要发展趋势。