馬春生

例析中學化學實驗中存在的科學風險*

馬春生

以一氧化碳還原氧化鐵實驗、實驗室制取乙烯并驗證乙烯能與溴單質發(fā)生加成反應的實驗為例，分析中學實驗中存在的科學風險，說明在中學化學實驗教學中對學生進行科學風險認知教育的必要性。

化學實驗；風險認知；風險決策

科學風險存在于中學化學實驗中，存在于中學化學教學中。由于科學風險認知的缺失，學生經常在化學實驗中出現受傷、亂用藥品、儀器損壞等事故。所以在化學教學中對學生進行科學風險認知的教育十分重要。

如何評估化學實驗中存在的科學風險，防范實驗事故呢？下面通過兩個實例加以說明。

一、CO還原Fe2O3的實驗的科學風險認知和決策

一氧化碳還原氧化鐵實驗屬于較復雜的化學實驗，較復雜的化學實驗中存在著較復雜的科學風險因素，在進行實驗前，應當對這類化學實驗進行科學風險因素的認知和決策，從而確保實驗安全、獲得正確的實驗結果和所需的產物。

分析該實驗中使用的藥品、儀器和操作環(huán)節(jié)，該實驗中主要存在5項科學風險，下面對這5項科學風險進行認知和決策。

【風險1】什么樣的加熱條件下，實驗的主要產物是鐵？

風險認知：由滬教版九年級化學新舊教材的不同插圖(如圖1所示)引出話題，在CO還原Fe2O3的實驗中為什么將酒精燈改為了酒精噴燈？

圖1　滬教版九年級化學新舊教材中CO還原Fe2O3的裝置圖

查找資料：不同溫度下，CO還原Fe2O3所得的產物曲線圖(如圖2所示)。酒精燈火焰的溫度一般低于600 ℃，酒精噴燈的火焰溫度可達到800 ℃以上。

圖2　不同溫度下，CO還原Fe2O3所得的產物

由圖2可知在酒精燈加熱的條件下，實驗中生成的含鐵元素的主要產物是Fe3O4，在酒精噴燈加熱的條件下，實驗中生成的含鐵元素的主要產物是Fe。

對比實驗：取少量A，B實驗(如圖1所示)中生成的黑色固體于試管中，滴加稀鹽酸，盛A實驗產物的試管中僅有很少氣泡，盛B實驗產物的試管中有大量的氣泡，證明B實驗中的固體產物主要是Fe。

風險決策：在CO還原Fe2O3實驗中，必須用酒精噴燈加熱才能獲得主要產物Fe。

【風險2】實驗中出現意外風險如何處理？

風險認知：課前進行準備實驗，發(fā)現有時玻璃管會因高溫產生熔裂，致使實驗中止。

風險決策：準備備用裝置，在突發(fā)風險時進行更換(在現有實驗條件下，玻璃管受高熱破裂屬于隨機風險事件，較難避免)。

【風險3】能否直接排放未參加反應的CO？

風險認知：由已有知識可知，CO有毒，直接排放會有人體中毒的危險并污染環(huán)境。

風險決策：可將未參加反應的CO燒掉，使其轉化成無毒的CO2氣體，或用貯氣裝置盛接尾氣，需要對實驗裝置進行改進(如圖3所示)。

圖3　點燃未參加反應的CO

【風險4】能否在通氣前就對裝置進行加熱？

風險認知：由已有知識可知，CO與空氣的混合氣在加熱時會有爆炸的危險。

風險決策：先通CO，排盡裝置內的空氣后再加熱玻璃管，最后點燃排出的CO。

【風險5】加熱過程中，實驗者是否存在意外燒傷的可能？

風險認知：對從未用過酒精噴燈進行加熱實驗的學生而言，其實驗行為具有不確定性，存在意外燒傷的可能。

風險決策：由教師進行演示實驗(教師經多次實驗，已經成為該實驗的熟練操作者)。

二、實驗室制取乙烯并驗證乙烯能與溴單質發(fā)生加成反應的實驗的科學風險認知和決策

試對下列實驗室制取乙烯并驗證乙烯能與溴單質發(fā)生加成反應的實驗(如圖4所示)裝置進行科學風險評價并給出實驗操作的合理建議。

圖4　實驗裝置

(1)乙醇的沸點低(78.4 ℃)，硫酸沸點高(338 ℃)，乙醇可溶于硫酸。(2)濃硫酸有強氧化性和腐蝕性，濃硫酸與乙醇混合液共熱時會有二氧化硫生成。(3)溴單質不僅能與乙烯發(fā)生反應，在水溶液中也可與二氧化硫反應。(4)乙醇在濃硫酸的催化下，加熱到140 ℃生成乙醚。

風險認知：(1)該設計中將溫度計插入溶液中測量反應溫度，在燒瓶中放入碎瓷片防止溶液暴沸，在燒瓶下墊石棉網使燒瓶均勻受熱的做法是正確的。(2)為使反應溫度能迅速上升到170 ℃，要控制乙醇與濃硫酸的比例。一般的比例是1:3，若乙醇的量較多，反應溫度不能迅速上升到170 ℃，主要產物就是乙醚了。(3)因為生成的氣體中混有二氧化硫，所以不能將生成的氣體直接通入盛有溴水的試管中，必須將氣體中的二氧化硫除去后再通入盛有溴水的試管中。(4)將生成的氣體直接通入到試管中的液體中易產生倒吸現象，發(fā)生危險事故。

風險決策和操作建議：對上述實驗裝置進行改進(如圖5所示)。增加安全瓶，防止試管中的溶液倒吸入燒瓶中；增加盛有氫氧化鈉溶液的裝置吸收反應中生成的二氧化硫；實驗前配制乙醇和濃硫酸的混合液時，要按體積比1:3的比例將乙醇緩慢地倒入濃硫酸中，邊加邊攪拌；實驗時要注意裝置的安裝順序，鐵夾要注意松緊適度；不能直接接觸實驗藥品，要戴上防護眼鏡和橡膠手套。

圖5　改進的實驗裝置

三、結束語

在對化學實驗中的科學風險認知的過程中，要通過查找資料，回顧已有知識、反思分析、對比實驗等方式，明確所用儀器、藥品的屬性，逐一分析各個實驗裝置、操作環(huán)節(jié)中可能產生的科學風險，在此基礎上做出正確的風險決策，從而讓化學實驗操作正確，產物理想，人員安全，保護環(huán)境。

在化學實驗教學中開展科學風險認知和決策意識的教育，具有現實意義和社會意義?？纱偈箤W生自覺認識化學藥品的屬性，在進行復雜實驗前分析實驗環(huán)節(jié)可能存在的風險因素，確定合理的實驗裝置和操作步驟。在面對突發(fā)事故時，能有理智地應變，保護自己和身邊人的安全，正確處理化學實驗中有毒有害廢物，建立環(huán)境風險意識。具有科學風險認知與決策意識的素養(yǎng)，也有助于學生在走上社會后有自我保護的意識，能積極參與對事物所存在的科學風險進行評估并發(fā)表自己的見解。

[1] 楊昭寧.學?？萍硷L險教育研究學校科技風險教育研究[D].重慶:西南大學博士學位論文,2012.

[2] 夏玉珍,楊永偉.科學技術的風險后果與治理—一項風險社會理論視角的分析[J].廣西社會科學,2014(5):145-149

馬春生，本科，教授級高級教師。江蘇省南京田家炳高級中學，210037

全國教育科學規(guī)劃2014年度教育部重點課題《理科教育中的科學風險認知與決策能力研究》(編號：DHA140284)；江蘇省教學研究重點課題《基于學科核心素養(yǎng)的高中化學教學評一致性研究》(編號：2015JK11-Z004)。