摘 要：氯气实验作为高中化学“非金属及其化合物”的核心教学内容，其环保性问题长期制约着实验教学的实效性。文章针对传统实验教学中存在的问题，开展对绿色化学视域下氯气实验教学环保路径的探究：以绿色化学理念重构实验体系，通过绿色实验设计培养学生的环保意识；通过引入替代法和微型化实验教学降低能耗和减少试剂用量；利用一体化实验装置创新教学，改进封闭式实验系统（U形管封闭系统），减少氯气泄漏的风险；利用数字化技术将虚拟仿真与实操训练融合，有效实现实验教学目标；采用项目式学习提高学生的实验设计和数据分析能力；构建氯气实验指标评价量表，科学评估实验的环保质量，促进实验教学质量提高。

关键词：绿色化学；高中化学；氯气实验；环保路径

中图分类号：G 文献标识码：A 文章编号：450102049（2025）09EM-0092-05

氯气的制备与性质实验作为高中化学“非金属及其化合物”的核心教学内容，其环保性问题长期制约着实验教学的实效性。据教育部2023年《中学化学实验安全白皮书》统计，实验事故中 68% 源于有毒气体泄漏，其中与氯气相关的占比高达 31% 。这一现状与《普通高中化学课程标准（2017 版2020 修订）》要求高中化学培养学生“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”核心素养的目标严重背离。本文基于绿色化学的5R原则〖Reduce（减量）、Reuse（循环）、Recycle（再循环）、Reject（拒用）、Regenerate（再生）〗，构建“环保—实践—素养”三位一体的教学改革模型，为高危化学实验教学提供范式转型路径。

一、当前高中化学氯气实验教学中存在的主要问题

氯气的制备与性质实验在高中化学教学中的困境具有典型性，特别是教育条件较为落后的地区，氯气的制备与性质实验面临着实验安全与环保的双重挑战。

据本课题组2025 年对百色市74 名高中化学教师进行“氯气实验问卷调查”统计，仅 13.5% 的教师经常开设氯气演示实验， 55.41% 的教师偶尔开设；学生分组实验开设率不足 10% 。其原因是实验中存在试剂浪费、尾气泄漏风险、废液污染三大问题。

（一）实验中试剂浪费现象严重

在高中的氯气实验中，试剂浪费现象非常严重，如“氯气与金属/非金属反应”“氯水光照分解”等实验，因实验过程中常采用过量氯气，导致剩余气体直接排放的浪费现象。

（二）敞口操作现象普遍，尾气泄漏风险加大

高中氯气实验污染的风险主要是浓盐酸（HCL）易挥发。在加热过程中HCl 气体挥发，反应不可控，产生大量氯气（ CL₂ ）。若装置密闭性不佳或尾气吸收不彻底，易造成有毒气体的泄漏。

（三）废液污染现象严重

部分高中在氯气实验结束后，对废弃物的处理不规范。实验后的废液中含未反应的 H⁺，Cl^-，Mn²⁺ 等，若未经处理就直接倾倒，会造成废酸、重金属污染水体。

二、绿色化学视域下高中化学氯气实验教学的环保策略

氯气的制备与性质实验作为高中化学“非金属及其化合物”的核心教学内容，其环保性问题长期制约着实验教学的实效性。本文针对传统实验中存在的试剂浪费（浓盐酸利用率不足 50% ）、尾气泄漏风险（敞口操作 Cl₂ ：泄漏率达 12%～18% ）、废液污染（含 Mn²⁺ 重金属离子）三大痛点，提出以绿色化学理念重构实验体系的策略：通过引入替代法（ KMnO₄ 常温制氯）、微型化 （0.1g 级试剂用量）、一体化（U 形管封闭系统）、数字化（ Cl₂ 传感器实时监测）、虚拟化（NOBOOK 虚拟实验）5种改进方法，提高实验安全性与环保性。

（一）以绿色化学理念重构实验体系，通过绿色实验设计培养学生的环保意识

为了确保绿色化学视域下氯气实验教学真正达到环保要求，高中化学教师应该对传统实验的环保缺陷进行深度剖析，重构实验体系，通过绿色实验设计培养学生的环保意识，提高化学实验教学的质量。

1. 对传统氯气实验环保意识缺失现象及原因进行深度剖析

在高中教材中，氯气制备实验的经典反应如下所示。

该反应需使用浓盐酸并在加热条件下进行。其装置如图1所示。

图1 氯气实验装置

然而，由于部分高中化学教师自身的环保意识不强，他们在氯气实验过程中没有严格按照实验要求执行，出现不少问题。这种现象在化学教师队伍中仍占有相当比例。其主要问题类型、问题的严重性及最典型表现如表1所示。

表1 氯气实验教学中的主要问题类型

（数据来源：百色市高中化学教师问卷调查）

2.对机理原子的经济性缺陷进行分析

很多教师在实验过程中对氯原子的利用率低，当盐酸浓度 时，Cl 的转化率约为 58% ；当浓度降为c［HCl（aq）］ <6mol/L 时，Cl 的转化率骤降至 22% 。且每制备 1molCl₂ 还会产生2.7L 含HCl 的废气（未完全吸收时）。然而，不少教师对此毫不在意。

3.找出教学实践中出现的结构性矛盾

（1）在氯气实验教学中经常出现教学效果与实验安全之间的矛盾。主要表现为：因氯气具有剧毒性，部分学校出于安全考虑，只能以视频演示替代真实实验，使学生失去了动手实践的机会，教学效果因此大打折扣。

（2）很多教师为了保障实验顺利不得不忽视环境成本。主要表现为：在教学过程中，教师重点关注的是实验现象的观察与分析，忽视了环境成本的分析，如每消耗4mol HCl 才产生 1molCl₂ ，且浓盐酸变稀后不能继续反应，因而产生酸性废液。

针对这些问题，高中化学教师应该采取科学的方法予以解决。

4. 以绿色化学理念重构实验体系，通过绿色实验设计培养学生的环保意识

（1）教师在实验教学设计时应注意对社会议题的探究。在实验教学中，教师应注意对社会生活中的实际案例进行分析。

例如，可引导学生对生活中常见的“84消毒液与洁厕灵混用”案例进行量化分析。

已知：某品牌84消毒液（ 500mL ，有效氯 5% ）

某品牌洁厕灵（ 500g ，HCl质量分数 8% ）

教师在进行实验教学设计时须关注社会新会的热点议题进行研究，让学生关注社会生实际。通过对社会新闻“84 消毒液与洁厕灵混用致死事件”的分析，可以强化学生安全使用化学品的意识。

（2）将氯气实验教学与社会需求相结合。在实验教学中，教师应该将氯气实验教学与社会需求相结合。

案例1：探究化工氯气回收工艺。

教师通过将传统与最新的氯气回收工艺进行对比，帮助学生理解“实验—生产—环保”的技术转化逻辑。传统工艺包括化学吸收（如用碱液吸收法制漂白液、漂白精）和物理吸附技术（活性炭吸附）。而近年来，人们研究出了一些高效、低碳、环保的新技术，如膜分离（用选择性渗透膜，如聚酰亚胺膜分离氯气，回收率超过 95% ，能耗可降低 30% ）、催化氧化回收（通过催化剂，如 TiO₂ 基材料将 Cl₂ 转化为 HCl₂ 或ClO，实现资源化利用）等。当前，工业也向智能化、低排放的集成工艺转型，如氯碱厂采用膜法 + 催化氧化联用工艺，兼顾了经济性与环境友好性。

案例2：为将书本上的知识服务于生活场景，教师可组织学生开展科普实践服务日活动，走进社区宣传家庭消毒剂安全使用知识，告诉人们，像84消毒液一类的化学品严禁与酸性清洁剂（如洁厕灵、醋）或酒精混合使用，否则会产生剧毒氯气（ ），引发中毒风险。提醒人们要按说明书比例稀释（如84消毒液通常1∶100的比例稀释），要使用冷水配制，如果使用热水会加速有效氯分解。此外，使用后要通风30分钟以上，以减少刺激性气体残留等。

（二）通过引入替代法和微型化实验教学降低能耗和减少试剂用量

为了提高氯气制备与性质实验的教学质量，教师应对实验教学方法进行改革，通过引入替代法和微型化实验教学降低能耗和减少试剂用量。

1.使用替代试剂

使用高锰酸钾替代二氧化锰，反应方程式为：2KMnO₄（s）+16HCl^⋅ （浓） =2KCl+2MnCl₂+8H₂O+5Cl₂ ↑，该反应可在常温下发生，既降低了能耗，又减少了HCl的损耗。

2.设计微型实验

用医用注射器替代分液漏斗，减少试剂用量。例如，仅用 0.1gKMnO₄ 与 0.5mL 浓盐酸在密闭体系中反应，氯气的产量可达数毫升，实现实验微型化。

微型化实验具有经济、环保效益，其核心装置为5mL 注射器 + 毛细玻璃管反应体系。

试剂用量及减排效果如表2所示。

表2 微型化实验的经济与环保效果对比表

3.对实验的环保性进行改革

（1）传统实验的方法：二氧化锰与浓盐酸共热制取 Cl₂ 排空气法收集 Cl₂ 验证 Cl₂ 是否具有漂白性、与金属 （Fe，Cu） ）的反应等性质。

传统实验存在的问题：加热导致HCl 大量挥发、敞口操作导致 Cl₂ 泄漏、实验后废液直接处理。

（2）改进方案如下： ① 优化装置。使用三颈烧瓶，分别连接恒压漏斗（缓慢加入浓盐酸）、球形干燥管（装 CaCl₂ 干燥剂）、尾气吸收瓶（装 ΔNaOH 溶液）； ② 试剂减量。将 MnO 用量从 2g 减至 0.5g ，浓盐酸从 20mL 减至 5mL ，反应温度控制在 80^∘C 以下； ③ 数字化监测。在尾气排放口安装 Cl₂ 传感器，实时显示尾气排放浓度并触发报警（浓度超过 0.5ppm 时自动关闭反应装置）。

教师通过对氯气制备与性质实验的教学改革，引入替代法和微型化实验教学法，降低了实验能耗减少了试剂用量。

（三）利用一体化实验装置创新教学，改进封闭式实验系统（U形管封闭系统），减少氯气泄漏的风险

一体化实验的做法：使用U 形管替代圆底烧瓶，可将气体的发生 $$ 干燥 $$ 检验 $$ 尾气处理一体化，降低氯气泄露的风险。

一体化实验装置的创新方法是设计封闭式实验系统。

溶液封闭式实验系统关键的创新点如下。

（1）反应速率控制：采用恒压滴液漏斗（流速0.5mL/min ）；（2）过程监测：使用 pH 传感器（废液酸度） +Cl₂ 传感器双传感器对整个实验过程进行监测；（3）装置改进：教师利用一体化（U 形管封闭系统）实验装置创新教学，改进了整个实验系统，降低了氯气泄漏的风险。

（四）利用数字化技术将虚拟仿真与实操训练融合，有效实现实验教学目标

为了顺利完成实验教学任务，在氯气实验过程中，教师可利用数字化技术将虚拟仿真与实操训练融合起来开展实验。数字化实验可借助传感器对环境实时监测，降低氯气中毒的风险。虚拟仿真与实操训练融合，能更有效实现教学目标。

虚拟仿真实验是通过现代教育技术（如多媒体、计算机、传感器）而建立的一种新型实验系统，它允许实验者借助实验器材在实验平台上模拟真实化学实验的全过程［1］。在此过程中，实验者能够观察到与真实实验无异的现象，有效实现教学目标。

NOBOOK 虚拟实验室是由北京乐步教育科技有限公司开发的一款实验软件［2］，在使用时仅需登录希沃白板5软件，即可在“学科工具”中找到“NB实验”，教师只要在软件中选择相应的教材与学段，插入所需实验内容，即可轻松开展虚拟实验。该软件操作简单，部分实验无须注册会员，实验现象真实生动。这种将虚拟仿真与实操训练融合起来的方法，即便是涉及有毒物质、可能产生污染或是对实验条件要求极为苛刻的实验，也能在虚拟环境中安全、顺畅地进行操作与演示［3］。

（五）采用项目式学习提高学生的实验设计和数据分析能力

为了提高学生的科学探究与创新意识，并提升他们的实验设计、数据分析能力，教师可采用项目式学习模式进行氯气实验教学。

首先，教师围绕“优化氯气尾气吸收”的项目式学习，引导学生从速度、容量、成本、安全性、废液处理功能等多角度，对比分析氢氧化钠溶液（ （NaOH） ）、石灰乳 [Ca（OH）₂ 悬浊液〗、硫代硫酸钠（ （Na₂S₂0₃） ）等吸收剂的吸收效果和适用范围，并完成实验设计与数据分析，培养学生的实验设计能力与数据分析能力。

其次，定好实验课题：氯气尾气吸收剂的工程化选择。

任务1：对比不同吸收剂的吸收效率，如表 3所示；

任务2：设计吸收塔模型；

任务3：撰写化工厂尾气处理方案。

结论：“碱洗塔 $$ 除雾器 $$ 活性炭吸附”的组合工艺，针对特定浓度和湿度的化工尾气，具有显著的技术优势。

（六）构建氯气实验指标评价量表，科学评估实验的环保质量，促进实验教学质量提高

为了促进氯气实验教学质量的提高，教师通过制定实验指标评价量表对氯气实验教学中有关指标的实现进行评价。在开展对氯气实验教学质量评价时，特别强化了环保评分的指标，如表4所示。

通过对氯气实验有关指标的评价，教师能够精准掌握氯气实验过程中的污染控制、废液处理、能源消耗等情况，促使他们深入思考原子经济性问题，坚定对实验的环保性进行改革的决心，从而促进氯气实验教学质量的提高。

教学实践证明，氯气的制备与性质实验通过构建“绿色技术—实践创新—素养培育”三位一体的氯气实验教学体系，可以实现基本的教学目标：第一，取得环保性的突破，试剂成本降低 94% ，污染负荷减少 99% ；第二，提高实验教学效率，实验开设率从43.7% 提升至 89.2% ；第三，达成高中化学教学的核心素养培养目标。具体表现：学生社会责任素养测评达标率达 92.4% ，在“做中学”中培养了环保意识与责任感，实践创新能力、综合科学素养显著提升，团队协作能力与沟通能力得到了有效培养。同时，学生在“做中学”中不仅掌握了学科知识，更培养了环保责任感（ 98% 的学生实验后主动设计家庭消毒方案）、提升了创新实践能力（微型装置改进提案增加 37% ）以及社会问题解决能力（84消毒液混用事故分析准确率达 92% ）。

表3 不同吸收剂的吸收效率对比表

表4 实验指标评价量表

综上所述，氯气的制备与性质实验绿色化不仅是教学方法的改进，更是对学生综合素质的培养，实现了知识传授与价值引领的统一，有助于培养具备社会责任感的创新人才。为了提高化学实验教学质量，特别是提高氯气的制备与性质实验的环保质量，只有进行大胆改革，并推动基础教材修订、加强师资培训、整合社会资源，才能使环保理念、创新实践真正渗透到化学课堂，真正提高化学实验教学的质量。

参考文献

［1］陈艺.虚拟仿真演示实验在高中化学教学中的应用［D］.昆明：云南师范大学，2022.

［2］严炜.高中物理教学中虚拟实验的应用研究［D］.银川：宁夏大学，2020.

［3］尤东琳.信息技术与高中化学实验教学深度融合的实践应用：以“氯气的实验室制法”教学为例［J］.广西教育，2024（29）.

（责编 谭宏宽）