再谈中学化学实验教学改革_上_在_省略_化学实验教学高级研修班_上的讲话_宋心琦

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再谈中学化学实验教学改革（上）

——在《化学教学》“中学化学实验教学高级研修班”上的讲话

宋心琦

(清华大学化学系，北京 100083)

摘要：阐述了对中学化学实验教学重要性及其教育功能的认识，提出了化学实验体系的三个要素，通过具体实验案例说明：改进实验教学，不仅应当关注具体的实验，更要从课堂教学开始，引导学生学会赏析、学会批判、学会思考，将动手能力真正体现为学会做实验。结合课程标准的实例进一步阐述了如何提高实验教学质量。

关键词：中学化学；实验教学；教学改革

文章编号：1005–6629(2013)3–0003–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 对化学实验教学重要性的认识

化学是一门重要的基础科学，虽然和物理学、生物学、天文学等学科的视角和研究方法不尽相同，但是它们之间实际上是相通的。例如，核酸化学的研究使得生物学由细胞水平提高到了分子水平，促成了分子生物学的诞生；地球、月球和其他天体化学成分中有关化学元素分布规律的研究及星际空间简单化合物的发现，为天体演化论和现代宇宙学的形成和发展提供了重要的事实基础，同时也促成了地球化学和宇宙化学的诞生。由此说明，为了全面培育公民的科学素质，化学教育和教学不可或缺。

化学是一门实验性的科学，它在原子分子水平上通过对物质的组成、结构、性质和变化的研究，促进了人们对物质世界形成和发展的认识；通过对物质构成及稳定性等关系的了解，以及大量复杂天然产物和自然界原来不存在的新物质的合成，使得物质世界的内涵日益丰富。和其他基础科学相比，化学更注重物质的个性，个性的发现、认定和鉴别已成为实验化学家的主要工作。虽然近年来理论化学方法得到了长足的进步，但是所得结论仍然需要通过精心设计的实验来验证。所以化学仍然是一门实验性科学。这就确定了化学实验在化学教育和教学中不可替代的地位。

既然对理论推导或科学假设的检验，通常由科学实验来完成，那么为什么又要承认实验结论普遍具有不确定性（尽管程度可以不同）是科学素养的最重要内涵？以化学为例，物质的性质，不仅决定于它固有的组成和结构，还要受到所处环境（包括物理环境和化学环境）的影响。例如水的沸点决定于当时当地的大气压；也决定于溶解于其中的溶质的数量和性质；水在通常

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情况下是一种灭火剂，但是在遇到赤热的炭或金属钠、镁时，反而会因为分解产生氢而助燃。这些现象说明，对物质性质的描述只有在有影响的众多因素能够确定或忽略不计时才是确定的。如果用数学语言来表述，那就是“物质体系的性质是多因素的函数”。化学实验的结论虽然通常是在严格控制条件下得到的，但是还有一些因素往往被认为是可以忽略的，例如很多实验是在对大气开放的条件下进行的，大气的影响一般认为是可以忽略的，可是并不都有严格的实验证明。科学实验结论必然存在程度不同的不确定性，是科学持续发展的动力，也是科学的魅力所在。绝对正确的唯一答案，只存在于目前的习题、考题和竞赛题之中！后者在帮助学生懂得什么是科学并保持持续进行探究的兴趣和动力方面，作用非常有限。

2 化学实验体系三要素

一个化学实验，不论是演示实验、教学实验还是科学探究性实验，都可以归纳为作为实验对象的物质体系（若目的在于探究化学变化过程，也可以称作化学体系）；适当的仪器装置和必要的安全措施；合理的实验步骤和规范的操作技术。三者不可或缺，但是从学科教育的角度来评价，应当认为它们的重要性是不等同的，而且是依次递减的。在学习或研究化学时，选用什么化学体系是由学习或探究的目标决定的；化学体系选定之后，使用什么样的仪器装置也就大致确定了；实验步骤决定于所选定的化学体系和仪器装置，如何安全地、有序地完成实验，决定了实验者所应具有的操作技术的规范程度。只有这样来认识化学实验，才能真正体现出为什么化学仍然是一门实验性科学和为什么学习化学一定离不开实验，也才能够做到通过化学实验（包括演

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示和教学实验、探究性实验活动）学习化学并培养学生的科学精神和科学作风。

不必讳言的是，现在的化学实验教学中，因为实验体系来自教材或教参，使得实施时往往把注意力放在第二、第三两个方面，化学体系选择反而成为次要甚至被忽略，于是除去通过实验能够加深对某个实验现象的印象外，学生受到的教育仅仅侧重于对所用仪器装置的认识和基本操作训练过程中受到的科学作风培育。化学本身教育的缺位，是很多教师认为黑板上“做实验”也并无不可的原因之一，也是中考高考试题中出现花样翻新的实验装置设计的诱因之一。

3 化学实验教育功能的定位问题

虽然化学仍然是一门实验性自然科学，化学实验研究也依然是化学学科发展的基本途径，但是作为化学启蒙阶段的中学化学，甚至大学及研究生阶段的课程学习，合乎学科内在逻辑的理论及重要知识仍旧是课程教学及学习的基本内容。后学者不可能罔顾前人已获得的发现和认识，企图一切都通过学生的亲手实验来获取的想法不仅不现实，而且违背了人类在认识客观事物时必须遵守的有效继承和持续发展的认知规律。所以在学习系统的初等化学时，作为中学化学教学中的实验，虽然是重要的，却不能包揽中学化学教学的全部要求。这是我们在研究中学化学教学实验改革时，必须达成共识的一个方面。

作为化学教育乃至素质教育来说，由于化学实验活动（包括教师的演示实验和学生在课外活动中进行的科学实验）中强化了实验者和研究对象之间的“互动”，出乎意料的现象、不同于预期的结果、不同实验者或实验组所观察到的实验现象或所获得的实验结果之间的差异，都能够对实验者进行实时反省、思考和采取新的探究路线等产生促进的作用，是课堂理论教学或阅读教材所难以实现的。这是化学教育界虽然一再强调重视实验，但实际上考虑不多的一个方面。应当列为研究内容之一。

实验引发的兴趣和游戏引发的兴趣不同，前者可以转化为继续深入和持续探究的愿望和动力，而后者只能引起一时的欢愉。实验目的不明确，或学生不感兴趣，是出现注意力不集中、态度不严肃等现象的诱因。产生上述现象的原因，在于实验教学和教育功能的定位不够全面（例如把实验的教育功能主要归之于培养动手能力和验证原理或某个规律）。如果动手不能和实验的目的紧密结合，就不能起到促进动脑的作用，也就不能形成真正的能力；假如实验的目的仅仅着重于对某个原理或规律的验证，而实际上学生和教师并不认为

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真有验证的必要，因为他们相信书上的结论（我们也希望他们相信书上的结论）。做一个做不做都无所谓的实验，能够引发学生的求知欲和兴趣吗？验证性实验一定会把注意力集中于结论或结果，体系的变化过程则往往被忽略。而化学体系的变化过程才是可控的，实验者的想法和预测将在这个调控过程中经受严格地检验并实时地进行调整，这种“互动过程”有助于实验者不断深化对物质世界的认识，对化学的陌生感也会由此逐渐消失。只有有了这种感觉，才能够有助于实现初等化学的启蒙作用。只有关注过程，才能通过实验进一步明确科学原理和结论只是在确定的实验条件下才一定是确定的，从而真正体验到什么是科学。为什么学习化学和发展化学必须进行科学实验探究，以及为什么在学习初中化学时就可以进行探究性学习等问题，由此都可以获得合理的解释。

4 学会对前人科学实验成果的赏析和批判提高实验教学质量的关键在于提升对科学实验重要性的认识。整个科学发展史实际上是由千千万万个科学实验集成的。教材不过是对经过反复验证的科学实验成果的合乎逻辑地、有序地文字表述而已。初等化学教材中，除去化学语言外，所有的化学知识、基本概念和理论的陈述，实际上都是在阐述前人科学实验的成果。在此认识基础上，演示实验和学生实验才能持续地产生科学教育和激励创新的动力。所以改进实验教学，不仅应当关注具体的实验，要从课堂教学开始。学会赏析、学会批判、学会思考，所谓动手能力才能体现为学会做实验。

所谓学会赏析，就是通过对几个经典实验的较全面介绍。包括化学体系的选定、为适合过程观察而选用和构建的仪器装置、对实验现象的描述和解释、实验证实了什么、有什么科学意义等。逐步建立起一个可用于评价科学实验水平的参比系。所谓学会批判，就是选择几个著名实验，在赏析的同时，以批判的眼光分析其不足之处和产生不足的原因。可以提高学生对科学实验和理论必然具有不确定性的认识，深化对科学精神的认识。

如果能够把握住由实验目标的确定、方案的选择、条件的准备、步骤的设定（和实验过程的调控）、与物质变化相关现象或数据的获得到形成实验结果或结论这样一条合乎逻辑的认知主线的构建，繁琐的表象，将转变为对科学的简洁明了之美的感受。

针对化学实验的特点，模仿在启蒙阶段是一种有效的学习途径，除演示外，更应当重视对实验方案的“赏析”，帮助学生学会从“繁琐”中把握化学实验设计应

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当包括的主要方面。“实践”时则应当鼓励学生设想是否有其他替代方案，通过比较来扩展自己的知识和实验能力。“批判与创新”始于发现问题和有针对性地思考，但只有完备的实验才能检验批判是否合理，方案是否可行。严格的实验验证，有助于实现“创新”。

就物质世界的认识和发展而言，化学的重要性不是不言而喻了吗？化学实验的教学和教育功能不是由此凸显出来了吗？

4.1 学会赏析——从经典的化学实验入手4.1.1 拉瓦锡测定空气组成实验的赏析

拉瓦锡测定空气组成实验是一个在18世纪就已经完成了的经典实验，在大多数初等化学教材中都可以找到。经典实验何止千万，它之所以被选入教材，不仅因为空气属于化学启蒙阶段必不可少的重要化学物质体系，也不仅因为空气组成已经成为人们普遍具有的基本常识。还因为发现空气组成实验的研究，可以充分体现化学学科的特点（尽管这里所说的组成并非纯物质的化学组成，而是由多种纯物质混合而成的混合物的组成）。其实这个著名的化学实验所包含的化学教育内容十分丰富，遗憾的是，在教学中往往被当成一个历史事件一带而过。

拉瓦锡测定空气组成实验值得着重提到的有两个方面。一个是化学体系的选择。因为空气是一个由多种气体组成的混合物，要测定其中氧气的百分率，最佳选择应当是找到一种只和氧气起反应的化学物质，而且反应产物容易分离。可以和氧气直接作用的物质很多，中学化学涉及到的至少有：大多数金属；氢、碳、硅、磷和硫等非金属；此外还有碳氢化合物及许多有机物。但是只和氧气反应，而且产物并非不溶或部分溶解的可选对象并不多。拉瓦锡所选用的汞，应当认为是上上之选。汞在常温下呈液态，所以除去用作反应物外，还可以通过连通器直接用于测量反应器（曲颈甑）内空间体积的变化。其次汞的沸点为356.6 ℃，源源不断气化的汞原子和空气中的氧分子发生的反应属于气相反应，因为汞原子数和氧分子数之比，远远超过化学计量比的要求，氧气可以完全用尽。反应生成的氧化汞，在这个温度下呈固态，且不溶于汞。因为密度低于液态汞，所以浮在汞的液面上，很容易分离。还能找到具有类似优点的反应体系吗？

HgO为红色固体，于500 ℃左右可以分解，同一曲颈甑即可完成它的分解。使分解后得到的气体产物回到留有剩余气体的空间后，可以发现原来减少的气体是否因为和汞结合而存在于HgO中了。拉瓦锡还进一步证明了HgO分解后得到的气体，其性质和原来放置

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在曲颈甑中的空气完全相同，说明HgO组分中的氧都是由曲颈甑内空气中的氧气转化而来的。

可以把上述实验过程，简化为3个步骤：步骤1 步骤2 步骤3

2Hg+O2→2HgO2HgO→2Hg+O2

步骤2得到的O2和步骤1剩余的N2

混合，还原成“原来”的空气。

通过这个实验，可以看到这个实验的设计的完美，空气试样的还原，是对汞的氧化源于它和空气中氧气间的反应的结论，几乎无懈可击。通过和以磷代汞的实验的对比，可以帮助学生了解如何评价科学实验的优劣。

其次，通过这个实验的赏析，不仅可以帮助学生学习和分清物质的化学性质及物理性质；化学变化及物理变化；混合物和化合物；以及单质和化合物的区别。还可以有助于初学者学习有关的基本概念和认同学习这些化学术语的意义。

为了避免因汞的毒性可能带来的安全问题，教材中对空气组成测定体系放弃了汞体系。一般多选择磷来代替汞。磷和氧的反应如下：

4P+5O2→2P2O5

通过和上例比较，建议引导学生思考和讨论以下的问题，可以提升对赏析的认识，因为有比较，才有鉴别。

（1）已知S、C、Mg、Na、蜡烛等都可以满足和空气中的O2发生燃烧反应的条件，为什么P是除汞之外的“最佳”选择？

（2）对这个探究性实验来说，为什么以Hg方案最为理想？（通过与Hg方案的对比）

（3）实施“磷”方案时，最重要的前提假设是什么？（假设磷可以把空气中的O2用尽）

（4）采用“磷”方案时，除去经典的体积测定法外，还能想到哪些方法？

4.1.2 泽维尔飞秒化学实验的赏析（泽维尔因飞秒化学方面的工作获1999年诺贝尔化学奖）

严格说来，飞秒化学这个名词并不很准确。从字面上看，好像是一个新的化学领域，实际上所谓飞秒化学不过是利用飞秒时间分辨光谱于化学反应动力学研究的一项新技术，所谓“飞秒”只是着重表明了该技术在时间分辨率方面的主要特征而已，用飞秒（10-15 s）的尺度来观测化学反应过程时，可以揭示出反应过程中某些寿命更短的中间步骤的重要细节，例如，是否要经由某种过渡状态、是否起反应的分子或原子之间必须要形成具有特定结构的中间物种等等。一旦确切地知道了某个化学反应过程的有关细节，就可以确切地知道

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该化学反应的真正机理，也就有了对该化学反应施行调控时所采取的有效措施的依据。

在分子水平上直接观察化学反应中的种种细节，是化学家们几百年来孜孜以求的重大目标之一，因为它可以回答类似于为什么有些反应可以发生，而另一些则不能；一个反应的速率为什么和体系的温度有关等等一些非常基本的问题。但是由于很多化学反应的速率是如此之快，例如，人眼一瞬间所需时间约0.25秒，而在这个短短的时间内，化学反应体系中气体分子间相互碰撞（发生作用的前提）的次数却超过了31010次!

根据现在对化学反应过程的了解，通常认为在反应物和产物之间存在着一个过渡态（例如以过渡络合物的形式存在），对获取在反应过程中旧的化学键是如何断裂的和新的化学键又是如何形成等信息起着关键的作用。但是过渡态的寿命很短，用常规方法根本无法对它做到实时观察，以至于在远超过渡态寿命的时间里所得到的数据，往往是大量彼此并不全同（甚至无关）信息的统计平均，无助于确认过程中的重要细节，这是对同一实验结果的解释经常因人而异，或经不起推敲的原因所在。解决这个问题的关键在于发展一种在时间分辨能力上能够和过渡态寿命相匹配的用于超快速激发和检测的技术，飞秒脉冲激光器的出现,为实现这一目标提供了必要的技术手段。

泽维尔（美国加州理工大学物理化学教授）于20世纪70年代中期就开始尝试用短脉冲激光（10-9 s，10-12 s）辐照反应体系中的分子和原子，希望能够实时地捕捉到其中的动态信息，亦即在反应物转变为产物的过程中所有过渡态的信息[1]。因为分子和原子对光的吸收或发射时的频率严格地和分子及分子中的原子所处的微环境（包括结构特征和邻近分子间相互作用）有关，所以记录下来的吸收光谱或发射光谱应当可以真实地反映出体系内分子和原子的变化情况，所能披露细节的详尽程度则决定于入射光的脉冲宽度和辐照的频率。皮秒（10-12 s）脉冲激光对于寿命只有飞秒（10

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过时间延迟调制的与产物吸收峰波长相同的另一束超短脉冲激光进行检测，检测出来的产物信号强度对时间作图所得到的光谱，就可以揭示在过渡态存在的寿命区间活化络合物的动态变化。

由过渡态发射的光子数量比反应产生的自由碎片发射的光子数量低约6个数量级，但是和经典的时间积分方法相比，超短脉冲技术可以把检测灵敏度提高104-106倍，因而所有经过过渡态的分子基本上都可以检测出来。这是飞秒化学所以获得成功的最关键之处。

在泽韦尔有关飞秒化学的诸多工作中，最有特色的是关于H原子和CO2分子间的“双分子反应”。在进行飞秒化学研究时，如何确定双分子反应的起始时间（t=0），是一个十分棘手的难题。泽韦尔利用范德华“前体分子”IH…OCO作为研究体系的想法有很大的创造性。以I原子因母体分子IH发生光解而离去时发出荧光的瞬间作为t=0，解决了这个问题。而这时的 H原子虽然基本上保持着原来的H…OCO状态，却具有较高能量（称为热氢原子），迅即和邻近的氧结合形成介稳过渡态物种[H-OCO]*（称作碰撞络合物）并立即开始发生由 [H-OCO]*→HO+CO的双分子反应。当检测激光脉冲检测到目标物种OH自由基时（在反应动态学研究工作中，OH自由基的检测技术和方法都已经比较成熟），则意味着H…OCO光解反应的结束。由激励和检测到产物的两个激光脉冲之间跨越的时间（约700 fs），就可以推算出过渡态物种的寿命。他所建立的这种方法，为解决超快反应过程（包括过渡态及中间体的生成和衰变过程）的计时问题提供了一种具有普遍意义的方法。图1是有关H…OCO光解反应的示意图。

s）量级的过渡络合物来说，就像用一把刻度为

米的长尺去量一根肉眼几乎难以分辨的纤维一样，精度是远远不够的。所以只有同时具备了脉冲宽度在飞秒量级的激光器和灵敏度相适应的信号采集和处理技术时，才有可能实时地捕捉到分子原子反应中的那些瞬息万变的动态信息。

飞秒化学在探测反应过渡态时所用的方法和过去常用的方法（时间分辨光谱法）在原理上没有太大的区别。用与目标分子吸收峰波长相同的一束超短脉冲激光照射目标分子，使其从基态跃迁到激发态，然后用经

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↑激励激光脉冲

检测激光脉冲↑

图1 H…OCO分子间化合物光解反应的飞秒化学示意图

泽韦尔的成就所给予我们的启示中有两点最为重要，即技术设备（通常称之为硬件）是重要的，否则巧妇难为无米之炊，工作无法开展；其次是如何能够找到适当的化学体系。后者取决于科学研究工作的长期积累和艰苦的思维与实践过程（可以称之为软件），和泽韦尔同时拥有飞秒时间分辨光谱设备的单位何止百家，

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可是真正能够利用这种技术做出有开创性的高水平的研究工作的人却屈指可数，就不能不认真地思考它所给予我们的启示和鞭策。

4.2 学会批判——学习如何确认化学实验结论的不确定性

除去学会对经典实验的赏析外，还应当学会如何通过探索化学实验结论的不确定性以体现科学的批判性和严谨性。为了说明即使在中学阶段，实验教学中仍然可以帮助学生通过探索化学实验结论的不确定性，从而了解什么是科学的批判性。这类学习或活动，是在充分肯定前人的成就和贡献的前提下进行的。科学的批判性是科学得以持续发展的动力，是后继工作的基础，也是后人实现创新、突破和开创所需信息的源泉。这是过去在实验教学中做得很不够的一个方面，值得认真研究。为了说明这个问题，兹举数例如下。

4.2.1 稀有气体发现史的启示

早在1785年，人们就已经知道空气中含有氮、氧、二氧化碳等气体。卡文迪许在研究空气组成时，发现把空气中的这些成分一一除尽后，容器中还残留有少量气体。但是这个实验结果没有引起科学界的重视。谁曾想到过其中竟隐藏着一个完整的化学元素家族！

100多年后，瑞利发现从含氮化合物中分离出来的氮气重1.2508 g/L，竟然比从空气中分离出来的氮气每升重0.0064 g。通过和化学家莱姆赛合作，于1894年用光谱分析法从剩余气体中发现了第一个稀有气体-氩。莱姆赛在此基础上陆续发现了氦、氖、氪和氙，基本上完成了稀有气体元素族的发现，并因此获得了1904年诺贝尔化学奖。

这段历史在所有的初等化学教科书中都可以找到，对卡文迪许当初的实验探究仅停留在发现有“未知”残留气体的评论，或责之为疏忽，或引为憾事。其实高精度测量技术的阙如才是最根本的原因。新技术的发明与应用对科学的推动作用，是我们由这一史实中最应当汲取的教训。上面介绍过的泽韦尔在飞秒化学领域的成就，是这一认识的又一有力例证。

4.2.2 C60与碳纳米管发现史的启示

在电弧炉中用电弧轰击石墨靶，不仅能够得到C60

（1985年发现，1996年获奖）也能得到碳纳米管（纳米管的发现比C60晚了十多年！）碳纳米管的稳定性远高于C60 ，因此在发现C60时，电弧炉中必然同时存在大量的碳纳米管（碳纳米管的机械性能和电学性能均高于C60，已经成为最受材料学家和微电子学家钟爱的新型材料[2]）。它未能被及时发现，是科学发展史上的一

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件憾事。为什么当时只发现了C60？因为检测产物时所用质谱仪只能检测气态的分子及碎片，碳纳米管因质量过大，难于气化进不了质谱仪的检测系统，故而被遗漏了。如果除去质谱仪外，同时用高倍电子显微镜对电弧轰击产物进行检测，是可以观察到碳纳米管的。十几年的延误带给人们的教训，难道不应当认真吸取吗？教训是什么？在检测未知反应的产物时，特别是存在固态产物时，手段不可单一，亦即对产物中所有未知物的分离和检测均不可忽略。

4.2.3 绿色荧光蛋白示踪成果的启示

钱永健因发展绿色荧光水母蛋白（GFP）探针[3]被授予2008年诺贝尔化学奖。由此人们可以实时跟踪具有生物活性蛋白的运动和变化过程。此外他还发现了可以用来改变荧光光色的多种途径。所以是一项具有重大意义的科学发现。

但是物质的性质决定于分子的组成和结构，当目标蛋白接上具有荧光探针功能的水母蛋白后，它的“行为”还和原来完全一样吗？这个前提条件至今没有见到令人信服的证明。其实这个问题在很多实验结果中都存在（例如用谱学方法得到的实验结果）。这是一个极具挑战性的大问题。

参考文献：

[1] A Zewail.飞秒化学[J]. J.Chem.Phys.，1987，（87）：1451.[2]黄可龙主编.无机化学[M].北京：科学出版社，2007：432.[3]The Nobel Prize in Chemistry 2008：[How the Jellyfish’s Green Light Revolutionised Bioscience] The Royalswed.Acad.Sci.， www.kva.sc.

[4]宋心琦.化学实验教学教学改革建议之一[J].化学教学，2012，（4）：3.

[5]宋心琦.化学实验教学教学改革建议之二[J].化学教学，2012，（5）：3.

[6]黄可龙主编.无机化学[M].北京：科学出版社，2007：333.[7]宋心琦.不该受到冷落的无机“富勒烯”[J].国外科技动态，2001，（2）；25.

[8]The Nobel Prize in Physics 2010：[Graphene—the perfect atomic lattice ] The Royalswed.Acad.Sci.，www.kva.sc.

[9]磁场诱导下的变色体系[J]. Jianping Ge,etc.，Angew. Chem. Int. Ed.，2007，（46）：7428~7431.

[10]氢动力能源新设想.http://wendang.chazidian.com 2007/8/30.[11]除汞新技术[J]. C&ENs July 7，2008.

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