有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化教學(xué)的探索與研究

戴鳴輝

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130122）

1.綠色化學(xué)概念的提出與有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的污染現(xiàn)狀

伴隨著工業(yè)科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，環(huán)境污染已成為人類生活中不可忽視的重要問(wèn)題之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前傳統(tǒng)化學(xué)產(chǎn)業(yè)每年制造的有害廢物已達(dá)3—4億噸，一些重金屬及其化合物酚類和氰類污染造成的魚貝類中毒，一氧化二氮和甲烷等溫室氣體造成的全球氣溫升高等現(xiàn)象層出不窮，嚴(yán)重威脅著人類生存環(huán)境的清潔健康，于是“綠色化學(xué)”的概念應(yīng)運(yùn)而生并伴隨著環(huán)保觀念的流行而漸入人心。

“綠色化學(xué)”，其核心內(nèi)容為提高對(duì)原料的有效利用，盡量消除和避免使用有毒和危險(xiǎn)試劑，并爭(zhēng)取將反應(yīng)物的原子全部轉(zhuǎn)化為期望的最終產(chǎn)物。

在高校化學(xué)教學(xué)過(guò)程中，有機(jī)實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)課程中不能忽略的重要一環(huán)，但是因開設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的高校多、項(xiàng)目繁雜，且存在藥品浪費(fèi)嚴(yán)重，甚至隨意處理廢氣廢液等現(xiàn)象，難免聚沙成塔累積效應(yīng)，無(wú)形中給實(shí)驗(yàn)室及外部環(huán)境帶來(lái)負(fù)面影響。因此，我們應(yīng)該采取有效手段加以預(yù)防和解決，將有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化作為一個(gè)嶄新的課題加以探討研究。

2.實(shí)現(xiàn)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)“綠色化“教學(xué)目標(biāo)的若干措施

2.1 綠色化學(xué)意識(shí)的樹立與培養(yǎng)

若想樹立學(xué)生的綠色化學(xué)意識(shí)要求教師能夠率先把握環(huán)保低碳理念，并積極實(shí)施環(huán)境無(wú)害化學(xué)實(shí)驗(yàn)管理模式。為此，應(yīng)首先將綠色化學(xué)的相關(guān)概念及原則融入到課堂管理中，并進(jìn)行科學(xué)指導(dǎo)。例如，在課前預(yù)習(xí)階段積極引導(dǎo)學(xué)生以查找資料的方式初步了解相關(guān)實(shí)驗(yàn)試劑的毒性及其對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的損害和影響，并鼓勵(lì)學(xué)生不拘泥于教材，通過(guò)改良步驟或運(yùn)用技術(shù)手段減少對(duì)生態(tài)環(huán)境有害的原料、催化劑的使用，并有針對(duì)性地降低有害副產(chǎn)物的產(chǎn)生和排放[1]。再如，應(yīng)密切關(guān)注實(shí)驗(yàn)整體的進(jìn)行情況，及時(shí)糾正一些因意識(shí)疏忽而造成的裝置安裝問(wèn)題，阻止因其導(dǎo)致的儀器損害或有毒物質(zhì)泄漏現(xiàn)象的出現(xiàn)。通過(guò)教學(xué)過(guò)程，潛移默化地影響學(xué)生，使之在觀念上重視化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化，在學(xué)習(xí)中掌握更新實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)目標(biāo)的方法途徑。

另外，可在教學(xué)過(guò)程中將能否貫徹綠色化學(xué)意識(shí)、積極實(shí)施對(duì)環(huán)境友好舉措作為考核項(xiàng)目之一，杜絕學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不慎造成的藥品浪費(fèi)、隨意丟棄廢物等現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 實(shí)驗(yàn)試劑的選用與教學(xué)內(nèi)容的革新完善

在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，難免使用一些易燃易爆、有毒或有腐蝕性的原料，這些試劑不但用量大，而且存在危險(xiǎn)和污染，如果能勇于突破定性思維和教材，在保證實(shí)現(xiàn)原有教學(xué)目標(biāo)的同時(shí)，有針對(duì)性地選取低碳無(wú)害試劑，也能起到推廣“綠色化學(xué)”的目的。比如在原料與催化劑的革新方向上，可用無(wú)毒高效原料代替有毒原料，用新型催化劑取代腐蝕性嚴(yán)重的催化劑。在此試舉兩例：在利用硝酸氧化環(huán)己醇和環(huán)己酮制備1.6—己二酸的實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)教科書一般選用高錳酸鉀作為氧化劑。高錳酸鉀具有放熱強(qiáng)烈、有毒等不良特性，并不符合低碳環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，但若改用過(guò)氧化氫做氧化劑，則副產(chǎn)物是水，其污染程度不會(huì)隨反應(yīng)的進(jìn)行而增加，部分實(shí)現(xiàn)了綠色化學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。又如，在乙酸正丁酯制備過(guò)程中，將具有腐蝕性、易產(chǎn)生碳化異構(gòu)化等副反應(yīng)的催化劑濃硫酸，改為固體催化劑一水合硫酸氫鈉，不但能夠降低實(shí)驗(yàn)過(guò)程中“三廢”的生成量，還能將產(chǎn)品率由70%提高到90%，起到了事半功倍的效果。另外，可選用學(xué)生熟悉的天然食品代替有機(jī)藥物完成教學(xué)任務(wù)，如在利用茶葉提取咖啡因的過(guò)程中使學(xué)生掌握索氏提取器的用法；采用橘皮改良過(guò)去使用的苯甲醛完成水蒸氣蒸餾實(shí)驗(yàn)，而蒸餾得到的檸檬烯又具有光學(xué)活性，可將其進(jìn)一步用作測(cè)定旋光度的原料[2]。

在教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)施方式趨向低碳環(huán)保。

內(nèi)容低碳化主要反映在合成路線的設(shè)計(jì)上，可用綜合性較強(qiáng)、合成路線較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)代替目的過(guò)于單一的項(xiàng)目。如僅選取溴乙烷的制備這一個(gè)實(shí)驗(yàn)，就能夠?qū)W習(xí)吸收有害氣體、蒸餾、分液、萃取、干燥等重要方法，可大大降低實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無(wú)意義的重復(fù)性。另外，可適時(shí)設(shè)計(jì)一些具有連續(xù)性的實(shí)驗(yàn)，使回收到的產(chǎn)物作為反應(yīng)物而被重新利用。如在甲基橙的制備實(shí)驗(yàn)中得到的產(chǎn)物可作為重結(jié)晶實(shí)驗(yàn)的主要試劑而被循環(huán)使用，將制備好的乙酰水楊酸用于阿司匹林原料藥的檢驗(yàn)等。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)還在于，因前一產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣將影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，可提高學(xué)生對(duì)結(jié)果真實(shí)性與可靠性的感悟，通過(guò)連續(xù)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，培養(yǎng)其環(huán)保節(jié)約意識(shí)。

實(shí)施方式的低碳化主要在劑量的半微量或微量化過(guò)程中得以體現(xiàn)。將一些污染較嚴(yán)重實(shí)驗(yàn)的規(guī)模進(jìn)行相應(yīng)的縮小處理，是運(yùn)用預(yù)防化學(xué)污染的新方法新技術(shù)對(duì)常量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革的必經(jīng)之路。例如在茶葉提取咖啡因的實(shí)驗(yàn)中，將乙醇用量從150ml降低至70ml即能提取到產(chǎn)物咖啡因，再如環(huán)己酮的制備及苯乙酮的制備實(shí)驗(yàn)中，可將有害原料環(huán)己醇和乙酸酐用量減少到原量的1/5，除提高實(shí)驗(yàn)綠色化外又能有效地提高產(chǎn)率。由此可見，微量實(shí)驗(yàn)值得推廣的原因在于節(jié)約能源減少污染，降低有機(jī)實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性，同時(shí)減少了因處理“三廢”帶來(lái)的壓力。除此而外，微量及半微量實(shí)驗(yàn)的規(guī)模更接近于科研現(xiàn)狀，它的安全性和低成本大大促進(jìn)了開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的開出率，提升了學(xué)生的動(dòng)手能力和膽大心細(xì)的實(shí)驗(yàn)態(tài)度，因此，在教學(xué)過(guò)程中采取常量和微量實(shí)驗(yàn)交替配合的模式，將更有利于化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2.3 合理進(jìn)行三廢處理

在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，若不將“三廢”進(jìn)行合理有效的處理而直接排放，將會(huì)對(duì)環(huán)境和人體產(chǎn)生一定的污染和傷害。因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)結(jié)合以下幾點(diǎn)有效提高實(shí)驗(yàn)室中對(duì)“三廢”的處理效率：

（1）廢氣的處理：實(shí)驗(yàn)中應(yīng)合理使用通風(fēng)櫥，并在尾氣排出裝置處安裝氣體凈化裝置。對(duì)于在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中產(chǎn)生的有害氣體應(yīng)用專門的吸收裝置進(jìn)行吸收。

（2）廢液的處理：可將廢液分類為酸堿及有機(jī)試劑進(jìn)行分別處理。酸堿可混溶中和并調(diào)節(jié)pH值在6.5—8.5之間，并用水將其稀釋后排放；對(duì)于乙醇、乙酸乙酯等有機(jī)試劑，可在積攢到一定體積后進(jìn)行重蒸提純，并作為反應(yīng)物應(yīng)用于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中。對(duì)于一些在學(xué)校條件內(nèi)無(wú)能力進(jìn)行處理的廢產(chǎn)品，切不可直接將其倒入下水道或排放到大氣中，應(yīng)定期送到專門地點(diǎn)進(jìn)行生化處理。

（3）廢渣的處理：有機(jī)實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的廢渣一般為有毒易燃易爆的固體，應(yīng)統(tǒng)一回收并將其埋于地下固定地點(diǎn)。尤其需要注意的是特殊但常用試劑的處理方式，如在破損溫度計(jì)灑落的微小汞珠上撒上硫粉，使其合成毒性較小的硫化汞，減少環(huán)境損害等。

2.4 將節(jié)約意識(shí)與綠色化學(xué)觀念相結(jié)合

建設(shè)節(jié)約型社會(huì)是贏得國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要戰(zhàn)略之一，作為未來(lái)化工行業(yè)的主流人才，我們有必要在化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)過(guò)程中重視資源意識(shí)和節(jié)約意識(shí)的養(yǎng)成。除去精簡(jiǎn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，控制原料使用量外，也要注意水電的使用，從小處做起，才能將此觀念深植于學(xué)生的頭腦之中。比如在蒸餾回流等步驟中，冷凝裝置一組組相連的搭建方法即可大大降低自來(lái)水的用量。

2.5 科學(xué)技術(shù)的引入與完善

科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展為實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)綠色低碳目標(biāo)提供了技術(shù)支持和保障，在教學(xué)過(guò)程中適當(dāng)引用微波技術(shù)、多媒體技術(shù)已成為實(shí)踐教學(xué)的大勢(shì)所趨。

（1）微波技術(shù)。微波作為一種新能源，可用于多種化學(xué)實(shí)驗(yàn)之中，已成為一種加速有機(jī)反應(yīng)的經(jīng)典技術(shù)。它具有極大提高有機(jī)反應(yīng)時(shí)間，使受熱體系升溫均勻、控制方便、產(chǎn)率高和產(chǎn)品易于純化等特點(diǎn)。如在合成肉桂酸的實(shí)驗(yàn)中，將苯甲醛等反應(yīng)物的加熱時(shí)間由回流1.5小時(shí)縮短為微波輻射條件下的20分鐘，在此條件下可降低副產(chǎn)物產(chǎn)量，隨之而來(lái)的分離提純步驟減少，基本實(shí)現(xiàn)了“零排放”目的[3]。據(jù)目前研究表明，利用微波技術(shù)的化學(xué)反應(yīng)，可減少甚至不用溶劑，對(duì)環(huán)境污染極低。酯化反應(yīng)、重排反應(yīng)、偶聯(lián)反應(yīng)、酯交換反應(yīng)及有機(jī)金屬反應(yīng)均可利用微波技術(shù)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)速度的最大化[4]。

（2）多媒體技術(shù)。采用多媒體技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)程是“綠色化學(xué)”理念下值得重視和使用的科學(xué)技術(shù)之一。在有機(jī)教學(xué)中，存在一些污染嚴(yán)重卻又不得不要求學(xué)生全面掌握的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，此時(shí)借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)呈現(xiàn)真實(shí)完整的反應(yīng)過(guò)程，可以彌補(bǔ)因?qū)嶒?yàn)條件不足帶來(lái)的負(fù)面影響。學(xué)生也可學(xué)會(huì)在接受傳統(tǒng)課堂教學(xué)的方式外，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，展開全方位學(xué)習(xí)，有利于其自主性及創(chuàng)新意識(shí)的提高。

3.結(jié)語(yǔ)

綠色化學(xué)因其符合對(duì)環(huán)境友好的目標(biāo)，將會(huì)被越來(lái)越多的人們所重視，可以說(shuō)，它是工業(yè)及實(shí)驗(yàn)室化學(xué)發(fā)展的必由之路。面對(duì)新世紀(jì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境惡化現(xiàn)狀，高校教學(xué)部門不但要提高教師素質(zhì)與環(huán)保意識(shí)，調(diào)整課程設(shè)置，優(yōu)化課程體系，設(shè)計(jì)安排更多污染小、廢棄物低排放的低碳化學(xué)實(shí)驗(yàn)，還要從思想意識(shí)上讓學(xué)生接受綠色化學(xué)觀念，理解并掌握綠色化學(xué)的精髓，更要培養(yǎng)其對(duì)科學(xué)方法及前沿技術(shù)的操作及創(chuàng)新能力。

[1]虞春妹，劉晟波.高校有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化管理路徑探究[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2010，（7）.

[2]方東，楊錦明，王慶東.結(jié)合示范中心建設(shè)探索有機(jī)化學(xué)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（12）：82-84.

[3]張文鐵.典型有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化研究[J].安徽化工，2006，（6）.

[4]紀(jì)順俊，史達(dá)清.現(xiàn)代有機(jī)合成新技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.