綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)初探

王 偉，馬 艷

（山東中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000）

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，但在實(shí)驗(yàn)中由于藥品用量大、危險(xiǎn)性大和使用一些易揮發(fā)、易燃、有毒的試劑很難避免對(duì)人體產(chǎn)生危害、對(duì)環(huán)境造成污染.在全球環(huán)境問題日益嚴(yán)峻化的現(xiàn)在，珍惜資源和保護(hù)環(huán)境是人類面臨的重大課題.自20世紀(jì)80年代明確提出的綠色化學(xué)，是具有明確社會(huì)需求和學(xué)科目標(biāo)的新的、重要的交叉學(xué)科，近年來受到更多的高校重視[1].綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)正是在此要求下，按照預(yù)防化學(xué)藥劑造成環(huán)境污染的思想指導(dǎo)下，應(yīng)用新方法、新技術(shù)對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革而形成的新的化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法.現(xiàn)在有很多高校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中針對(duì)綠色化學(xué)的要求對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)做出了很多有益的嘗試，也取得了理想的效果，而且實(shí)踐證明實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化對(duì)激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)的興趣、強(qiáng)化動(dòng)手能力、培養(yǎng)創(chuàng)新思維和對(duì)樹立環(huán)境保護(hù)意識(shí)上有重要的促進(jìn)作用.

筆者結(jié)合多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化的要求、意義、原則等方面進(jìn)行了初步的探討.

1 綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

1.1 綠色化學(xué)的定義

綠色化學(xué)是20世紀(jì)80年代提出的新的概念，進(jìn)而產(chǎn)生了一個(gè)新的交叉學(xué)科，其目的是用化學(xué)的技術(shù)和方法來減少那些對(duì)人類健康和環(huán)境有害的催化劑、試劑、原料等的使用，所以又被稱為環(huán)境無害化學(xué)或是環(huán)境友好化學(xué)[2].綠色化學(xué)主要是從原材料的安全行、過程的節(jié)能性、反應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性和產(chǎn)物的環(huán)境友好性幾個(gè)方面來評(píng)價(jià)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的可行性.其中“4R”原則是其核心內(nèi)容：即拒絕使用危害品原則（Rejection）、對(duì)實(shí)驗(yàn)中必須使用的有毒物質(zhì)或是產(chǎn)生有毒物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)實(shí)行減量原則（Reduction）、對(duì)一些催化劑等非反應(yīng)試劑的循環(huán)利用原則（Recycling）、對(duì)可重新利用原料和試劑按照“省資源、少污染、減成本”的目標(biāo)的重新利用原則（Reuse）[3].在生態(tài)環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的今天，綠色化學(xué)的出現(xiàn)，為人類利用化學(xué)來解決環(huán)境問題帶來了希望.

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化的必要性

化學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，在高?；瘜W(xué)課程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)占了很大的比重，是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的關(guān)鍵.化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的在于讓學(xué)生觀察、認(rèn)識(shí)和理解化學(xué)反應(yīng)、驗(yàn)證已有理論和方法；熟練掌握實(shí)驗(yàn)方法和技能是進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)工作的初步，能培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力、對(duì)待科學(xué)嚴(yán)肅的態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)和良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和創(chuàng)新能力.近年來環(huán)境保護(hù)問題越來越被重視，且在實(shí)驗(yàn)室逐步開展清潔實(shí)驗(yàn)的概念，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)“三廢”的集中處理和科學(xué)的回收利用，達(dá)到對(duì)貴重金屬和試劑的重復(fù)利用和對(duì)“三廢”的達(dá)標(biāo)處理.但實(shí)際過程中需要大量的人力，為此在綠色化學(xué)原則的指導(dǎo)下，開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化是非常必要的.所以在日常教學(xué)中，應(yīng)在教師和學(xué)生頭腦中樹立綠色化學(xué)的意識(shí)，從環(huán)境保護(hù)等各個(gè)方面來考慮實(shí)驗(yàn)的設(shè)置、實(shí)驗(yàn)方法手段等因素，使化學(xué)對(duì)環(huán)境保護(hù)發(fā)揮積極作用.

綠色化學(xué)概念也是21世紀(jì)大學(xué)生應(yīng)具備的基本素質(zhì)，只有較強(qiáng)的綠色化學(xué)理念和保護(hù)環(huán)境意識(shí)才能適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要.當(dāng)代大學(xué)生的知識(shí)面應(yīng)該是復(fù)合型、綜合型的[4]，而學(xué)科的交叉滲透是學(xué)科發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不但要知道學(xué)生使用綠色的實(shí)驗(yàn)方法更要向?qū)W生灌輸綠色化學(xué)理念，積極開展綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)，努力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化具有十分重要作用.

2 綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求和原則

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求

綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物對(duì)環(huán)境無物質(zhì)種類改變，或是影響極小，具體細(xì)化以下幾個(gè)方面：

（1）最佳利用率，即實(shí)驗(yàn)反應(yīng)中原料利用率盡可能達(dá)到百分之百.

（2）不向環(huán)境排放有毒物質(zhì)或者排放物質(zhì)是正常環(huán)境中本身具有的，例如 N2、O2、CO2等.例如在進(jìn)行有 NO2氣體的實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果在普通條件下加熱一定會(huì)有一部分氣體進(jìn)入空氣中，對(duì)人體和環(huán)境造成影響，但是用密封的U型胖肚管進(jìn)行溫度對(duì)平衡影響的實(shí)驗(yàn)時(shí)，則不會(huì)排放有毒氣體NO2.

（3）如果實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，可以設(shè)計(jì)微型實(shí)驗(yàn)或是利用多媒體模擬實(shí)驗(yàn)來減少藥品使用量和使污染物達(dá)到最小值.

（4）在處理“三廢”時(shí)盡量回收利用或是轉(zhuǎn)化為非污染物，例如實(shí)驗(yàn)室常用的鉻酸洗液，在處理廢液時(shí)可將pH值調(diào)到3以下，再加入亞硫酸氫鈉使其實(shí)的Cr(Ⅵ)還原成Cr(Ⅲ),然后調(diào)節(jié)廢液pH在7.5-8.5之間，使Cr(Ⅲ)形成沉淀析出[5].

2.2 綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的原則

綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)首先要遵循一般的實(shí)驗(yàn)原則即目的性、安全性、可行性、簡(jiǎn)約性等，但更要遵循綠色化學(xué)原則.P.T.Anastas和J.C.Waner曾提出綠色化學(xué)12項(xiàng)原則，這些原則目前被國際所公認(rèn)，它反應(yīng)了近年來綠色化學(xué)領(lǐng)域的工作內(nèi)容也指明了今后發(fā)展方向，它包括從試劑使用出發(fā)的5R原則和從化學(xué)反應(yīng)出發(fā)的綠色化學(xué)原則.具體為：原來最高利用率，理想達(dá)到100%、目標(biāo)產(chǎn)物無污染或是現(xiàn)有物種改變影響、反應(yīng)原料和試劑綠色化、反應(yīng)溶劑和催化劑等的重復(fù)利用.

3 化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化實(shí)現(xiàn)的途徑

3.1 實(shí)驗(yàn)微型化

所謂實(shí)驗(yàn)微型化即是在實(shí)驗(yàn)中盡量減少反應(yīng)物質(zhì)來獲得所需要的化學(xué)信息的方法與技術(shù)，雖然在實(shí)驗(yàn)過程中使用的試劑劑量很小但是也能達(dá)到準(zhǔn)確的效果，更方便、安全、減少對(duì)環(huán)境的污染[6].從中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)到大學(xué)化學(xué)有機(jī)、無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)很多都可以用少量的試劑來進(jìn)行，所以微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)覆蓋面很廣，可行性強(qiáng).更值得注意的是美國的《化學(xué)教育》雜志從20世紀(jì)末就開辟了Zippo博士主持的微量化學(xué)實(shí)驗(yàn)專欄，這表示微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)已成為國際化學(xué)教育的發(fā)展趨勢(shì)，國內(nèi)也在這方面做了大量工作取得了豐盛成果.微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)是著眼與環(huán)境保護(hù)和實(shí)驗(yàn)安全的需求，除了具有方便、安全、節(jié)省經(jīng)費(fèi)、保護(hù)環(huán)境的作用，還能提高學(xué)生的環(huán)保意識(shí)更能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì).雖然微型化實(shí)驗(yàn)興起早于綠色化學(xué)，但它的理念與綠色化學(xué)是一致的，在推廣綠色化學(xué)的今天微型實(shí)驗(yàn)具有相當(dāng)重要的意義.但是，在進(jìn)行微型化實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于試劑劑量很小很可能帶來大的結(jié)果誤差，由此更需要注意操作的準(zhǔn)確性與規(guī)范性.

3.2 微波化學(xué)實(shí)驗(yàn)

某些實(shí)驗(yàn)可以使用家用微波爐來進(jìn)行，因其體積小、造價(jià)低、適應(yīng)性強(qiáng)的特性，微波實(shí)驗(yàn)一般分為濕反應(yīng)和干反應(yīng).濕（液相）反應(yīng)一般需要對(duì)微波爐進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)可以進(jìn)行回流的微波裝置；干（非溶劑）反應(yīng)使用一般的微波爐就可以.干反應(yīng)由于避免了使用溶劑試劑，對(duì)環(huán)境污染較小，是微波化學(xué)反應(yīng)研究的熱點(diǎn).微波反應(yīng)一般有以下三個(gè)特點(diǎn)：一是加熱速度快，反應(yīng)完成時(shí)間大大縮短，符合經(jīng)濟(jì)效益；二是操作簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，一般學(xué)生都能操作，勞動(dòng)強(qiáng)度低；三是微波化學(xué)反應(yīng)劑量很小，很多微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)都可以重新設(shè)計(jì)成微波實(shí)驗(yàn)，大大減少對(duì)環(huán)境污染.

3.3 計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)既要考慮到實(shí)驗(yàn)的可靠性與可行性，又要考慮經(jīng)濟(jì)因素和盡可能少產(chǎn)生廢物，由此計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)就體現(xiàn)出了自身的優(yōu)越性.它的做法首先是建立起一個(gè)盡可能全面的有機(jī)反應(yīng)資料料庫，在確定明確產(chǎn)物之后找出一切可能產(chǎn)生目標(biāo)產(chǎn)物的反應(yīng)，再以此反應(yīng)的原料為中間目標(biāo)再去尋找可能的反應(yīng)，直到找出與我們事先設(shè)計(jì)好的原料一致的路徑.這樣不但可以節(jié)省原料試劑、大大節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，更能做到零排放物達(dá)到對(duì)環(huán)境的零污染.

有些實(shí)驗(yàn)是可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的，通過文字、圖片、動(dòng)畫向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)的基本原理、實(shí)驗(yàn)過程以及注意事項(xiàng)，讓學(xué)生在電腦屏幕上做實(shí)驗(yàn).例如展示某些有毒氣體例如NO2的化學(xué)結(jié)構(gòu)，或是金剛石等晶體結(jié)構(gòu)，搭建各種復(fù)雜分子的微觀模型來直觀展示微觀世界，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣[7].

4 結(jié)束語

化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化需要很長(zhǎng)的時(shí)間來完善，一方面需要在理論上對(duì)綠色化學(xué)進(jìn)行深入研究，另一方面需要從事教學(xué)工作的科研人員共同努力.而且在實(shí)施的時(shí)候也意識(shí)到了綠色化是一個(gè)理想狀態(tài)，有些經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)是無法達(dá)到綠色化的要求，即使使用計(jì)算機(jī)仿真模擬也難以達(dá)到教學(xué)要求，現(xiàn)在能夠做到的就是盡量妥善處理“三廢”或是最大化的回收利用.總之，在每一次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中都向?qū)W生傳輸綠色化學(xué)的理念，把綠色化學(xué)要求的實(shí)驗(yàn)方法、技術(shù)貫穿到整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)意識(shí)和環(huán)境保護(hù)意識(shí).

〔1〕汪朝陽，李景寧.大學(xué)化學(xué)教學(xué)中綠色化學(xué)教育的滲透[J].大學(xué)化學(xué)，2001，16（2）：19-24.

〔2〕汪敏，等.基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的改革與實(shí)踐[J].錦州醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，2（1）：24-26.

〔3〕宋廣治.在實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中實(shí)施綠色化學(xué)教學(xué)[A].全國大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化教學(xué)研討會(huì)論文集，2000.134-136.

〔4〕閔恩澤，等.綠色化學(xué)與化工[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

〔5〕韋連喜，等.創(chuàng)建學(xué)校綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)室[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22（5）：105-106.

〔6〕牛麗穎，曹秀蓮，劉姣，等.中藥專業(yè)《有機(jī)化學(xué)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索[J].河北中醫(yī)藥學(xué)報(bào)學(xué)報(bào)，2007，22（4）：46.

〔7〕稅永紅.淺議化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的“綠色化”[J].成都紡織高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2003，12（1）：15-18.