基于綠色化學(xué)理念下中學(xué)化學(xué)實驗的改進(jìn)

【摘 要】綠色化學(xué)是可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)，化學(xué)實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)的觀念是新課改的熱點。結(jié)合中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，本文從綠色化學(xué)理念出發(fā)，對“乙酸乙酯的制備”進(jìn)行探討，深化實驗教學(xué)中的綠色化思想。

【關(guān)鍵詞】綠色化學(xué) " "乙酸乙酯 " "化學(xué)實驗

1 前言

環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今社會的共識，綠色化學(xué)技術(shù)是化學(xué)科學(xué)研究的熱門領(lǐng)域。為了節(jié)約實驗藥品并減少環(huán)境污染，越來越多的化學(xué)教師開展了化學(xué)實驗改進(jìn)的相關(guān)研究。有效開展實驗改進(jìn)，有多種途徑，本文主要探討綠色化學(xué)原則在實驗改進(jìn)過程中的運用。

1.1 綠色化學(xué)理念

綠色化學(xué)理念由美國環(huán)境保護(hù)總署Anastas及其合作者率先提出，其內(nèi)涵表現(xiàn)在三個方面：潔凈性，致力于從源頭防止和消除污染;原子經(jīng)濟(jì)性，在獲取新物質(zhì)轉(zhuǎn)化的實驗過程中充分利用每個原子;安全性，即在實驗過程中，盡可能不使用和不生產(chǎn)有毒有害的物質(zhì)，反應(yīng)條件盡量溫和或安全。綠色化學(xué)是追求人與自然和諧發(fā)展、主動防止污染而產(chǎn)生的一門科學(xué)。

1.2 中學(xué)化學(xué)實驗綠色化

綠色化學(xué)理念的普及離不開綠色化學(xué)教育。1995年，由美國總統(tǒng)克林頓發(fā)起，美國化學(xué)學(xué)會、國家環(huán)境保護(hù)署、白宮和國家科學(xué)院共同創(chuàng)辦了每年一次的“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎”。約瑟夫·布林是美國綠色化學(xué)研究所的首任負(fù)責(zé)人，在他的努力下，綠色化學(xué)研究所設(shè)立了綠色化學(xué)領(lǐng)導(dǎo)獎和紀(jì)念聯(lián)誼會員獎，該獎旨在促進(jìn)綠色化學(xué)教育，培養(yǎng)未來的綠色化學(xué)家和領(lǐng)導(dǎo)人。同年，中國科學(xué)院化學(xué)部確定了《綠色化學(xué)與技術(shù)》的院士咨詢課題。1997年，香山科學(xué)會議以“可持續(xù)發(fā)展問題對科學(xué)的挑戰(zhàn)--綠色化學(xué)”為主題，召開學(xué)術(shù)討論會，推動了我國綠色化學(xué)的發(fā)展。2003年，教育部下發(fā)“普通化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）”，要求學(xué)生應(yīng)形成科學(xué)的自然觀和嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度。綠色化學(xué)理念的普及改變了傳統(tǒng)化學(xué)教學(xué)模式，更注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神，是貫徹新課程理念的重要途徑。

基礎(chǔ)實驗教學(xué)在化學(xué)教學(xué)中占有重要地位，許多教學(xué)活動都是在化學(xué)實驗室中展開。由于教學(xué)用的實驗室空間較小，實驗過程中產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)會污染教學(xué)環(huán)境，影響學(xué)生及教師的身體健康，產(chǎn)生的廢氣、廢水和廢渣不經(jīng)處理就直接排出，小小的化學(xué)實驗室成了污染源?；谝陨?，化學(xué)實驗室的“三廢”治理勢在必行，在化學(xué)實驗教學(xué)中滲透綠色化學(xué)理念是必然要求。教材是教學(xué)內(nèi)容的載體，是提高教育質(zhì)量的基礎(chǔ)。在實驗內(nèi)容的選擇上，主要從典型性方面著手，忽略了環(huán)境污染的影響。為了使實驗過程綠色化，必須從源頭上，也就是實驗方法中，阻止污染物的產(chǎn)生。下面以乙酸乙酯制備為例，來談?wù)劵瘜W(xué)實驗綠色化。

1.3 傳統(tǒng)乙酸乙酯制備的不足

乙酸乙酯又稱醋酸乙酯，是食品工業(yè)及化工生產(chǎn)的重要原料，與生活生產(chǎn)息息相關(guān)。乙酸乙酯的制備是中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的重點。目前“人教版”化學(xué)教材中采用濃硫酸催化酯化合成乙酸乙酯，該實驗存在以下不足：實驗中以濃硫酸為催化劑，腐蝕性強(qiáng)，使用不安全，且不利于環(huán)境保護(hù);傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法不利于激發(fā)學(xué)生的積極性及創(chuàng)新精神的培養(yǎng);實驗易發(fā)生事故，對學(xué)生的健康造成極大威脅。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

乙酸與乙酯的反應(yīng)經(jīng)歷了加成消除的過程，質(zhì)子活化的羰基被親核的醇進(jìn)攻發(fā)生加成，在酸的作用下脫水成酯。由于酯化反應(yīng)是可逆反應(yīng)，須不斷移除生成的水才能使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。

圖1 乙醇和乙酸反應(yīng)制取乙酸乙酯的反應(yīng)機(jī)理

2.2 實驗過程

以人教版選修四中“乙酸乙酯的制備”為對照實驗：乙酸和乙醇在110℃-120℃下，濃硫酸催化合成乙酸乙酯。

改進(jìn)方案一：乙酸和乙醇在84℃-87℃下，AlCl3催化生成乙酸乙酯。

改進(jìn)方案二：乙酸和乙醇在92℃-96℃下，硫酸氫鈉催化生成乙酸乙酯。

改進(jìn)方案三：乙酸和乙醇在80℃-90℃下，F(xiàn)eCl3·6H2O催化生成乙酸乙酯。

2.3 實驗結(jié)果分析

取等量的原材料，通過不同的方案制備乙酸乙酯，精制產(chǎn)品，測得產(chǎn)率。將三組平行試驗取平均值后再進(jìn)行對比，見下表。

表1 實驗對比

由此可知，使用無水三氯化鋁作催化劑時，反應(yīng)體系呈無色透明狀，便于觀察。降低了反應(yīng)的溫度，縮短了反應(yīng)時間，操作安全無腐蝕，適合做演示實驗，也適合學(xué)生探究。

NaHSO4·H2O作為催化劑， 實驗準(zhǔn)備簡單，代替濃硫酸減少副反應(yīng)發(fā)生，有利于提高酯化率， 且產(chǎn)生廢酸少，利于學(xué)生環(huán)保意識的樹立。

六水三氯化鐵作催化劑，實驗現(xiàn)象更加明顯，不僅提高相對產(chǎn)率，還可降低反應(yīng)溫度，節(jié)約反應(yīng)時間。同時，催化劑本身用量少，可重復(fù)使用，無毒無害且不污染環(huán)境。

3 結(jié)論

本文旨在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中滲透綠色化學(xué)教育思想，從源頭上阻止污染的產(chǎn)生。遵循綠色化學(xué)原則，選取三種不同類型的催化劑，對“乙酸乙酯的制備”進(jìn)行改進(jìn)，從而達(dá)到實驗最優(yōu)化。實驗表明：使用無水三氯化鋁和六水三氯化鐵作催化劑，不僅能夠達(dá)到良好的實驗效果，還能減少對環(huán)境的污染，是典型的綠色實驗，與中學(xué)化學(xué)教學(xué)中滲透綠色化學(xué)教育思想是相符合的。

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