基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中綠色化學(xué)理念的應(yīng)用探索

史玲 江國(guó)防 汪秋安

摘要：對(duì)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的綠色化，一方面能夠加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的實(shí)踐理解并培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，另一方面又能夠減少實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響，樹立并提高學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。這也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革發(fā)展的一個(gè)重要方向。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn);綠色化學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）45-0236-02

綠色化學(xué)又稱環(huán)境友好化學(xué)，是指在制造和應(yīng)用化學(xué)產(chǎn)品時(shí)應(yīng)有效利用（最好可再生）原料，消除廢物和避免使用有毒的和危險(xiǎn)的試劑和溶劑。綠色化學(xué)的最大特點(diǎn)是利用化學(xué)原理在源頭采用預(yù)防污染的科學(xué)手段，從而使得過程和終端均為零排放或零污染。世界上很多國(guó)家已把“綠色化學(xué)”作為新世紀(jì)化學(xué)進(jìn)展的主要方向之一[1]。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是與化學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生必修的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中試劑的使用量較大，種類較多，而且大部分試劑都具有毒副作用和較強(qiáng)的揮發(fā)性，因此對(duì)環(huán)境影響很大。通過有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的綠色化，既能加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的實(shí)踐理解，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、分析解決問題能力、創(chuàng)新能力、實(shí)驗(yàn)技能，又減少實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響，提高學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和綠色化學(xué)意識(shí)，這也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革發(fā)展的一個(gè)重要方向[2]。

（一）強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)主體的綠色化學(xué)理念

要實(shí)現(xiàn)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化，首先教師自身要有綠色化學(xué)意識(shí)、環(huán)保意識(shí)和責(zé)任意識(shí)，能夠在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用綠色化學(xué)教學(xué)思想。在授課過程中，教師的以身作則，能初步建立學(xué)生的綠色化學(xué)意識(shí)?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)一般是低年級(jí)學(xué)生的課程，學(xué)生通常對(duì)實(shí)驗(yàn)涉及的化合物的性質(zhì)認(rèn)識(shí)不夠，常常出現(xiàn)一些危害環(huán)境、危害自身安全的操作。例如，由于不能夠準(zhǔn)確把握藥品體積或質(zhì)量，因此經(jīng)常出現(xiàn)過量取用藥品的情況，但是多余的藥品又不能倒回試劑瓶，就隨意丟棄在桌面上或者水槽中。再比如，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，很多學(xué)生都沒有考慮反應(yīng)過程中有害氣體的產(chǎn)生與否，往往會(huì)忘記設(shè)計(jì)氣體吸收裝置。在實(shí)驗(yàn)后處理環(huán)節(jié)，遇到待排放的酸堿溶液時(shí)，部分學(xué)生甚至?xí)⑽粗泻偷娜芤褐苯拥谷胂滤乐?。這些現(xiàn)象都說明學(xué)生缺乏綠色意識(shí)或者綠色意識(shí)還有待提高，因此在教學(xué)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)教師不斷強(qiáng)化綠色化學(xué)的理念就顯得尤為重要：為了給培養(yǎng)學(xué)生綠色意識(shí)打下基礎(chǔ)，在學(xué)生首次進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，介紹如何安全使用化學(xué)試劑，介紹“三廢”直接排放對(duì)環(huán)境帶來的危害;為了引導(dǎo)學(xué)生形成綠色化學(xué)的思維，在授課環(huán)節(jié)，對(duì)傳統(tǒng)合成路徑從原料、催化劑、反應(yīng)溫度等方面進(jìn)行分析，對(duì)比新型的綠色合成技術(shù)，讓學(xué)生對(duì)各種方法的優(yōu)劣勢(shì)形成直觀的感受;為了讓讓學(xué)生自覺地產(chǎn)生環(huán)保意識(shí)，教師應(yīng)在實(shí)踐過程中具體介紹“三廢”的處置方式，分析綠色實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，并讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)綠色合成路線，通過多種方式使學(xué)生牢固樹立綠色化學(xué)的意識(shí)。

（二）綠色化學(xué)理念在有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所需的化學(xué)藥品用量比較大，涉及一系列容易導(dǎo)致環(huán)境污染的藥品，如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑和部分重金屬鹽等，同時(shí)反應(yīng)和具體操作都有可能污染環(huán)境。從單次實(shí)驗(yàn)來說，可能造成的污染不大，但是累積效應(yīng)卻不容忽視。因此，探索如何將綠色化學(xué)的十二項(xiàng)基本原則應(yīng)用在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中就具有極為重要的意義。

1.微量半微量實(shí)驗(yàn)的開展。過去我校有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)普遍是常量實(shí)驗(yàn)，存在如成本高、周期長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)的廢棄物量大而實(shí)驗(yàn)室難以處理等問題。近幾年，隨著微量半微量實(shí)驗(yàn)的開展，試劑的用量大大減少，實(shí)驗(yàn)成本明顯降低，實(shí)驗(yàn)時(shí)間相應(yīng)縮短，污染物的排放量也大幅度降低，從而減輕了環(huán)境的污染。實(shí)踐證明，微量實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的操作技能要求更高，再加上部分微量實(shí)驗(yàn)使用的儀器和操作方法與常量實(shí)驗(yàn)相比有著比較大的差別。因此，在降低環(huán)境污染的前提下，半微量實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋玫嘏囵B(yǎng)學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)技能。與過去開展常量實(shí)驗(yàn)相比較，現(xiàn)在單人單組開展實(shí)驗(yàn)，所使用的試劑或藥品的量及產(chǎn)生的廢棄物的量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到過去的五分之一。

2.更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)手段的原則。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革過程中，對(duì)于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)手段的更新我們遵循了以下幾條原則：1）盡量避免使用有毒有害或難以回收的反應(yīng)溶劑或試劑;2）合理改進(jìn)合成路線，盡可能減少“三廢”的產(chǎn)生和排放;3）采用節(jié)能的實(shí)驗(yàn)手段，如微波促進(jìn)反應(yīng)。從多種制備方法中選擇相對(duì)環(huán)保的實(shí)驗(yàn)路徑，優(yōu)選價(jià)格低廉、反應(yīng)條件溫和、原子經(jīng)濟(jì)性高、節(jié)能的環(huán)境友好型實(shí)驗(yàn)，也是綠色化學(xué)思想和環(huán)保理念的具體體現(xiàn)。

3.試劑回收循環(huán)使用。實(shí)驗(yàn)過程中，教師必須及時(shí)糾正學(xué)生的不規(guī)范操作，如過量取用反應(yīng)原料、溶劑、催化劑，隨意丟棄可回收利用的溶劑，隨意混合不同回收再利用途徑的藥品、溶劑，從而造成回收或處理困難?；厥昭h(huán)利用能夠?qū)⒔?jīng)無害化處理后的試劑，作為其他實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)材料再一次循環(huán)利用起來，可以節(jié)省資源、減少污染、降低實(shí)驗(yàn)成本。比如在熒光黃和堿性湖藍(lán)BB的柱層析分離實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生蒸餾收集洗脫劑乙醇，或用作其他班級(jí)同學(xué)實(shí)驗(yàn)的洗脫劑，或用作基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的蒸餾操作中的試劑，從而實(shí)現(xiàn)試劑的循環(huán)利用。另外在實(shí)驗(yàn)過程中，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)尋求提高試劑利用率、減少廢棄物排放的方法，使學(xué)生自覺踐行綠色化學(xué)理念。

4.實(shí)驗(yàn)室“三廢”的處理。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢液，部分學(xué)生為了省事，往往隨意合并廢液并將其傾倒在下水道中，這種行為不但具有很大的危險(xiǎn)性，而且成分復(fù)雜且濃度高的有機(jī)廢液，進(jìn)入到水體中會(huì)嚴(yán)重污染水質(zhì)，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康也會(huì)產(chǎn)生不良影響。為了提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)，教師對(duì)于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中回收處理“三廢”做出了嚴(yán)格的要求：對(duì)于不可避免的廢氣，采用相應(yīng)的氣體吸收裝置進(jìn)行處理;廢液、廢渣不得隨意丟棄，必須分類進(jìn)行收集。教師將學(xué)生分成幾個(gè)小組，分別對(duì)不同的廢液、廢渣及廢瓶進(jìn)行定期處理或回收。不能再使用的廢棄物進(jìn)行無害化處理，可以再用的進(jìn)行重新提純、重復(fù)利用，從而減少有害物的排放。例如，在正溴丁烷制備實(shí)驗(yàn)中回收的氫氧化鈉溶液可被用來中和反應(yīng)中洗滌完粗產(chǎn)品之后的硫酸，中和液再進(jìn)行排放，而不是酸、堿液?jiǎn)为?dú)直接排放，這樣既避免了酸堿對(duì)管道的腐蝕和對(duì)水體的污染，又避免了廢液排放時(shí)可能引發(fā)的危險(xiǎn)。[3]通過這些手段，使得學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)室廢棄物的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深，學(xué)生樹立牢固的綠色化學(xué)理念起了強(qiáng)有力的推動(dòng)作用。

5.仿真技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)。有些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)，所用藥品太貴，裝置復(fù)雜，試劑刺激性強(qiáng)甚至有劇毒，反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生有毒有害的物質(zhì)，還有些實(shí)驗(yàn)容易爆炸，危險(xiǎn)性較大，對(duì)人體及環(huán)境危害較大，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的條件還無法開展這些實(shí)驗(yàn)，如芳環(huán)的溴化反應(yīng)、盧卡斯試劑與醇的取代反應(yīng)、重氮化反應(yīng)等。采用圖片、flash模擬、視頻等仿真技術(shù)將實(shí)驗(yàn)過程展示給學(xué)生就是非常有效的輔助教學(xué)手段。此類直觀的實(shí)驗(yàn)資源，能夠生動(dòng)、形象地為學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)的規(guī)范操作，展示實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展過程，既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開闊視野，又可以有效地降低實(shí)驗(yàn)帶來的污染，減少不安全因素。

6.合理運(yùn)用多步驟半微量合成實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程獨(dú)立性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)所需試劑種類多、產(chǎn)生廢棄物多，單個(gè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢棄物較難回收重復(fù)使用。遵循綠色化學(xué)的十二項(xiàng)基本原則，本校有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，采用連貫性系列實(shí)驗(yàn)，即將前一次實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品作為下一次實(shí)驗(yàn)的原料，從而盡量減少實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)對(duì)教學(xué)資源的浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的污染。例如二級(jí)實(shí)驗(yàn)“由苯胺合成對(duì)硝基苯胺”中，由苯胺經(jīng)乙?；@得乙酰苯胺一步實(shí)驗(yàn)，涉及到回流、抽濾、重結(jié)晶、熔點(diǎn)的測(cè)定等操作;產(chǎn)物乙酰苯胺經(jīng)硝化獲得對(duì)硝基乙酰苯胺，這一步實(shí)驗(yàn)涉及低溫下的攪拌、抽濾、薄層色譜分析等操作;硝化產(chǎn)物再經(jīng)水解獲得對(duì)硝基苯胺，這一步中涉及酸化水解、中和、水蒸氣蒸餾、萃取及柱層析等相關(guān)操作。在每一步實(shí)驗(yàn)中都要求學(xué)生對(duì)每一個(gè)細(xì)節(jié)和產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行分析，再將前一次分析的結(jié)果與下一次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。因?yàn)槊恳淮螌?shí)驗(yàn)?zāi)芊耥樌_展都取決于前次實(shí)驗(yàn)中獲得的產(chǎn)品的數(shù)量和純度，因此，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候都非常仔細(xì)、謹(jǐn)慎，能夠充分理解各步實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系并進(jìn)行規(guī)范操作。在獨(dú)立的合成實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生往往只重視實(shí)驗(yàn)的結(jié)果而忽視規(guī)范實(shí)驗(yàn)的基本操作，通過連貫性系列實(shí)驗(yàn)，這個(gè)問題得到了很好的解決，同時(shí)，學(xué)生對(duì)自己做過的實(shí)驗(yàn)也能留下較為深刻的印象。在連貫性實(shí)驗(yàn)中，每次實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品被用作下次實(shí)驗(yàn)的原料，很好地降低了實(shí)驗(yàn)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也解決了獨(dú)立實(shí)驗(yàn)需要存放或處理大量、多種產(chǎn)物所面臨的環(huán)境問題，具體實(shí)現(xiàn)了綠色教學(xué)。

三、總結(jié)和展望

在21世紀(jì)初，我國(guó)已經(jīng)將綠色化學(xué)的發(fā)展與科學(xué)發(fā)展觀有機(jī)地結(jié)合在一起，提出“以人為本，全面、協(xié)調(diào)與可持續(xù)發(fā)展”的觀點(diǎn)。如何有效地將綠色化學(xué)理念應(yīng)用到有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，既保證有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的正常開設(shè)，使學(xué)生掌握必要的知識(shí)和技能，又將其危害和污染降低到最低限度，這還需要廣大化學(xué)教育工作者進(jìn)行更廣泛而深入的應(yīng)用探索。

參考文獻(xiàn)：

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