張鳳秀葉霞

(西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 重慶400716)

綠色化學(xué)在我國(guó)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用*

張鳳秀＊＊葉霞

(西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 重慶400716)

介紹綠色化學(xué)的內(nèi)涵和綠色度的定量評(píng)估。介紹國(guó)內(nèi)近10年綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)理念、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法、改變實(shí)驗(yàn)條件以及實(shí)驗(yàn)“三廢”處理中取得的成效，并對(duì)未來(lái)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的發(fā)展提出幾點(diǎn)建議。

在化學(xué)變化過(guò)程中，常有伴隨著副反應(yīng)生成的副產(chǎn)物、催化劑、分離提純過(guò)程中形成的廢棄混合物以及在反應(yīng)過(guò)程中易揮發(fā)的有毒有害氣體等排放到大氣、水體、土壤等周邊環(huán)境?；瘜W(xué)在開(kāi)發(fā)天然資源滿(mǎn)足人類(lèi)的生活需要方面作出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也給人類(lèi)賴(lài)以生存的地球環(huán)境帶來(lái)了污染，直接威脅著人類(lèi)生存的可持續(xù)發(fā)展，因此化學(xué)科學(xué)的發(fā)展面臨著挑戰(zhàn)。為了解決這一問(wèn)題，人們提出了預(yù)防污染的新概念，即從污染的源頭減少甚至避免污染物的產(chǎn)生。綠色化學(xué)的概念由此應(yīng)運(yùn)而生。

1 綠色化學(xué)的內(nèi)涵

綠色化學(xué)又稱(chēng)為環(huán)境友好化學(xué)，是指在制造和應(yīng)用化學(xué)品時(shí)，應(yīng)有效利用原料，消除廢物和避免使用有毒、危險(xiǎn)的化學(xué)試劑和溶劑，并建立環(huán)境友好的生產(chǎn)工藝，使化學(xué)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展［1］。其目的是節(jié)約資源，從源頭防止污染，將治理環(huán)境從治標(biāo)轉(zhuǎn)向治本。其兩個(gè)最顯著的優(yōu)點(diǎn)是:最大限度地利用了原料和最大限度地減少了廢物的排放。綠色化學(xué)的核心內(nèi)容是原子經(jīng)濟(jì)性，即在通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)換獲取新物質(zhì)的過(guò)程中充分利用每個(gè)原子。理想的原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)是原料分子中的原子全部(100%)轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物，不產(chǎn)生副產(chǎn)物或廢物，即實(shí)現(xiàn)廢物的零排放［1］。

2 綠色化學(xué)化工過(guò)程綠色度的定量評(píng)估

基于綠色化學(xué)的內(nèi)涵，化學(xué)反應(yīng)及化工過(guò)程中綠色度的定量評(píng)估顯得非常重要。目前，可以用以下5個(gè)指標(biāo)來(lái)量化綠色化學(xué)中的“綠色度”［2］。

2.1 原子經(jīng)濟(jì)性

1991年，美國(guó)Stanford大學(xué)Trost［3］教授首次提出原子經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，并因此獲得1998年美國(guó)“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)”的學(xué)術(shù)獎(jiǎng)。原子經(jīng)濟(jì)性是指參加反應(yīng)的原料利用率，即目的產(chǎn)物的摩爾質(zhì)量與所有反應(yīng)物摩爾質(zhì)量之和的比值，也稱(chēng)為原子利用率(atom utilization，簡(jiǎn)稱(chēng)AU)。理想的原子利用率是100%，也就是反應(yīng)物的所用原子100%轉(zhuǎn)化成為目標(biāo)產(chǎn)物。

2.2 環(huán)境因子

在化學(xué)合成或轉(zhuǎn)化過(guò)程中，一些中間步驟需要使用各類(lèi)試劑和助劑。考慮到化學(xué)品制備全過(guò)程對(duì)環(huán)境造成的影響，1992年，荷蘭學(xué)者Sheldon提出環(huán)境因子(E因子)的概念。環(huán)境因子定義為全過(guò)程中所產(chǎn)生的廢物質(zhì)量與目標(biāo)產(chǎn)物質(zhì)量的比值。它不僅針對(duì)副產(chǎn)物，還包括了在純化過(guò)程中所產(chǎn)生的各類(lèi)物質(zhì)，如抗生素、抗癌藥品合成過(guò)程中的各種副產(chǎn)物，純化過(guò)程中所產(chǎn)生的無(wú)機(jī)鹽以及各類(lèi)計(jì)量試劑等。反應(yīng)步驟越多，伴隨的生成物也越多。從石油化工到醫(yī)藥品，產(chǎn)品越精細(xì)，附加值越高，E值也越大，即排放到環(huán)境的廢棄物量越大。如石油化工產(chǎn)品一般為0.1，而醫(yī)藥品等可高達(dá)100。

2.3 環(huán)境熵

環(huán)境因子雖然考慮到了全過(guò)程所產(chǎn)生的廢棄物，但由于各種廢棄物的種類(lèi)、性質(zhì)及在環(huán)境中的毒理行為不同，其對(duì)環(huán)境的污染程度不同(比如:有的在自然界中能夠生物降解，有的很難生物降解)，應(yīng)有不同的權(quán)重。判斷污染物對(duì)環(huán)境的污染程度可使用環(huán)境熵(EQ)這一概念。環(huán)境熵定義為環(huán)境因子E與廢棄物在環(huán)境中的行為給出廢棄物對(duì)環(huán)境的不友好程度Q的乘積。該指標(biāo)反映了廢棄物排放量和廢棄物的環(huán)境行為本質(zhì)的綜合表現(xiàn)。通過(guò)環(huán)境熵可以充分衡量環(huán)境友好生產(chǎn)過(guò)程的程度。

2.4 反應(yīng)速率

對(duì)于一個(gè)給定的化學(xué)反應(yīng)，如果在上述3個(gè)指標(biāo)相當(dāng)?shù)那疤嵯拢磻?yīng)速率快的路線(xiàn)能夠節(jié)約更多的生產(chǎn)成本。如:能源、人力消耗減少，更有利于工業(yè)化生產(chǎn)。如果反應(yīng)速率很慢，即使是原子經(jīng)濟(jì)性為100%的反應(yīng)，由于需要的生產(chǎn)成本很高，也很難得到工業(yè)應(yīng)用。因此，該指標(biāo)對(duì)于綠色化學(xué)來(lái)說(shuō)更為重要。

2.5 生命周期評(píng)價(jià)

一個(gè)產(chǎn)品從原材料開(kāi)采，經(jīng)原料提煉、加工、產(chǎn)品制造與包裝、運(yùn)輸、銷(xiāo)售、為消費(fèi)者服務(wù)、回收或循環(huán)使用，最終被廢棄并處理，整個(gè)過(guò)程稱(chēng)為產(chǎn)品的生命周期。生命周期評(píng)價(jià)(life cycle analysis)從系統(tǒng)的角度反映出產(chǎn)品形成的全過(guò)程，是量化綠色化學(xué)的一個(gè)重要指標(biāo)，是工業(yè)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和過(guò)程綠色化的系統(tǒng)方法。它對(duì)產(chǎn)品生命周期的各個(gè)階段進(jìn)行跟蹤和定量分析與定性評(píng)價(jià)，從而獲得產(chǎn)品相關(guān)信息的總體情況，為產(chǎn)品性能的改進(jìn)提供完整、準(zhǔn)確的信息，目前已用于產(chǎn)品的評(píng)價(jià)和選擇中。

上述5項(xiàng)指標(biāo)中，原子經(jīng)濟(jì)性和反應(yīng)速率由化學(xué)反應(yīng)本身所決定，環(huán)境因子給出了廢棄物的量，環(huán)境熵則可衡量環(huán)境友好生產(chǎn)過(guò)程的程度，生命周期評(píng)價(jià)運(yùn)用了系統(tǒng)的觀點(diǎn)給出了產(chǎn)品形成的全過(guò)程。這些指標(biāo)相互補(bǔ)充，全面地描述了綠色化學(xué)中的“綠色度”。

3 綠色化學(xué)在我國(guó)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究現(xiàn)狀

全球環(huán)境保護(hù)的意識(shí)和呼聲的增強(qiáng)推動(dòng)了綠色化學(xué)的發(fā)展。世界各國(guó)逐漸認(rèn)識(shí)到綠色化學(xué)的發(fā)展應(yīng)該從大學(xué)化學(xué)教學(xué)著手。為此，國(guó)內(nèi)外很多大學(xué)都開(kāi)設(shè)了綠色化學(xué)課程，有些大學(xué)開(kāi)始招收綠色化學(xué)碩士和博士研究生。無(wú)論是中學(xué)還是大學(xué)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)都在進(jìn)行綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，下面介紹改革的基本思路。

3.1 培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)新理念和可持續(xù)發(fā)展觀

人與自然的可持續(xù)發(fā)展必須要解決環(huán)境污染問(wèn)題。而化學(xué)實(shí)驗(yàn)是環(huán)境污染的源頭之一?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)涉及到無(wú)機(jī)、有機(jī)、分析、綜合等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，內(nèi)容覆蓋面大，所用的化學(xué)藥品種類(lèi)多、消耗量大，因而產(chǎn)生的污染品種多。特別是近幾年，隨著學(xué)校招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，學(xué)生人數(shù)成倍增加，化學(xué)試劑的用量和實(shí)驗(yàn)室“三廢”的排放量也迅速增長(zhǎng)。因此教師在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)有意識(shí)地將綠色化學(xué)的理念傳遞給學(xué)生，使學(xué)生在潛移默化中受到綠色化學(xué)的教育，讓學(xué)生意識(shí)到綠色化學(xué)對(duì)于人類(lèi)及其所賴(lài)以生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的重要性，并牢固地樹(shù)立綠色意識(shí)，在生活和學(xué)習(xí)中自覺(jué)地養(yǎng)成環(huán)保習(xí)慣。

3.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法

為了解決環(huán)境污染問(wèn)題，減少實(shí)驗(yàn)室的“三廢”的排放量，應(yīng)從實(shí)驗(yàn)方法上入手進(jìn)行改進(jìn)。

(1)將常規(guī)實(shí)驗(yàn)改為微型、半微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)。微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)是以盡可能少的試劑，來(lái)獲取與常規(guī)實(shí)驗(yàn)相當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)信息的實(shí)驗(yàn)原理與技術(shù)。其主要優(yōu)點(diǎn)是:試劑用量大大減少，僅為常規(guī)實(shí)驗(yàn)的1%～10%，減少了“三廢”排放量以及相關(guān)材料和水、電的消耗，降低了實(shí)驗(yàn)成本，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)的安全性，改善了實(shí)驗(yàn)環(huán)境，降低了環(huán)境的污染。即環(huán)境因子(E)值降低。目前，我校已將非化學(xué)專(zhuān)業(yè)所有學(xué)生大約5000人次/年的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)全部微型化，并出版了一本《微型有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》教材［4］。同時(shí)正在進(jìn)行分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)和普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)微型化改革的探索。

(2)設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)課中，可以開(kāi)設(shè)一些綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，即將幾部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重新設(shè)計(jì)為一種綜合性實(shí)驗(yàn)。比如有機(jī)合成的粗產(chǎn)物，在分離提純、精制后，對(duì)得到的純產(chǎn)物進(jìn)行物理常數(shù)測(cè)定。這樣既可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間和原料，還可以通過(guò)物理常數(shù)的測(cè)定檢查學(xué)生合成的產(chǎn)品的純度和質(zhì)量。

(3)將微波、超聲波等物理手段應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)中。微波作為一種新型的能量形式已廣泛地應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，優(yōu)點(diǎn)如下:①可降低反應(yīng)溫度、能耗低;② 可瞬時(shí)達(dá)反應(yīng)溫度，提高反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)時(shí)間;③ 可在有機(jī)合成中實(shí)現(xiàn)分子水平的攪拌;④ 副反應(yīng)少，副產(chǎn)物少，原子利用率高。比如:在己酸乙酯的合成實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過(guò)常規(guī)實(shí)驗(yàn)與微波實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，自己也能總結(jié)出微波合成方法的顯著特點(diǎn)。利用超聲波的空化作用，可提高許多反應(yīng)的速率，改善目的產(chǎn)物的選擇性，改善催化劑的表面形態(tài)，提高催化活性組分在載體上的分散性等。在我們的研究中，發(fā)現(xiàn)納米ZnO和納米SiO2放置一段時(shí)間后，可能是由于空氣濕度高，會(huì)由蓬松的粉狀變成團(tuán)狀，導(dǎo)致光催化活性降低。經(jīng)過(guò)超聲波處理后，其催化活力增加，光解速率和有機(jī)物的降解率顯著提高。

(4)將敞開(kāi)體系改為封閉體系實(shí)驗(yàn)，以減少易揮發(fā)有毒氣體在空氣中的排放量。

3.3 改變實(shí)驗(yàn)條件

在化學(xué)反應(yīng)中，劇毒原料、催化劑和溶劑會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，危害人類(lèi)健康。通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件，用無(wú)毒的原料、催化劑和溶劑來(lái)替代，可實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)目標(biāo)。

(1)避免使用劇毒原料。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)盡量避免使用一些有毒原料如氰化物、甲醛、光氣等［5］。例如:在聚酯的制備中，傳統(tǒng)的流程是用光氣和氫氧化鈉與雙酚A反應(yīng)并在兩種溶劑(氯甲烷和水)的分解面上冷凝聚合而成。這個(gè)流程需要使用大量光氣和氯甲烷，它們會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，可以通過(guò)雙酚A和二苯基酯在熔融態(tài)下，在催化劑存在時(shí)的酯交換法和去酚反應(yīng)生產(chǎn)聚酯;也可以使用日本Asahi化學(xué)公司研究成功的固態(tài)聚合法。這兩種方法都是綠色化的。

(2)用綠色溶劑代替易揮發(fā)性的有毒有機(jī)溶劑。比如:水、超臨界流體、離子液體和無(wú)溶劑反應(yīng)等［5-7］。例如:用水作為分散劑的水溶性涂料的制備已成為全世界涂料工業(yè)的新方向;用超臨界二氧化碳代替有機(jī)溶劑作為油漆、涂料的噴霧劑和泡沫塑料的發(fā)泡劑也已經(jīng)取得較大進(jìn)展，有的已經(jīng)在工業(yè)上應(yīng)用;用離子液體替代有機(jī)溶劑在酶催化下合成酯類(lèi)化合物;在無(wú)溶劑條件下酶催化合成脂肪酸酯。鏈狀烯烴在無(wú)溶劑條件下可通過(guò)將反應(yīng)物在球磨中研磨得到，產(chǎn)物的產(chǎn)率較高。

(3)用綠色催化劑替代有毒、易腐蝕的催化劑。目前綠色催化劑的開(kāi)發(fā)主要分3個(gè)方面:固體酸催化劑、固體堿催化劑和金屬催化劑。固體酸催化劑主要包括:金屬氧化物催化劑、金屬鹽催化劑、分子篩、雜多酸催化劑、離子交換樹(shù)脂等［8］。酶催化水解和合成各類(lèi)酯是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)方法相比，它具有反應(yīng)條件溫和、高選擇性和高特異性、副產(chǎn)物少、反應(yīng)不需要輔酶、環(huán)境友好、使用安全且能循環(huán)利用等特點(diǎn)［9］。例如癸酸十二酯的合成，傳統(tǒng)方法使用的催化劑是濃硫酸、對(duì)甲基苯磺酸等，這些催化劑對(duì)反應(yīng)設(shè)備有強(qiáng)的腐蝕作用，同時(shí)在高溫條件下容易引起反應(yīng)物和產(chǎn)物炭化，有副反應(yīng)。而使用脂肪酶作為催化劑，很多反應(yīng)在37℃就能進(jìn)行反應(yīng)，而且轉(zhuǎn)化率高，無(wú)副反應(yīng);同時(shí)，脂肪酶還能重復(fù)利用。

3.4 對(duì)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的“三廢”進(jìn)行分類(lèi)處理

高?；瘜W(xué)、化工實(shí)驗(yàn)室所排放污染物的特點(diǎn)是:①污染物的多樣性和復(fù)雜性;②濃度高，毒性大;③排放的污染物時(shí)間集中。由于實(shí)驗(yàn)室“三廢”(廢氣、廢液、廢渣)成分的復(fù)雜性，要從源頭解決這個(gè)問(wèn)題還有待于不斷地探索、研究。下面對(duì)部分成功的思路進(jìn)行一些介紹。

(1)廢液處理?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室的廢液大致分為3類(lèi):①?gòu)U酸、廢堿類(lèi)。處理方法是將廢酸與廢堿相互中和，調(diào)節(jié)pH達(dá)6.5～8.5后，直接排入下水道。②含有重金屬離子、氰化物的試劑等。比如:汞、砷、鉛、鉻、鎘等重金屬的毒性不僅很強(qiáng)，而且在人體內(nèi)有蓄積性。處理方法:在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中，對(duì)于涉及到重金屬離子和氰化物的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，應(yīng)盡量取消或用其他毒性小的試劑替代。比如在氧化還原反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中涉及到Cr6+與Cr3+轉(zhuǎn)化，可以用Fe3+與Fe2+轉(zhuǎn)化替代。對(duì)于必須使用重金屬離子和氰化物的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)盡量減少其用量。對(duì)于含重金屬離子的廢液可加堿或硫化鈉使其沉積，再過(guò)濾分離，將殘?jiān)占揭欢亢?，進(jìn)行集中處理。對(duì)于含氰的廢液，如果含氰量少可先加NaOH調(diào)至pH＞10，再加入一定量高錳酸鉀使CN－氧化分解。量大的含氰廢液可用堿性氯化法處理。先用堿調(diào)至pH＞10，再加入漂白粉，使CN－氧化成氰酸鹽，并進(jìn)一步分解為CO2和N2［9-11］。此外還可用比表面積為1000m2·g－1、孔隙率為0.6～0.9的活性炭吸附，使吸附在活性炭上的氰酸物在氧不足的條件下發(fā)生水解反應(yīng)生成甲酸胺，甲酸胺加熱時(shí)分解出CO2和NH3。③有機(jī)溶劑和其他的有機(jī)物質(zhì)。對(duì)于有機(jī)溶劑，部分可以進(jìn)行二次蒸餾，收集相應(yīng)沸點(diǎn)下的餾分，或者是將混合有機(jī)溶劑經(jīng)過(guò)過(guò)濾分離、干燥處理，作為某些有效成分前處理的提取劑。對(duì)于其他有機(jī)物質(zhì)，比如甲醛、有機(jī)羧酸和酯，可以利用光解技術(shù)進(jìn)行光解，將其氧化為CO2和H2O。

(2)廢氣處理?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的廢氣種類(lèi)較多。在實(shí)驗(yàn)操作上應(yīng)盡量采用密閉式。若廢氣是酸性氣體，如二氧化碳、二氧化硫、硫化氫、二氧化氮等氣體，可用導(dǎo)管將氣體導(dǎo)入水中，使其生成相應(yīng)的水溶液。另有些有害氣體如氯氣、溴蒸氣等，可以用堿液吸收，將其導(dǎo)入6mol·L－1氫氧化鈉溶液中，生成相應(yīng)的鹽。另外，在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)安裝排風(fēng)扇和帶有廢氣處理系統(tǒng)的通風(fēng)櫥，以?xún)艋渌罅康膹U氣。

(3)廢渣處理。固體廢棄物可大致分為化學(xué)藥品類(lèi)和輔助材料類(lèi)。對(duì)于固體藥品類(lèi)，能夠通過(guò)沉淀過(guò)濾的方法回收利用的應(yīng)盡量回收。比如:層析用過(guò)的填料，可以通過(guò)過(guò)濾、洗滌、再生后繼續(xù)使用;廢棄的AgNO3溶液可先用NaCl轉(zhuǎn)化為AgCl沉淀，再加入Na2CO3轉(zhuǎn)化為Ag2CO3，再在高溫下加熱分解得到單質(zhì)Ag，對(duì)于還沒(méi)有方法進(jìn)行回收利用的固體藥品，目前主要的方法是在遠(yuǎn)離生活區(qū)填埋。對(duì)于輔助材料類(lèi)，比如:火柴頭、濾紙片、pH試紙等，應(yīng)要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中放入指定的垃圾桶。

3.5 開(kāi)設(shè)分子模型和多媒體仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)課

對(duì)于一些毒性較大、污染嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)，可以利用多媒體仿真技術(shù)模擬原子、原子團(tuán)、分子等結(jié)構(gòu)和變化機(jī)理，以幫助學(xué)生理解。學(xué)生在電腦上可以先預(yù)演練習(xí)、觀察化學(xué)反應(yīng)的全過(guò)程。這樣能夠有效地提高實(shí)驗(yàn)的成功率，在實(shí)際操作過(guò)程中減少試劑的浪費(fèi)，提高實(shí)驗(yàn)的安全性。對(duì)于一些需要復(fù)雜設(shè)備才能完成的危險(xiǎn)性大、反應(yīng)周期長(zhǎng)、操作嚴(yán)格的重要實(shí)驗(yàn)，也可采用多媒體形式生動(dòng)地進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，這樣既有利于學(xué)生掌握所學(xué)的知識(shí)，又可減少“三廢”的產(chǎn)生。

分子模型具有直觀、立體空間感強(qiáng)的特點(diǎn)。對(duì)于非化學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，由于他們的化學(xué)基礎(chǔ)較差，在教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)關(guān)于立體化學(xué)反應(yīng)和立體構(gòu)型部分的知識(shí)是他們的學(xué)習(xí)難點(diǎn)。為了幫助學(xué)生更好地理解這部分知識(shí)，可以開(kāi)設(shè)分子模型實(shí)驗(yàn)，比如關(guān)于分子立體構(gòu)型部分的知識(shí)，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室用模型拼裝乙烷、丙烷、丁烷、苯及其衍生物、酒石酸、葡萄糖等分子的模型，從模型中找出分子的對(duì)稱(chēng)中心、對(duì)稱(chēng)面、對(duì)稱(chēng)軸，弄清構(gòu)象和構(gòu)型兩個(gè)概念的內(nèi)涵及它們之間的關(guān)系，學(xué)會(huì)如何正確地判斷分子的R、S以及D、L構(gòu)型。關(guān)于立體化學(xué)反應(yīng)部分，比如氯代烴親核取代反應(yīng)，有SN1、SN2兩種不同的反應(yīng)機(jī)理(圖1)。如果反應(yīng)按SN1機(jī)理進(jìn)行，則得到的產(chǎn)物是一對(duì)對(duì)映體;如果反應(yīng)按SN2機(jī)理進(jìn)行，對(duì)于有旋光異構(gòu)的反應(yīng)物，在反應(yīng)過(guò)程中其構(gòu)型發(fā)生瓦爾登轉(zhuǎn)化，所得產(chǎn)物的構(gòu)型與反應(yīng)物的構(gòu)型不同。如果反應(yīng)物是S構(gòu)型，產(chǎn)物將轉(zhuǎn)化為R構(gòu)型。

圖1 氯代烴的SN1、SN2親核取代反應(yīng)

在分子模型實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生自己拼裝(S)2-溴丁烷分子模型，結(jié)合SN1的反應(yīng)機(jī)理:第一步碳溴鍵(C—Br)斷裂形成仲碳正離子。在這一步中，與溴原子相連的碳由原來(lái)的sp3雜化(正四面體構(gòu)型)轉(zhuǎn)變成sp2雜化(平面三角形構(gòu)型)，引導(dǎo)學(xué)生觀察第二步反應(yīng)時(shí)親核基團(tuán)(OH－)進(jìn)攻的方向，親核基團(tuán)(OH－)可以從平面三角形的平面上方或下方等概率地進(jìn)攻仲碳正離子，因此能夠得到一對(duì)對(duì)映體產(chǎn)物。根據(jù)SN2反應(yīng)機(jī)理:該反應(yīng)是一步完成，中間形成舊鍵未斷裂而新鍵未形成的過(guò)渡態(tài)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生觀察在這個(gè)過(guò)渡態(tài)形成時(shí)親核基團(tuán)(OH－)進(jìn)攻的方向與溴負(fù)離子(Br－)離去的方向相反，這樣形成新鍵時(shí)，產(chǎn)物的構(gòu)型自然會(huì)是瓦爾登轉(zhuǎn)化的構(gòu)型。像這些抽象的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生在課堂上很難真正弄懂，經(jīng)常處于一種似懂非懂的狀態(tài)。即使是利用多媒體觀看分子的結(jié)構(gòu)，也還有可能達(dá)不到好的教學(xué)效果。而通過(guò)開(kāi)設(shè)分子模型實(shí)驗(yàn)，絕大多數(shù)學(xué)生能夠收到很好的教學(xué)效果。分子模型實(shí)驗(yàn)不需要任何藥品和儀器，也沒(méi)有任何污染，只需要不同顏色的橡膠(或塑料)球和棒即可。

4 對(duì)綠色化學(xué)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)展的幾點(diǎn)建議

經(jīng)過(guò)10多年的綠色化學(xué)教學(xué)研究，已取得了顯著的研究成果。要全面實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化教學(xué)，確保環(huán)境不受污染或低污染，作者認(rèn)為還應(yīng)從以下幾方面進(jìn)一步開(kāi)展工作。

(1)加強(qiáng)行政主管領(lǐng)導(dǎo)的綠色化教學(xué)觀念。教師僅僅對(duì)學(xué)生進(jìn)行綠色化教育理念的培養(yǎng)是不夠的，這只是教學(xué)過(guò)程中的一個(gè)方面。更重要的一方面是領(lǐng)導(dǎo)的高度重視。目前，許多高校每年都要收到來(lái)自環(huán)保部門(mén)的關(guān)于化學(xué)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境污染的罰單，但這只是一種暫時(shí)的、治標(biāo)不治本的方式。如果領(lǐng)導(dǎo)高度重視，完全可以在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室附近建立一個(gè)微型污染物處理池，將實(shí)驗(yàn)室排放出的污染物進(jìn)行一定處理后再排放。這樣能夠徹底解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的污染問(wèn)題。

(2)壯大綠色化學(xué)教學(xué)研究的隊(duì)伍。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)看，開(kāi)展綠色化學(xué)教學(xué)研究的人員并不多。其主要原因是:①很多高校在職稱(chēng)評(píng)定時(shí)，教學(xué)研究的論文沒(méi)有分量，有的學(xué)校甚至根本不考慮教學(xué)研究論文，所以不能調(diào)動(dòng)研究人員的積極性。②教學(xué)項(xiàng)目的研究經(jīng)費(fèi)很少，很難開(kāi)展研究工作。如果校方高度重視教學(xué)研究工作，開(kāi)展綠色化學(xué)教學(xué)研究的隊(duì)伍將會(huì)有所改觀。

(3)拓寬綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究領(lǐng)域。目前開(kāi)展的綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大部分是有機(jī)化學(xué)和無(wú)機(jī)化學(xué)領(lǐng)域。而分析化學(xué)、物理化學(xué)、化學(xué)工藝學(xué)等領(lǐng)域開(kāi)展綠色化研究的實(shí)驗(yàn)較少。已研究的綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大部分還不能應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)，因此，還需進(jìn)一步加強(qiáng)研究適合工業(yè)生產(chǎn)的綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

總之，綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究是實(shí)現(xiàn)無(wú)污染目標(biāo)的基礎(chǔ)，要真正綠色化，還有很多工作等待人們?nèi)ド钊搿⑷娴靥接憽?/p>

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西南大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(No.207006)

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