劉曉瀛

（鐵嶺衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院，遼寧 鐵嶺 112000）

衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的綠色化學(xué)教學(xué)實(shí)施

劉曉瀛

（鐵嶺衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院，遼寧 鐵嶺 112000）

隨著化學(xué)工業(yè)的飛速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，人們對(duì)綠色化學(xué)的需求十分迫切。介紹綠色化學(xué)定義和核心，提出在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中滲透綠色化學(xué)理念，設(shè)計(jì)綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)，引入微波技術(shù)和多媒體仿真技術(shù)，探討實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的方法。

衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院；化學(xué)實(shí)驗(yàn)；綠色化學(xué)

1 綠色化學(xué)的含義[1]

綠色化學(xué)又稱環(huán)境無害化學(xué)、環(huán)境友好化學(xué)、清潔化學(xué)。綠色化學(xué)就是用化學(xué)技術(shù)和方法減少或避免那些對(duì)人類健康、社區(qū)安全、生態(tài)環(huán)境有害的原料、催化劑、溶劑與試劑、產(chǎn)物、副產(chǎn)品等的使用與產(chǎn)生。綠色化學(xué)是把化學(xué)知識(shí)、化學(xué)技術(shù)和化學(xué)方法應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)全過程，以減少直至消除對(duì)人類健康和對(duì)環(huán)境有害的反應(yīng)原料的使用、反應(yīng)過程的利用、反應(yīng)產(chǎn)物的生產(chǎn)和使用，從根本上減少或消除污染的化學(xué)。

綠色化學(xué)的核心是原子經(jīng)濟(jì)性，它是指在化學(xué)品合成過程中，合成方法和工藝應(yīng)使反應(yīng)過程中的所有原材料盡可能多地轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物。原子經(jīng)濟(jì)性考慮的是化學(xué)反應(yīng)中有多少原料的原子進(jìn)入產(chǎn)品，這一標(biāo)準(zhǔn)既要求盡可能節(jié)約不可再生能源，又要求最大限度地減少?gòu)U物排放。理想的原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)是原料分子中的原子百分之百地轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物，不產(chǎn)生副產(chǎn)物或廢物，實(shí)現(xiàn)廢物零排放。

2 化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化教學(xué)的實(shí)施

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是化學(xué)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生科學(xué)思維、動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)至關(guān)重要?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生領(lǐng)悟和感受到科學(xué)不僅可以創(chuàng)造文明，也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，對(duì)人類產(chǎn)生危害。實(shí)驗(yàn)所需試劑藥品種類多，消耗量大，部分試劑毒性很強(qiáng)，如氰化物、重金屬鹽、溴水、四氯化碳等，伴隨反應(yīng)過程釋放出的有毒氣體如硫化氫、二氧化硫、氯氣、二氧化氮等，使化學(xué)實(shí)驗(yàn)室成為一個(gè)小型污染源。這就要求我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中，既要直觀、科學(xué)地展示實(shí)驗(yàn)所要達(dá)到的目的，又要盡量減少實(shí)驗(yàn)過程中有毒試劑的用量，提高試劑利用率，減少環(huán)境污染。綠色化學(xué)理念的提出為化學(xué)教學(xué)注入了新活力，化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化教學(xué)已成為必然趨勢(shì)。為此，我們從以下幾方面進(jìn)行嘗試。

2.1 建立高素質(zhì)師資隊(duì)伍

高素質(zhì)教師是培養(yǎng)高素質(zhì)學(xué)生的基本保證。實(shí)驗(yàn)教師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員應(yīng)共同做好從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)到綠色化教學(xué)的轉(zhuǎn)變。首先，加強(qiáng)宣傳，讓學(xué)生多了解綠色化學(xué)，使其認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中人與自然和諧發(fā)展的重要性，并準(zhǔn)備一份有關(guān)綠色化學(xué)的教案。其次，多方查找資料，設(shè)計(jì)適合我院學(xué)生、符合綠色化學(xué)理念的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。最后，學(xué)期末總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)一些實(shí)驗(yàn)作進(jìn)一步改革，使其更好地適應(yīng)學(xué)生學(xué)情和綠色化學(xué)要求。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中滲透綠色化學(xué)理念

教師在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要注重培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)理念，加強(qiáng)學(xué)生綠色環(huán)保意識(shí)教育，把環(huán)境保護(hù)知識(shí)一點(diǎn)一滴地滲透到教學(xué)中。教師也可通過環(huán)境污染典型事例（如工廠隨意排放含鉛廢液造成兒童血鉛中毒事件；化工廠氯氣外泄，損害人體健康，造成莊稼、蔬菜脫色甚至枯死），讓學(xué)生切身體會(huì)環(huán)境污染的危害，使其樹立環(huán)境保護(hù)意識(shí)，進(jìn)而認(rèn)識(shí)到實(shí)施綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要性。

學(xué)生第一次進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，教師就把直接排放未經(jīng)處理的“三廢”的危害告訴學(xué)生，使學(xué)生養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。增設(shè)實(shí)驗(yàn)后廢棄物無害化處理環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生妥善處理、回收或循環(huán)利用實(shí)驗(yàn)廢棄物，如可用實(shí)驗(yàn)廢棄的稀鹽酸或稀硫酸沖洗廁所；廢鉻酸洗液可用高錳酸鉀氧化后再循環(huán)使用，提高試劑利用率，減少實(shí)驗(yàn)污染，做到化廢為寶，化害為利，達(dá)到化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的目的。

2.3 化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化設(shè)計(jì)

2.3.1 反應(yīng)體系的綠色化設(shè)計(jì) 許多化學(xué)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)產(chǎn)生有毒的氣體副產(chǎn)物，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物中也會(huì)含有對(duì)人體有害的氣體物質(zhì)。傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用敞開體系，易對(duì)學(xué)生身體造成危害。針對(duì)這一問題，我們對(duì)以下2個(gè)實(shí)驗(yàn)做了改進(jìn)。

（1）硫酸亞鐵銨的制備實(shí)驗(yàn)[2]。一方面，該實(shí)驗(yàn)包括一系列化學(xué)合成基本操作，如稱量、除雜、加熱、傾析、抽濾、溶解、蒸發(fā)、結(jié)晶；另一方面，該實(shí)驗(yàn)通常選用機(jī)械加工及制造行業(yè)產(chǎn)生的廢棄物——鐵屑為原料，屬于變廢為寶、再生利用鋼鐵資源的環(huán)保型實(shí)驗(yàn)，所以常被選為必做實(shí)驗(yàn)。然而，由于原實(shí)驗(yàn)裝置為敞開式，廢鐵屑含有的碳、硫、磷、硅等雜質(zhì)和硫酸反應(yīng)時(shí)生成H2S、H3P等有毒氣體，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室彌漫著強(qiáng)烈的刺激性氣體，直接危害師生身體健康。為此，我們將第一步硫酸亞鐵的制備改為閉路回收式，加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)廢氣的處理。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置密閉性好，冷凝水可循環(huán)利用，不會(huì)造成硫酸亞鐵結(jié)晶析出，廢氣經(jīng)吸收液吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境大為改善。

（2）甲基橙的合成[1]。傳統(tǒng)合成方法：重氮鹽的制備在100ml燒杯中進(jìn)行，重氮鹽的偶合反應(yīng)，包括后續(xù)過程的結(jié)晶處理也在敞開體系中進(jìn)行。這種方法存在的問題是，當(dāng)把亞硝酸鈉和對(duì)氨基苯磺酸溶液往鹽酸溶液中滴加時(shí)，生成的亞硝酸鹽不能即刻完全重氮化，致使氮的氧化物擴(kuò)散到空氣中，不但對(duì)環(huán)境造成污染，而且危害師生身體健康，不符合綠色化學(xué)的要求。為此，我們對(duì)傳統(tǒng)敞開體系進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)在三口燒瓶?jī)?nèi)進(jìn)行，排出的氣體經(jīng)過溶液（NaOH）吸收后才放空，體現(xiàn)了從源頭和過程減少污染的綠色化學(xué)理念。

2.3.2 催化劑的綠色化設(shè)計(jì) 目前，90%以上的化學(xué)反應(yīng)要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，就必須采用催化劑提高反應(yīng)速率。此時(shí)，應(yīng)避免使用有毒、有害物質(zhì)作催化劑，如重金屬離子、液態(tài)強(qiáng)酸堿、苯和苯胺等，而應(yīng)采用環(huán)境友好的固體酸、堿及酶等。

（1）環(huán)己烯的合成[1]。目前工業(yè)上常采用硫酸或磷酸催化的液相脫水法或苯的部分氫化制備。但硫酸催化法腐蝕性強(qiáng)、碳化嚴(yán)重、易發(fā)生副反應(yīng)、產(chǎn)品收率不高（70%），磷酸催化法成本高，苯部分加氫法催化劑制備成本高、污染嚴(yán)重。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)使用三氯化鐵作催化劑，催化環(huán)己醇脫水制備環(huán)己烯，具有產(chǎn)率高、工藝簡(jiǎn)單、操作易控制、產(chǎn)品純度高、催化劑廉價(jià)易得、性能穩(wěn)定、可重復(fù)使用且不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，符合綠色化學(xué)基本要求。

（2）肉桂酸的合成。傳統(tǒng)合成方法一般選用醋酸鉀作催化劑，產(chǎn)率僅為55%，且水蒸氣蒸餾時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)品色澤深。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)以氟化鉀代替醋酸鉀，能明顯縮短反應(yīng)時(shí)間，降低反應(yīng)溫度，產(chǎn)率可達(dá)70%以上，且產(chǎn)品色澤好。

2.3.3 化學(xué)試劑的循環(huán)利用 循環(huán)利用即重復(fù)使用，是降低成本和減少?gòu)U物排放的需要。自然界資源有限，因此人類生產(chǎn)的各種化學(xué)品能否回收、再生和循環(huán)使用就成為綠色化學(xué)研究的重要領(lǐng)域。

（1）氧化苯甲醇制備苯甲酸[1]。一般采用高錳酸鉀在水溶液中氧化甲苯，然后酸化制取苯甲酸。這種方法反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)生大量二氧化錳固體污染物。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)以苯甲醇和氫氧化鈉為原料，使用硫酸銅作催化劑來催化氧化制備苯甲酸。反應(yīng)中使用的硫酸銅催化劑可以重復(fù)使用，整個(gè)過程無有害廢物排放，為環(huán)境友好的合成方法。CuSO4催化氧化苯甲醇制備苯甲酸，反應(yīng)機(jī)理如下：

Cu（Ⅱ）無機(jī)鹽在過量的NaOH存在下生成Cu（OH）2，加熱Cu（OH）2分解為CuO，苯甲醇被CuO氧化為苯甲醛，CuO同時(shí)被還原為Cu2O，呈現(xiàn)磚紅色。Cu2O在堿性條件下被O2重新氧化成Cu（OH）2，使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。苯甲醇氧化生成的苯甲醛在NaOH作用下發(fā)生歧化反應(yīng)，得到苯甲酸鈉和苯甲醇，苯甲醇循環(huán)回反應(yīng)體系，苯甲酸鈉經(jīng)過酸化后得到苯甲酸。

（2）乙酰水楊酸的合成與水解[3]。傳統(tǒng)教材只開設(shè)“乙酰水楊酸的制備”實(shí)驗(yàn)，學(xué)生將得到的白色晶體乙酰水楊酸上交給教師，由教師處理產(chǎn)品。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)后，我們?cè)鲈O(shè)了乙酰水楊酸水解實(shí)驗(yàn)，重新得到水楊酸，并加以回收利用，體現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化改革目標(biāo)。

2.3.4 化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容連續(xù)化設(shè)計(jì)[4]傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，若產(chǎn)生的副產(chǎn)品沒有太大用途就會(huì)被處理，不僅造成了浪費(fèi)，而且污染了環(huán)境。為解決這一問題，我們改進(jìn)部分實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的連續(xù)化。通過合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，使學(xué)生復(fù)習(xí)了更多化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作，既培養(yǎng)了他們的科研思維能力，又增強(qiáng)了其環(huán)保意識(shí)。如從茶葉中提取咖啡因、茶多酚和茶氨酸[1]。傳統(tǒng)教材僅開設(shè)了“從茶葉中提取咖啡因”實(shí)驗(yàn)，而其中離心之后得到的沉淀可進(jìn)一步提取茶多酚，從提取咖啡因過程中萃取之后的水相中可以進(jìn)一步提取茶氨酸。我們把這3個(gè)提取實(shí)驗(yàn)放在一起進(jìn)行，從清潔生產(chǎn)的思路出發(fā)，對(duì)有效成分進(jìn)行有效提取。提取工藝見圖1。

圖1 咖啡因、茶多酚和茶氨酸提取工藝

2.3.5 選用微波技術(shù)進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn) 微波作為一種新型能量形式，其促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)速率比傳統(tǒng)加熱技術(shù)快數(shù)倍甚至千倍。微波加熱反應(yīng)有三大特點(diǎn)：一是加熱速度快，能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到反應(yīng)溫度，熱效率高，反應(yīng)往往在數(shù)分鐘內(nèi)完成；二是實(shí)驗(yàn)條件溫和，避免了常規(guī)使用的加熱套和油浴，操作簡(jiǎn)單，保護(hù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境；三是微波化學(xué)反應(yīng)是分子意義上的攪拌，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高且產(chǎn)品質(zhì)量好，如微波輔助提取、微波灼燒等。微波技術(shù)的應(yīng)用對(duì)增強(qiáng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化有十分重要的作用，是實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的重要途徑。如微波輻射合成和水解乙酰水楊酸。乙酰水楊酸的傳統(tǒng)酸催化合成法反應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，乙酸酐用量大，反應(yīng)速度相對(duì)較慢，收率僅為74%～80%，且易產(chǎn)生副反應(yīng)，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備有較強(qiáng)的腐蝕性。為此，我們采用微波輻射堿催化合成，反應(yīng)時(shí)間縮短，酸酐用量減少，合成收率提高。該方法可以避免副產(chǎn)物（主要是聚水楊酸）的生成，且大大提高了反應(yīng)速率。若增加微波輻射功率，則反應(yīng)時(shí)間更短。采用傳統(tǒng)加熱方式加熱水解，整個(gè)水解過程需用10min左右；現(xiàn)改用微波輻射水解，在輸出功率為495W的條件下，微波輻射僅20s，水解反應(yīng)產(chǎn)率近100%。

2.3.6 化學(xué)劑量綠色化[5]化學(xué)反應(yīng)所需試劑、溶劑、催化劑的用量在保證實(shí)驗(yàn)效果的前提下，要達(dá)到實(shí)驗(yàn)劑量的最小化。微型實(shí)驗(yàn)是近20年來發(fā)展很快的一種實(shí)驗(yàn)方法。但由于微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的成套儀器較貴，常規(guī)實(shí)驗(yàn)向微型實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)型費(fèi)用較高，且微型實(shí)驗(yàn)藥品用量較小，學(xué)生不好把握。因此，半微量化操作模式較為可行。如酸堿滴定實(shí)驗(yàn)中，把50ml滴定管改為25ml滴定管，從而在保證教學(xué)效果的前提下大大減少了滴定劑用量，達(dá)到減少環(huán)境污染的目的。

2.3.7 通過多媒體仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化 一些常規(guī)、傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)需要消耗較多試劑、藥品等，尤其是一些實(shí)驗(yàn)所用試劑藥品價(jià)格昂貴、有毒、有害且實(shí)驗(yàn)操作危險(xiǎn)性較大，部分實(shí)驗(yàn)排放許多有毒氣體和廢液。這時(shí)，采用計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)就可以解決這一問題。它是一種化學(xué)試劑和儀器裝置“零投入”和“廢棄物零排放”的特殊實(shí)驗(yàn)方式。我們下載了大量化學(xué)實(shí)驗(yàn)視頻，可供學(xué)生選擇性地觀看交流，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

綠色化學(xué)設(shè)計(jì)思路對(duì)一些傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，不僅達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，提高教學(xué)效率的目的，還減少了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，增強(qiáng)了學(xué)生的環(huán)保意識(shí)，幫助其樹立了綠色化學(xué)理念。

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1671-1246（2011）15-0114-03