劉曉瀛

（鐵嶺衛(wèi)生職業(yè)學院，遼寧 鐵嶺 112000）

衛(wèi)生職業(yè)學院化學實驗教學中的綠色化學教學實施

劉曉瀛

（鐵嶺衛(wèi)生職業(yè)學院，遼寧 鐵嶺 112000）

隨著化學工業(yè)的飛速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴重，人們對綠色化學的需求十分迫切。介紹綠色化學定義和核心，提出在化學實驗教學中滲透綠色化學理念，設(shè)計綠色化學實驗，引入微波技術(shù)和多媒體仿真技術(shù)，探討實現(xiàn)化學實驗綠色化的方法。

衛(wèi)生職業(yè)學院；化學實驗；綠色化學

1 綠色化學的含義[1]

綠色化學又稱環(huán)境無害化學、環(huán)境友好化學、清潔化學。綠色化學就是用化學技術(shù)和方法減少或避免那些對人類健康、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。綠色化學是把化學知識、化學技術(shù)和化學方法應用于化學實驗全過程，以減少直至消除對人類健康和對環(huán)境有害的反應原料的使用、反應過程的利用、反應產(chǎn)物的生產(chǎn)和使用，從根本上減少或消除污染的化學。

綠色化學的核心是原子經(jīng)濟性，它是指在化學品合成過程中，合成方法和工藝應使反應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)濟性考慮的是化學反應中有多少原料的原子進入產(chǎn)品，這一標準既要求盡可能節(jié)約不可再生能源，又要求最大限度地減少廢物排放。理想的原子經(jīng)濟性反應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，實現(xiàn)廢物零排放。

2 化學實驗綠色化教學的實施

實驗教學是化學教學的重要環(huán)節(jié)，化學實驗對學生科學思維、動手能力、創(chuàng)新意識培養(yǎng)至關(guān)重要?；瘜W實驗讓學生領(lǐng)悟和感受到科學不僅可以創(chuàng)造文明，也會對環(huán)境造成污染，對人類產(chǎn)生危害。實驗所需試劑藥品種類多，消耗量大，部分試劑毒性很強，如氰化物、重金屬鹽、溴水、四氯化碳等，伴隨反應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，使化學實驗室成為一個小型污染源。這就要求我們在實驗教學中，既要直觀、科學地展示實驗所要達到的目的，又要盡量減少實驗過程中有毒試劑的用量，提高試劑利用率，減少環(huán)境污染。綠色化學理念的提出為化學教學注入了新活力，化學實驗綠色化教學已成為必然趨勢。為此，我們從以下幾方面進行嘗試。

2.1 建立高素質(zhì)師資隊伍

高素質(zhì)教師是培養(yǎng)高素質(zhì)學生的基本保證。實驗教師和實驗技術(shù)人員應共同做好從傳統(tǒng)實驗教學到綠色化教學的轉(zhuǎn)變。首先，加強宣傳，讓學生多了解綠色化學，使其認識到實驗教學中人與自然和諧發(fā)展的重要性，并準備一份有關(guān)綠色化學的教案。其次，多方查找資料，設(shè)計適合我院學生、符合綠色化學理念的化學實驗。最后，學期末總結(jié)經(jīng)驗，對一些實驗作進一步改革，使其更好地適應學生學情和綠色化學要求。

2.2 實驗教學中滲透綠色化學理念

教師在化學實驗教學中要注重培養(yǎng)學生綠色化學理念，加強學生綠色環(huán)保意識教育，把環(huán)境保護知識一點一滴地滲透到教學中。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），讓學生切身體會環(huán)境污染的危害，使其樹立環(huán)境保護意識，進而認識到實施綠色化學實驗的重要性。

學生第一次進入實驗室，教師就把直接排放未經(jīng)處理的“三廢”的危害告訴學生，使學生養(yǎng)成良好的實驗習慣。增設(shè)實驗后廢棄物無害化處理環(huán)節(jié)，引導學生妥善處理、回收或循環(huán)利用實驗廢棄物，如可用實驗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，減少實驗污染，做到化廢為寶，化害為利，達到化學實驗綠色化的目的。

2.3 化學實驗的綠色化設(shè)計

2.3.1 反應體系的綠色化設(shè)計 許多化學實驗在實驗過程中會產(chǎn)生有毒的氣體副產(chǎn)物，實驗產(chǎn)物中也會含有對人體有害的氣體物質(zhì)。傳統(tǒng)化學實驗采用敞開體系，易對學生身體造成危害。針對這一問題，我們對以下2個實驗做了改進。

（1）硫酸亞鐵銨的制備實驗[2]。一方面，該實驗包括一系列化學合成基本操作，如稱量、除雜、加熱、傾析、抽濾、溶解、蒸發(fā)、結(jié)晶；另一方面，該實驗通常選用機械加工及制造行業(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)保型實驗，所以常被選為必做實驗。然而，由于原實驗裝置為敞開式，廢鐵屑含有的碳、硫、磷、硅等雜質(zhì)和硫酸反應時生成H2S、H3P等有毒氣體，導致實驗室彌漫著強烈的刺激性氣體，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，加強對實驗廢氣的處理。改進后的實驗裝置密閉性好，冷凝水可循環(huán)利用，不會造成硫酸亞鐵結(jié)晶析出，廢氣經(jīng)吸收液吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害物質(zhì)，實驗環(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燒杯中進行，重氮鹽的偶合反應，包括后續(xù)過程的結(jié)晶處理也在敞開體系中進行。這種方法存在的問題是，當把亞硝酸鈉和對氨基苯磺酸溶液往鹽酸溶液中滴加時，生成的亞硝酸鹽不能即刻完全重氮化，致使氮的氧化物擴散到空氣中，不但對環(huán)境造成污染，而且危害師生身體健康，不符合綠色化學的要求。為此，我們對傳統(tǒng)敞開體系進行改進，改進后的實驗在三口燒瓶內(nèi)進行，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理念。

2.3.2 催化劑的綠色化設(shè)計 目前，90%以上的化學反應要實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，就必須采用催化劑提高反應速率。此時，應避免使用有毒、有害物質(zhì)作催化劑，如重金屬離子、液態(tài)強酸堿、苯和苯胺等，而應采用環(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、碳化嚴重、易發(fā)生副反應、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、污染嚴重。改進后的實驗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、工藝簡單、操作易控制、產(chǎn)品純度高、催化劑廉價易得、性能穩(wěn)定、可重復使用且不污染環(huán)境等優(yōu)點，符合綠色化學基本要求。

（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%，且水蒸氣蒸餾時間長，產(chǎn)品色澤深。改進后的實驗以氟化鉀代替醋酸鉀，能明顯縮短反應時間，降低反應溫度，產(chǎn)率可達70%以上，且產(chǎn)品色澤好。

2.3.3 化學試劑的循環(huán)利用 循環(huán)利用即重復使用，是降低成本和減少廢物排放的需要。自然界資源有限，因此人類生產(chǎn)的各種化學品能否回收、再生和循環(huán)使用就成為綠色化學研究的重要領(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。這種方法反應時間長、產(chǎn)生大量二氧化錳固體污染物。改進后的實驗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。反應中使用的硫酸銅催化劑可以重復使用，整個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，反應機理如下：

Cu（Ⅱ）無機鹽在過量的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，使反應繼續(xù)進行。苯甲醇氧化生成的苯甲醛在NaOH作用下發(fā)生歧化反應，得到苯甲酸鈉和苯甲醇，苯甲醇循環(huán)回反應體系，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”實驗，學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。改進實驗后，我們增設(shè)了乙酰水楊酸水解實驗，重新得到水楊酸，并加以回收利用，體現(xiàn)了化學實驗綠色化改革目標。

2.3.4 化學實驗內(nèi)容連續(xù)化設(shè)計[4]傳統(tǒng)化學實驗中，若產(chǎn)生的副產(chǎn)品沒有太大用途就會被處理，不僅造成了浪費，而且污染了環(huán)境。為解決這一問題，我們改進部分實驗，實現(xiàn)了實驗內(nèi)容的連續(xù)化。通過合理設(shè)計實驗步驟，使學生復習了更多化學實驗基本操作，既培養(yǎng)了他們的科研思維能力，又增強了其環(huán)保意識。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”實驗，而其中離心之后得到的沉淀可進一步提取茶多酚，從提取咖啡因過程中萃取之后的水相中可以進一步提取茶氨酸。我們把這3個提取實驗放在一起進行，從清潔生產(chǎn)的思路出發(fā)，對有效成分進行有效提取。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)進行化學實驗 微波作為一種新型能量形式，其促進化學反應速率比傳統(tǒng)加熱技術(shù)快數(shù)倍甚至千倍。微波加熱反應有三大特點：一是加熱速度快，能在短時間內(nèi)達到反應溫度，熱效率高，反應往往在數(shù)分鐘內(nèi)完成；二是實驗條件溫和，避免了常規(guī)使用的加熱套和油浴，操作簡單，保護實驗環(huán)境；三是微波化學反應是分子意義上的攪拌，反應轉(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)的應用對增強化學實驗的綠色化有十分重要的作用，是實現(xiàn)化學實驗綠色化的重要途徑。如微波輻射合成和水解乙酰水楊酸。乙酰水楊酸的傳統(tǒng)酸催化合成法反應時間相對較長，乙酸酐用量大，反應速度相對較慢，收率僅為74%～80%，且易產(chǎn)生副反應，對生產(chǎn)設(shè)備有較強的腐蝕性。為此，我們采用微波輻射堿催化合成，反應時間縮短，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，且大大提高了反應速率。若增加微波輻射功率，則反應時間更短。采用傳統(tǒng)加熱方式加熱水解，整個水解過程需用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，水解反應產(chǎn)率近100%。

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

2.3.7 通過多媒體仿真技術(shù)實現(xiàn)化學實驗綠色化 一些常規(guī)、傳統(tǒng)化學實驗需要消耗較多試劑、藥品等，尤其是一些實驗所用試劑藥品價格昂貴、有毒、有害且實驗操作危險性較大，部分實驗排放許多有毒氣體和廢液。這時，采用計算機多媒體技術(shù)進行仿真實驗就可以解決這一問題。它是一種化學試劑和儀器裝置“零投入”和“廢棄物零排放”的特殊實驗方式。我們下載了大量化學實驗視頻，可供學生選擇性地觀看交流，大大激發(fā)了學生學習興趣。

綠色化學設(shè)計思路對一些傳統(tǒng)化學實驗進行了改進，不僅達到了培養(yǎng)學生綜合能力，提高教學效率的目的，還減少了資源浪費和環(huán)境污染，增強了學生的環(huán)保意識，幫助其樹立了綠色化學理念。

[1]王敏，宋志國，王秀麗.綠色化學理念與實驗[M].北京:化學工業(yè)出版社，2010.

[2]袁愛群,金彩，張直，等.用綠色化學理念改進硫酸亞鐵銨制備實驗[J].化學教育，2004（5）：9～10.

[3]張學東，丁秋玲.醫(yī)用化學實驗教程[M].武漢:華中科技大學出版社, 2010.

[4]林英杰，劉在群，王建輝，等.全國大學化學實驗綠色化教學研討會論文集[C].武漢：武漢大學出版社，2001.

[5]張秀蘭.高?；瘜W實驗綠色化探討[J].廣東化工，2009，36（8）：318.

G421

B

1671-1246（2011）15-0114-03