劉 健， 袁以兵

（1.合肥師范學(xué)院化學(xué)化工系，安徽合肥 230601；2.合肥市第36中學(xué)，安徽合肥 230041）

高校低碳化學(xué)實驗的研究與實踐

劉 健1， 袁以兵2

（1.合肥師范學(xué)院化學(xué)化工系，安徽合肥 230601；2.合肥市第36中學(xué)，安徽合肥 230041）

高校化學(xué)實驗的低碳化正逐漸成為當(dāng)前化學(xué)實驗教學(xué)改革的突出方向。化學(xué)實驗的微型化是高校實驗教學(xué)的一項有效的低碳化措施。通過對化學(xué)實驗綠色化和微型化教學(xué)改革實踐，提出了在高校化學(xué)實驗教學(xué)中通過樹立綠色化學(xué)意識、采用微型化實驗、改革教學(xué)內(nèi)容、精心安排化學(xué)實驗來對學(xué)生進行綠色化學(xué)教育。

低碳化學(xué)；微型有機化學(xué)實驗；綠色化

1 引言

在當(dāng)前全球氣候變暖、環(huán)境污染加劇的形式下，以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的低碳經(jīng)濟（Low－carbon economy）成為當(dāng)今世界潮流［1］。發(fā)達國家大力推進高能效、低能耗的“低碳革命”，著力發(fā)展“低碳技術(shù)”及可再生資源的回收利用，低碳經(jīng)濟已席卷全球成為各行業(yè)發(fā)展的主題。1991年，化學(xué)工業(yè)最發(fā)達的美國最早提出了“綠色低碳化學(xué)”的口號［2］。所謂的綠色低碳化學(xué)就是指用化學(xué)技術(shù)和方法從源頭上減少或消除對人類健康、社區(qū)安全、生態(tài)環(huán)境有害的原料、催化劑、試劑、溶劑及產(chǎn)物和副產(chǎn)物等的使用和再生，開發(fā)原子經(jīng)濟性反應(yīng)，采用無毒無害的原料或可再生資源，在無毒無害的條件下，生產(chǎn)出環(huán)境友好的化學(xué)品。“綠色低碳化學(xué)”是為適應(yīng)人類可持續(xù)發(fā)展的要求而提出的全新觀念［3］。

低碳及可再生化學(xué)的核心內(nèi)容是原子經(jīng)濟性，這一概念最早是1991年美國Stanford大學(xué)的著名有機化學(xué)家Trost（為此他曾獲得了1998年度的“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎”的學(xué)術(shù)獎）提出的，即原料分子中究竟有百分之幾的原子轉(zhuǎn)化成了產(chǎn)物。理想的原子經(jīng)濟反應(yīng)是原料分子中的原子百分之百地轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物，不產(chǎn)生副產(chǎn)物或廢物，實現(xiàn)廢物的“零排放”。他用原子利用率衡量反應(yīng)的原子經(jīng)濟性，認為高效的有機合成應(yīng)最大限度地利用原料分子的每一個原子，使之結(jié)合到目標(biāo)分子中。綠色化學(xué)的原子經(jīng)濟性的反應(yīng)有兩個顯著優(yōu)點：一是最大限度地利用了原料，二是最大限度地減少了廢物的排放。

原子利用率＝（預(yù)期產(chǎn)物的式量／反應(yīng)物質(zhì)的式量之和）×100%

如無公害氧化劑過氧化氫的制備可采用乙基蒽醌法，即由氫和氧在2－乙基蒽醌和Pd為催化劑作用下直接合成，2－乙基蒽醌復(fù)出并可循環(huán)使用。此反應(yīng)原子利用率為100%，體現(xiàn)了原子經(jīng)濟性，減少廢物的生成和排放，是典型的零排放例子［4］。

為了簡述了綠色化學(xué)的主要觀點，P.T.Anastas和J.C.Waner曾提出綠色化學(xué)的12項原則，這12項原則對我們今后從事綠色化學(xué)的研究具有一定的指導(dǎo)作用。

Ⅰ.防止——防止產(chǎn)生廢棄物要比產(chǎn)生后再去處理和凈化好得多。

Ⅱ.講原子經(jīng)濟——應(yīng)該設(shè)計這樣的合成程序，使反應(yīng)過程中所用的物料能最大限度地進到終極產(chǎn)物中。

Ⅲ.較少有危害性的合成反應(yīng)出現(xiàn)——無論如何要使用可以行得通的方法，使得設(shè)計合成程序只選用或產(chǎn)出對人體或環(huán)境毒性很小最好無毒的物質(zhì)。

Ⅳ.設(shè)計要使所生成的化學(xué)產(chǎn)品是安全的——設(shè)計化學(xué)反應(yīng)的生成物不僅具有所需的性能，還應(yīng)具有最小的毒性。

病毒性疾病，好發(fā)于7歲以下小兒，多發(fā)于夏秋季，一般4～6天即可自愈。癥狀為發(fā)熱、咽痛、5歲以下小兒有1/4可伴發(fā)嘔吐。檢查咽部，充血并有散在灰白色皰疹。

Ⅴ.溶劑和輔料是較安全的——盡量不用輔料（如溶劑或析出劑）當(dāng)不得已使用時，盡可能應(yīng)是無害的。

Ⅵ.設(shè)計中能量的使用要講效率——盡可能降低化學(xué)過程所需能量，還應(yīng)考慮對環(huán)境和經(jīng)濟的效益。合成程序盡可能在大氣環(huán)境的溫度和壓強下進行。

Ⅶ.用可以回收的原料——只要技術(shù)上、經(jīng)濟上是可行的，原料應(yīng)能回收而不是使之變壞。

Ⅷ.盡量減少派生物——應(yīng)盡可能避免或減少多余的衍生反應(yīng)（用于保護基團或取消保護和短暫改變物理、化學(xué)過程），因為進行這些步驟需添加一些反應(yīng)物同時也會產(chǎn)生廢棄物。

Ⅸ.催化作用——催化劑（盡可能是具選擇性的）比符合化學(xué)計量數(shù)的反應(yīng)物更占優(yōu)勢。

Ⅹ.要設(shè)計降解——按設(shè)計生產(chǎn)的生成物，當(dāng)其有效作用完成后，可以分解為無害的降解產(chǎn)物，在環(huán)境中不繼續(xù)存在。

Ⅺ.防止污染進程能進行實時分析——需要不斷發(fā)展分析方法，在實時分析、進程中監(jiān)測，特別是對形成危害物質(zhì)的控制上。

Ⅻ.特別是從化學(xué)反應(yīng)的安全上防止事故發(fā)生——在化學(xué)過程中，反應(yīng)物（包括其特定形態(tài)）的選擇應(yīng)著眼于使包括釋放、爆炸、著火等化學(xué)事故的可能性降至最低。

低碳經(jīng)濟時代的到來，各行各業(yè)都開展了各種形式的節(jié)能減排運動，但是各大專院校和中小學(xué)實驗室成了節(jié)能減排運動的盲區(qū)，既要讓這些實驗室能順應(yīng)低碳環(huán)保的要求，又要充分發(fā)揮實驗室的培養(yǎng)科學(xué)后備人才的功能?；瘜W(xué)實驗是高等院?；?、化學(xué)、生物、材料、環(huán)保等專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)實驗課程，但在開展實驗同時，會帶來一定的環(huán)境污染?；瘜W(xué)實驗所用的試劑多有毒、有害，而且實驗過程中一般都有廢棄物產(chǎn)生，不妥善處理或隨意排放，會污染環(huán)境，威脅師生健康。因此，在大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中要以實驗室為主陣地，將實驗教學(xué)與環(huán)境保護相結(jié)合，努力做到“5R”原則，即Reject——拒用危害品，Reduce——減量使用，Recycle——循環(huán)使用，Reuse——重復(fù)利用，Regeneration——再生利用，［5］對現(xiàn)行的基礎(chǔ)化學(xué)實驗從綠色化認識到實驗方法、實驗內(nèi)容等多方面進行低碳化改革。實踐證明，通過對存在于基礎(chǔ)化學(xué)實驗中的環(huán)境污染問題的不斷升華，學(xué)生的低碳與可再生化學(xué)思想意識普遍得到提高，化學(xué)實驗興趣濃厚，實驗操作能力提高，社會責(zé)任感得到了加強。

2 國內(nèi)外研究進展

國內(nèi)外化學(xué)科研工作者結(jié)合化學(xué)實驗室的具體特點，對建設(shè)綠色化學(xué)實驗室做了許多探索與嘗試。美國的Mayo博士和他的同事們自1982年開始研究試用一種新型的實驗方法——微型化學(xué)實驗。我國于1988年末開始，由十幾所院校組成了微型化學(xué)實驗課題研究協(xié)作組，本著立足國內(nèi)教學(xué)實際情況，開展微型化學(xué)實驗的研究和推廣工作。

微型化學(xué)實驗（Microscale Chemical Experiment）是近20年來發(fā)展很快的一種化學(xué)實驗的新方法、新技術(shù)，被譽為“化學(xué)實驗的革命”。微型化學(xué)實驗是著眼于環(huán)境安全和污染預(yù)防的需要，用盡可能少的藥品，在微型化的儀器裝置中進行的化學(xué)實驗［6］。微型化學(xué)實驗不是常規(guī)實驗的簡單縮微或減量，而是在微型化的條件下對實驗進行重新設(shè)計與探索，達到以盡可能少的試劑來獲取盡可能多的化學(xué)信息和目標(biāo)。值得注意的是美國《化學(xué)教育》雜志從1989年第11期起開辟了由Zipp博士主持的微型化學(xué)實驗專欄，這是微型化學(xué)實驗己成為國際化學(xué)教育發(fā)展的重要趨勢的一個標(biāo)志。關(guān)于微型實驗、低碳化學(xué)等己有大量文獻報道［7］，國內(nèi)有關(guān)微型低碳化學(xué)實驗的研究成果也陸續(xù)出版［8－10］。微型化學(xué)實驗的研究是著眼于環(huán)境保護和化學(xué)實驗安全的需要，體現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的要求。微型實驗除了具有現(xiàn)象明顯、操作簡便快速、節(jié)省經(jīng)費、減少污染、安全、便于攜帶等優(yōu)點外，在培養(yǎng)、提高人的科學(xué)素質(zhì)上也發(fā)揮著不可估量的作用。它的興起和推廣雖然早于綠色化學(xué)，然而它的理想目標(biāo)和方法，與綠色化學(xué)是完全一致的，現(xiàn)在把微型實驗作為綠色化學(xué)實驗的一項實驗方法與技術(shù)是恰當(dāng)?shù)?。但是微型化實驗所用儀器裝置和操作方法都與常規(guī)實驗有較大差別，某些實驗中甚至是完全不同的，學(xué)生學(xué)到一些處理微量樣品的特殊方法和技巧，卻并不能完全覆蓋常量實驗的基本操作技能，所以，微型化實驗只能作為一類提高性項目局限在一個適當(dāng)?shù)谋壤畠?nèi)。

化學(xué)實驗中使用有機溶劑是較為普遍的，近年來，各國化學(xué)家創(chuàng)造并研究了許多取代傳統(tǒng)有機溶劑的綠色化學(xué)方法，如，以水為介質(zhì)、以超臨界流體、室溫離子液體為溶劑［11－12］等方法，而最徹底的方法就是完全不用有機溶劑的無溶劑反應(yīng)。這些方法克服了反應(yīng)過程中溶劑對環(huán)境的污染，尤其是無溶劑反應(yīng)更值得大力提倡和研究。但在化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用還是比較少見。

近年來，微波作為一種新型能量形式用于許多化學(xué)反應(yīng)，微波以其加熱迅速、受熱體系均勻、便于控制、產(chǎn)品質(zhì)量高等特點，在化學(xué)反應(yīng)中已成為一種加速化學(xué)反應(yīng)的經(jīng)典技術(shù)［13］。微波促進的反應(yīng)具有條件溫和、操作方便、時間短（節(jié)能）、產(chǎn)率高、產(chǎn)品易純化、減少用量或不用溶劑、對環(huán)境友好等優(yōu)點。因此，微波化學(xué)發(fā)展迅猛，已涉及到化學(xué)的方方面面，成功地應(yīng)用于多種化學(xué)反應(yīng)，并展示了廣泛的應(yīng)用前景。在化學(xué)實驗中引入微波技術(shù)，有助于學(xué)生對相關(guān)的先進科學(xué)技術(shù)的了解，激發(fā)求知欲，因而也是化學(xué)實驗“低碳化”的一個重要方法。因此，在大學(xué)化學(xué)實驗中，合理地采用微波輻射技術(shù)進行基礎(chǔ)化學(xué)實驗設(shè)計是進行化學(xué)實驗低碳化工作的重要組成部分，具有重要的開發(fā)前景。

3 低碳及可再生化學(xué)實驗的教學(xué)內(nèi)容和方法

采取低碳化學(xué)的理念對實驗教學(xué)內(nèi)容進行優(yōu)化，減少驗證性實驗的課時，適當(dāng)加強基本操作技能訓(xùn)練，同時增開綜合性和設(shè)計性實驗內(nèi)容，將本科實驗教學(xué)的重心轉(zhuǎn)移到基本實驗操作技能的培養(yǎng)上來。通過實驗內(nèi)容的調(diào)整，既符合低碳化學(xué)的理念，又使學(xué)生受到更加系統(tǒng)全面的低碳及可再生化學(xué)教育和實驗技能訓(xùn)練，加強了學(xué)生觀察能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3.1 培養(yǎng)具有低碳及可再生化學(xué)觀念的實驗師資

教師是教學(xué)的基礎(chǔ)，為了向?qū)W生傳授和加強低碳化學(xué)實驗的教學(xué)，首先必須要有合格的師資，要對化學(xué)實驗教師進行培訓(xùn)?；瘜W(xué)實驗教師的培訓(xùn)內(nèi)容是低碳化學(xué)實驗的具體內(nèi)涵和如何實施可再生化學(xué)實驗，著重學(xué)習(xí)低碳化學(xué)的概念、原理、方法、優(yōu)點、評價體系等；方法是引導(dǎo)教師將自己的科學(xué)研究課題與低碳化學(xué)實驗結(jié)合起來，這樣教師在進行綠色化學(xué)實驗的教學(xué)時，就能結(jié)合自己的研究成果對學(xué)生進行講解。另外，教師也要深入研究實驗教材，對原來的實驗在科學(xué)的基礎(chǔ)上進行低碳化的創(chuàng)新實驗。

3.2 開設(shè)微型化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，增強學(xué)生的低碳環(huán)保意識

相對于常量實驗，微型實驗對學(xué)生的實驗技能、實驗準(zhǔn)確性和精密度、綜合能力等，都提出了更高的要求，因此我們?yōu)閷W(xué)生配備了便攜式微型玻璃實驗儀器。在此基礎(chǔ)上，我們設(shè)計了小量、半微量合成實驗（一般，固、液起始原料約為1～3g，少數(shù)約為3g），從而達到既能培養(yǎng)學(xué)生實驗技能，又可增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實驗教學(xué)效率的目的。在采用微量實驗的同時，對實驗內(nèi)容的“低碳化”、“可再生化”也進行了相應(yīng)地調(diào)整。低碳及可再生化的教學(xué)內(nèi)容是實施綠色化教學(xué)的核心問題。低碳及可再生化學(xué)的基本內(nèi)容是：由環(huán)境友好型的原料，在無毒害的催化劑、溶劑等反應(yīng)條件下，獲得對環(huán)境友好的產(chǎn)物，同時最大可能的回收副產(chǎn)物及廢棄物。

3.3 調(diào)整、開發(fā)綠色化學(xué)實驗內(nèi)容

實驗內(nèi)容的選擇應(yīng)以實驗的科學(xué)性和實驗技能訓(xùn)練的全面性為原則，盡量選擇無毒無公害的綠色化學(xué)反應(yīng)，除了對經(jīng)典的實驗采取更加合理的綠色化設(shè)計，重點還應(yīng)補充一些綠色化學(xué)的原理、合成方法、研究方法和新技術(shù)［14］。

在無機化學(xué)實驗中，教師可用Cl O2或不含氯的H2O2、O3等物質(zhì)來代替具有漂白作用的氯氣代用品；還可以利用H2O2、O3的氧化性來代替具有環(huán)境污染氧化劑使用，如代替高錳酸鉀和重鉻酸鉀等。NO2對上呼吸道有刺激作用，所以在做性質(zhì)實驗時，用“三氯化鐵”代替“硝酸”清洗銀鏡反應(yīng)的試管可避免產(chǎn)生有毒的NO2。

在有機化學(xué)實驗中，教師可用“肉桂酸”實驗代替“喹啉”實驗，避開苯胺、硝基苯等有毒致癌試劑；可用“溴乙烷”實驗代替“溴苯”實驗，避開了苯、溴、吡啶等有毒、對空氣污染大的試劑，減少對環(huán)境的污染。

在分析化學(xué)實驗中，教師可采用無汞定鐵法代替用汞鹽測定鐵礦石中的鐵含量，防止了汞污染；用硫代乙酰胺代替硫化氫進行陽離子沉淀鑒定實驗，避免了硫化氫氣體直接對人體的傷害。

在物理化學(xué)實驗中，在繪制鉛錫合金相圖時，樣品為熔融態(tài)的鉛和鉛錫合金，蒸氣的毒性很大，而且所用的玻璃管容易破裂，易導(dǎo)致實驗失敗和有毒蒸氣泄漏?，F(xiàn)在改為測鉍和錫合金的相圖，不僅去除了鉛蒸氣，而且樣品的用量從幾十克減少到幾克，不僅降低了實驗成本，而且減少了污染。

3.4 適當(dāng)開設(shè)多步驟微型合成實驗

提高實驗教學(xué)的質(zhì)量很大程度上依賴于改革教學(xué)方法，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生自己查文獻、設(shè)計方案，發(fā)揮自己的聰明才智做好每一個試驗。通過一定微型實驗的開設(shè)，學(xué)生在經(jīng)過多次操作訓(xùn)練后已基本上掌握了有機化學(xué)實驗的基本操作和技能，在此基礎(chǔ)上，適當(dāng)開設(shè)多步驟微型合成實驗。例如：由環(huán)己醇為原料，經(jīng)由環(huán)己酮、環(huán)己酮肟合成ε－己內(nèi)酰胺及聚己內(nèi)酰胺。對于多步驟的有機合成實驗，由于每一步產(chǎn)品的產(chǎn)率及純度都關(guān)系到下一步實驗的進行，這就要求學(xué)生必須細心操作。通過這種復(fù)雜的有機合成實驗，使學(xué)生掌握各類有機化學(xué)反應(yīng)的機理、各種官能團之間轉(zhuǎn)化的方法，從而全面了解有機化合物的內(nèi)在關(guān)系，并且使學(xué)生的實驗綜合能力也得到了提高。

綜上所述，進行化學(xué)實驗“低碳化”改革，是順應(yīng)時代潮流發(fā)展，保護人類賴以生存的自然環(huán)境的一項必要措施。新實驗技術(shù)的應(yīng)用，實驗內(nèi)容的更新，對環(huán)境友好的化學(xué)試劑和反應(yīng)的選用，實驗的微量化、半微量化、實驗的綜合化等構(gòu)成了本科化學(xué)實驗“低碳化”的改革方向。只有在實驗教學(xué)中，從點滴入手，不斷研究、發(fā)現(xiàn)和探索綠色化反應(yīng)及條件，加強綠色化教育和環(huán)保意識，才有可能從根本上切斷污染源，建設(shè)環(huán)境友好型社會。

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Research on and Practice of Low－carbon Chemical Experiment in Colleges

LIU Jian1， YUAN Yi－bing2
（1.DepartmentofChemical＆ChemicalEngineering，HefeiNormalUniversity，Hefei230061，China；2.TheNo.36HefeiMiddleSchool，Hefei230041，China）

The Low－carbon chemistry experiment in colleges is becoming the focus of reform of chemistry experiment teaching.Miniaturization of chemistry experiment is an effective low－carbon measure in college experiment teaching.Through the practice of miniaturization of experiments and green experiments，the paper proposes low－carbon chemistry experiments by cultivating awareness of green chemistry，reforming the teaching content and carefully organized experiments.

low－carbon chemistry；miniaturization of organic chemical experiment；green

O6－3

B

1674－2273（2012）03－0084－04

2012－01－10

合肥師范學(xué)院質(zhì)量工程項目（2010YJ34）；合肥師范學(xué)院自然科學(xué)研究項目（2012kj06）。

劉?。?982－），男，安徽肥東人，理學(xué)碩士，合肥師范學(xué)院化學(xué)化工系教師。從事高分子化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)教學(xué)論研究。