醫用化學實驗綠色化的幾點嘗試

摘要：為實現醫用化學實驗的綠色化，探索和研究了采用設計系列實驗、優化實驗過程、實驗微型化及多媒體實驗教學等策略來

醫用化學實驗是醫學、藥學等專業的一項十分重要的學習內容，在完成實驗教學并收到良好教學效果的同時，無意之中會將一些有害氣體排放到大氣中，或將能引起水質污染的廢液排放到下水道中。而大多數學校對學生每次實驗后排放的污染物很少做處理，盡管每次實驗排放污染物量不算大，但學生實驗的化學試劑種類成分復雜，具有“聚丘成壑，聚沙成塔”的污染效應。隨著教育教學改革的深入以及化學實驗面向全體學生的開放，每位化學教育工作者必須清醒地認識到減少化學實驗污染以及對污染物進行處理的重要性、必要性和緊迫性。

綠色化學（Green Chemistry）是當今國際化學科學研究的前沿課題。它的根本目的是從節約資源和防止污染的觀點來重新審視和改革傳統化學。由傳統化學向綠色化學的轉變可看作是化學從“粗放型”向“集約型”的轉變，從而使我們對環境的治理從治標（即從末端治理污染）轉向治本（即開發清潔工藝技術、減少污染源頭、生產環境友好產品）。[1]在醫用化學實驗教學中實現實驗的綠色化，就是把綠色化學教育理念貫穿在化學實驗及教學的全過程中。為此，我們積極探索方法，認真研究實施策略，嘗試采用了系列實驗設計、實驗過程優化、實驗微型化及借助多媒體實驗教學手段等一系列措施來實現醫用化學實驗的綠色化，取得了良好的教學效果和社會效益。

綠色化學的概念

綠色化學又稱環境無害化學（Environmentally Benign Chemistry）、環境友好化學（Environmentally Friendly Chemistry）或清潔化學（Clean Chemistry）。它強調的是用化學的技術和方法減少或杜絕那些對人類健康、社區安全、生態環境有害的原料、催化劑、溶劑和試劑、產物、副產物等化學用品的使用和產生。這是一門從源頭阻止污染的化學，所研究的中心問題是使化學反應、化工工藝及其產物具有五個方面的特點：（1）采用無毒、無害的原料（即原料綠色化的）；（2）在無毒、無害的反應條件（催化劑和溶劑的綠色化）下進行；（3）使化學反應具有極高的選擇性，極少的副產物，甚至達到“原子經濟性”的程度，即原料分子中原子百分之百的轉化產物，不產生副產物或廢物，實現廢物的零排放（zero emission）（即化學反應的綠色化）；（4）產物應是對環境無害（產品的綠色化）；（5）滿足“物美價廉”的傳統標準。化學實驗綠色化設計主要遵循5R原則，即減少量（Reduce）、重復使用（Reuse）、拒用（Rejection）、回收（Recycling）、再生（Regeneration）。

綠色化學的原則[2]

Anastas PT和 Warner JC在《綠色化學理論和實踐》一書中，提出了綠色化學的12條原則：（1）最好是防止廢物的產生而不是產生后再處理；（2）合成方法應設計成能將所有的起始物質并入最終產物中；（3）只要可能，反應中使用和生成的物質應對人類健康和環境無毒或毒性很小；（4）設計的化學產品應在保持原有功效的同時，盡量使其無毒或毒性很小；（5）應盡量不使用輔助性物質，如溶劑、分離試劑等，如果一定要用，也應使用無毒物質；（6）能量消耗越小越好，應能為環境和經濟方面的考慮所接受；（7）只要技術上和經濟上可行，使用的原材料應是能再生的；（8）盡量避免不必要的衍生過程，如基因的保護與去保護，物理與化學過程的臨時性修改等；（9）盡量使用選擇性高的催化劑，而不是靠提高反應物的配料比；（10）設計化學產品時，應考慮當該物質完成自己的功能后，不再滯留于環境中，而可降解為無毒的產物；（11）分析方法也需要進一步研究開發，能夠做到現時、現場監控，以防有害物質的形成；（12）一個化學過程中使用的物質或物質的形態，應考慮盡量減少實驗事故的潛在危險，如氣體釋放、爆炸和著火等。

從以上原則中可以看出，綠色化學提出的標準和任務不是被動地治理環境污染，而是主動地防止化學污染，只有從根本上切斷污染源，才能真正做到環境保護。我們嘗試在醫用化學實驗綠色化的進程中，遵從以上這些原則作為綠色化的指導方針和標準。在教師和學生的頭腦中形成綠色化學的思維意識，從環境保護的角度來考慮實驗設備、實驗手段、實驗方法等各方面因素。綠色化學的實驗，必將帶來化學產品的生產方式、化學實驗方法的綠色革命，對環境保護具有重要的作用。

醫用化學實驗綠色化的方法

設計系列實驗方法是指通過調整實驗，把幾個分散的實驗設計成一個整體，使一個實驗的產物設計成為下一個實驗的原料，這種方法的使用，能夠盡可能減少化學試劑的消耗和廢液的排放。在醫用化學實驗中，有許多實驗內容之間是相互聯系的，往往是前一個實驗的產物就是下一個實驗的反應物。如在醫用化學的無機實驗部分中，在做一種元素不同價態化合物的性質實驗時，經常會出現這些化合物之間的轉化，若將這些實驗進行合理的安排，有效利用它們之間的轉化關系，重新將其設計為系列實驗，就會既能節約藥品、節省時間，又能促進學生掌握物質之間的轉化關系。以鐵的化合物的性質實驗為例，我們可以將實驗內容設計為一個系列實驗：[3]KMnO4溶液和（NH4）2SO4·FeSO4溶液混合后，加H2SO4酸化，觀察溶液顏色的變化，了解Fe2+的還原性；再滴入2滴KSCN溶液，觀察血紅色溶液生成，了解Fe3+的定性檢測實驗；再加入少量NaF固體，觀察血紅色消失，了解Fe3+與F-的配位反應及常用的掩蔽Fe3+方法；再逐滴加入NaOH溶液，觀察Fe（OH）3沉淀的析出，了解配合物和沉淀物之間的轉換；然后離心沉淀中加入濃HCl，觀察沉淀的溶解及溶液的顏色，了解Fe(OH)3在HCl中的溶解性；再向溶液中滴加K4[Fe（CN）6]溶液，觀察深藍色沉淀的析出，了解普魯士藍的生成和性質。經過實驗證明，實驗內容經過這樣重新設計和改進后，化學試劑的使用量和廢液的排放量都大為減少，同時學生對實驗現象和實驗過程中的知識點也有了更清楚的認識。

精選實驗內容，優化實驗過程我們在醫用化學實驗中對污染嚴重，危害性大的實驗應排除或重新設計。每一個實驗項目都要進行優化考慮，盡可能達到以下標準：原材料廉價易得，實驗過程中副反應少（體現原子經濟性），反應過程中使用的試劑、溶劑、催化劑等盡可能無毒無害（實現反應過程綠色化），產出物無毒或無毒害性，并易處理，反應條件溫和、節約能源等等。這種優化過程是一個完善的過程，是有條件、有選擇地對一些重復出現的低水平教學內容進行改革，對不合理的實驗進行合理的改進。改進實驗是指在教材中提供的原有實驗的基礎上對其實驗操作、實驗裝置進行改造，在保證實驗方法更加合理化，實驗目標更加清晰的前提下，力求在源頭上清除污染。例如在一些有毒氣體的性質和制備實驗中，就必須增加尾氣處理裝置或及時燒掉，把有毒氣體轉化成無毒或毒性降解物。例如銅與濃、稀硝酸的反應性質實驗，按照醫用化學教材的實驗操作，將會產生一定量的NO2或NO氣體，危害師生身體健康，污染環境。如果把此實驗按照實驗綠色化的原則和標準進行改進，在注射器內完成上述性質的實驗，既可明顯地觀察到現象，掌握銅與濃、稀硝酸反應的實質，又能避免NO2或NO的逸出，消除環境污染，而且反應所得的生成物NO2便于用NaOH溶液吸收。

采用微型化實驗，實現化學實驗綠色化微型實驗是實驗綠色化的重要途徑。微型化學實驗是在微型的化學儀器裝置中進行的化學實驗，從理論上講，它是以盡可能少的化學試劑而獲得比較明顯的反應結果和準確的化學信息的一種新型實驗方法，是一門新的實驗技術。它是20世紀80年代由美國幾所大學首先發起的化學實驗改革，它不是常規實驗的簡單微縮，而是在微型化的條件下對實驗進行創新的再現。采取微型實驗技術，不僅可以大幅度減少實驗費用，而且可以擴大化學實驗的覆蓋面，提高化學教學質量。這種方法一開始問世就深受廣大教師、學生的歡迎，近些年在我國得到迅速發展和普及。在大力倡導可持續發展戰略的今天，普及和推廣微型化學實驗具有特殊的時代意義。微型實驗具有以下特點：[4]（1）成本低。微型實驗儀器可以利用廢棄物，像青霉素藥瓶可以做試劑瓶、集氣瓶；一次性輸液器可做導氣管、多用滴管；裝藥片塑料板可以做點滴板等等。因此，微型實驗降低了實驗成本。（2）試劑用量小。試劑用量僅為常規實驗的1/10至1/100，縮短實驗時間（大約為常規實驗的40%），同時也降低了水、電能源的消耗。微型實驗的開設對毒性大、藥品貴、耗量大、易燃、易爆、污染嚴重、操作復雜的化學實驗尤為必要，它能杜絕或明顯減少實驗過程中給環境帶來的污染。如鹵素的性質實驗，所用藥品種類多、分量大，改用透明塑料制作的微型滴管及井穴板做實驗，既減少了藥品消耗及廢物排放量，又保證了實驗現象明顯。

采用多媒體輔助教學，實現化學實驗綠色化多媒體技術在化學實驗中的具體應用，是化學實驗擺脫實物教育的一場革命。它的運用和發展，對保護自然資源，緩解化學實驗對環境所造成的污染，設備復雜（投資較大），反應速度慢和操作條件要求苛刻，常規實驗無法開展，但又是很重要的實驗，以生動有趣的多媒體形式表現出來，寓教于樂，可取得較好的教學效果。另外，有些化學實驗常容易引起爆炸或必須使用有毒有害的試劑，或實驗過程中排放出有毒的氣體或有毒廢液，不僅給師生的身體健康帶來極大的危害，而且對環境也會造成較大的破壞。目前，還無法通過改進實驗來實現綠色化或減少、減輕污染。對于這類實驗，采用多媒體技術演示實驗，不僅能使學生感受到實驗現象，學會了實驗操作的流程，而且那些毒性大，危險性較大的實驗，始終不會對人體和環境造成污染，自然也就實現了化學實驗的綠色化。[5]

我們必須深刻地認識到減少、降低、避免化學實驗污染和提倡綠色化學在化學教學中的重要意義。在實驗教學中，大力推動實施綠色化的化學實驗教學，為樹立科學發展觀，實現經濟社會的可持續發展而積極探索，努力工作。

參考文獻：

[1]朱清時.綠色化學與可持續發展[J].中國科學院刊，1997，（6）：415-420.

[2]Anastas P T，warner J C.Green chemistry Theory and Practice[M].London：Oxford University Press，1998.

[3]周云，唐亞文，陸天虹.無機化學實驗綠色化的探討[J].南京曉莊學院學報，2004，（4）：103-105.

[4]馬志成，項光其，張衛岳，等.基礎化學實驗綠色化探討[J].實驗室研究與探索，2004，（2）：4-5.

[5]彭菊花，馮伯虎.基于綠色化學理念下的實驗教學策略[J].承德民族師專學報，2004，（2）：44-45.

作者簡介：

秦振華（1969—），女，河南商丘人，講師，從事高校化學教育工作。