衛生職業學院化學實驗教學中的綠色化學教學實施

劉曉瀛

（鐵嶺衛生職業學院，遼寧 鐵嶺 112000）

衛生職業學院化學實驗教學中的綠色化學教學實施

劉曉瀛

（鐵嶺衛生職業學院，遼寧 鐵嶺 112000）

隨著化學工業的飛速發展，環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，設計綠色化學實驗，引入微波技術和多媒體仿真技術，探討實現化學實驗綠色化的方法。

衛生職業學院；化學實驗；綠色化學

1 綠色化學的含義[1]

綠色化學又稱環境無害化學、環境友好化學、清潔化學。綠色化學就是用化學技術和方法減少或避免那些對人類健康、社區安全、生態環境有害的原料、催化劑、溶劑與試劑、產物、副產品等的使用與產生。綠色化學是把化學知識、化學技術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境有害的反應原料的使用、反應過程的利用、反應產物的生產和使用，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化為最終產物。原子經濟性考慮的是化學反應中有多少原料的原子進入產品，這一標準既要求盡可能節約不可再生能源，又要求最大限度地減少廢物排放。理想的原子經濟性反應是原料分子中的原子百分之百地轉化成產物，不產生副產物或廢物，實現廢物零排放。

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節，化學實驗對學生科學思維、動手能力、創新意識培養至關重要?；瘜W實驗讓學生領悟和感受到科學不僅可以創造文明，也會對環境造成污染，對人類產生危害。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 建立高素質師資隊伍

高素質教師是培養高素質學生的基本保證。實驗教師和實驗技術人員應共同做好從傳統實驗教學到綠色化教學的轉變。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展的重要性，并準備一份有關綠色化學的教案。其次，多方查找資料，設計適合我院學生、符合綠色化學理念的化學實驗。最后，學期末總結經驗，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學生綠色化學理念，加強學生綠色環保意識教育，把環境保護知識一點一滴地滲透到教學中。教師也可通過環境污染典型事例（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），讓學生切身體會環境污染的危害，使其樹立環境保護意識，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處理的“三廢”的危害告訴學生，使學生養成良好的實驗習慣。增設實驗后廢棄物無害化處理環節，引導學生妥善處理、回收或循環利用實驗廢棄物，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計

2.3.1 反應體系的綠色化設計 許多化學實驗在實驗過程中會產生有毒的氣體副產物，實驗產物中也會含有對人體有害的氣體物質。傳統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、結晶；另一方面，該實驗通常選用機械加工及制造行業產生的廢棄物——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，冷凝水可循環利用，不會造成硫酸亞鐵結晶析出，廢氣經吸收液吸收轉變為無害物質，實驗環境大為改善。

（2）甲基橙的合成[1]。傳統合成方法：重氮鹽的制備在100ml燒杯中進行，重氮鹽的偶合反應，包括后續過程的結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，我們對傳統敞開體系進行改進，改進后的實驗在三口燒瓶內進行，排出的氣體經過溶液（NaOH）吸收后才放空，體現了從源頭和過程減少污染的綠色化學理念。

2.3.2 催化劑的綠色化設計 目前，90%以上的化學反應要實現工業化生產，就必須采用催化劑提高反應速率。此時，應避免使用有毒、有害物質作催化劑，如重金屬離子、液態強酸堿、苯和苯胺等，而應采用環境友好的固體酸、堿及酶等。

（1）環己烯的合成[1]。目前工業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、易發生副反應、產品收率不高（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，催化環己醇脫水制備環己烯，具有產率高、工藝簡單、操作易控制、產品純度高、催化劑廉價易得、性能穩定、可重復使用且不污染環境等優點，符合綠色化學基本要求。

（2）肉桂酸的合成。傳統合成方法一般選用醋酸鉀作催化劑，產率僅為55%，且水蒸氣蒸餾時間長，產品色澤深。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，產率可達70%以上，且產品色澤好。

2.3.3 化學試劑的循環利用 循環利用即重復使用，是降低成本和減少廢物排放的需要。自然界資源有限，因此人類生產的各種化學品能否回收、再生和循環使用就成為綠色化學研究的重要領域。

（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，使反應繼續進行。苯甲醇氧化生成的苯甲醛在NaOH作用下發生歧化反應，得到苯甲酸鈉和苯甲醇，苯甲醇循環回反應體系，苯甲酸鈉經過酸化后得到苯甲酸。

（2）乙酰水楊酸的合成與水解[3]。傳統教材只開設“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，由教師處理產品。改進實驗后，我們增設了乙酰水楊酸水解實驗，重新得到水楊酸，并加以回收利用，體現了化學實驗綠色化改革目標。

2.3.4 化學實驗內容連續化設計[4]傳統化學實驗中，若產生的副產品沒有太大用途就會被處理，不僅造成了浪費，而且污染了環境。為解決這一問題，我們改進部分實驗，實現了實驗內容的連續化。通過合理設計實驗步驟，使學生復習了更多化學實驗基本操作，既培養了他們的科研思維能力，又增強了其環保意識。如從茶葉中提取咖啡因、茶多酚和茶氨酸[1]。傳統教材僅開設了“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，從清潔生產的思路出發，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加熱技術快數倍甚至千倍。微波加熱反應有三大特點：一是加熱速度快，能在短時間內達到反應溫度，熱效率高，反應往往在數分鐘內完成；二是實驗條件溫和，避免了常規使用的加熱套和油浴，操作簡單，保護實驗環境；三是微波化學反應是分子意義上的攪拌，反應轉化率高且產品質量好，如微波輔助提取、微波灼燒等。微波技術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%，且易產生副反應，對生產設備有較強的腐蝕性。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。采用傳統加熱方式加熱水解，整個水解過程需用10min左右；現改用微波輻射水解，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，常規實驗向微型實驗轉型費用較高，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，達到減少環境污染的目的。

2.3.7 通過多媒體仿真技術實現化學實驗綠色化 一些常規、傳統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，大大激發了學生學習興趣。

綠色化學設計思路對一些傳統化學實驗進行了改進，不僅達到了培養學生綜合能力，提高教學效率的目的，還減少了資源浪費和環境污染，增強了學生的環保意識，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.高校化學實驗綠色化探討[J].廣東化工，2009，36（8）：318.

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1671-1246（2011）15-0114-03