基礎化學實驗的綠色化設計與實踐

李 軍，許俊強，郭 芳

(重慶理工大學化學化工學院，重慶 400054)

基礎化學實驗是化學、化工、制藥、生物和材料等學科的基礎實驗課程，也是“卓越工程師培養(yǎng)計劃”的重要內(nèi)容。而綠色化學實驗是從環(huán)境保護的角度來考慮實驗設置、實驗手段、實驗方法等各方面因素，通過對現(xiàn)有實驗體系的改革，從微型實驗、環(huán)境友好型實驗的設計等方面提出示范實驗方法，系統(tǒng)性地建立推廣性強的綠色化學實驗示范體系。它既能培養(yǎng)學生綠色化學的概念和意識，又能減少對環(huán)境的污染。因此，開展基于基礎化學實驗的綠色化研究不僅對化學實驗的教學具有重要的現(xiàn)實意義，而且對學科發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義，也對環(huán)境保護起到重要的作用。

1 綠色化學實驗的內(nèi)涵

綠色化學實驗就是在滿足教學要求的前提下，合理選擇和設計實驗內(nèi)容，采取環(huán)境友好的化學實驗新技術、新方法，盡量消除或減少有害物質(zhì)，減少污染物排放;另一方面從化學廢液、報廢化學藥品回收處理措施入手，采用分類回收、集中處理的方法，降低處理難度，防止污染擴散，從源頭上消除或減輕化學實驗對環(huán)境和人類健康的負面影響。在化學實驗教學中，從環(huán)境保護的角度來考慮實驗設置、實驗手段、實驗方法等各方面因素，在實驗教學中建立綠色化學實驗的思想。采用5R原則(拒用危險品(Reject)，減量使用(Reduce)，循環(huán)使用(Recycle)，重新使用(Reuse)，再生(Regenerate))來解決化學實驗中出現(xiàn)的污染問題。綠色化學實驗是化學實驗教學中實施創(chuàng)新教育的重要內(nèi)容和必要保證，其內(nèi)涵如圖1所示。

圖1 綠色化學實驗的內(nèi)涵

2 無機化學實驗的綠色化設計

在無機化學實驗中，“三廢”的排放一直是人們關注的問題。對于產(chǎn)生廢氣(如Cl2、Br2、N2O、NO、NO2、SO2、H2S 等)的實驗均應在通風櫥內(nèi)進行。若實驗中產(chǎn)生大量有毒氣體，應該安裝氣體吸收裝置來吸收這些氣體，然后進行處理(圖2)。廢液、酸堿鹽是主要的污染物。對不含有毒害離子的稀酸和稀堿的廢液，在實驗時應隨時收集于相應的桶中，達到一定數(shù)量時相互中和。對于含有鉛、鎘等重金屬離子的廢液可采用堿液沉淀法，使這些金屬離子轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸锘蛱妓猁}沉淀，放置一夜，過濾收集濾渣，檢驗濾液中不含有相應的重金屬離子后才可排放。在含鋇廢液中加入硫酸鈉溶液，過濾后才可排放。對于含硼廢液和可濃縮廢液，可利用陰離子交換樹脂吸附。對于含氟廢液，可加入消化石灰乳，放置一夜后過濾，濾液加酸中和稀釋后排放。對于含鉻(VI)廢液，可以在酸性條件下先用還原劑(硫酸亞鐵或硫酸加鐵屑)還原至鉻(III)后，再轉(zhuǎn)化為氫氧化物沉淀，將濾渣收集保存，濾液經(jīng)定性分析后無6價鉻就可以排放。對于含有氰化物的廢液，可先加入混合堿液，使金屬離子沉淀、分離，調(diào)解濾液pH值至6.5～8.5后，再往濾液中加入過量次氯酸鈉溶液或漂白粉，充分攪拌靜置12 h，使氫化物分解，查明廢液中沒有CN－后排放。

圖2 無機化學實驗中的氣體吸收實驗

封閉實驗可使涉及到的氣體反應在封閉體系中進行。反應過程中產(chǎn)生的尾氣用相應的化學液體吸收，實現(xiàn)零污染(圖3)。例如，SOX用氨水吸收;NOX用氫氧化鈉溶液吸收，同時得到重要化工原料硝酸鈉;氨等堿性物質(zhì)用酸液吸收成硫酸銨;H2S用硫酸銅溶液吸收成為硫化銅沉淀;CI通入堿液轉(zhuǎn)變?yōu)榇温人猁}。對于產(chǎn)生 HCl、SO2、NH3等易溶于水的氣體的反應裝置，可增加一個漏斗或一個干燥管，把氣體導入水中或相應的吸收液中。

圖3 密閉條件下金屬表面的氨分解反應實驗

3 有機化學實驗的綠色化設計

在有機化學實驗中，大量使用“有機溶劑”和“有機試劑”，實驗所產(chǎn)生的“三廢”對環(huán)境的污染較為嚴重。因此，倡導盡量排除或減少對環(huán)境污染大、毒性大、危險性大、三廢后處理困難的實驗項目，盡量選擇低毒、污染較小且后處理容易的實驗項目。例如: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;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，同時也降低了低值易耗品的費用;對于合成鄰、對硝基酚，雙酚A及酚酞類化合物時均使用酚類化合物，由于反應不可能完全和酚類有較大的水溶度，這些廢液中所含的酚類都是超標的，可以加入漂白粉煮一下，以使酚類氧化分解后再排放，這個方法對于苯胺類化合物也適用。

在有機化學實驗中有機化合物合成、蒸餾與分離、定量滴定分析等實驗全部實現(xiàn)中型或微型化，綠色化效果顯著(圖4)。例如:醛酮性質(zhì)實驗要求學生在點滴板上完成醛酮與西佛試劑2、4－二硝基苯肼的實驗，試劑用量減少到常規(guī)量的1/10，即2滴。類似的實驗還可要求學生用同樣的方法完成鄰二醇與氫氧化銅、酚與氯化鐵的性質(zhì)實驗。還有在有機實驗“乙醚的制備”實驗中，微型法每組僅用6 mL的無水乙醇和2 mL濃硫酸，而常規(guī)法則每組用75 mL的無水乙醇和25 mL濃硫酸。

圖4 微型化學實驗儀器

4 基于分析化學實驗設計改進型綠色化項目

分析化學實驗中，實驗方法的改進顯得尤為重要。實驗方法的改進可顯著減少對空氣污染。如在硫化氫系統(tǒng)分析中產(chǎn)生的硫化氫氣體，在實驗教學中，可以采用硫代乙酰胺代替硫化氫水溶液，從而使氣體污染降低到最低限度。實驗裝置的改進也可以體現(xiàn)綠色化。如氣相色譜分析中，測定試劑改用乙醇、丙醇、丁醇、異戊醇及其混合試樣來替代苯、甲苯、二甲苯、乙基苯樣品，檢測器由TCD改為FID，這樣樣品的毒副作用顯著減少，又避免了這些有機物的直接放空，從而大大減少了實驗污染，增加了實驗的“綠色”成分。

分析化學中的指示劑的頻繁且大量的使用是非常常見的。但有的時候，為了使指示效果更加敏銳，改變指示劑的使用方法可以顯著減少用量。如用甲醛法測定銨鹽含氮量時，常用在銨鹽溶液中加入甲基紅指示劑，用NaOH標準溶液滴定至金黃色，加入甲醛溶液，以酚酞為指示劑，用NaOH標準溶液滴定至橙紅色。但這種方法肉眼不易判斷顏色的突變，突躍不明顯，指示劑用量也較多。為此，改用混合指示劑溴甲酚綠和甲基紅進行替代，最終，溶液滴定至由酒紅變綠，終點為紫紅色。此法效果敏銳，能準確判斷終點，少量溴甲酚綠的加入可減少甲基紅的量，符合綠色實驗理念。

5 基于物理化學實驗設計改進型綠色化項目

在物理化學實驗中，通過實驗方法的改進、試劑的選擇以及變廢為寶等多項舉措可實現(xiàn)綠色化。如反應速率常數(shù)得測定中，選擇非常綠色的“過氧化氫”作為化學試劑，進行測定過氧化氫催化分解的一級反應速率常數(shù)k，進而得到k與反應物濃度的關系。這樣整個實驗操作實現(xiàn)了零污染。在偏摩爾體積的測定中，采用NaCl和蒸餾水溶液進行稱重分析，進而掌握通過測試溶液的密度求取二元溶液偏摩爾體積的方法。測試后的廢液也是環(huán)保的。有些實驗中產(chǎn)生的無水乙醇和環(huán)己烷的混合物一直是污染的重要內(nèi)容。選擇用水作萃取劑，采用萃取－精餾方法，實現(xiàn)了從乙醇中回收環(huán)己烷廢液，進而得到了二元液系相圖。這樣既變廢為寶，又掌握了相圖的知識。

6 培養(yǎng)學生實驗操作規(guī)范化

在基礎化學實驗中，有些實驗的藥品用量在教材中都未明確給出限量，以至學生很難把握藥品的實際用量，這樣既影響實驗的科學性和實驗效果，又會造成藥品的浪費，還會對環(huán)境造成一定程度的污染，也不利于培養(yǎng)學生的規(guī)范化操作。若對藥品規(guī)定了用量和濃度，既方便施教，又方便操作，也易讓學生接受、觀察和記憶，從而培養(yǎng)學生嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度，同時節(jié)約了藥品，減少了環(huán)境污染。引導學生積極參與綠色化學實驗研究，在教學中將化學實驗與環(huán)境教育有機結合，進一步培養(yǎng)學生的環(huán)境保護意識。這樣既提高了實驗的科學性，為實驗操作的規(guī)范化奠定了基礎，又培養(yǎng)了學生良好的實驗習慣，使學生學到實際應用技術。

7 結束語

在四大基礎化學試驗中，將綠色化學理念貫穿于基礎化學實驗教學中，進一步拓展環(huán)境友好的實驗教學內(nèi)容，設計符合實際的綠色化學實驗，形成一套富有成效綠色化學實踐教學內(nèi)容。從環(huán)境保護的角度來考慮各個實驗設置、實驗手段、實驗方法等各方面因素，通過對現(xiàn)有實驗體系的改革，建立示范實驗方法，系統(tǒng)性地建立推廣性強的綠色化學實驗示范體系。這種綠色化學實踐教學體系能提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)師生的綠色化學思維。綠色化學實踐教學體系的構建和實施，將取得良好的實踐教學效果和環(huán)境效益。

［1］紀紅兵，佘遠斌.綠色化學化工基本問題的發(fā)展與研究［J］.化工進展，2007(5):605－614.

［2］閔恩澤;傅軍.綠色化學的進展［J］.化學通報，1999(1):10.