基礎有機化學實驗中綠色化學理念的應用探索

史玲 江國防 汪秋安

摘要：對有機化學實驗課程的綠色化，一方面能夠加深學生對理論知識的實踐理解并培養學生的實驗技能，另一方面又能夠減少實驗對環境造成的負面影響，樹立并提高學生的環保意識。這也是實驗教學改革發展的一個重要方向。

關鍵詞：基礎有機化學實驗;綠色化學;教學改革

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）45-0236-02

綠色化學又稱環境友好化學，是指在制造和應用化學產品時應有效利用（最好可再生）原料，消除廢物和避免使用有毒的和危險的試劑和溶劑。綠色化學的最大特點是利用化學原理在源頭采用預防污染的科學手段，從而使得過程和終端均為零排放或零污染。世界上很多國家已把“綠色化學”作為新世紀化學進展的主要方向之一[1]。有機化學實驗是與化學相關專業學生必修的一門重要的專業基礎課。傳統有機化學實驗中試劑的使用量較大，種類較多，而且大部分試劑都具有毒副作用和較強的揮發性，因此對環境影響很大。通過有機化學實驗課程的綠色化，既能加深學生對理論知識的實踐理解，培養學生的動手能力、分析解決問題能力、創新能力、實驗技能，又減少實驗對環境造成的負面影響，提高學生的環保意識和綠色化學意識，這也是實驗教學改革發展的一個重要方向[2]。

（一）強化實驗主體的綠色化學理念

要實現有機化學實驗綠色化，首先教師自身要有綠色化學意識、環保意識和責任意識，能夠在實驗教學中應用綠色化學教學思想。在授課過程中，教師的以身作則，能初步建立學生的綠色化學意識。基礎實驗一般是低年級學生的課程，學生通常對實驗涉及的化合物的性質認識不夠，常常出現一些危害環境、危害自身安全的操作。例如，由于不能夠準確把握藥品體積或質量，因此經常出現過量取用藥品的情況，但是多余的藥品又不能倒回試劑瓶，就隨意丟棄在桌面上或者水槽中。再比如，實驗設計過程中，很多學生都沒有考慮反應過程中有害氣體的產生與否，往往會忘記設計氣體吸收裝置。在實驗后處理環節，遇到待排放的酸堿溶液時，部分學生甚至會將未中和的溶液直接倒入下水道中。這些現象都說明學生缺乏綠色意識或者綠色意識還有待提高，因此在教學過程的各個環節教師不斷強化綠色化學的理念就顯得尤為重要：為了給培養學生綠色意識打下基礎，在學生首次進入實驗室時，介紹如何安全使用化學試劑，介紹“三廢”直接排放對環境帶來的危害;為了引導學生形成綠色化學的思維，在授課環節，對傳統合成路徑從原料、催化劑、反應溫度等方面進行分析，對比新型的綠色合成技術，讓學生對各種方法的優劣勢形成直觀的感受;為了讓讓學生自覺地產生環保意識，教師應在實踐過程中具體介紹“三廢”的處置方式，分析綠色實驗的設計思路，并讓學生自行設計綠色合成路線，通過多種方式使學生牢固樹立綠色化學的意識。

（二）綠色化學理念在有機化學基礎實驗各環節中的應用

有機化學實驗教學中所需的化學藥品用量比較大，涉及一系列容易導致環境污染的藥品，如強酸、強堿、有機溶劑和部分重金屬鹽等，同時反應和具體操作都有可能污染環境。從單次實驗來說，可能造成的污染不大，但是累積效應卻不容忽視。因此，探索如何將綠色化學的十二項基本原則應用在實踐教學環節中就具有極為重要的意義。

1.微量半微量實驗的開展。過去我校有機化學實驗普遍是常量實驗，存在如成本高、周期長，實驗的廢棄物量大而實驗室難以處理等問題。近幾年，隨著微量半微量實驗的開展，試劑的用量大大減少，實驗成本明顯降低，實驗時間相應縮短，污染物的排放量也大幅度降低，從而減輕了環境的污染。實踐證明，微量實驗對學生的操作技能要求更高，再加上部分微量實驗使用的儀器和操作方法與常量實驗相比有著比較大的差別。因此，在降低環境污染的前提下，半微量實驗能夠更好地培養學生基本的實驗技能。與過去開展常量實驗相比較，現在單人單組開展實驗，所使用的試劑或藥品的量及產生的廢棄物的量也遠遠不到過去的五分之一。

2.更新實驗內容和實驗手段的原則。在實驗教學改革過程中，對于實驗內容和實驗手段的更新我們遵循了以下幾條原則：1）盡量避免使用有毒有害或難以回收的反應溶劑或試劑;2）合理改進合成路線，盡可能減少“三廢”的產生和排放;3）采用節能的實驗手段，如微波促進反應。從多種制備方法中選擇相對環保的實驗路徑，優選價格低廉、反應條件溫和、原子經濟性高、節能的環境友好型實驗，也是綠色化學思想和環保理念的具體體現。

3.試劑回收循環使用。實驗過程中，教師必須及時糾正學生的不規范操作，如過量取用反應原料、溶劑、催化劑，隨意丟棄可回收利用的溶劑，隨意混合不同回收再利用途徑的藥品、溶劑，從而造成回收或處理困難。回收循環利用能夠將經無害化處理后的試劑，作為其他實驗的基礎材料再一次循環利用起來，可以節省資源、減少污染、降低實驗成本。比如在熒光黃和堿性湖藍BB的柱層析分離實驗中，要求學生蒸餾收集洗脫劑乙醇，或用作其他班級同學實驗的洗脫劑，或用作基礎實驗的蒸餾操作中的試劑，從而實現試劑的循環利用。另外在實驗過程中，引導學生主動尋求提高試劑利用率、減少廢棄物排放的方法，使學生自覺踐行綠色化學理念。

4.實驗室“三廢”的處理。有機化學實驗過程中會產生大量的廢液，部分學生為了省事，往往隨意合并廢液并將其傾倒在下水道中，這種行為不但具有很大的危險性，而且成分復雜且濃度高的有機廢液，進入到水體中會嚴重污染水質，對生態環境和人體健康也會產生不良影響。為了提高學生的專業素養和綜合素質，教師對于學生在實驗過程中回收處理“三廢”做出了嚴格的要求：對于不可避免的廢氣，采用相應的氣體吸收裝置進行處理;廢液、廢渣不得隨意丟棄，必須分類進行收集。教師將學生分成幾個小組，分別對不同的廢液、廢渣及廢瓶進行定期處理或回收。不能再使用的廢棄物進行無害化處理，可以再用的進行重新提純、重復利用，從而減少有害物的排放。例如，在正溴丁烷制備實驗中回收的氫氧化鈉溶液可被用來中和反應中洗滌完粗產品之后的硫酸，中和液再進行排放，而不是酸、堿液單獨直接排放，這樣既避免了酸堿對管道的腐蝕和對水體的污染，又避免了廢液排放時可能引發的危險。[3]通過這些手段，使得學生對實驗室廢棄物的認識進一步加深，學生樹立牢固的綠色化學理念起了強有力的推動作用。

5.仿真技術輔助實驗教學。有些經典實驗周期較長，所用藥品太貴，裝置復雜，試劑刺激性強甚至有劇毒，反應過程中會產生有毒有害的物質，還有些實驗容易爆炸，危險性較大，對人體及環境危害較大，基礎實驗課程的條件還無法開展這些實驗，如芳環的溴化反應、盧卡斯試劑與醇的取代反應、重氮化反應等。采用圖片、flash模擬、視頻等仿真技術將實驗過程展示給學生就是非常有效的輔助教學手段。此類直觀的實驗資源，能夠生動、形象地為學生演示實驗的規范操作，展示實驗的進展過程，既可以激發學生的學習興趣，開闊視野，又可以有效地降低實驗帶來的污染，減少不安全因素。

6.合理運用多步驟半微量合成實驗。傳統有機化學實驗課程獨立性強、實驗所需試劑種類多、產生廢棄物多，單個實驗產生的廢棄物較難回收重復使用。遵循綠色化學的十二項基本原則，本校有機化學實驗教學通過精心設計實驗內容，采用連貫性系列實驗，即將前一次實驗的產品作為下一次實驗的原料，從而盡量減少實驗教學活動對教學資源的浪費和對環境的污染。例如二級實驗“由苯胺合成對硝基苯胺”中，由苯胺經乙酰化獲得乙酰苯胺一步實驗，涉及到回流、抽濾、重結晶、熔點的測定等操作;產物乙酰苯胺經硝化獲得對硝基乙酰苯胺，這一步實驗涉及低溫下的攪拌、抽濾、薄層色譜分析等操作;硝化產物再經水解獲得對硝基苯胺，這一步中涉及酸化水解、中和、水蒸氣蒸餾、萃取及柱層析等相關操作。在每一步實驗中都要求學生對每一個細節和產品的質量進行分析，再將前一次分析的結果與下一次實驗進行對比。因為每一次實驗能否順利開展都取決于前次實驗中獲得的產品的數量和純度，因此，學生在做實驗的時候都非常仔細、謹慎，能夠充分理解各步實驗之間的關系并進行規范操作。在獨立的合成實驗中，學生往往只重視實驗的結果而忽視規范實驗的基本操作，通過連貫性系列實驗，這個問題得到了很好的解決，同時，學生對自己做過的實驗也能留下較為深刻的印象。在連貫性實驗中，每次實驗的產品被用作下次實驗的原料，很好地降低了實驗成本，提高了經濟效益，同時也解決了獨立實驗需要存放或處理大量、多種產物所面臨的環境問題，具體實現了綠色教學。

三、總結和展望

在21世紀初，我國已經將綠色化學的發展與科學發展觀有機地結合在一起，提出“以人為本，全面、協調與可持續發展”的觀點。如何有效地將綠色化學理念應用到有機化學基礎實驗教學的過程中，既保證有機化學實驗課程的正常開設，使學生掌握必要的知識和技能，又將其危害和污染降低到最低限度，這還需要廣大化學教育工作者進行更廣泛而深入的應用探索。

參考文獻：

[1]張彥.綠色化學理念在大學有機化學實驗中的滲透[J].才智，2013，（4）：41.

[2]尹曉剛.有機化學實驗教學中實踐綠色化學理念[J].廣東化工，2013，40（6）：165-166.

[3]楊柳.化學實驗室有機廢液的管理與處理[J].實驗室科學，2012，15（5）：191-193.