有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化改革與實(shí)施探究

崇輝

摘? 要 綠色化學(xué)作為可以從源頭上避免環(huán)境污染的新興手段，為了幫助高校內(nèi)的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)更加綠色環(huán)保化，就實(shí)驗(yàn)內(nèi)容確定、實(shí)驗(yàn)催化劑使用、實(shí)驗(yàn)廢棄物的回收等方面進(jìn)行較深的研究分析，最大限度地減少有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)對自然環(huán)境的污染，提高學(xué)生的環(huán)保意識。

關(guān)鍵詞 有機(jī)化學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué);綠色化學(xué);教學(xué)改革;實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）01-0100-02

1 前言

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是應(yīng)用化學(xué)、化工、輕化工程、生物科學(xué)、食品科學(xué)、材料化學(xué)、動物科學(xué)、水產(chǎn)品水產(chǎn)養(yǎng)殖等理工科專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課，也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力、實(shí)踐操作能力和科研創(chuàng)新能力的重要組成部分之一。隨著環(huán)境污染加劇，人們的環(huán)境保護(hù)意識開始增強(qiáng)。當(dāng)前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的污染問題越來越嚴(yán)重。在有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，很多廢液、廢氣、廢渣未經(jīng)處理直接排放，不僅污染環(huán)境，造成嚴(yán)重的危害，也造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。如何減少排放和污染，實(shí)現(xiàn)有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化改革，是全國高校亟待解決的問題。因此，對綠色環(huán)保化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行探索。

2 有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化改革的意義

降低或避免化學(xué)實(shí)驗(yàn)用品對環(huán)境的污染? 化學(xué)反應(yīng)中的催化劑、化學(xué)產(chǎn)物、溶劑都會導(dǎo)致環(huán)境受到不可挽回的污染，嚴(yán)重的甚至?xí){到人類的生命安全。綠色化學(xué)的目的是盡力保證將化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的污染扼殺在實(shí)驗(yàn)源頭，保證實(shí)驗(yàn)以及生產(chǎn)過程的綠色環(huán)保。綠色化學(xué)也被有關(guān)專家定義為從根本上解決環(huán)境化工污染的主要手段。隨著人們環(huán)保的意識不斷提高，為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)人類賴以生存的環(huán)境已經(jīng)成為全社會的統(tǒng)一共識，化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化在未來也有良好的應(yīng)用前景[1]。

有機(jī)綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的作用? 在我國高校內(nèi)開展有機(jī)化學(xué)綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是一個(gè)新的環(huán)節(jié)和創(chuàng)新階段。在特定的操作過程中，有毒化學(xué)品會產(chǎn)生巨大的毒性，會擴(kuò)散到空氣中，并對自然環(huán)境造成嚴(yán)重的危害，如廢氣、廢液會造成一系列的環(huán)境污染問題。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中須對有毒試劑進(jìn)行綠色改進(jìn)，有效地實(shí)施綠色教學(xué)模式改革，以促進(jìn)學(xué)生操作技能的全面提升。

3 有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化教學(xué)改革的主要方法

改變實(shí)驗(yàn)內(nèi)容? 近年來，有關(guān)專業(yè)人士對傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)苯甲酸乙酯合成進(jìn)行了深入研究討論，提高實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)率最常用的方法就是將反應(yīng)過程中的水分降到最低。如在反應(yīng)過程中加入適量的苯，目的是讓苯、水、醇反應(yīng)形成一種恒沸物，吸收反應(yīng)過程中不斷生成的水分。但苯是致癌物質(zhì)，并且難以進(jìn)行下一步的代謝，長期使用會嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)者健康，對于回收工作來說也有一定難度。相關(guān)科研人士遵循我國綠色有機(jī)化學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，先后嘗試使用環(huán)己烷、乙酸乙酯等試劑來替代苯在甲酸乙酯實(shí)驗(yàn)中的作用。

環(huán)己烷的毒性明顯低于苯，因此是酯化反應(yīng)中常見的帶水試劑。環(huán)己烷與水、乙醇反應(yīng)得出的共沸物，會以蒸汽的形式從反應(yīng)瓶中散發(fā)出來，通過冷凝管進(jìn)入分水器中，通過肉眼觀察，會發(fā)現(xiàn)冷凝后的液體被分為三個(gè)部分，其中環(huán)己烷占比最多，水含量占比最少。環(huán)己烷在作為帶水劑時(shí)，通常不能完全反應(yīng)，反應(yīng)瓶底通常會殘留未發(fā)生反應(yīng)的試劑，對比可以得出環(huán)己烷反應(yīng)產(chǎn)率略低于苯。但是可以通過改變反應(yīng)物與帶水劑之間的比例，有效地降低反應(yīng)后水的產(chǎn)量，從而降低損失。分析得出，當(dāng)環(huán)己烷、苯甲酸、乙醇三者的摩爾比例達(dá)到2.2：1.0：5.0時(shí)，反應(yīng)效果最好。

乙酸乙酯的共沸物中的水分含量要高于苯，因此是極為理想的綠色環(huán)保實(shí)驗(yàn)溶劑。乙酸乙酯的反應(yīng)溫度直接影響到酯的回收率，當(dāng)溫度為75 ℃時(shí)，酯回收率值最大;反應(yīng)過程中溫度過低或過高，都對酯回收率有較大的影響。雖然乙酸乙酯替代苯作為帶水劑是極為理想的，但是由于其反應(yīng)過程對溫度要求極為嚴(yán)格，而酯化反應(yīng)屬于一種放熱反應(yīng)，因此很難使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器械進(jìn)行溫度控制，實(shí)驗(yàn)室需采購更為先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，使用較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)器械，給實(shí)驗(yàn)人員帶來較多的麻煩，所以使用乙酸乙酯替代傳統(tǒng)的苯作為帶水劑的方法在目前很難得到推廣 [2]。

分析上面兩組實(shí)驗(yàn)，可以得出使用環(huán)己烷替代苯作為帶水劑是可行的方案，通過對環(huán)己烷、苯甲酸、乙醇三者之間的摩爾比例進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到較好的化學(xué)實(shí)驗(yàn)效果。使用環(huán)己烷作為帶水劑，既能達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果，還可以踐行綠色化學(xué)的理念，減輕實(shí)驗(yàn)所導(dǎo)致的環(huán)境污染，并且實(shí)驗(yàn)效果更為明顯，因此值得推廣使用。

微量、半微量實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的循環(huán)利用? 在保證得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論的前提下，最大限度地控制化學(xué)試劑使用量的實(shí)驗(yàn)稱為微量或半微量實(shí)驗(yàn)。微量以及半微量實(shí)驗(yàn)具有節(jié)約化學(xué)材料、減少污染、反應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，因此受到相關(guān)專業(yè)人士的青睞。化學(xué)實(shí)驗(yàn)試劑用量的微量、半微量方法逐漸在化學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域得到推廣。

環(huán)乙醇通過酸進(jìn)行催化反應(yīng)脫水后可得到環(huán)乙烯，雖然該種酸的獲取較為方便簡單，但是其所帶來的環(huán)境污染難以解決。通過使用微量實(shí)驗(yàn)的方法，對酸的劑量進(jìn)行調(diào)整，可讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)中酸廢液對環(huán)境的影響降到最低。如將原料使用量縮小三分之二，整個(gè)反應(yīng)時(shí)間也將縮短。

由于實(shí)驗(yàn)室中合成試劑長時(shí)間得不到利用，會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室中的藥品長時(shí)間積累，從而帶來一定的安全隱患，不符合我國綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源、減輕污染、減少廢棄物的標(biāo)準(zhǔn)，將獨(dú)立的化學(xué)實(shí)驗(yàn)相互連接起來，把反應(yīng)得到的產(chǎn)物作為另一個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)物，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品循環(huán)利用的目的，避免過多儲藏化學(xué)藥品帶來環(huán)境污染，可以很大程度上保證化學(xué)實(shí)驗(yàn)的環(huán)保性[3]。

【案例】苯甲酸乙酯的合成實(shí)驗(yàn)由三個(gè)互不相干的實(shí)驗(yàn)構(gòu)成，其反應(yīng)式如圖1所示。

步驟一，以苯甲醛為原料，通過歧化反應(yīng)生成的苯甲醛酸和苯甲醇是兩種實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物;

步驟二，步驟一中的產(chǎn)物苯甲醇被高錳酸鉀氧化成苯甲酸;

步驟三，步驟一和步驟二中獲得的苯甲酸組合并用作原料，以及乙醇酯化得到苯甲酸乙酯。

實(shí)驗(yàn)中含有Cannizzaro反應(yīng)、氧化反應(yīng)和酯化反應(yīng)有三種類型。

使用先進(jìn)環(huán)保的實(shí)驗(yàn)技術(shù)? 當(dāng)下利用超聲波、微波等先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置可以有效地提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)的環(huán)保性，可以將先進(jìn)的環(huán)保技術(shù)應(yīng)用到苯甲酸合成的實(shí)驗(yàn)中。傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)大多數(shù)是利用火焰加熱的方法，早些年我國就開始將微波技術(shù)應(yīng)用到苯甲酸的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，并且獲得較好的教學(xué)反響。微波技術(shù)相對其他手段來說操作更加簡單、更加省時(shí)、更加綠色環(huán)保，因此受到相關(guān)人士的喜愛。在微波反應(yīng)的過程中不需要加入其他的催化劑促使反應(yīng)，解決了化學(xué)藥品大量消耗的問題。

微波技術(shù)被應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)中，不但可以幫助學(xué)生直接對新型綠色環(huán)保化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了解，還可以激發(fā)學(xué)生對綠色化學(xué)的求知欲，幫助學(xué)生在日后的學(xué)習(xí)中擁有創(chuàng)新思維。

4 結(jié)語

綜上所述，加強(qiáng)我國高校學(xué)生的環(huán)保意識已然成為人才培養(yǎng)的重要任務(wù)，學(xué)習(xí)并掌握綠色化學(xué)方法進(jìn)行化學(xué)操作，可以很大程度上避免化工污染危害環(huán)境的情況出現(xiàn)。在綠色化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不僅要讓學(xué)生掌握基本的單元操作，更要關(guān)注學(xué)生對綠色環(huán)保觀念的理解，指導(dǎo)學(xué)生將傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合所掌握的綠色實(shí)驗(yàn)知識改良為更加環(huán)保的研究實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]王紅，劉秋平，王海濱，等.有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化改革的研究與實(shí)施[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2019，38（7）：139-144.

[2]關(guān)金濤，張海燕，杜傳青，等.綠色化有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)施與探討[J].武漢輕工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，36（3）：108-110.

[3]秦麗婷，秦玉珠，李岳姝，等.基于綠色化教學(xué)的高校有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].高師理科學(xué)刊，2016，36（3）：96-98.