陳立東, 黎容武
(1.遼寧師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 遼寧 大連 116029;2.盤山縣教師進(jìn)修學(xué)校,遼寧 盤錦 124107)
中職教育作為教育體系的重要組成部分,它的發(fā)展和教學(xué)改革引起人們的高度重視.中職化學(xué)是一門理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的課程,對(duì)實(shí)現(xiàn)人才的培養(yǎng)起重要作用.中職學(xué)生對(duì)于化學(xué)這類記憶量大,理論性強(qiáng)的學(xué)科存在排斥心理[1].另外,受到實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件的限制,部分中職院校存在著“重理論,輕實(shí)踐”的教學(xué)模式,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課的課時(shí)少,開展的實(shí)驗(yàn)也大部分是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣以及建立系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課體系[2].中職化學(xué)實(shí)驗(yàn)通過科學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)過程和專業(yè)的實(shí)驗(yàn)操作,使學(xué)生理解、掌握化學(xué)理論知識(shí),學(xué)習(xí)相應(yīng)的操作技能,將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中,達(dá)到培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的思維能力的目標(biāo)[3].
隨著環(huán)境污染問題越來越受世人矚目,人類與自然和諧、與環(huán)境友好的理念逐漸深入人心,實(shí)驗(yàn)教學(xué)中越來越倡導(dǎo)“綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)”的理念,把綠色化學(xué)思想融入化學(xué)實(shí)驗(yàn)中,強(qiáng)調(diào)“可持續(xù)發(fā)展觀”[4].綠色有機(jī)合成是采用無毒、無害的原料、催化劑和溶劑,選擇具有高選擇性、高轉(zhuǎn)化率、少副產(chǎn)品的對(duì)環(huán)境友好的反應(yīng)進(jìn)行合成的[5].香蕉油即乙酸異戊酯的合成主要是以乙酸和異戊醇為原料通過酯化反應(yīng)完成的,是大學(xué)有機(jī)化學(xué)重要的合成實(shí)驗(yàn)之一[6].目前,許多有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材都是以濃硫酸或磷酸作為催化劑來合成香蕉油的[7].使用這類液體酸,存在著副反應(yīng)多,易腐蝕設(shè)備,廢水難處理,操作危險(xiǎn)等問題.不僅對(duì)環(huán)境造成影響,還會(huì)對(duì)學(xué)生的身體產(chǎn)生危害.基于這些弊端,研究人員設(shè)計(jì)合成香蕉油的催化劑主要包括離子交換樹脂[8]、固體超強(qiáng)酸、負(fù)載雜多酸、有機(jī)酸和離子液體等[9],亦有以分子篩為催化劑催化合成香蕉油的報(bào)道[10].中職化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革理念倡導(dǎo)符合環(huán)保要求的綠色化學(xué)新工藝、新技術(shù)和新型催化劑.將合成香蕉油的實(shí)驗(yàn)以研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)方式引進(jìn)中職學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課堂,不僅強(qiáng)化了學(xué)生的基礎(chǔ)化學(xué)知識(shí)、化工原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ€培養(yǎng)了學(xué)生的綠色化學(xué)觀念,能極大提高學(xué)生用所學(xué)知識(shí)解決化工生產(chǎn)中實(shí)際問題的能力.基于此,本文以中職化學(xué)益智課堂教學(xué)過程中引入的研究型實(shí)驗(yàn)即香蕉油的合成為例,以β分子篩和濃硫酸作為催化劑進(jìn)行對(duì)比,以實(shí)驗(yàn)促教學(xué),在化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)教學(xué)中提升中職學(xué)生的動(dòng)手能力,環(huán)保意識(shí)和綠色思維能力,為中職化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供可行性的思路.
異戊醇、冰醋酸、碳酸鈉和氯化鈉均為分析純,采購(gòu)于薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司,濃硫酸(天津科密歐化學(xué)試劑有限公司),β分子篩(大連理工齊旺達(dá)化工科技有限公司).在中職化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,教師要在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)體現(xiàn)綠化學(xué)理念,充分激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的綠色思維力.存在多種可選方案時(shí),在實(shí)驗(yàn)藥品的選取、裝置的選擇、流程的設(shè)計(jì)等方面均要達(dá)到綠色化要求,盡量選取裝置簡(jiǎn)單、條件易得、試劑無毒、過程無害、少殘留和少損耗的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn).本實(shí)驗(yàn)以乙酸和異戊醇為原料,二者均為無毒或者低毒的綠色原料,生成的產(chǎn)物具有類似于香蕉的令人心情愉悅的香味,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中有從源頭到產(chǎn)物的綠色環(huán)保的深刻體會(huì).
香蕉油制備的實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示.在酸的作用下,醇的羥基質(zhì)子化,易離去而生成碳正離子,進(jìn)而生成乙酸異戊酯.

圖1 實(shí)驗(yàn)原理Fig.1 Theroretical Background
從這個(gè)過程可以看出,該反應(yīng)為可逆反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)物有水生成.在實(shí)踐中引導(dǎo)學(xué)生利用化學(xué)平衡移動(dòng)原理來增加目標(biāo)產(chǎn)物香蕉油的產(chǎn)率.教學(xué)中啟發(fā)學(xué)生通過以下兩種思路來解決:(1)增加原料乙酸或者異戊醇的濃度,由于該反應(yīng)所用原料異戊醇的沸點(diǎn)接近于目的產(chǎn)物香蕉油,且在反應(yīng)后不易除去,因而選用原料冰醋酸過量,并且反應(yīng)后未參與反應(yīng)的冰醋酸可通過堿洗及水洗去除;(2)移除產(chǎn)物中生成的水.因乙酸和水沸點(diǎn)相差約18 ℃,可通過分餾的辦法實(shí)現(xiàn)水和原料冰醋酸的分離.分餾過程中原料乙酸和水同時(shí)蒸出,改進(jìn)前后的反應(yīng)裝置如圖2所示.實(shí)踐中分餾反應(yīng)裝置的使用,鞏固了學(xué)生對(duì)于影響分餾效率的因素的理解并且提升了實(shí)驗(yàn)操作能力.

圖2 (a)改進(jìn)前的反應(yīng)裝置,(b)改進(jìn)后的反應(yīng)裝置,(c)蒸餾裝置Fig.2 (a) Reaction device before improvement, (b) Reaction device after improvement,(c) Distillation unit
綠色化學(xué)是指設(shè)計(jì)沒有或者只有盡可能小的環(huán)境負(fù)作用,并在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都有利的化學(xué)品和化學(xué)過程.化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的核心要求就是在能達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的的前提下,實(shí)驗(yàn)教學(xué)中盡量減少或徹底避免使用和產(chǎn)生有毒物質(zhì),減少化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境的污染.用于課程教學(xué)的綠色化學(xué)反應(yīng)應(yīng)具有反應(yīng)試劑綠色、廉價(jià)和反應(yīng)時(shí)間短等特征[11].言傳不如身教,化學(xué)教師在實(shí)驗(yàn)課堂中時(shí)時(shí)處處踐行綠色化學(xué)理念,不僅能夠讓綠色化學(xué)的思想深入學(xué)生腦海,還能激發(fā)學(xué)生愛護(hù)環(huán)境、保護(hù)環(huán)境的積極性和強(qiáng)烈社會(huì)責(zé)任感.
在化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化教學(xué)過程中,教師首先提出本實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)產(chǎn)物所具有的化工價(jià)值及應(yīng)用前景,再讓學(xué)生根據(jù)原子經(jīng)濟(jì)[12]的觀點(diǎn)探討反應(yīng)所需的原料、催化劑以及反應(yīng)條件是否安全合理,然后展開綠色反應(yīng)設(shè)計(jì),探索反應(yīng)歷程,開啟實(shí)驗(yàn)操作并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和表征,在條件允許的情況下,教師可安排學(xué)生進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)的查閱以提高學(xué)生的創(chuàng)造能力和信息整合能力.
2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路
采用面向過程的指導(dǎo)型探究學(xué)習(xí)(Process Oriented Guided Inquiry Learning)教學(xué)模式[13],在課前提前布置香蕉油的合成任務(wù),要求學(xué)生根據(jù)已有的理論知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,教師審核學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案的可行性.在實(shí)驗(yàn)展示環(huán)節(jié),教師講解幾組具有代表性的設(shè)計(jì)方案,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論和思考,最后對(duì)方案的可取和不足之處進(jìn)行總結(jié).同時(shí)通過講解和提問的形式,引導(dǎo)學(xué)生思考如何優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).例如,濃硫酸作為催化劑的缺點(diǎn)有哪些?傳統(tǒng)方法合成過程是否符合綠色化學(xué)要求?如何進(jìn)行改進(jìn)?改進(jìn)后有哪些優(yōu)點(diǎn),是否有更好的實(shí)驗(yàn)方案?這種問題導(dǎo)向式的教學(xué)方法,可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的探索欲望,運(yùn)用已有的知識(shí)來解決問題,提高了學(xué)習(xí)的效率.該教學(xué)模式充分踐行了以學(xué)生為主體,教師作為學(xué)習(xí)的組織者、促進(jìn)者和引導(dǎo)者的要求,使學(xué)生積極的參與到學(xué)習(xí)過程中,通過自我建構(gòu)知識(shí)來掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,對(duì)學(xué)習(xí)技能如小組合作能力、解決問題的能力以及元認(rèn)知和評(píng)價(jià)能力的提高都有很大的幫助,使學(xué)生在探究的過程中獲得了新知識(shí),豐富了已有知識(shí)體系.
基于綠色化學(xué)貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的思想[14],選擇更加環(huán)保的β分子篩作為催化劑,并與以濃硫酸為催化劑的傳統(tǒng)合成過程進(jìn)行對(duì)比.在此過程中使學(xué)生了解目前合成方法的不足并認(rèn)識(shí)分子篩這一新型催化劑,培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)觀念和動(dòng)手能力.
2.2.2 實(shí)驗(yàn)操作過程
在圓底燒瓶中分別加入10.0 mL異戊醇,14.0 mL冰醋酸,濃硫酸或者β分子篩催化劑,因含氧有機(jī)物在濃硫酸的作用下會(huì)碳化進(jìn)而放出大量的熱,因此在原料混合過程中需要注意緩慢滴加和及時(shí)冷卻,以防止原料有機(jī)物的揮發(fā)和硫酸的飛濺.另外,實(shí)驗(yàn)過程中聚乙烯(PE)手套的使用有效防止了學(xué)生燒手、燒衣服等事故的發(fā)生,充分保證了實(shí)驗(yàn)的安全性.在一定溫度下進(jìn)行回流反應(yīng),回流加熱約1.5 h(以濃硫酸作為催化劑直接按裝置2(a)回流1.5 h),控制餾出液溫度低于102 ℃,至無水分流出,反應(yīng)即完成,冷卻至室溫后,加入10.0 mL蒸餾水洗滌圓底燒瓶并將洗滌液一同轉(zhuǎn)移至分液漏斗中,分離掉下層的水,保留油層,并經(jīng)飽和碳酸鈉水溶液、飽和食鹽水將溶液洗至中性.加入4 A分子篩干燥劑,干燥5~10 min至溶液澄清后,將產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至蒸餾裝置進(jìn)行蒸餾操作,收集138~140 ℃的餾分.在以β分子篩為催化劑的反應(yīng)中,飽和碳酸鈉水溶液、飽和食鹽水洗滌的過程可以省略,既節(jié)省了時(shí)間又減少了試劑的浪費(fèi),符合綠色化學(xué)觀念要求.
2.2.3 綠色化學(xué)觀念培養(yǎng)
在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,實(shí)現(xiàn)了以下3個(gè)層面的“綠色化”:
實(shí)驗(yàn)試劑的“綠色化”:使用更加環(huán)保的β分子篩作為催化劑.環(huán)保型試劑的使用不僅有利于師生的身體健康,還可以幫助學(xué)生加深理解綠色化學(xué)觀念,培養(yǎng)環(huán)保意識(shí),符合綠色化學(xué)的指導(dǎo)思想[15].
實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的“綠色化”:實(shí)驗(yàn)結(jié)束后所得到的產(chǎn)物被利用的幾率低,長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定的安全隱患,與“綠色化學(xué)”的理念相違背.因此,將獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)連接起來,令一個(gè)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物成為以后實(shí)驗(yàn)如皂化反應(yīng)的原料,既降低了長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)帶來的安全隱患,也在很大程度上使實(shí)驗(yàn)具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)[16].
評(píng)價(jià)模式的“綠色化”:成績(jī)的評(píng)定不僅由出勤率和實(shí)驗(yàn)過程來確定,還包括“綠色化學(xué)”實(shí)踐考查,同時(shí)將學(xué)生的文獻(xiàn)查詢和整理能力,表達(dá)能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力也納入考核標(biāo)準(zhǔn)中,多指標(biāo)評(píng)價(jià)使學(xué)生全面提升理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作能力.
表1給出了在濃硫酸用量為1.0 mL,β分子篩用量為2.0 g時(shí),在其他反應(yīng)條件相同的情況下,催化劑種類對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響.從中可以看出:與強(qiáng)酸性的濃硫酸相比,較弱酸性的固體酸β分子篩在反應(yīng)過程中為多相,催化劑不溶于反應(yīng)體系中,在同等溫度的條件下,其酯化反應(yīng)活性低于濃硫酸.欲使β分子篩固體酸的活性達(dá)到濃硫酸的反應(yīng)活性,應(yīng)使β分子篩催化本反應(yīng)的加熱溫度要高于濃硫酸40~50 ℃,即提高加熱溫度至170~180 ℃時(shí),二者生成香蕉油的反應(yīng)活性接近.實(shí)驗(yàn)測(cè)定生成物的沸點(diǎn)低于濃硫酸做催化劑時(shí)產(chǎn)物的沸點(diǎn)3~5 ℃.分析原因可能在于未反應(yīng)的異戊醇經(jīng)水洗、堿洗和鹽洗后去除不完全,和目的產(chǎn)物香蕉油混合后難于除去.此處通過引導(dǎo)式教學(xué),發(fā)揮中職學(xué)生的想象力.通過設(shè)問的方式結(jié)合學(xué)生所學(xué)過的知識(shí),將移除反應(yīng)后生成的水分子,平衡即向生成目的產(chǎn)物方向移動(dòng).并在反應(yīng)中使用改進(jìn)的加分餾柱的反應(yīng)裝置,選用理論塔板數(shù)多的分餾柱,可以把水分子、乙酸和異戊醇有效分開.通過除水能夠有效地提高目的產(chǎn)物的產(chǎn)率,并能提高其純度.

表1 不同催化劑對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響Table 1 Influence of different catalysts on the experiments
β分子篩催化劑具有適宜的酸度,從而具有較高的催化活性.而濃硫酸雖然具有較高的酸強(qiáng)度,但在反應(yīng)過程中容易被還原產(chǎn)生二氧化硫和炭渣,在污染環(huán)境的同時(shí),反應(yīng)后圓底燒瓶很難清洗干凈.另外,在實(shí)驗(yàn)過程中偶爾有學(xué)生燒手,衣服等酸蝕現(xiàn)象發(fā)生.以β分子篩催化本反應(yīng)則完全避免上述事故的發(fā)生,使學(xué)生能夠身心愉悅的完成實(shí)驗(yàn),充分體會(huì)到綠色化實(shí)驗(yàn)帶來的樂趣,并能激發(fā)中職學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性.
在上述實(shí)驗(yàn)的過程中及實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,師生都需要依據(jù)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程、現(xiàn)象和數(shù)據(jù)等,針對(duì)具體過程提出系列問題并進(jìn)行分析:操作是否正確?現(xiàn)象是否明顯?數(shù)據(jù)是否合理?在對(duì)這些問題進(jìn)行一系列分析和探究的過程中,利用設(shè)疑、激趣、引思的過程,引導(dǎo)學(xué)生生疑、達(dá)趣、思考,特別是要結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)是否存在綠色化缺陷?如何證明?有沒有什么改進(jìn)的辦法?能否提出更綠色化的實(shí)驗(yàn)替代方案?不斷在實(shí)驗(yàn)結(jié)果探究過程中進(jìn)行有效性的提問、思考和釋疑,以此來實(shí)現(xiàn)學(xué)生綠色化學(xué)觀念的不斷提升.
中職教育是在中等教育高級(jí)階段進(jìn)行的職業(yè)教育,是我國(guó)職業(yè)教育的主體,以為社會(huì)培養(yǎng)技術(shù)性和應(yīng)用型人才為宗旨.因此在中職教育過程中化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是不可缺少的一部分,對(duì)于學(xué)生熟練掌握化學(xué)概念和原理都具有重要作用.
本實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)意識(shí)的培養(yǎng),主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:(1)培養(yǎng)課前預(yù)習(xí)意識(shí),提高實(shí)驗(yàn)操作過程的完成效率.課前老師布置任務(wù)后由學(xué)生獨(dú)立完成資料查找和合成過程設(shè)計(jì),極大的提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力同時(shí)保證了課堂上實(shí)驗(yàn)完成的熟練程度;(2)培養(yǎng)安全正確操作意識(shí),提高實(shí)驗(yàn)操作過程的準(zhǔn)確性.實(shí)驗(yàn)中使用安全環(huán)保的β分子篩保證了實(shí)驗(yàn)的安全性,學(xué)生自主操作確保了理論聯(lián)系實(shí)際的教育目標(biāo);(3)培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)造意識(shí),提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作的延展性[17].綠色環(huán)保型分子篩的引入及實(shí)驗(yàn)路線的自主設(shè)計(jì)過程都極大的豐富了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí).
根據(jù)新課程改革所倡導(dǎo)的理念,中職學(xué)校的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅要使學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論知識(shí),也要注重對(duì)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)[18].該實(shí)驗(yàn)所用試劑為乙酸和異戊醇,都是中職學(xué)生所熟悉的,其官能團(tuán)之間的酯化反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理和操作也都是中職學(xué)生需要重點(diǎn)掌握的化工基礎(chǔ)知識(shí),而該反應(yīng)中實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn),是利用學(xué)生已知的化學(xué)平衡移動(dòng)原理來解決有機(jī)化工工業(yè)中提高產(chǎn)率的現(xiàn)實(shí)案例,因此該實(shí)驗(yàn)滿足在中職化學(xué)益智課堂的教學(xué)過程中應(yīng)用的條件.考慮到中職學(xué)生本身的知識(shí)基礎(chǔ)及學(xué)習(xí)能力,本實(shí)驗(yàn)適合采用邊講解邊實(shí)驗(yàn)?zāi)J絒19]即按照:明確問題→學(xué)生實(shí)驗(yàn)→啟發(fā)講授→獲得結(jié)論這一過程完成實(shí)驗(yàn)的教學(xué).教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明:選取β分子篩催化生成香蕉油的研究型實(shí)驗(yàn)是完全可行的.考慮到每100次實(shí)驗(yàn)β分子篩催化劑的成本不高于5元,而濃硫酸的成本約在3~4元左右,其經(jīng)濟(jì)成本于中職學(xué)校也是容易接受的.然而濃硫酸屬于易制毒試劑、使用購(gòu)買存在諸多不便.選擇β分子篩催化劑催化該反應(yīng),具有副產(chǎn)物少,操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì).更加值得注意的是,以β分子篩代替濃硫酸可以將綠色化學(xué)思想融入化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中,實(shí)現(xiàn)中職化學(xué)益智課堂教學(xué)綠色化學(xué)觀念的提升,具有良好的推廣性.
將合成香蕉油的實(shí)驗(yàn)以研究型學(xué)習(xí)活動(dòng)的方式引進(jìn)中職學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中,教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明,使用β分子篩代替濃硫酸作為催化劑催化合成香蕉油,有效減少了副產(chǎn)物的生成,解決了濃硫酸作為催化劑帶來的環(huán)境污染問題,同時(shí)將綠色化學(xué)的理念有效貫穿在整個(gè)教學(xué)過程中,提高了學(xué)生的動(dòng)手操作能力,取得了良好的教學(xué)效果,為研究型中職化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn).
遼寧師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2022年3期