“雙碳”目標下綠色化學理念融入有機化學實驗教學的探究*

馬 忠，張 續，賈明民，毛恒洋，裴洪昌，李梅生，周守勇

(1.淮陰師范學院 化學化工學院，江蘇 淮安 223300；2.山東理工大學 化學化工學院，山東 淄博 255000)

資源和環境是人類賴以生存和發展的物質基礎[1]。伴隨著工業科學技術的發展，資源短缺和環境污染問題日益突出，綠色化學作為一種理念應運而生，繼而發展成為一門集經濟、資源、環境等因素為一體的前沿交叉學科。綠色化學，又稱環境友好化學或可持續發展化學，利用化學原理和新化學技術，在化學品設計、生產及應用中減少或消除有害物質的使用和生產，使研發的化學品及其工藝更加安全環保[2]。為評價一種化合物、一條合成路線或者一個化工過程是否符合綠色化學的目標，Anastas和Warner于1998年提出綠色化學十二條原則，為綠色化學發展奠定了理論基礎，并得到國際化學界的認可。此外，為了強調綠色化學在原料、試劑、溶劑及催化劑等方面的原則，一些學者總結了綠色化學的“5R”原則，即減量(Reduction)、重復使用(Reuse)、回收(Recycling)、再生(Regeneration)和拒用(Rejection)[3-4]。

1 “雙碳”目標下綠色有機化學實驗教學的重要性

有機化學是研究有機化合物的組成、結構、性質、制備方法與應用的科學，是化學中極重要的一個分支。有機化學是一門以實驗為基礎的課程，開展有機化學實驗教學可以使學生更加全面地掌握有機化學的理論知識。然而，不同類型的有機化學實驗會涉及不同類型的化學藥劑，在實驗操作過程中會排放一些污染物[5]。污染物種類繁多，主要包括強酸、強堿、重金屬等無機污染物和苯酚、甲醛、甲苯等有機污染物。無論哪種污染物都會產生不利影響，不僅破壞校園生態環境，還會對師生的健康造成危害。因此，基于綠色化學理念的有機化學實驗教學改革已成為節約資源、保護環境、保障人民健康和安全的迫切需要[6，7]。此外，綠色化學是高校有機化學自身以及教育的未來發展方向，高校應在綠色化學理念指導下開展有機化學理論及實驗課程。因此，基于綠色化學理念的有機化學實驗教學改革是高校有機化學改革的重要組成部分。

2 “雙碳”目標下綠色化學理念融入有機化學實驗教學的策略

2.1 實驗環境的綠色化

有機化學實驗室是我校基礎實驗室之一。經過多年發展，實驗室已初具規模，可承擔化學化工、應用化學、生物醫藥等專業有機化學實驗教學任務。在“雙碳”目標大背景下，對高校化學實驗室硬件設施的要求越來越高，尤其是“三廢”處理設施的管理[4]。針對實驗過程中產生的有毒氣體，實驗室不僅配備了公共通風柜，還給每位學生的實驗臺加裝了通風柜，并在實驗樓頂部安裝了氣體吸收塔。針對實驗過程中產生的廢液，嚴格要求學生對其進行分類回收。對于僅含高濃度酸堿的廢液，建立統一的酸堿廢液桶，中和后稀釋排放。對于用量較大的乙醚、丙酮等有機溶劑，常采用蒸餾和精餾的方法進行處理和回收。實驗過程中產生的廢渣嚴禁隨意放置，應根據實際情況對其進行綜合治理，建立廢渣專用倉庫分類存放，防止二次污染。

綠色有機化學實驗室不僅指硬件設施良好的實驗室，還應包括建立健全的實驗室規章制度，以及具有綠色化學理念的師生。近年來，學院結合國家和學校相關規定，修訂完善了實驗室各項規章制度。學生進入實驗室開展實驗前，應首先學習實驗室的各項規章制度，如常用化學試劑的分類、存放和使用方法等。綠色化學不僅是一門從源頭上防止污染的化學技術，也是一種新的思維方式，培養學生的綠色化學理念是實現有機化學實驗綠色化的最基本保障。教師必須系統地學習綠色化學的理論知識和實驗操作，從而強化綠色化學意識，在教學中適時向學生講授基于“5R”原則的綠色化學理念，讓學生在潛移默化中接受綠色化學教育。

2.2 實驗項目與教學方法的綠色化

優化、整合實驗內容。在傳統的有機化學實驗教學中，教師通常選擇實驗現象明顯、有利于學生掌握基本操作技能的實驗，沒有足夠重視所用試劑的毒性和實驗所產生的污染，只是簡單地告訴學生如何防護。要想在有機化學實驗教學中體現“綠色化學”思想，就應在嚴格遵循安全性原則的基礎上，改進傳統的實驗步驟和方法，科學合理地設計實驗內容，去掉對環境污染和毒性影響較大的實驗內容，在保證實驗教學目的和實驗效果的前提下，用一些安全無害的物質替換有害物質，選擇低毒、污染輕的實驗項目。

此外，高校基礎有機化學實驗通常包括兩部分內容(如表1)，第一部分是基本操作，重點學習有機物性質測定手段和有機物提取與純化方法，包括熔點、折光率、旋光度、沸點、簡單蒸餾、重結晶、萃取、分餾以及水蒸氣蒸餾等內容。這部分每個內容獨立存在，關聯性較弱，且有些需要使用大量試劑。第二部分是綜合性更強的有機合成實驗，學習應用基本操作來制備重要的化工原料和具有特殊性能的新化合物，幫助學生深刻理解有機化學的基本理論，主要包括1-溴丁烷、環己烯、正丁醚以及乙酸乙酯的制備等內容。通常，有機合成實驗的設計僅基于化合物的合成反應，這種帶有一定鼓勵性的傳統教學模式導致一些學生更加注重實驗結果，而忽視了實驗的基本操作過程，無法很好地掌握有機化合物合成實驗的基本原理。因此，傳統的教學模式使學生無法全面深入地掌握與認識有機化學實驗，忽略了實驗內容間的相關性。這導致一些學生存在到了后面環節卻忘記了已經學過的理論知識。此外，合成實驗往往安排在教學后期，實驗中獲得的諸多化學物質無法通過科學可行的措施再利用，甚至嚴重破壞環境，這種操作方式違背了綠色化的教學理念。因此，需要對實驗內容進行優化整合，應注意增強實驗內容之間的連續性。可將前一實驗中制得的產物作為后一實驗的原料，如“折光率測定”實驗可以放在“環己烯的制備”實驗之后。這樣，不僅合成產物可以重復利用，節約化學試劑，而且可以通過折光率測試對產物進行表征，從而全面深入掌握有機化合物的制備與表征方法。

表1 實驗項目及實驗項目改進情況

推行微量、半微量實驗。目前，我國生態文明建設已進入以降碳為重點戰略方向、推動減污降碳協同增效、促進經濟社會發展全面綠色轉型、實現生態環境質量改善由量變到質變的關鍵時期。在此背景下，有機化學實驗也朝著減少反應用量、提高實驗質量的方向發展。微量或半微量實驗是指使用盡可能少的藥品和試劑來獲取所需化學信息的實驗方法，這是一種符合簡約性原則的實驗方法。由于所需藥品和試劑數量少，反應時間也縮短，從而降低實驗成本和實驗室安全事故的發生機率，同時也減少實驗室“三廢”的產生。與常量實驗相比，微量或半微量實驗的難度系數較大，這對學生基本實驗技能提出了更高的要求。因此，在教學中開展微量或半微量實驗的另一個好處是可以培養學生細致嚴謹的實驗態度，從而提升學生的綜合實驗技能。

實驗室制備1-溴丁烷主要是通過濃硫酸與溴化鈉反應得到的氫溴酸作溴化劑，再與正丁醇反應。由于反應是可逆的，通過增加溴化鈉的量并添加過量硫酸以吸收反應中生成的水，可以促進反應正向進行。然而，環境污染和后處理等問題也因大量酸廢液的產生而產生。對此，我們在1-溴丁烷合成實驗中采用了微量反應，將原料正丁醇的用量減少到常量實驗的1/3，溴化鈉和濃硫酸的用量也隨之減少，反應時間由常量實驗的1.5～2 h 縮短至 40 min。實驗表明，微量實驗達到了與常量實驗相同的教學目的，學生對實驗原理和操作方法有了更深入的理解，1-溴丁烷的產率也和常量實驗相同，學生實驗操作的態度因實驗藥品劑量的減少而更加細致。同時，由于減少了酸的消耗，實驗室的工作環境也得到了改善。

引進多媒體技術展示有機化學實驗。在有機化學實驗教學中，一些實驗項目會排放有毒氣體，甚至有嚴重的安全隱患。為了防止實驗過程中發生意外，教師往往會仔細、快速地展示一遍，導致學生無法全面細致地觀察實驗現象，還有一些教師選擇直接跳過相關實驗。為避免事故與環境污染問題的發生，可以引入多媒體計算機輔助教學與仿真技術，對有機化學實驗的過程、裝置和基礎原理進行計算機演練，使枯燥復雜的有機化學原理和實驗過程以動畫、圖像、聲音和文字的形式生動、形象、直觀、全面地展示出來，不僅降低了實驗成本，還減少了風險和污染，無形中還提高了學生的環保意識，幫助學生鞏固和復習有機化學課本知識，提高學生參與實驗教學活動的自主性與積極性。

完善課程考核體系，凸顯綠色化學理念。課程的考核評價體系對引導和鼓勵學生創造性學習具有重要作用。傳統的有機化學實驗課程考核主要側重于學生實際操作的規范性和實驗結果的準確性。因此，實驗考核部分的成績主要取決于學生對儀器操作的熟練程度和獲得產物的多少，這種方法缺乏對學生綠色化學思維的考核。考核評價體系應以整個實驗過程為基礎，應從評價方法、評價內容和評價主體等方面進行改進，并將綠色化學理念貫穿其中(如表2)。評價方法應強調對整個實驗過程進行全面、動態的評價，在學生實驗時進行巡回指導與評價。評價內容應側重于反應條件及過程是否污染環境和影響人體健康，實驗過程中“三廢”的處理方法是否合理等方面。總之，關鍵要凸顯綠色化學理念。

表2 實驗考核(以滿分100分計)

2.3 實驗主體的綠色化

有機化學實驗教學是實現學生理論與實際應用相結合的重要手段，對學生綜合科學素養培養有著重要的意義。學生作為有機化學實驗操作的主體，應主動落實綠色化學理念。首先，應掌握廢氣、廢液、廢渣的處理方案和注意事項，嚴禁將實驗過程中產生的廢氣、廢液、廢渣直接排放到空氣或排水管中，應根據廢棄物處理回收機制進行合理的處理或回收。此外，在實驗過程中應注意節約水電，如做冷凝回流實驗時應根據物質的沸點選擇長度合適的冷凝管并調節冷凝水流量盡可能的小。

學生是綠色化學的傳承者，課后應積極開展校內外宣傳活動，讓更多的人了解綠色化學。課外活動和社會實踐是有機化學實驗課程教學的延申和補充，是實施環境教育的有效途徑。在校內可以通過知識競賽、黑板報、校園宣傳欄、科技節上的變廢為寶實驗競賽等途徑進行綠色化學的宣傳。此外，還可以舉辦環境知識專題講座，利用課余時間對一些涉及環境問題的基礎知識以專題講座形式進行介紹，如《香煙的危害》《本地區水質現狀》等。還可以利用一些網絡途徑進行宣傳，比如可以創建微信公眾號，定期發一些有關綠色化學的文章、實驗和社會熱點等。在宣傳過程中，不僅學生自己的綠色化學意識和社會責任感得到增強，而且有助于提高全社會的環保意識。

3 結語

“雙碳”戰略倡導綠色、環保、低碳的生活方式。高校有機化學實驗教學課程內容較多，實驗過程中容易出現各種污染問題，不利于學生的身體健康發展。因此，教師要把綠色化學理念滲透到有機化學實驗教學中，開展綠色有機化學實驗來降低實驗帶來的污染，保護學生的身心健康，培養學生環保意識和良好的科學素養，從而助力構建化學生態課堂。