有機化學實驗綠色化教學的探索與研究

戴鳴輝

（長春工業大學人文信息學院，吉林 長春 130122）

1.綠色化學概念的提出與有機化學實驗的污染現狀

伴隨著工業科學技術的日益發展，環境污染已成為人類生活中不可忽視的重要問題之一。據統計，目前傳統化學產業每年制造的有害廢物已達3—4億噸，一些重金屬及其化合物酚類和氰類污染造成的魚貝類中毒，一氧化二氮和甲烷等溫室氣體造成的全球氣溫升高等現象層出不窮，嚴重威脅著人類生存環境的清潔健康，于是“綠色化學”的概念應運而生并伴隨著環保觀念的流行而漸入人心。

“綠色化學”，其核心內容為提高對原料的有效利用，盡量消除和避免使用有毒和危險試劑，并爭取將反應物的原子全部轉化為期望的最終產物。

在高校化學教學過程中，有機實驗是基礎課程中不能忽略的重要一環，但是因開設相關實驗的高校多、項目繁雜，且存在藥品浪費嚴重，甚至隨意處理廢氣廢液等現象，難免聚沙成塔累積效應，無形中給實驗室及外部環境帶來負面影響。因此，我們應該采取有效手段加以預防和解決，將有機化學實驗的綠色化作為一個嶄新的課題加以探討研究。

2.實現有機化學實驗“綠色化“教學目標的若干措施

2.1 綠色化學意識的樹立與培養

若想樹立學生的綠色化學意識要求教師能夠率先把握環保低碳理念，并積極實施環境無害化學實驗管理模式。為此，應首先將綠色化學的相關概念及原則融入到課堂管理中，并進行科學指導。例如，在課前預習階段積極引導學生以查找資料的方式初步了解相關實驗試劑的毒性及其對環境產生的損害和影響，并鼓勵學生不拘泥于教材，通過改良步驟或運用技術手段減少對生態環境有害的原料、催化劑的使用，并有針對性地降低有害副產物的產生和排放[1]。再如，應密切關注實驗整體的進行情況，及時糾正一些因意識疏忽而造成的裝置安裝問題，阻止因其導致的儀器損害或有毒物質泄漏現象的出現。通過教學過程，潛移默化地影響學生，使之在觀念上重視化學實驗綠色化，在學習中掌握更新實現綠色化學目標的方法途徑。

另外，可在教學過程中將能否貫徹綠色化學意識、積極實施對環境友好舉措作為考核項目之一，杜絕學生在實驗過程中不慎造成的藥品浪費、隨意丟棄廢物等現象的發生。

2.2 實驗試劑的選用與教學內容的革新完善

在有機化學實驗中，難免使用一些易燃易爆、有毒或有腐蝕性的原料，這些試劑不但用量大，而且存在危險和污染，如果能勇于突破定性思維和教材，在保證實現原有教學目標的同時，有針對性地選取低碳無害試劑，也能起到推廣“綠色化學”的目的。比如在原料與催化劑的革新方向上，可用無毒高效原料代替有毒原料，用新型催化劑取代腐蝕性嚴重的催化劑。在此試舉兩例：在利用硝酸氧化環己醇和環己酮制備1.6—己二酸的實驗中，傳統教科書一般選用高錳酸鉀作為氧化劑。高錳酸鉀具有放熱強烈、有毒等不良特性，并不符合低碳環保標準，但若改用過氧化氫做氧化劑，則副產物是水，其污染程度不會隨反應的進行而增加，部分實現了綠色化學目標的達成。又如，在乙酸正丁酯制備過程中，將具有腐蝕性、易產生碳化異構化等副反應的催化劑濃硫酸，改為固體催化劑一水合硫酸氫鈉，不但能夠降低實驗過程中“三廢”的生成量，還能將產品率由70%提高到90%，起到了事半功倍的效果。另外，可選用學生熟悉的天然食品代替有機藥物完成教學任務，如在利用茶葉提取咖啡因的過程中使學生掌握索氏提取器的用法；采用橘皮改良過去使用的苯甲醛完成水蒸氣蒸餾實驗，而蒸餾得到的檸檬烯又具有光學活性，可將其進一步用作測定旋光度的原料[2]。

在教學設計環節，應使實驗內容及實施方式趨向低碳環保。

內容低碳化主要反映在合成路線的設計上，可用綜合性較強、合成路線較復雜的實驗代替目的過于單一的項目。如僅選取溴乙烷的制備這一個實驗，就能夠學習吸收有害氣體、蒸餾、分液、萃取、干燥等重要方法，可大大降低實驗項目無意義的重復性。另外，可適時設計一些具有連續性的實驗，使回收到的產物作為反應物而被重新利用。如在甲基橙的制備實驗中得到的產物可作為重結晶實驗的主要試劑而被循環使用，將制備好的乙酰水楊酸用于阿司匹林原料藥的檢驗等。這樣設計的優勢還在于，因前一產品質量的優劣將影響后續實驗的進行，可提高學生對結果真實性與可靠性的感悟，通過連續的實驗過程，培養其環保節約意識。

實施方式的低碳化主要在劑量的半微量或微量化過程中得以體現。將一些污染較嚴重實驗的規模進行相應的縮小處理，是運用預防化學污染的新方法新技術對常量實驗進行改革的必經之路。例如在茶葉提取咖啡因的實驗中，將乙醇用量從150ml降低至70ml即能提取到產物咖啡因，再如環己酮的制備及苯乙酮的制備實驗中，可將有害原料環己醇和乙酸酐用量減少到原量的1/5，除提高實驗綠色化外又能有效地提高產率。由此可見，微量實驗值得推廣的原因在于節約能源減少污染，降低有機實驗的危險性，同時減少了因處理“三廢”帶來的壓力。除此而外，微量及半微量實驗的規模更接近于科研現狀，它的安全性和低成本大大促進了開放式實驗教學項目的開出率，提升了學生的動手能力和膽大心細的實驗態度，因此，在教學過程中采取常量和微量實驗交替配合的模式，將更有利于化學實驗綠色化目標的實現。

2.3 合理進行三廢處理

在有機化學實驗中，若不將“三廢”進行合理有效的處理而直接排放，將會對環境和人體產生一定的污染和傷害。因此在實驗過程中應結合以下幾點有效提高實驗室中對“三廢”的處理效率：

（1）廢氣的處理：實驗中應合理使用通風櫥，并在尾氣排出裝置處安裝氣體凈化裝置。對于在實驗進行過程中產生的有害氣體應用專門的吸收裝置進行吸收。

（2）廢液的處理：可將廢液分類為酸堿及有機試劑進行分別處理。酸堿可混溶中和并調節pH值在6.5—8.5之間，并用水將其稀釋后排放；對于乙醇、乙酸乙酯等有機試劑，可在積攢到一定體積后進行重蒸提純，并作為反應物應用于后續的實驗中。對于一些在學校條件內無能力進行處理的廢產品，切不可直接將其倒入下水道或排放到大氣中，應定期送到專門地點進行生化處理。

（3）廢渣的處理：有機實驗所產生的廢渣一般為有毒易燃易爆的固體，應統一回收并將其埋于地下固定地點。尤其需要注意的是特殊但常用試劑的處理方式，如在破損溫度計灑落的微小汞珠上撒上硫粉，使其合成毒性較小的硫化汞，減少環境損害等。

2.4 將節約意識與綠色化學觀念相結合

建設節約型社會是贏得國際競爭優勢的重要戰略之一，作為未來化工行業的主流人才，我們有必要在化學實驗的學習過程中重視資源意識和節約意識的養成。除去精簡實驗項目，控制原料使用量外，也要注意水電的使用，從小處做起，才能將此觀念深植于學生的頭腦之中。比如在蒸餾回流等步驟中，冷凝裝置一組組相連的搭建方法即可大大降低自來水的用量。

2.5 科學技術的引入與完善

科學技術的不斷發展為實驗室實現綠色低碳目標提供了技術支持和保障，在教學過程中適當引用微波技術、多媒體技術已成為實踐教學的大勢所趨。

（1）微波技術。微波作為一種新能源，可用于多種化學實驗之中，已成為一種加速有機反應的經典技術。它具有極大提高有機反應時間，使受熱體系升溫均勻、控制方便、產率高和產品易于純化等特點。如在合成肉桂酸的實驗中，將苯甲醛等反應物的加熱時間由回流1.5小時縮短為微波輻射條件下的20分鐘，在此條件下可降低副產物產量，隨之而來的分離提純步驟減少，基本實現了“零排放”目的[3]。據目前研究表明，利用微波技術的化學反應，可減少甚至不用溶劑，對環境污染極低。酯化反應、重排反應、偶聯反應、酯交換反應及有機金屬反應均可利用微波技術實現反應速度的最大化[4]。

（2）多媒體技術。采用多媒體技術模擬實驗進程是“綠色化學”理念下值得重視和使用的科學技術之一。在有機教學中，存在一些污染嚴重卻又不得不要求學生全面掌握的實驗項目，此時借助于計算機技術呈現真實完整的反應過程，可以彌補因實驗條件不足帶來的負面影響。學生也可學會在接受傳統課堂教學的方式外，充分利用網絡資源，展開全方位學習，有利于其自主性及創新意識的提高。

3.結語

綠色化學因其符合對環境友好的目標，將會被越來越多的人們所重視，可以說，它是工業及實驗室化學發展的必由之路。面對新世紀日益嚴峻的環境惡化現狀，高校教學部門不但要提高教師素質與環保意識，調整課程設置，優化課程體系，設計安排更多污染小、廢棄物低排放的低碳化學實驗，還要從思想意識上讓學生接受綠色化學觀念，理解并掌握綠色化學的精髓，更要培養其對科學方法及前沿技術的操作及創新能力。

[1]虞春妹，劉晟波.高校有機化學實驗的綠色化管理路徑探究[J].中國現代教育裝備，2010，（7）.

[2]方東，楊錦明，王慶東.結合示范中心建設探索有機化學教學改革[J].實驗室研究與探索，2010，29（12）：82-84.

[3]張文鐵.典型有機化學實驗的綠色化研究[J].安徽化工，2006，（6）.

[4]紀順俊，史達清.現代有機合成新技術[M].北京：化學工業出版社，2009.