消防專業有機化學課程教學中的環境保護教育

張 健，高洪澤，楊 勤，王 勇，李彩云

(武警學院 基礎部,河北 廊坊 065000)

消防專業有機化學課程教學中的環境保護教育

張 健，高洪澤，楊 勤，王 勇，李彩云

(武警學院 基礎部,河北 廊坊 065000)

從環境保護的角度出發，闡述了在《有機化學》課程教學中如何將新能源、綠色化學、原子經濟反應等內容與經典的教學內容相結合，在課堂教學中引入環境保護意識，探討了消防與環境的聯系，從不同角度分析討論了與有機化學教學有關的新技術、新工藝。

環境保護；綠色化學；新能源；有機化學

20世紀，人類在享受產業和科技革命所帶來的輝煌的同時，也體驗到自然生態環境破壞所帶來的巨大創傷。面對生態環境危機，人類已經開始進行生存策略的調整和改變，這是一次席卷全球的涉及人類生活各個層面的根本轉變，為了跟上這種轉變，人們需要掌握必要的科學知識，正確理解人與自然的關系，形成正確科學的環保理念，逐步建立起環保型生產方式和生活方式。作為從事消防專業《有機化學》課程教學多年的教師更是必須認清形勢，緊跟時代的步伐，向學生播撒環境保護的火種，引導學生樹立環境保護意識。本文就在《有機化學》課程教學中如何滲入環境保護知識作了初步探討。

1 補充講解能源知識，將能源危機意識引入教學中

《有機化學》的開篇就是“烷烴”，在烷烴命名的講解中增加了汽油“辛烷值”的講解，汽油質量用“辛烷值”表示，“辛烷值”是衡量汽油在氣缸內抗爆震燃燒能力的一種數字指標，其值高表示抗爆性好[1]。異辛烷(IUPAC命名為：2，2，4-三甲基戊烷)的抗爆性較好，辛烷值給定為100，正庚烷的抗爆性差，給定為0。提高“辛烷值”的方法有：(1)將直鏈烷烴的汽油進行結構改造——異構化(結構重整也稱鉑重整)；(2)向低“辛烷值”汽油中添加抗震劑(四乙基鉛)。顯然第二種方法對環境有嚴重的污染現象。這樣，既講解了烷烴的命名又介紹了無鉛汽油的使用對環境的保護作用，并結合目前的環保標準講解了92#、95#汽油的區別，取得了事半功倍的效果。

在講解烷烴的來源時(煤炭、石油、天然氣)，同時用表1、表2、表3介紹我國和國外能源結構的不同之處，使學生能在學習烷烴相關知識的同時認識到我國及世界所面臨的能源危機，明白節約能源和資源是每一個人的責任與義務。

由表2、表3的數據可以看出中國和美國是全世界耗能大國，相比而言美國的能源結構消費相對均衡，雖然從2004年到2013年我國煤炭的消耗整體有下降的趨勢，但還是以煤炭為主要能耗，在核能及再生能源的利用上不及美國，這也不可避免地會帶來嚴重的環境污染。

表1 1950～1990年世界能源消費量和構成

表2 2004～2013年中國的能源消費和構成

注：數據來源于中華人民共和國國家統計局官網。

表3 2013年世界部分國家一次能源結構消費量(噸油當量)

注：數據來源于廈門節能公共服務網。

通過對三張表中的數據進行比較，使學生清晰、直觀地了解我國能源結構與國外的不同之處，很自然地就引出了對新能源、國外能源前沿發展動態的介紹[2-3]。美國能源部(DOE)提出21世紀新能源系統，其基本思想是以煤氣化為龍頭，利用所得的合成氣，一方面用以制備H2供燃料電池汽車使用，另一方面通過高溫固體氧化物燃料電池和燃氣輪機組成的聯合循環轉換成電能，能源利用率可達50%～60%，而且碳排放少，經濟性比現代煤粉爐高10%。殼牌公司提出合成氣園的概念，它也以煤的氣化或是石油和渣油氣化為核心，所得的合成氣用于整體煤氣化聯合循環發電，用一步法生產甲醇和化肥，并作為城市煤氣供給用戶等等。這樣課堂氣氛馬上活躍起來，使原來枯燥的知識介紹變成了增強環保意識的有益教育，同時能使學生有能源危機意識。

2 適時探討消防與環境的聯系，將綠色消防思想引入教學中

人類社會發展到今天，創造了前所未有的文明，同時又帶來了一系列環境問題。特別是上個世紀80年代中期在南極上空發現了臭氧空洞，它與地球變暖即所謂的“溫室效應”以及“酸雨”問題構成了全球大氣環境問題，明顯地危及全人類的生存和繁衍，引起了國際社會的高度關注。近年來，我國部分地區的“霧霾”天氣頻發，不得不讓人們再次警覺，環境問題是一個與人人相關的重要問題。

火災的發生不僅會造成人們生命財產損失，也會引發各種環境污染，火災對環境的破壞作用主要是各類物質尤其是有機化合物的燃燒對環境產生的影響及火災產物的破壞作用，包括火災生成的氣體、熱量、煙塵及灰燼等。發生火災后就需要及時進行滅火撲救，在使用的各類滅火劑中也有可能會對環境造成二次污染，所以，環保要求滅火工作中使用清潔高效的滅火劑。因此，消防工作者在致力于消防事業時，必須樹立強烈的環保意識，將“保護環境”與“消防工作”有機結合起來。

在《有機化學》課程教學中注意引入綠色消防意識，使教學更貼近實際。在“鹵代烴”一章，涉及到氟利昂、哈龍滅火劑等常見的鹵代烴化合物，在教學中除了講解兩者的命名、結構、性質等必要的內容外，重點講解的是此類化合物對臭氧層的破壞。

科學家對破壞臭氧層的關注始于1970年，研究表明，CFCs(氯氟烴)在大氣中分裂并釋放出破壞臭氧層的氯原子，哈龍物質釋放出來的溴原子也對臭氧層造成同樣的破壞。1976年，聯合國環境署(UNEP)理事會第一次討論了臭氧層破壞問題。1977年召開了臭氧層專家會議。1981年開始就淘汰破壞臭氧層物質的國際協議進行政府間的內部討論，并于1985年制定《環境臭氧層維也納公約》，1987年簽署了《蒙特利爾破壞臭氧層物質管制議定書》(簡稱《議定書》)。

CFCs對臭氧層造成嚴重破壞涉及以下6個反應方程式：

O2+hν→O·+O·

(1)

O·+O2→O3

(2)

O3+hν→O2+O·

(3)

O3+O·→O2+O2

(4)

Cl·+O3→ClO·+O2

(5)

ClO·+O·→Cl+O2

(6)

1995年諾貝爾化學獎獲得者荷蘭的大氣化學家Paul Crutzen以及美國的F.Sherwood Rowland和墨西哥的Mario Molina對平流層臭氧有卓越的研究成果，他們的研究表明，以上反應產生的Cl原子在高空中是分解O3的一種強有力的催化劑[4]。由此看出尋找、研究、使用哈龍替代物是每一個消防工作者的責任與義務。

這樣在教學中適時引入了相關環境公約，自然而然地探討了消防與環境的關系，使學生對所學的這部分內容有一個更為全面的了解，同時引導學生在今后的消防工作中加強環保意識，建立綠色消防理念。

3 拓展講解原子經濟反應，將綠色化學知識引入到教學中

“綠色化學”又稱為環境友好化學(Environmentally Friendly Chemistry)，清潔化學(Clean Chemistry)，即用化學的技術和方法去消除那些在反應過程和化工生產中使用和產生的有害物質，生產環境副作用盡可能小以至沒有并且在技術和經濟上可行的化學品。它的最大特點在于它是在生產的源頭就采用實現污染預防的科學手段，使過程和終端實現污染物的零排放而達到零污染，是從生態大系統的整體優化出發，對物質轉化的全過程不斷采取戰略性、綜合性、預防性措施，以提高能源的利用率，減少或消除廢料的生成和排放，降低生產活動對資源的過度使用以及對人類和環境造成的風險，實現社會的可持續發展。

綠色化學的核心內容之一是采用“原子經濟”反應，而反應的“原子經濟性”概念最早是由美國斯坦福大學的B.M.Trost教授提出的，針對一般僅用經濟性來衡量工藝是否可行的傳統做法，他明確指出應用一種新的標準來評估化學工藝過程，即選擇性和原子經濟性兩個概念，后者是考慮在化學反應中究竟有多少原料的原子進入到了產品之中。這一標準既要求盡可能地節約那些一般是不可再生的原料資源，又要求最大限度地減少廢物排放[5-6]。

針對有機反應速率慢、副反應多、會給環境帶來更多污染和破壞等特點，在教學過程中拓展講解“原子經濟”反應、引入綠色化學的概念就十分必要。綠色化學的核心是實現原子經濟反應，但在目前的條件下還不可能將所有化學反應的原子經濟性都提高到100%。因此，不斷尋找新的反應途徑來提高化學反應的選擇性，仍然是十分重要的手段。這就要求開展從包括合成原料、新催化劑到新合成加工途徑、新反應器設計等化學工程的研究，以及各學科交叉結合，由知識創新到技術創新來不斷實現化學合成過程中的綠色化。

在《有機化學》課程教學中根據這個指導思想，在適當的章節拓展講解相關內容。如：第六章“芳香烴”，芳烴的一個重要反應是Friedel-Crafts烷基化反應，工業上利用該反應來合成異丙苯。

傳統的異丙苯的生產均采用AlCl3為催化劑，如圖1(a)為生產異丙苯的工藝流程示意圖，過程較為復雜，包括反應系統、催化分離系統、產物水洗、中和系統和蒸餾系統等，而且反應產率為70%。

由于催化劑AlCl3本身具有較大的腐蝕性，而且還加入了腐蝕性更嚴重的鹽酸作助催化劑和利用大量的氫氧化鈉中和廢酸，因而生產過程產生大量的廢水、廢酸、廢渣、廢氣，環境污染十分嚴重。2005年11月的吉林石化雙苯廠的火災爆炸事故就是這條生產線的苯投料裝置發生堵塞造成的，當時參加滅火戰斗的人員的戰斗靴中都浸入了大量的廢酸，造成了不同程度損傷。改用新的催化劑分子篩就能極大程度地解決這個問題，分子篩催化劑具有選擇性高、收率高、催化劑壽命長的特點，在課堂上以圖1的方式給學生講解了“異丙苯生產過程的比較”。

與AlCl3工藝的比較可知，新工藝過程大大簡化，如圖1(b)所示。分子篩為固體酸催化劑，固定在反應器中，不存在與產物分離問題，因而AlCl3催化劑工藝中龐大的催化劑分離、水洗和中和部分在新工藝中可以全部省去，高活性和選擇性分子篩催化劑加上過程的簡化，使得新工藝投資大大降低而過程效率大大提高。新工藝產品收率和純度約為99.5%，基本接近原子經濟反應。

圖1 異丙苯生產過程比較

通過這樣直觀的分析講解，使學生在掌握傳統制備方法的同時又了解了目前教材中還沒有體現的對環境友好的新工藝方法，在課后的作業中不少學生就運用了這種新工藝采用的催化劑，學生在學習基礎有機化學知識的同時了解了最新的技術知識，拓寬了他們的知識面。

在第九章“酚和醚”中，苯酚的制備通常的方法有苯磺酸法、苯氯化法、異丙苯法等。其中異丙苯法應用最廣泛，目前世界苯酚總產量的95%都是通過異丙苯法合成的，反應如下：

上述異丙苯法以及其他兩種方法簡介制備苯酚的過程都存在生產流程長、工藝過程復雜、生產成本高的問題。所以人們對苯直接氧化制備苯酚有濃厚的興趣。

人們研究了一步法合成苯酚，苯可以直接氧化制得苯酚[7-8]。

研究表明ZSM-5催化劑在N2O氧化苯制備苯酚反應中，有著非常好的催化活性，FeZSM-5這種催化體系對反應有很高的選擇性，既經濟又安全。

在消防專業基礎課《有機化學》的教學中適當引入與環境保護有關的內容，引入最新的技術與理念，無論對于教師還是學生都是非常有意義的。主要體現在以下幾個方面：

一是教師的教學理念得到了升華和提高。綠色化學是新世紀化學學科的重要發展方向，是對傳統化學思維方式的更新和發展，教師更新了觀念，關注了綠色化學研究的進展，充實和完善了自己的知識結構，就會潛移默化影響學生，使學生增強環境保護意識和責任感，使他們在接受化學知識的同時逐漸形成綠色化學意識，加強對綠色化學的認識和理解，培養了他們發展新的、環境友好化學的能力。

二是學生的學習視野得到了開闊。消防專業的學生畢業后絕大部分從事的都是本行，在工作中立足本職，把綠色化學的理論和實踐應用于消防工作，這就是我們提出的消防友好過程的概念。消防友好過程就是綠色化學在消防工作中的具體應用與體現，是新時期對消防工作的更高要求。

三是經典課程內容得到了充實和完善。作為消防專業基礎課的《有機化學》必須承擔向學生介紹、傳播綠色化學知識的責任與義務，使有機化學成為學生認識綠色化學的基本途徑。

總之，在有機化學理論教學中很有必要把環境保護和綠色化學的理念貫穿到整個化學教育之中，并與消防友好過程密切結合，使學生能更新知識、更新觀念，樹立起綠色意識，緊跟時代前進的步伐，與時俱進。

[1] 錢旭紅.有機化學[M].北京:化學工業出版社，2014.

[2] 郭金瑞,許華明.世界一次能源消費分析[J].資源與產業，2010，12(1):28-32.

[3] 劉磊，金晶，趙慶慶，張盈文，劉娓.中國及世界一次能源消費結構現狀分析[J].能源研究與信息，2014，30(1):7-11.

[4] 葉鐵林，錢慶元.20世紀世界杰出化學家[M].北京:中國石化出版社，2001.

[5] [美]馬特萊克.綠色化學導論[M].郭長彬等,譯.北京:科學出版社，2012.

[6] 趙德明.綠色化工與清潔生產導論[M].杭州:浙江大學出版社，2013.

[7] 季東，任通，張小明，索繼栓，丁勇.FeZSM-5/N2O催化氧化苯制苯酚[J].化學進展，2003，15(1):51-59.

[8] 郭衛玲.苯氧化制苯酚催化劑Fe/ZSM-5研究進展[J].石化技術，2009，16(2):41-45.

(責任編輯 李獻惠)

On the Environmental Protection Education in Organic Chemistry Curriculum for Fire Major

ZHANG Jian, GAO Hongze, YANG Qin, WANG Yong, LI Caiyun

(DepartmentofBasicCoursesTeaching，TheArmedPoliceAcademy，Langfang，HebeiProvince065000，China)

From an environmental point of view, this paper introduces how to combine new energy resource, green chemistry and atom economy reactions with the classic teaching content, discusses the relation between the fire work and the environment, and analyzes the relative new technologies and methods from different point of view.

environmental protection; green chemistry; new energy resource; organic chemistry

2014-12-26

武警學院教學改革項目“消防專業化學課程體系改革研究”成果之一

張健(1962— )，女，河南長葛人，教授； 高洪澤(1973— )，男，內蒙古赤峰人，副教授； 楊勤(1973— )，女，河北泊頭人，副教授； 王勇(1969— )，男，山東惠民人，教授； 李彩云(1973— )，女，山西平遙人，副教授。

●教育訓練研究

O624

A

1008-2077(2015)07-0041-05