綠色化學 還世界綠色

張銘

【摘 要】化學是一門應用型科學，環境保護方面的問題往往與化學相關聯，在初中化學教學中進行綠色化學研究是化學教師的責任。綠色化學又稱環境無害化學、環境友好化學、清潔化學。為此，本文簡述了綠色化學的基本思想和實現綠色化學的途徑。

【關鍵詞】綠色化學；研究途徑；微型實驗；發展趨勢

隨著社會經濟的發展，人們對生活質量和環境的要求更高，面對環境的日益惡化，資源和能源的短缺，綠色化學理念應運而生。在我國目前的中學化學教育中，大多數中學普遍采用常規實驗方法，儀器大，消耗試劑多，費用高且污染大，學生分組實驗，常常幾十人在一個實驗室，產生大量廢水，有毒氣體和粉塵，而且處理也很困難，造成環境污染，危害著師生健康。面對這種現狀，綠色化學引入到中學化學，是師生健康的需要，是現代化學校的需要。在廣大青少年中普及綠色化學理念，讓學生親自實踐，親手操作無毒無害安全的化學實驗，從中培養他們的環保意識和可持續發展理念。

一、綠色化學的基本思想

綠色化學就是利用已有的化學知識，化學技術和化學方法，以減少對人體和環境有害的物質使用和產生，回收未反應的原料、副產物和非反應試劑，對“三廢”排放前的無害處理等。

1.原子經濟性反應

目前，合成化學從生命科學到材料科學，原子經濟性 （Atom Economy）要求越來越高。原料分子中到底有多大比例的原子轉化成了目標產物，成為了研究的重點。理想的原子經濟反應是原料分子中的原子百分之百地轉變成產物，不產生副產物或廢物，實現廢物的“零排放”。如環氧乙烷的生產中，經典的氯代乙醇法，盡管每一步的化學產率均為 100%，但原子利用率僅為25%，即在合成環氧乙烷的實驗中，每生產1千克環氧乙烷則會產生3千克的副產物，而在綠色化學中，采用新型的催化工藝，實現了100%的原子利用率。再如采用乙基蒽醌法制備過氧化氫，即由氫和氧在2-乙基蒽醌和Pd為催化劑作用下直接合成，2-乙基蒽醌可循環使用，此反應原子利用率為100%，體現了原子經濟性，減少廢物的生成和排放。從而可看出原子經濟性的反應有兩個突出的優點：一是最大限度地利用了原料，二是最大限度地減少了廢物的排放。

2.選用無毒無害的反應原料

研究如何用無毒無害的原料來代替風險試劑。如光氣（COCl）、氫氰酸（HCN）、氟化氫（HF）、氯氣等，要達到這一目標，可采取：減少這類原料的用量，改變其結構，以減少固有毒性，采用防護措施或控制技術等。對于危險或反映條件苛刻，污染嚴重或儀器、試劑價格昂貴的實驗，甚至可采用計算機模擬化學實驗或觀看實驗錄像等辦法。

3.在無毒無害的條件下進行化學反應

盡可能減少有機溶劑的使用，采用超臨界流體技術，或兩相催化技術等，可以盡可能避免傳統反應條件帶給的巨大污染，在條件溫和，活性高，選擇性好，反應后兩相極易分離的情況下進行實驗。例如丙烯的氫甲酰反應，采用Rh和 Pd的水溶液配合物作催化劑，可望取代高壓反應條件，并使生成醛的選擇性由90%提高到98%。

4.尋求安全的目標產物

在很多的情況下，有毒物分子并非所有官能團都有毒有害，可通過保留有用官能團，去掉有害官能團的辦法改進分子結構，使產品更安全。

二、實現綠色化學的途徑

1.實驗過程的改造和從新設計

首先，避免使用風險試劑（如HCN、HF、HCHO、Cl■、OCl■等）和揮發性有機物（如苯，CCl■，氟利昂等）。如銀鏡反應避免使用甲醛，而用葡萄糖；把可能產生致癌物的有氯漂白和二氧化硫漂白改用為雙氧水，過氧化鈉等。其次，積極開發綠色實驗，實現原料和反應過程的綠色化，例如實驗硬脂酸笨溶液單分子膜法測定阿佛加德羅常數改為電解硫酸銅或電解法，不再使用揮發性苯；例如在二氧化錳的催化下分解氯酸鉀制氧氣的實驗里，會產生有毒副產物Cl■，改用氫氧化鈣作催化劑，轉化率可達到99%以上，而且避免了Cl■ 的產生；又如氨催化氧化實驗，常用銅絲作催化劑，該方法不僅轉化率不高，而且還會產生一種刺激性氣味的氣體，改用氧化銅作催化劑，轉化率也只為76%，若改用鉑觸媒，轉化率可達98%；還有接觸法制硫酸等諸多實驗的改進，不僅可以提高轉化率，而且可減少環境的污染。

2.實驗產物或殘留物的無害處理及利用

產物的再生循環使用，化學實驗產物，大多有毒有害，即使有些物質的毒性不是太大，但若不加處理，時間長了，做的人多了，累積起來也會造成環境污染，而且造成資源浪費，若能加以簡單處理又可循環使用，豈不妙哉。例如用氫氣還原氧化銅的實驗，還原出來的銅粉，不便收集處理，若改用銅片在空氣中加熱，用表面被氧化而成的氧化銅進行實驗，不僅可使還原出來的金屬銅在銅片表面平整而有金屬光澤，增強了演示效果，而且銅片可循環使用，類似這樣的例子很多，關鍵是靠化學工作者去摸索。有些產物不能利用，但也可以加以處理，以減少對環境的危害，例如CO還原Fe2O■或氧化銅，多余的一氧化碳，可用燃燒的辦法加以處理；制氯氣的尾氣處理等，實驗室廢液處理及物質回收，從環保的角度出發，根據國家對廢液排放標準，對廢水、廢氣、廢渣最高允許范圍，必須適當加以處理，比如對含重金屬離子的廢液，含酸、堿、鹽、有機廢液等也可以加以回收利用，如在含有銅離子的廢液中加入過量的鐵粉，再在沉淀物中加入稀硫酸洗去多余的鐵粉，即得銅粉，又如實驗制得的硝基苯，為了提純，用5%的氫氧化鈉溶液洗滌后，用分液漏斗分離，再將它和氯化鈣混合加熱，最后蒸餾提純回收。

3.化學實驗采用小型化、微型化

大量的研究證明，在保證實驗效果的前提下，大多數基礎化學實驗都可以在微型儀器或裝置中進行，目前之所以提倡實驗微型化，是由于微型實驗具有如下的特點，儀器小巧，用藥量小，成本低，污染少，操作方便，節約能源，安全可靠，易于推廣，而且儀器微型化之后，儀器所占空間小，方便存放和攜帶，還可以適當的自制教學儀器，也不會影響功能和效果，開展微型實驗，可適當讓學生自己尋找代用品自制儀器，自己設計，找實驗方法，提出問題并解決問題，從中訓練他們的思維能力，想象能力和動手能力，培養學生的創新精神和創造能力，引進綠色實驗理念，化學實驗微型化是一個很好的途徑。

4.計算機輔助綠色化學設計和模擬

在現代教育中，數字化、多媒體使用越來越普遍，計算機已廣泛用于物質結構解析、反應性預測、故障診斷及控制等許多方面。無疑在中學化學教育中，使用計算機模擬演示一些有毒、危害性大的實驗，也是實驗教學的有效方法，但不能代替學生實驗。在利用計算機設計符合綠色化學原則的最佳反應路線、反應過程等，也是推動了綠色化學更快發展的有效途徑之一。

南開大學著名教授王積濤先生認為：微型實驗的設計是我國化學實驗改革的大方向，綠色化學理念追求實現原子經濟，清潔生產和零污染，立刻受到社會的化學界的積極支持和響應，目前已成為化學實驗的一個新的研究方向和前沿。主要圍繞化學反應，原料、催化劑、溶劑和產品的綠色化展開的：

【參考文獻】

[1]劉懷樂.《中學化學實驗與教學研究》，西師大出版社

[2]世紀夢.“化學創新教育及其模式研究”.《中學化學教學參考》