關于高校綠色化學實驗的改革探討

王 婷，聶財軒，徐瑞芳，馮 瑞

(新鄉醫學院三全學院，河南 新鄉 453000)

綠色化學又稱“環境無害化學”、“環境友好化學”。綠色化學是設計沒有或只有盡可能小的對環境產生負面影響的，并在技術上、經濟上可行的化學品和化學過程的科學[1-2]。它涉及無機化學、有機化學、物理化學、分析化學、生物化學等學科，包含合成、催化工藝，檢測分離等技術，內容豐富，涵蓋廣泛。

1 綠色化實驗改革的必要性

化學是一門實用性很強的學科，我們衣食住行都離不開化學這門學科。然而，化學在造福人類的同時，也給人類帶來了眾多問題，尤其是生態環境問題。全球的各類環境問題，大多數都與化學物質的污染有直接關系，另外小部分是化學污染間接造成的。據不完全統計，目前全世界產生的有害固液等廢物高達3～4億噸/年，嚴重污染了我們賴以生存的水源、空氣，造成了一系列不可逆轉的生態災難。全球變暖、生物多樣性銳減、能源枯竭、臭氧層破壞、熱帶雨林消失、酸雨這些生態災難正在一步步威脅著人類的生存。面對日漸嚴峻的環境現實，眾多國家不得不開始尋找一條對環境友好、不破壞生態環境、不危害人類生存的可持續發展的新道路。而綠色化學在始端預防污染，終端追求零污染、零排放，因此成為了適應人類可持續發展的新道路。高校化學專業培養的人才，將來多數可能會在化學相關的崗位工作。我們需要在教學、實驗指導過程中滲透綠色化學理念，在課堂中普及綠色化學知識，讓學生認識如何利用科學技術減少資源消耗、實現循環經濟和可持續發展；了解綠色化學的重要性，形成正確的生態價值觀，并將之貫穿于今后的生活實踐之中；提高大學生的綜合素養和自身修養，增強大學生社會責任感，為人類的可持續發展作出自己的努力和貢獻。

2 實現化學實驗綠色化的幾條途徑

2.1 在教學中滲透綠色化學理念

教師作為知識的傳播者，在灌輸課本理論知識的同時也要注意及時補充綠色化學知識。在講課過程中，積極引導學生對日常生活中各種行為進行分析，了解哪些行為是綠色化學理念所倡導的，哪些行為是與綠色化學理念背道而馳的。在實驗教學中，教師要以著綠色化學的基本準則進行指導，有意識地強調保護環境的重要性，實驗課前提問本節課“三廢”的處理與回收，讓學生靈活運用理論知識，結合實際情況進行思考。在講解實驗過程時，清楚地講解注意事項，及時糾正學生的錯誤操作方法，在保障實驗安全性的同時也保障了實驗的綠色性。這樣不僅鞏固了理論知識，又培養了學生獨立思考和創新的能力。潛移默化中培養了學生的環保意識，讓綠色化學理念深入學生腦海，幫助學生建立完整的綠色化學體系，全面踐行綠色化學理念。

2.2 防止污染優于污染之后再處理

根據綠色化學十二準則第一條，“防止污染優于污染之后再處理，防止廢物的產生而不是產生后再處理”表明：從源頭上預防污染十分重要。因此，選擇實驗項目時，盡量選擇對環境友好、反映物和產物均無毒無害的實驗[3-5]。如有機合成實驗選擇上，乙酰苯胺的制備實驗相對毒性更低，用以替換由苯硝化還原制備苯胺的實驗。實驗試劑選擇更綠色的，乙醚萃取有機物的時候的選擇相對更安全的二氯甲烷、乙酸乙酯、甲基叔丁基醚等；HSO4、HNO3、HF等傳統液體催化劑毒性大、腐蝕性強、不易分離，操作不當甚至引發危險，使用更加安全的固體催化劑，分子篩、固體酸催化劑，雜質酸等。開發新型綠色化學實驗，用各類化學實驗交叉融合來創新，例如用生化中常用的生物酶來催化有機合成，催化效率不僅更高，還可以達到減少有害副產物的目的。另外，相應的減少傳統的為獲取實驗數據結果而進行重復性操作的實驗，尤其是那些產物難處理，危害大的實驗項目，相對的增加設計探究型的綜合實驗。不僅踐行了綠色化學理念，同時還提高了學生的動手操作能力。

2.3 優化實驗內容，提高試劑利用率

在不影響實驗現象和結果的前提下，試劑按照“常量-半微量-微量”的模式來減少用量[6]。常用的酸堿指示劑酚酞、甲基橙、石蕊濃度可以改進減少到1%，NaOH的配制與標定實驗中，NaOH濃度可以由0.1 mol/L調整到0.05 mol/L。尤其注意部分實驗試劑用量多甚至直接影響實驗效果，像制備乙酸乙酯時，如果冰醋酸用量過多，混合氣中含有大量的乙酸蒸氣，碳酸鈉大量被消耗，分層效果不明顯，不僅導致產率降低，還造成了醋酸的大量浪費，實際操作中不可取。目前常規的化學實驗儀器體積都較大，導致試劑用量加大，并不利于環保，所以引入引用微型氣體發生器、熔點測定儀等新型微型實驗儀器就顯得非常必要。對實驗裝置進行改良，敞開式實驗裝置改良為封閉式，整個反映在密閉容器中進行，使得那些有害的副產物可以及時回收處理。多媒體實驗演示授課化學實驗相對來說耗時較長，有些需要高溫條件(明火加熱)，還有冰水浴(需要制冰)等復雜條件的，可以選擇播放課件來代替。

實驗項目順序上，可以根據綠色實驗循環原則，合理調整實驗項目順序，設計串聯實驗，把各個實驗串聯起來，注意上個實驗產物的再回收利用，達到提高試劑利用率的目的。例如“乙醇的蒸餾和沸點的測定”產生的乙醇，可以作為“溴乙烷制備”中的反應物。

2.4 規范實驗操作

規范學生實驗操作步驟，結合線上教學，實驗課前播放錄制好的微視頻，重點講解本節課涉及的項目的正確操作方法，例如抽濾裝置使用時，開關泵和撤管的先后操作順序，操作不當引起實際浪費甚至損害儀器。酸堿滴定管、分液漏斗的使用等基本操作前，必須進行撿漏，檢查活塞能否轉動，涂抹凡士林等，避免倒入試劑后才發現問題。熟練掌握區分吸量管和移液管的使用方法。玻璃器皿使用前要注意清洗，防止污染實驗試劑造成二次浪費。

2.5 引進新技術，構建新平臺

緊跟時代的潮流，設備及時更新，選擇各方面性能更好的新型儀器，替換那些操作不方便，試劑用量大的老舊設備。對實驗室技術人員進行培訓跟進，不斷提高發展其掌握的技術，及時引進像微波技術、“互聯網+”實驗等[7]。其中，虛擬仿真實驗教學技術是近年來新興的技術。2020年爆發的新冠疫情，教育部提出利用網絡技術，“停課不停學”，充分證明了建設虛擬仿真實驗平臺的重要性。通過有效的融合真實實驗和虛擬仿真實驗，建設模塊化的虛擬仿真實驗，把那些“高危、高壓、易制爆、易制毒、高造價”不宜進行實驗的項目，通過虛擬仿真實驗平臺，向學生展示模擬真實的操作過程。那些由于操作錯誤造成的實驗失敗甚至危害性都可以模擬出來，讓學生在熟練掌握實驗操作技術的同時，清晰地意識到實驗要求的安全性和綠色性。課程結束后線下開設討論性實驗課，讓學生自己設計實驗方案。仿真實驗平臺的建設，不但補充了傳統教學的不足，使本科實驗教學內容豐富多彩，而且教學過程安全無害，充分踐行了綠色化學理念。

2.6 豐富考核形式

連貫課前課后，結合線上線下。課前引導學生積極思考除了實驗原理等基本理論知識外，另外的“本節課實驗操作有哪些注意事項？”“本節課的三廢有哪些？怎么處理？”等與綠色化學息息相關的知識。把此類問題作為相關的預習報告納入最終考核內容。熟練應用線上教學平臺，讓學生對本節課內容及時進行反饋，反映一下本節課有哪些操作沒有掌握，下節課可以作為難點講述。實驗操作結束時，引導學生正確回收藥品試劑，做到不亂傾倒。三廢如何合理地進行回收再利用也可以作為一項課后思考題。以上這些內容都可以納入學期末考核內容，一方面培養了學生獨立思考善于發現的能力，另一方面潛移默化中養成了學生的環保意識。

3 結 語

現階段隨著科技經濟的進步，人們的環境保護意識也越來越強，樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的發展理念日漸滲透到高校的教學之中。高校只有在實驗教學之中，從微小入手，不斷研究，不斷改革創新，才能一步步推動綠色化學發展。