卫生职业学院化学实验教学中的绿色化学教学实施

刘晓瀛

（铁岭卫生职业学院，辽宁 铁岭 112000）

卫生职业学院化学实验教学中的绿色化学教学实施

刘晓瀛

（铁岭卫生职业学院，辽宁 铁岭 112000）

随着化学工业的飞速发展，环境污染问题日益严重，人们对绿色化学的需求十分迫切。介绍绿色化学定义和核心，提出在化学实验教学中渗透绿色化学理念，设计绿色化学实验，引入微波技术和多媒体仿真技术，探讨实现化学实验绿色化的方法。

卫生职业学院；化学实验；绿色化学

1 绿色化学的含义[1]

绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学、清洁化学。绿色化学就是用化学技术和方法减少或避免那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂与试剂、产物、副产品等的使用与产生。绿色化学是把化学知识、化学技术和化学方法应用于化学实验全过程，以减少直至消除对人类健康和对环境有害的反应原料的使用、反应过程的利用、反应产物的生产和使用，从根本上减少或消除污染的化学。

绿色化学的核心是原子经济性，它是指在化学品合成过程中，合成方法和工艺应使反应过程中的所有原材料尽可能多地转化为最终产物。原子经济性考虑的是化学反应中有多少原料的原子进入产品，这一标准既要求尽可能节约不可再生能源，又要求最大限度地减少废物排放。理想的原子经济性反应是原料分子中的原子百分之百地转化成产物，不产生副产物或废物，实现废物零排放。

2 化学实验绿色化教学的实施

实验教学是化学教学的重要环节，化学实验对学生科学思维、动手能力、创新意识培养至关重要。化学实验让学生领悟和感受到科学不仅可以创造文明，也会对环境造成污染，对人类产生危害。实验所需试剂药品种类多，消耗量大，部分试剂毒性很强，如氰化物、重金属盐、溴水、四氯化碳等，伴随反应过程释放出的有毒气体如硫化氢、二氧化硫、氯气、二氧化氮等，使化学实验室成为一个小型污染源。这就要求我们在实验教学中，既要直观、科学地展示实验所要达到的目的，又要尽量减少实验过程中有毒试剂的用量，提高试剂利用率，减少环境污染。绿色化学理念的提出为化学教学注入了新活力，化学实验绿色化教学已成为必然趋势。为此，我们从以下几方面进行尝试。

2.1 建立高素质师资队伍

高素质教师是培养高素质学生的基本保证。实验教师和实验技术人员应共同做好从传统实验教学到绿色化教学的转变。首先，加强宣传，让学生多了解绿色化学，使其认识到实验教学中人与自然和谐发展的重要性，并准备一份有关绿色化学的教案。其次，多方查找资料，设计适合我院学生、符合绿色化学理念的化学实验。最后，学期末总结经验，对一些实验作进一步改革，使其更好地适应学生学情和绿色化学要求。

2.2 实验教学中渗透绿色化学理念

教师在化学实验教学中要注重培养学生绿色化学理念，加强学生绿色环保意识教育，把环境保护知识一点一滴地渗透到教学中。教师也可通过环境污染典型事例（如工厂随意排放含铅废液造成儿童血铅中毒事件；化工厂氯气外泄，损害人体健康，造成庄稼、蔬菜脱色甚至枯死），让学生切身体会环境污染的危害，使其树立环境保护意识，进而认识到实施绿色化学实验的重要性。

学生第一次进入实验室，教师就把直接排放未经处理的“三废”的危害告诉学生，使学生养成良好的实验习惯。增设实验后废弃物无害化处理环节，引导学生妥善处理、回收或循环利用实验废弃物，如可用实验废弃的稀盐酸或稀硫酸冲洗厕所；废铬酸洗液可用高锰酸钾氧化后再循环使用，提高试剂利用率，减少实验污染，做到化废为宝，化害为利，达到化学实验绿色化的目的。

2.3 化学实验的绿色化设计

2.3.1 反应体系的绿色化设计 许多化学实验在实验过程中会产生有毒的气体副产物，实验产物中也会含有对人体有害的气体物质。传统化学实验采用敞开体系，易对学生身体造成危害。针对这一问题，我们对以下2个实验做了改进。

（1）硫酸亚铁铵的制备实验[2]。一方面，该实验包括一系列化学合成基本操作，如称量、除杂、加热、倾析、抽滤、溶解、蒸发、结晶；另一方面，该实验通常选用机械加工及制造行业产生的废弃物——铁屑为原料，属于变废为宝、再生利用钢铁资源的环保型实验，所以常被选为必做实验。然而，由于原实验装置为敞开式，废铁屑含有的碳、硫、磷、硅等杂质和硫酸反应时生成H2S、H3P等有毒气体，导致实验室弥漫着强烈的刺激性气体，直接危害师生身体健康。为此，我们将第一步硫酸亚铁的制备改为闭路回收式，加强对实验废气的处理。改进后的实验装置密闭性好，冷凝水可循环利用，不会造成硫酸亚铁结晶析出，废气经吸收液吸收转变为无害物质，实验环境大为改善。

（2）甲基橙的合成[1]。传统合成方法：重氮盐的制备在100ml烧杯中进行，重氮盐的偶合反应，包括后续过程的结晶处理也在敞开体系中进行。这种方法存在的问题是，当把亚硝酸钠和对氨基苯磺酸溶液往盐酸溶液中滴加时，生成的亚硝酸盐不能即刻完全重氮化，致使氮的氧化物扩散到空气中，不但对环境造成污染，而且危害师生身体健康，不符合绿色化学的要求。为此，我们对传统敞开体系进行改进，改进后的实验在三口烧瓶内进行，排出的气体经过溶液（NaOH）吸收后才放空，体现了从源头和过程减少污染的绿色化学理念。

2.3.2 催化剂的绿色化设计 目前，90%以上的化学反应要实现工业化生产，就必须采用催化剂提高反应速率。此时，应避免使用有毒、有害物质作催化剂，如重金属离子、液态强酸碱、苯和苯胺等，而应采用环境友好的固体酸、碱及酶等。

（1）环己烯的合成[1]。目前工业上常采用硫酸或磷酸催化的液相脱水法或苯的部分氢化制备。但硫酸催化法腐蚀性强、碳化严重、易发生副反应、产品收率不高（70%），磷酸催化法成本高，苯部分加氢法催化剂制备成本高、污染严重。改进后的实验使用三氯化铁作催化剂，催化环己醇脱水制备环己烯，具有产率高、工艺简单、操作易控制、产品纯度高、催化剂廉价易得、性能稳定、可重复使用且不污染环境等优点，符合绿色化学基本要求。

（2）肉桂酸的合成。传统合成方法一般选用醋酸钾作催化剂，产率仅为55%，且水蒸气蒸馏时间长，产品色泽深。改进后的实验以氟化钾代替醋酸钾，能明显缩短反应时间，降低反应温度，产率可达70%以上，且产品色泽好。

2.3.3 化学试剂的循环利用 循环利用即重复使用，是降低成本和减少废物排放的需要。自然界资源有限，因此人类生产的各种化学品能否回收、再生和循环使用就成为绿色化学研究的重要领域。

（1）氧化苯甲醇制备苯甲酸[1]。一般采用高锰酸钾在水溶液中氧化甲苯，然后酸化制取苯甲酸。这种方法反应时间长、产生大量二氧化锰固体污染物。改进后的实验以苯甲醇和氢氧化钠为原料，使用硫酸铜作催化剂来催化氧化制备苯甲酸。反应中使用的硫酸铜催化剂可以重复使用，整个过程无有害废物排放，为环境友好的合成方法。CuSO4催化氧化苯甲醇制备苯甲酸，反应机理如下：

Cu（Ⅱ）无机盐在过量的NaOH存在下生成Cu（OH）2，加热Cu（OH）2分解为CuO，苯甲醇被CuO氧化为苯甲醛，CuO同时被还原为Cu2O，呈现砖红色。Cu2O在碱性条件下被O2重新氧化成Cu（OH）2，使反应继续进行。苯甲醇氧化生成的苯甲醛在NaOH作用下发生歧化反应，得到苯甲酸钠和苯甲醇，苯甲醇循环回反应体系，苯甲酸钠经过酸化后得到苯甲酸。

（2）乙酰水杨酸的合成与水解[3]。传统教材只开设“乙酰水杨酸的制备”实验，学生将得到的白色晶体乙酰水杨酸上交给教师，由教师处理产品。改进实验后，我们增设了乙酰水杨酸水解实验，重新得到水杨酸，并加以回收利用，体现了化学实验绿色化改革目标。

2.3.4 化学实验内容连续化设计[4]传统化学实验中，若产生的副产品没有太大用途就会被处理，不仅造成了浪费，而且污染了环境。为解决这一问题，我们改进部分实验，实现了实验内容的连续化。通过合理设计实验步骤，使学生复习了更多化学实验基本操作，既培养了他们的科研思维能力，又增强了其环保意识。如从茶叶中提取咖啡因、茶多酚和茶氨酸[1]。传统教材仅开设了“从茶叶中提取咖啡因”实验，而其中离心之后得到的沉淀可进一步提取茶多酚，从提取咖啡因过程中萃取之后的水相中可以进一步提取茶氨酸。我们把这3个提取实验放在一起进行，从清洁生产的思路出发，对有效成分进行有效提取。提取工艺见图1。

图1 咖啡因、茶多酚和茶氨酸提取工艺

2.3.5 选用微波技术进行化学实验 微波作为一种新型能量形式，其促进化学反应速率比传统加热技术快数倍甚至千倍。微波加热反应有三大特点：一是加热速度快，能在短时间内达到反应温度，热效率高，反应往往在数分钟内完成；二是实验条件温和，避免了常规使用的加热套和油浴，操作简单，保护实验环境；三是微波化学反应是分子意义上的搅拌，反应转化率高且产品质量好，如微波辅助提取、微波灼烧等。微波技术的应用对增强化学实验的绿色化有十分重要的作用，是实现化学实验绿色化的重要途径。如微波辐射合成和水解乙酰水杨酸。乙酰水杨酸的传统酸催化合成法反应时间相对较长，乙酸酐用量大，反应速度相对较慢，收率仅为74%～80%，且易产生副反应，对生产设备有较强的腐蚀性。为此，我们采用微波辐射碱催化合成，反应时间缩短，酸酐用量减少，合成收率提高。该方法可以避免副产物（主要是聚水杨酸）的生成，且大大提高了反应速率。若增加微波辐射功率，则反应时间更短。采用传统加热方式加热水解，整个水解过程需用10min左右；现改用微波辐射水解，在输出功率为495W的条件下，微波辐射仅20s，水解反应产率近100%。

2.3.6 化学剂量绿色化[5]化学反应所需试剂、溶剂、催化剂的用量在保证实验效果的前提下，要达到实验剂量的最小化。微型实验是近20年来发展很快的一种实验方法。但由于微型化学实验的成套仪器较贵，常规实验向微型实验转型费用较高，且微型实验药品用量较小，学生不好把握。因此，半微量化操作模式较为可行。如酸碱滴定实验中，把50ml滴定管改为25ml滴定管，从而在保证教学效果的前提下大大减少了滴定剂用量，达到减少环境污染的目的。

2.3.7 通过多媒体仿真技术实现化学实验绿色化 一些常规、传统化学实验需要消耗较多试剂、药品等，尤其是一些实验所用试剂药品价格昂贵、有毒、有害且实验操作危险性较大，部分实验排放许多有毒气体和废液。这时，采用计算机多媒体技术进行仿真实验就可以解决这一问题。它是一种化学试剂和仪器装置“零投入”和“废弃物零排放”的特殊实验方式。我们下载了大量化学实验视频，可供学生选择性地观看交流，大大激发了学生学习兴趣。

绿色化学设计思路对一些传统化学实验进行了改进，不仅达到了培养学生综合能力，提高教学效率的目的，还减少了资源浪费和环境污染，增强了学生的环保意识，帮助其树立了绿色化学理念。

[1]王敏，宋志国，王秀丽.绿色化学理念与实验[M].北京:化学工业出版社，2010.

[2]袁爱群,金彩，张直，等.用绿色化学理念改进硫酸亚铁铵制备实验[J].化学教育，2004（5）：9～10.

[3]张学东，丁秋玲.医用化学实验教程[M].武汉:华中科技大学出版社, 2010.

[4]林英杰，刘在群，王建辉，等.全国大学化学实验绿色化教学研讨会论文集[C].武汉：武汉大学出版社，2001.

[5]张秀兰.高校化学实验绿色化探讨[J].广东化工，2009，36（8）：318.

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