“双碳”目标下绿色化学理念融入有机化学实验教学的探究*

马 忠，张 续，贾明民，毛恒洋，裴洪昌，李梅生，周守勇

(1.淮阴师范学院 化学化工学院，江苏 淮安 223300；2.山东理工大学 化学化工学院，山东 淄博 255000)

资源和环境是人类赖以生存和发展的物质基础[1]。伴随着工业科学技术的发展，资源短缺和环境污染问题日益突出，绿色化学作为一种理念应运而生，继而发展成为一门集经济、资源、环境等因素为一体的前沿交叉学科。绿色化学，又称环境友好化学或可持续发展化学，利用化学原理和新化学技术，在化学品设计、生产及应用中减少或消除有害物质的使用和生产，使研发的化学品及其工艺更加安全环保[2]。为评价一种化合物、一条合成路线或者一个化工过程是否符合绿色化学的目标，Anastas和Warner于1998年提出绿色化学十二条原则，为绿色化学发展奠定了理论基础，并得到国际化学界的认可。此外，为了强调绿色化学在原料、试剂、溶剂及催化剂等方面的原则，一些学者总结了绿色化学的“5R”原则，即减量(Reduction)、重复使用(Reuse)、回收(Recycling)、再生(Regeneration)和拒用(Rejection)[3-4]。

1 “双碳”目标下绿色有机化学实验教学的重要性

有机化学是研究有机化合物的组成、结构、性质、制备方法与应用的科学，是化学中极重要的一个分支。有机化学是一门以实验为基础的课程，开展有机化学实验教学可以使学生更加全面地掌握有机化学的理论知识。然而，不同类型的有机化学实验会涉及不同类型的化学药剂，在实验操作过程中会排放一些污染物[5]。污染物种类繁多，主要包括强酸、强碱、重金属等无机污染物和苯酚、甲醛、甲苯等有机污染物。无论哪种污染物都会产生不利影响，不仅破坏校园生态环境，还会对师生的健康造成危害。因此，基于绿色化学理念的有机化学实验教学改革已成为节约资源、保护环境、保障人民健康和安全的迫切需要[6，7]。此外，绿色化学是高校有机化学自身以及教育的未来发展方向，高校应在绿色化学理念指导下开展有机化学理论及实验课程。因此，基于绿色化学理念的有机化学实验教学改革是高校有机化学改革的重要组成部分。

2 “双碳”目标下绿色化学理念融入有机化学实验教学的策略

2.1 实验环境的绿色化

有机化学实验室是我校基础实验室之一。经过多年发展，实验室已初具规模，可承担化学化工、应用化学、生物医药等专业有机化学实验教学任务。在“双碳”目标大背景下，对高校化学实验室硬件设施的要求越来越高，尤其是“三废”处理设施的管理[4]。针对实验过程中产生的有毒气体，实验室不仅配备了公共通风柜，还给每位学生的实验台加装了通风柜，并在实验楼顶部安装了气体吸收塔。针对实验过程中产生的废液，严格要求学生对其进行分类回收。对于仅含高浓度酸碱的废液，建立统一的酸碱废液桶，中和后稀释排放。对于用量较大的乙醚、丙酮等有机溶剂，常采用蒸馏和精馏的方法进行处理和回收。实验过程中产生的废渣严禁随意放置，应根据实际情况对其进行综合治理，建立废渣专用仓库分类存放，防止二次污染。

绿色有机化学实验室不仅指硬件设施良好的实验室，还应包括建立健全的实验室规章制度，以及具有绿色化学理念的师生。近年来，学院结合国家和学校相关规定，修订完善了实验室各项规章制度。学生进入实验室开展实验前，应首先学习实验室的各项规章制度，如常用化学试剂的分类、存放和使用方法等。绿色化学不仅是一门从源头上防止污染的化学技术，也是一种新的思维方式，培养学生的绿色化学理念是实现有机化学实验绿色化的最基本保障。教师必须系统地学习绿色化学的理论知识和实验操作，从而强化绿色化学意识，在教学中适时向学生讲授基于“5R”原则的绿色化学理念，让学生在潜移默化中接受绿色化学教育。

2.2 实验项目与教学方法的绿色化

优化、整合实验内容。在传统的有机化学实验教学中，教师通常选择实验现象明显、有利于学生掌握基本操作技能的实验，没有足够重视所用试剂的毒性和实验所产生的污染，只是简单地告诉学生如何防护。要想在有机化学实验教学中体现“绿色化学”思想，就应在严格遵循安全性原则的基础上，改进传统的实验步骤和方法，科学合理地设计实验内容，去掉对环境污染和毒性影响较大的实验内容，在保证实验教学目的和实验效果的前提下，用一些安全无害的物质替换有害物质，选择低毒、污染轻的实验项目。

此外，高校基础有机化学实验通常包括两部分内容(如表1)，第一部分是基本操作，重点学习有机物性质测定手段和有机物提取与纯化方法，包括熔点、折光率、旋光度、沸点、简单蒸馏、重结晶、萃取、分馏以及水蒸气蒸馏等内容。这部分每个内容独立存在，关联性较弱，且有些需要使用大量试剂。第二部分是综合性更强的有机合成实验，学习应用基本操作来制备重要的化工原料和具有特殊性能的新化合物，帮助学生深刻理解有机化学的基本理论，主要包括1-溴丁烷、环己烯、正丁醚以及乙酸乙酯的制备等内容。通常，有机合成实验的设计仅基于化合物的合成反应，这种带有一定鼓励性的传统教学模式导致一些学生更加注重实验结果，而忽视了实验的基本操作过程，无法很好地掌握有机化合物合成实验的基本原理。因此，传统的教学模式使学生无法全面深入地掌握与认识有机化学实验，忽略了实验内容间的相关性。这导致一些学生存在到了后面环节却忘记了已经学过的理论知识。此外，合成实验往往安排在教学后期，实验中获得的诸多化学物质无法通过科学可行的措施再利用，甚至严重破坏环境，这种操作方式违背了绿色化的教学理念。因此，需要对实验内容进行优化整合，应注意增强实验内容之间的连续性。可将前一实验中制得的产物作为后一实验的原料，如“折光率测定”实验可以放在“环己烯的制备”实验之后。这样，不仅合成产物可以重复利用，节约化学试剂，而且可以通过折光率测试对产物进行表征，从而全面深入掌握有机化合物的制备与表征方法。

表1 实验项目及实验项目改进情况

推行微量、半微量实验。目前，我国生态文明建设已进入以降碳为重点战略方向、推动减污降碳协同增效、促进经济社会发展全面绿色转型、实现生态环境质量改善由量变到质变的关键时期。在此背景下，有机化学实验也朝着减少反应用量、提高实验质量的方向发展。微量或半微量实验是指使用尽可能少的药品和试剂来获取所需化学信息的实验方法，这是一种符合简约性原则的实验方法。由于所需药品和试剂数量少，反应时间也缩短，从而降低实验成本和实验室安全事故的发生机率，同时也减少实验室“三废”的产生。与常量实验相比，微量或半微量实验的难度系数较大，这对学生基本实验技能提出了更高的要求。因此，在教学中开展微量或半微量实验的另一个好处是可以培养学生细致严谨的实验态度，从而提升学生的综合实验技能。

实验室制备1-溴丁烷主要是通过浓硫酸与溴化钠反应得到的氢溴酸作溴化剂，再与正丁醇反应。由于反应是可逆的，通过增加溴化钠的量并添加过量硫酸以吸收反应中生成的水，可以促进反应正向进行。然而，环境污染和后处理等问题也因大量酸废液的产生而产生。对此，我们在1-溴丁烷合成实验中采用了微量反应，将原料正丁醇的用量减少到常量实验的1/3，溴化钠和浓硫酸的用量也随之减少，反应时间由常量实验的1.5～2 h 缩短至 40 min。实验表明，微量实验达到了与常量实验相同的教学目的，学生对实验原理和操作方法有了更深入的理解，1-溴丁烷的产率也和常量实验相同，学生实验操作的态度因实验药品剂量的减少而更加细致。同时，由于减少了酸的消耗，实验室的工作环境也得到了改善。

引进多媒体技术展示有机化学实验。在有机化学实验教学中，一些实验项目会排放有毒气体，甚至有严重的安全隐患。为了防止实验过程中发生意外，教师往往会仔细、快速地展示一遍，导致学生无法全面细致地观察实验现象，还有一些教师选择直接跳过相关实验。为避免事故与环境污染问题的发生，可以引入多媒体计算机辅助教学与仿真技术，对有机化学实验的过程、装置和基础原理进行计算机演练，使枯燥复杂的有机化学原理和实验过程以动画、图像、声音和文字的形式生动、形象、直观、全面地展示出来，不仅降低了实验成本，还减少了风险和污染，无形中还提高了学生的环保意识，帮助学生巩固和复习有机化学课本知识，提高学生参与实验教学活动的自主性与积极性。

完善课程考核体系，凸显绿色化学理念。课程的考核评价体系对引导和鼓励学生创造性学习具有重要作用。传统的有机化学实验课程考核主要侧重于学生实际操作的规范性和实验结果的准确性。因此，实验考核部分的成绩主要取决于学生对仪器操作的熟练程度和获得产物的多少，这种方法缺乏对学生绿色化学思维的考核。考核评价体系应以整个实验过程为基础，应从评价方法、评价内容和评价主体等方面进行改进，并将绿色化学理念贯穿其中(如表2)。评价方法应强调对整个实验过程进行全面、动态的评价，在学生实验时进行巡回指导与评价。评价内容应侧重于反应条件及过程是否污染环境和影响人体健康，实验过程中“三废”的处理方法是否合理等方面。总之，关键要凸显绿色化学理念。

表2 实验考核(以满分100分计)

2.3 实验主体的绿色化

有机化学实验教学是实现学生理论与实际应用相结合的重要手段，对学生综合科学素养培养有着重要的意义。学生作为有机化学实验操作的主体，应主动落实绿色化学理念。首先，应掌握废气、废液、废渣的处理方案和注意事项，严禁将实验过程中产生的废气、废液、废渣直接排放到空气或排水管中，应根据废弃物处理回收机制进行合理的处理或回收。此外，在实验过程中应注意节约水电，如做冷凝回流实验时应根据物质的沸点选择长度合适的冷凝管并调节冷凝水流量尽可能的小。

学生是绿色化学的传承者，课后应积极开展校内外宣传活动，让更多的人了解绿色化学。课外活动和社会实践是有机化学实验课程教学的延申和补充，是实施环境教育的有效途径。在校内可以通过知识竞赛、黑板报、校园宣传栏、科技节上的变废为宝实验竞赛等途径进行绿色化学的宣传。此外，还可以举办环境知识专题讲座，利用课余时间对一些涉及环境问题的基础知识以专题讲座形式进行介绍，如《香烟的危害》《本地区水质现状》等。还可以利用一些网络途径进行宣传，比如可以创建微信公众号，定期发一些有关绿色化学的文章、实验和社会热点等。在宣传过程中，不仅学生自己的绿色化学意识和社会责任感得到增强，而且有助于提高全社会的环保意识。

3 结语

“双碳”战略倡导绿色、环保、低碳的生活方式。高校有机化学实验教学课程内容较多，实验过程中容易出现各种污染问题，不利于学生的身体健康发展。因此，教师要把绿色化学理念渗透到有机化学实验教学中，开展绿色有机化学实验来降低实验带来的污染，保护学生的身心健康，培养学生环保意识和良好的科学素养，从而助力构建化学生态课堂。