基础化学实验的绿色化设计与实践

李 军，许俊强，郭 芳

(重庆理工大学化学化工学院，重庆 400054)

基础化学实验是化学、化工、制药、生物和材料等学科的基础实验课程，也是“卓越工程师培养计划”的重要内容。而绿色化学实验是从环境保护的角度来考虑实验设置、实验手段、实验方法等各方面因素，通过对现有实验体系的改革，从微型实验、环境友好型实验的设计等方面提出示范实验方法，系统性地建立推广性强的绿色化学实验示范体系。它既能培养学生绿色化学的概念和意识，又能减少对环境的污染。因此，开展基于基础化学实验的绿色化研究不仅对化学实验的教学具有重要的现实意义，而且对学科发展具有重要的战略意义，也对环境保护起到重要的作用。

1 绿色化学实验的内涵

绿色化学实验就是在满足教学要求的前提下，合理选择和设计实验内容，采取环境友好的化学实验新技术、新方法，尽量消除或减少有害物质，减少污染物排放;另一方面从化学废液、报废化学药品回收处理措施入手，采用分类回收、集中处理的方法，降低处理难度，防止污染扩散，从源头上消除或减轻化学实验对环境和人类健康的负面影响。在化学实验教学中，从环境保护的角度来考虑实验设置、实验手段、实验方法等各方面因素，在实验教学中建立绿色化学实验的思想。采用5R原则(拒用危险品(Reject)，减量使用(Reduce)，循环使用(Recycle)，重新使用(Reuse)，再生(Regenerate))来解决化学实验中出现的污染问题。绿色化学实验是化学实验教学中实施创新教育的重要内容和必要保证，其内涵如图1所示。

图1 绿色化学实验的内涵

2 无机化学实验的绿色化设计

在无机化学实验中，“三废”的排放一直是人们关注的问题。对于产生废气(如Cl2、Br2、N2O、NO、NO2、SO2、H2S 等)的实验均应在通风橱内进行。若实验中产生大量有毒气体，应该安装气体吸收装置来吸收这些气体，然后进行处理(图2)。废液、酸碱盐是主要的污染物。对不含有毒害离子的稀酸和稀碱的废液，在实验时应随时收集于相应的桶中，达到一定数量时相互中和。对于含有铅、镉等重金属离子的废液可采用碱液沉淀法，使这些金属离子转变为氢氧化物或碳酸盐沉淀，放置一夜，过滤收集滤渣，检验滤液中不含有相应的重金属离子后才可排放。在含钡废液中加入硫酸钠溶液，过滤后才可排放。对于含硼废液和可浓缩废液，可利用阴离子交换树脂吸附。对于含氟废液，可加入消化石灰乳，放置一夜后过滤，滤液加酸中和稀释后排放。对于含铬(VI)废液，可以在酸性条件下先用还原剂(硫酸亚铁或硫酸加铁屑)还原至铬(III)后，再转化为氢氧化物沉淀，将滤渣收集保存，滤液经定性分析后无6价铬就可以排放。对于含有氰化物的废液，可先加入混合碱液，使金属离子沉淀、分离，调解滤液pH值至6.5～8.5后，再往滤液中加入过量次氯酸钠溶液或漂白粉，充分搅拌静置12 h，使氢化物分解，查明废液中没有CN－后排放。

图2 无机化学实验中的气体吸收实验

封闭实验可使涉及到的气体反应在封闭体系中进行。反应过程中产生的尾气用相应的化学液体吸收，实现零污染(图3)。例如，SOX用氨水吸收;NOX用氢氧化钠溶液吸收，同时得到重要化工原料硝酸钠;氨等碱性物质用酸液吸收成硫酸铵;H2S用硫酸铜溶液吸收成为硫化铜沉淀;CI通入碱液转变为次氯酸盐。对于产生 HCl、SO2、NH3等易溶于水的气体的反应装置，可增加一个漏斗或一个干燥管，把气体导入水中或相应的吸收液中。

图3 密闭条件下金属表面的氨分解反应实验

3 有机化学实验的绿色化设计

在有机化学实验中，大量使用“有机溶剂”和“有机试剂”，实验所产生的“三废”对环境的污染较为严重。因此，倡导尽量排除或减少对环境污染大、毒性大、危险性大、三废后处理困难的实验项目，尽量选择低毒、污染较小且后处理容易的实验项目。例如:用“肉桂酸”实验代替“喹啉”实验，避开苯胺、硝基苯等有毒致癌试剂;用“溴乙烷”实验代替“溴苯”实验，避开了苯、溴、吡啶等有毒、对空气污染大的试剂，减少对环境的污染，同时也降低了低值易耗品的费用;对于合成邻、对硝基酚，双酚A及酚酞类化合物时均使用酚类化合物，由于反应不可能完全和酚类有较大的水溶度，这些废液中所含的酚类都是超标的，可以加入漂白粉煮一下，以使酚类氧化分解后再排放，这个方法对于苯胺类化合物也适用。

在有机化学实验中有机化合物合成、蒸馏与分离、定量滴定分析等实验全部实现中型或微型化，绿色化效果显著(图4)。例如:醛酮性质实验要求学生在点滴板上完成醛酮与西佛试剂2、4－二硝基苯肼的实验，试剂用量减少到常规量的1/10，即2滴。类似的实验还可要求学生用同样的方法完成邻二醇与氢氧化铜、酚与氯化铁的性质实验。还有在有机实验“乙醚的制备”实验中，微型法每组仅用6 mL的无水乙醇和2 mL浓硫酸，而常规法则每组用75 mL的无水乙醇和25 mL浓硫酸。

图4 微型化学实验仪器

4 基于分析化学实验设计改进型绿色化项目

分析化学实验中，实验方法的改进显得尤为重要。实验方法的改进可显著减少对空气污染。如在硫化氢系统分析中产生的硫化氢气体，在实验教学中，可以采用硫代乙酰胺代替硫化氢水溶液，从而使气体污染降低到最低限度。实验装置的改进也可以体现绿色化。如气相色谱分析中，测定试剂改用乙醇、丙醇、丁醇、异戊醇及其混合试样来替代苯、甲苯、二甲苯、乙基苯样品，检测器由TCD改为FID，这样样品的毒副作用显著减少，又避免了这些有机物的直接放空，从而大大减少了实验污染，增加了实验的“绿色”成分。

分析化学中的指示剂的频繁且大量的使用是非常常见的。但有的时候，为了使指示效果更加敏锐，改变指示剂的使用方法可以显著减少用量。如用甲醛法测定铵盐含氮量时，常用在铵盐溶液中加入甲基红指示剂，用NaOH标准溶液滴定至金黄色，加入甲醛溶液，以酚酞为指示剂，用NaOH标准溶液滴定至橙红色。但这种方法肉眼不易判断颜色的突变，突跃不明显，指示剂用量也较多。为此，改用混合指示剂溴甲酚绿和甲基红进行替代，最终，溶液滴定至由酒红变绿，终点为紫红色。此法效果敏锐，能准确判断终点，少量溴甲酚绿的加入可减少甲基红的量，符合绿色实验理念。

5 基于物理化学实验设计改进型绿色化项目

在物理化学实验中，通过实验方法的改进、试剂的选择以及变废为宝等多项举措可实现绿色化。如反应速率常数得测定中，选择非常绿色的“过氧化氢”作为化学试剂，进行测定过氧化氢催化分解的一级反应速率常数k，进而得到k与反应物浓度的关系。这样整个实验操作实现了零污染。在偏摩尔体积的测定中，采用NaCl和蒸馏水溶液进行称重分析，进而掌握通过测试溶液的密度求取二元溶液偏摩尔体积的方法。测试后的废液也是环保的。有些实验中产生的无水乙醇和环己烷的混合物一直是污染的重要内容。选择用水作萃取剂，采用萃取－精馏方法，实现了从乙醇中回收环己烷废液，进而得到了二元液系相图。这样既变废为宝，又掌握了相图的知识。

6 培养学生实验操作规范化

在基础化学实验中，有些实验的药品用量在教材中都未明确给出限量，以至学生很难把握药品的实际用量，这样既影响实验的科学性和实验效果，又会造成药品的浪费，还会对环境造成一定程度的污染，也不利于培养学生的规范化操作。若对药品规定了用量和浓度，既方便施教，又方便操作，也易让学生接受、观察和记忆，从而培养学生严谨的实验态度，同时节约了药品，减少了环境污染。引导学生积极参与绿色化学实验研究，在教学中将化学实验与环境教育有机结合，进一步培养学生的环境保护意识。这样既提高了实验的科学性，为实验操作的规范化奠定了基础，又培养了学生良好的实验习惯，使学生学到实际应用技术。

7 结束语

在四大基础化学试验中，将绿色化学理念贯穿于基础化学实验教学中，进一步拓展环境友好的实验教学内容，设计符合实际的绿色化学实验，形成一套富有成效绿色化学实践教学内容。从环境保护的角度来考虑各个实验设置、实验手段、实验方法等各方面因素，通过对现有实验体系的改革，建立示范实验方法，系统性地建立推广性强的绿色化学实验示范体系。这种绿色化学实践教学体系能提高教学质量，培养师生的绿色化学思维。绿色化学实践教学体系的构建和实施，将取得良好的实践教学效果和环境效益。

［1］纪红兵，佘远斌.绿色化学化工基本问题的发展与研究［J］.化工进展，2007(5):605－614.

［2］闵恩泽;傅军.绿色化学的进展［J］.化学通报，1999(1):10.