消防专业有机化学课程教学中的环境保护教育

张 健，高洪泽，杨 勤，王 勇，李彩云

(武警学院 基础部,河北 廊坊 065000)

消防专业有机化学课程教学中的环境保护教育

张 健，高洪泽，杨 勤，王 勇，李彩云

(武警学院 基础部,河北 廊坊 065000)

从环境保护的角度出发，阐述了在《有机化学》课程教学中如何将新能源、绿色化学、原子经济反应等内容与经典的教学内容相结合，在课堂教学中引入环境保护意识，探讨了消防与环境的联系，从不同角度分析讨论了与有机化学教学有关的新技术、新工艺。

环境保护；绿色化学；新能源；有机化学

20世纪，人类在享受产业和科技革命所带来的辉煌的同时，也体验到自然生态环境破坏所带来的巨大创伤。面对生态环境危机，人类已经开始进行生存策略的调整和改变，这是一次席卷全球的涉及人类生活各个层面的根本转变，为了跟上这种转变，人们需要掌握必要的科学知识，正确理解人与自然的关系，形成正确科学的环保理念，逐步建立起环保型生产方式和生活方式。作为从事消防专业《有机化学》课程教学多年的教师更是必须认清形势，紧跟时代的步伐，向学生播撒环境保护的火种，引导学生树立环境保护意识。本文就在《有机化学》课程教学中如何渗入环境保护知识作了初步探讨。

1 补充讲解能源知识，将能源危机意识引入教学中

《有机化学》的开篇就是“烷烃”，在烷烃命名的讲解中增加了汽油“辛烷值”的讲解，汽油质量用“辛烷值”表示，“辛烷值”是衡量汽油在气缸内抗爆震燃烧能力的一种数字指标，其值高表示抗爆性好[1]。异辛烷(IUPAC命名为：2，2，4-三甲基戊烷)的抗爆性较好，辛烷值给定为100，正庚烷的抗爆性差，给定为0。提高“辛烷值”的方法有：(1)将直链烷烃的汽油进行结构改造——异构化(结构重整也称铂重整)；(2)向低“辛烷值”汽油中添加抗震剂(四乙基铅)。显然第二种方法对环境有严重的污染现象。这样，既讲解了烷烃的命名又介绍了无铅汽油的使用对环境的保护作用，并结合目前的环保标准讲解了92#、95#汽油的区别，取得了事半功倍的效果。

在讲解烷烃的来源时(煤炭、石油、天然气)，同时用表1、表2、表3介绍我国和国外能源结构的不同之处，使学生能在学习烷烃相关知识的同时认识到我国及世界所面临的能源危机，明白节约能源和资源是每一个人的责任与义务。

由表2、表3的数据可以看出中国和美国是全世界耗能大国，相比而言美国的能源结构消费相对均衡，虽然从2004年到2013年我国煤炭的消耗整体有下降的趋势，但还是以煤炭为主要能耗，在核能及再生能源的利用上不及美国，这也不可避免地会带来严重的环境污染。

表1 1950～1990年世界能源消费量和构成

表2 2004～2013年中国的能源消费和构成

注：数据来源于中华人民共和国国家统计局官网。

表3 2013年世界部分国家一次能源结构消费量(吨油当量)

注：数据来源于厦门节能公共服务网。

通过对三张表中的数据进行比较，使学生清晰、直观地了解我国能源结构与国外的不同之处，很自然地就引出了对新能源、国外能源前沿发展动态的介绍[2-3]。美国能源部(DOE)提出21世纪新能源系统，其基本思想是以煤气化为龙头，利用所得的合成气，一方面用以制备H2供燃料电池汽车使用，另一方面通过高温固体氧化物燃料电池和燃气轮机组成的联合循环转换成电能，能源利用率可达50%～60%，而且碳排放少，经济性比现代煤粉炉高10%。壳牌公司提出合成气园的概念，它也以煤的气化或是石油和渣油气化为核心，所得的合成气用于整体煤气化联合循环发电，用一步法生产甲醇和化肥，并作为城市煤气供给用户等等。这样课堂气氛马上活跃起来，使原来枯燥的知识介绍变成了增强环保意识的有益教育，同时能使学生有能源危机意识。

2 适时探讨消防与环境的联系，将绿色消防思想引入教学中

人类社会发展到今天，创造了前所未有的文明，同时又带来了一系列环境问题。特别是上个世纪80年代中期在南极上空发现了臭氧空洞，它与地球变暖即所谓的“温室效应”以及“酸雨”问题构成了全球大气环境问题，明显地危及全人类的生存和繁衍，引起了国际社会的高度关注。近年来，我国部分地区的“雾霾”天气频发，不得不让人们再次警觉，环境问题是一个与人人相关的重要问题。

火灾的发生不仅会造成人们生命财产损失，也会引发各种环境污染，火灾对环境的破坏作用主要是各类物质尤其是有机化合物的燃烧对环境产生的影响及火灾产物的破坏作用，包括火灾生成的气体、热量、烟尘及灰烬等。发生火灾后就需要及时进行灭火扑救，在使用的各类灭火剂中也有可能会对环境造成二次污染，所以，环保要求灭火工作中使用清洁高效的灭火剂。因此，消防工作者在致力于消防事业时，必须树立强烈的环保意识，将“保护环境”与“消防工作”有机结合起来。

在《有机化学》课程教学中注意引入绿色消防意识，使教学更贴近实际。在“卤代烃”一章，涉及到氟利昂、哈龙灭火剂等常见的卤代烃化合物，在教学中除了讲解两者的命名、结构、性质等必要的内容外，重点讲解的是此类化合物对臭氧层的破坏。

科学家对破坏臭氧层的关注始于1970年，研究表明，CFCs(氯氟烃)在大气中分裂并释放出破坏臭氧层的氯原子，哈龙物质释放出来的溴原子也对臭氧层造成同样的破坏。1976年，联合国环境署(UNEP)理事会第一次讨论了臭氧层破坏问题。1977年召开了臭氧层专家会议。1981年开始就淘汰破坏臭氧层物质的国际协议进行政府间的内部讨论，并于1985年制定《环境臭氧层维也纳公约》，1987年签署了《蒙特利尔破坏臭氧层物质管制议定书》(简称《议定书》)。

CFCs对臭氧层造成严重破坏涉及以下6个反应方程式：

O2+hν→O·+O·

(1)

O·+O2→O3

(2)

O3+hν→O2+O·

(3)

O3+O·→O2+O2

(4)

Cl·+O3→ClO·+O2

(5)

ClO·+O·→Cl+O2

(6)

1995年诺贝尔化学奖获得者荷兰的大气化学家Paul Crutzen以及美国的F.Sherwood Rowland和墨西哥的Mario Molina对平流层臭氧有卓越的研究成果，他们的研究表明，以上反应产生的Cl原子在高空中是分解O3的一种强有力的催化剂[4]。由此看出寻找、研究、使用哈龙替代物是每一个消防工作者的责任与义务。

这样在教学中适时引入了相关环境公约，自然而然地探讨了消防与环境的关系，使学生对所学的这部分内容有一个更为全面的了解，同时引导学生在今后的消防工作中加强环保意识，建立绿色消防理念。

3 拓展讲解原子经济反应，将绿色化学知识引入到教学中

“绿色化学”又称为环境友好化学(Environmentally Friendly Chemistry)，清洁化学(Clean Chemistry)，即用化学的技术和方法去消除那些在反应过程和化工生产中使用和产生的有害物质，生产环境副作用尽可能小以至没有并且在技术和经济上可行的化学品。它的最大特点在于它是在生产的源头就采用实现污染预防的科学手段，使过程和终端实现污染物的零排放而达到零污染，是从生态大系统的整体优化出发，对物质转化的全过程不断采取战略性、综合性、预防性措施，以提高能源的利用率，减少或消除废料的生成和排放，降低生产活动对资源的过度使用以及对人类和环境造成的风险，实现社会的可持续发展。

绿色化学的核心内容之一是采用“原子经济”反应，而反应的“原子经济性”概念最早是由美国斯坦福大学的B.M.Trost教授提出的，针对一般仅用经济性来衡量工艺是否可行的传统做法，他明确指出应用一种新的标准来评估化学工艺过程，即选择性和原子经济性两个概念，后者是考虑在化学反应中究竟有多少原料的原子进入到了产品之中。这一标准既要求尽可能地节约那些一般是不可再生的原料资源，又要求最大限度地减少废物排放[5-6]。

针对有机反应速率慢、副反应多、会给环境带来更多污染和破坏等特点，在教学过程中拓展讲解“原子经济”反应、引入绿色化学的概念就十分必要。绿色化学的核心是实现原子经济反应，但在目前的条件下还不可能将所有化学反应的原子经济性都提高到100%。因此，不断寻找新的反应途径来提高化学反应的选择性，仍然是十分重要的手段。这就要求开展从包括合成原料、新催化剂到新合成加工途径、新反应器设计等化学工程的研究，以及各学科交叉结合，由知识创新到技术创新来不断实现化学合成过程中的绿色化。

在《有机化学》课程教学中根据这个指导思想，在适当的章节拓展讲解相关内容。如：第六章“芳香烃”，芳烃的一个重要反应是Friedel-Crafts烷基化反应，工业上利用该反应来合成异丙苯。

传统的异丙苯的生产均采用AlCl3为催化剂，如图1(a)为生产异丙苯的工艺流程示意图，过程较为复杂，包括反应系统、催化分离系统、产物水洗、中和系统和蒸馏系统等，而且反应产率为70%。

由于催化剂AlCl3本身具有较大的腐蚀性，而且还加入了腐蚀性更严重的盐酸作助催化剂和利用大量的氢氧化钠中和废酸，因而生产过程产生大量的废水、废酸、废渣、废气，环境污染十分严重。2005年11月的吉林石化双苯厂的火灾爆炸事故就是这条生产线的苯投料装置发生堵塞造成的，当时参加灭火战斗的人员的战斗靴中都浸入了大量的废酸，造成了不同程度损伤。改用新的催化剂分子筛就能极大程度地解决这个问题，分子筛催化剂具有选择性高、收率高、催化剂寿命长的特点，在课堂上以图1的方式给学生讲解了“异丙苯生产过程的比较”。

与AlCl3工艺的比较可知，新工艺过程大大简化，如图1(b)所示。分子筛为固体酸催化剂，固定在反应器中，不存在与产物分离问题，因而AlCl3催化剂工艺中庞大的催化剂分离、水洗和中和部分在新工艺中可以全部省去，高活性和选择性分子筛催化剂加上过程的简化，使得新工艺投资大大降低而过程效率大大提高。新工艺产品收率和纯度约为99.5%，基本接近原子经济反应。

图1 异丙苯生产过程比较

通过这样直观的分析讲解，使学生在掌握传统制备方法的同时又了解了目前教材中还没有体现的对环境友好的新工艺方法，在课后的作业中不少学生就运用了这种新工艺采用的催化剂，学生在学习基础有机化学知识的同时了解了最新的技术知识，拓宽了他们的知识面。

在第九章“酚和醚”中，苯酚的制备通常的方法有苯磺酸法、苯氯化法、异丙苯法等。其中异丙苯法应用最广泛，目前世界苯酚总产量的95%都是通过异丙苯法合成的，反应如下：

上述异丙苯法以及其他两种方法简介制备苯酚的过程都存在生产流程长、工艺过程复杂、生产成本高的问题。所以人们对苯直接氧化制备苯酚有浓厚的兴趣。

人们研究了一步法合成苯酚，苯可以直接氧化制得苯酚[7-8]。

研究表明ZSM-5催化剂在N2O氧化苯制备苯酚反应中，有着非常好的催化活性，FeZSM-5这种催化体系对反应有很高的选择性，既经济又安全。

在消防专业基础课《有机化学》的教学中适当引入与环境保护有关的内容，引入最新的技术与理念，无论对于教师还是学生都是非常有意义的。主要体现在以下几个方面：

一是教师的教学理念得到了升华和提高。绿色化学是新世纪化学学科的重要发展方向，是对传统化学思维方式的更新和发展，教师更新了观念，关注了绿色化学研究的进展，充实和完善了自己的知识结构，就会潜移默化影响学生，使学生增强环境保护意识和责任感，使他们在接受化学知识的同时逐渐形成绿色化学意识，加强对绿色化学的认识和理解，培养了他们发展新的、环境友好化学的能力。

二是学生的学习视野得到了开阔。消防专业的学生毕业后绝大部分从事的都是本行，在工作中立足本职，把绿色化学的理论和实践应用于消防工作，这就是我们提出的消防友好过程的概念。消防友好过程就是绿色化学在消防工作中的具体应用与体现，是新时期对消防工作的更高要求。

三是经典课程内容得到了充实和完善。作为消防专业基础课的《有机化学》必须承担向学生介绍、传播绿色化学知识的责任与义务，使有机化学成为学生认识绿色化学的基本途径。

总之，在有机化学理论教学中很有必要把环境保护和绿色化学的理念贯穿到整个化学教育之中，并与消防友好过程密切结合，使学生能更新知识、更新观念，树立起绿色意识，紧跟时代前进的步伐，与时俱进。

[1] 钱旭红.有机化学[M].北京:化学工业出版社，2014.

[2] 郭金瑞,许华明.世界一次能源消费分析[J].资源与产业，2010，12(1):28-32.

[3] 刘磊，金晶，赵庆庆，张盈文，刘娓.中国及世界一次能源消费结构现状分析[J].能源研究与信息，2014，30(1):7-11.

[4] 叶铁林，钱庆元.20世纪世界杰出化学家[M].北京:中国石化出版社，2001.

[5] [美]马特莱克.绿色化学导论[M].郭长彬等,译.北京:科学出版社，2012.

[6] 赵德明.绿色化工与清洁生产导论[M].杭州:浙江大学出版社，2013.

[7] 季东，任通，张小明，索继栓，丁勇.FeZSM-5/N2O催化氧化苯制苯酚[J].化学进展，2003，15(1):51-59.

[8] 郭卫玲.苯氧化制苯酚催化剂Fe/ZSM-5研究进展[J].石化技术，2009，16(2):41-45.

(责任编辑 李献惠)

On the Environmental Protection Education in Organic Chemistry Curriculum for Fire Major

ZHANG Jian, GAO Hongze, YANG Qin, WANG Yong, LI Caiyun

(DepartmentofBasicCoursesTeaching，TheArmedPoliceAcademy，Langfang，HebeiProvince065000，China)

From an environmental point of view, this paper introduces how to combine new energy resource, green chemistry and atom economy reactions with the classic teaching content, discusses the relation between the fire work and the environment, and analyzes the relative new technologies and methods from different point of view.

environmental protection; green chemistry; new energy resource; organic chemistry

2014-12-26

武警学院教学改革项目“消防专业化学课程体系改革研究”成果之一

张健(1962— )，女，河南长葛人，教授； 高洪泽(1973— )，男，内蒙古赤峰人，副教授； 杨勤(1973— )，女，河北泊头人，副教授； 王勇(1969— )，男，山东惠民人，教授； 李彩云(1973— )，女，山西平遥人，副教授。

●教育训练研究

O624

A

1008-2077(2015)07-0041-05