化学实验的绿色化设计及研究

王宁芳

摘 要：随着科技的迅速发展，在药物合成及化学实验中污染严重和消耗较大的传统实验方法已经不能符合绿色化学的理念，即化学实验要达到“原子经济性”和“零排放”的标准。因此，化学实验中，应提倡微型化学实验、开发“原子经济性”的实验、改进实验的方法、利用多媒体网络教学等手段来实现化学实验的绿色化，以达到对环境的“零”污染。

关键词：化学实验 绿色化 原子经济性 零排放 零污染

中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（c）-0230-03

Abstract： With the rapid development of science and technology， in serious pollution in drug synthesis and chemicalexperiment and consumption of traditional experimental methods can no longer be conforms to the concept of greenchemistry， the chemistry experiment to achieve "atom economy" and "zero discharge" standard. Chemical experiment，therefore， should advocate the micro chemical experiment， the development of "atom economy" experiment， improvingexperimental methods， use of multimedia network teaching means to realize the greening of chemistry experiment，in order to achieve "zero" pollution to the environment.

Key Words： Chemical experiment； Green； Atom economy； Zero emission； Zero pollution

化學是一门以实验为基础的学科，化学中的定律和学说都来源于实验，同时又为实验所检验。然而，有时化学实验在操作上存在着一些缺陷，如仪器不配套，仪器不严密、漏气，以及实验药品本身的气味、毒性挥发到空气中，影响周边环境及实验者的身心健康。化学实验的绿色化理念[1]是从源头上阻止污染，把有危险性、有污染性等不良因素的实验用较科学的方法转变成相对比较安全的、比较环保的实验，这样把对周边环境的污染降低到最小以达到对环境的“零”污染。

1 微型化学实验是实现化学实验绿色化的有效途径之一

微型化学实验在微小型的实验仪器中，用尽可能少的试剂、药品来进行实验。它不是常规实验的简单微缩[2]，也不是对常规实验的补充，而是在绿色化学理念倡导下，用预防化学污染的新方法和新技术对常规化学实验加以改进，这样使化学实验不仅具有节约试剂用量、污染少、安全省时的特点，而且还具有培养学生的创新思维、树立环保意识等优点。

例如：有机化学实验，Diels-Alder反应的实例之一，蒽与顺丁烯二酸酐的加成反应，反应式见图1[3]。

采用常量法和微量法对上述反应进行试验，实验结果对比，见表1。

可见微型化实验不仅缩短了实验用时，节约了实验成本，而且还减少了实验对环境所产生的污染。

2 开发“原子经济性”实验，实现“零”污染

“原子经济性”是绿色化学的核心内容之一。原子经济性的概念是1991年美国著名有机化学家Trost（为此他曾获得1998年度的总统绿色化学挑战奖的学术奖）提出的，用原子利用率衡量反应的原子经济性，表达式为[2]：

原子利用率=（预期产物的相对分子质量/参与反应各原子相对原子质量总和）×100%

以反应A+B=C+D为例（假设C为反应的预期产物，而D为反应的副产物），则该反应的原子利用率的计算式为：原子利用率=[C的相对分子质量/（A的相对分子质量+B的相对分子质量）]×100%。原子利用率越高，反应产生的副产物就越少，对环境产生的污染也越少。

例如，无机化学实验中以铝屑等物质为基本原料，来制备Al（OH）3，反应途径有以下3种[4]，见图2。

若以生成1molAl（OH）3来计算反应过程中消耗H+及OH-的量，结果见表2，在这3个方案中，丙是体现原子经济性的最佳方案。

3 改进化学实验方法，实现化学实验的绿色化

绿色化学实验的核心问题是，采用无毒、无害的化学原料，采用无毒、无害的、能循环、重复使用的催化剂和溶剂，选用具有高选择性“原子经济性”的化学反应，即反应具有极少副产品，甚至是无副产品，达到零排放，且得到的产品应是对环境友好的。例如，有机化学制备实验“苯甲酸的制备”，传统的制备工艺是将甲苯在高锰酸钾水溶液中氧化，然后酸化得苯甲酸，其缺点是反应时间长、产生大量固体二氧化锰污染物等。改进后的实验，以苯甲醇作为原料，采用金属铜作为催化剂，催化氧化制备苯甲酸，化学反应的反应式[5]见图3。

改进后的实验优点是：实验中使用的铜为催化剂，不仅可以重复使用，而且无毒、无害，对环境无污染，整个实验过程无有害废物排放。

4 采用多媒体技术模拟仿真实验，以减少对环境的污染

化学实验课程内容繁杂、涉及广泛、实验过程复杂等特点，要解决这些问题，应结合信息时代发展的特点，制作成网络课件，使课程内容信息化。如采用多媒体技术模拟仿真实验[6]，针对化学实验教学中易燃、易爆、资源消耗大、毒性大或产生有害物质的实验，将这些实验制作成多媒体课件，不仅减少实验对环境及实验者身心造成的危害，而且对实验中易出错或需注意的细节之处，可以通过特写镜头看得一清二楚。这样既避免了消耗许多药品和水资源的问题，又节约了大量的资金，而且节省了昂贵试剂药品，避免了实验中易燃易爆现象的发生，同时也避免了有毒、有害的试剂（如苯、苯酚、砷化物、重金属等）的使用，解决了给师生身体健康带来极大危害、对环境造成较大破坏的难题，实现了“零排放、零污染”。例如，化学教学论实验中，电解饱和食盐水的实验，该实验过程中会产生大量氯气，氯气是有刺激性气味的有毒气体，会危害师生身体健康且对周边环境产生污染。如果将该实验用三维动画演示，即从微观的角度诠释了微观粒子的运动状态，又能显示两极的变化情况，这样不仅避免了实验对环境产生的危害，而且还能使学生更好地理解微观粒子的运动状态。

总之，化学为提高人类生活质量，促进科学、文化的发展做出了很大贡献，但同时也伴随着对环境的污染和对人类的危害。这就要求化学工作者必须改进化学实验方法，即在化学实验反应中提高反应的“原子经济性”[7]，尽可能使原子利用率达100%，实现“原子经济性”和“零排放”，做到充分利用资源，又不产生污染；还应采取适当措施，缩短反应步骤、替换有毒原料、催化剂和溶剂、回收有毒产物等，以减少化学实验对环境的污染，使化学实验趋于绿色化，以符合绿色化学理念。

参考文献

[1] 朱文祥.绿色化学与绿色化学教育[J].化学教育，2001（1）：1-4.

[2] 周宁怀.抓住机遇，大力推行微型无机化学实验[J].广西师范大学学报：自然科学版，200（S1）：2-4.

[3] 胡宏纹.有机化学（上册）[M].北京：高等教育出版社， 1994.

[4] 人民教育出版社化学室.全日制普通高级中学教科书（试验修订本 选修）化学第三册[M].2版.北京：人民教育出版社，2001：78-82.

[5] 杨家玲.绿色化学与技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2004.

[6] 苏惠.基础化学实验的绿色化探究[J].南教育学院学报：自然科学版，2006，15（13）：77-78.

[7] 肖佳薇.绿色化学的应用研究[J].科技创新与应用， 2014（6）：286-287.endprint