绿色化学理念在有机化学实验教学上的应用探索

赵俭波　马小燕　夏旭东　姜建辉

【摘 要】以绿色化学理念指导有机化学实验改革是一项十分艰巨而又很有意义的工作。我们从原子经济性和“5R”原则出发建设绿色的化学实验室，以减少实验产生的污染。

【关键词】绿色化学;有机化学实验;教学

中图分类号： G642;O62-4文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）21-0100-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.045

Application of Green Chemistry in Organic Chemistry Experiment Teaching

ZHAO Jian-bo MA Xiao-yan XIA Xu-dong JIANG Jian-hui*

（College of Life Sciences，Tarim University，Alar Xinjiang 843300，China）

【Abstract】It is a very arduous and meaningful work to guide the reform of organic chemistry experiment with the concept of green chemistry. Starting from atom economy and “5R” principle， we build green chemical laboratories to reduce the pollution caused by experiments.

【Key words】Green Chemistry; Organic Chemistry Experiment; Teaching

绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学、清洁化学，绿色化学的理想是使污染消除在产生的源头，使整个合成过程和生产过程对环境友好，不再使用有毒、有害的物质，不再产生废物，不再处理废物，从根本上消除污染。绿色化学的核心内容是原子经济性和“5R”原则。即减量;循环;回收;再生;拒用。

有机化学实验是我校动科、植科、生科等学院各个专业开设的一门重要公共基础课，是有机化学的重要组成部分。有机化学实验所需的化学试剂具有种类多，用量大，污染强的特点，在实验过程中往往产生大量的有毒有害污染物及废弃物，会对环境带来严重的影响。随着近年绿色化学理念被广泛应用于我校各学科实验课的课堂教学中。本文就我校有机化学实验实施绿色化学教学实践进行了总结。

1 建设绿色的化学实验室

实验室是进行有机化学实验教学的基本场所，建设绿色的化学实验室是实施绿色化学的先决条件。

1.1 硬件建设方面

我校有机化学实验室已初具规模，可满足全校20多个专业的化学实验课程，尽管如此，我们还需要改进实验室的硬件设施，加强“三废”处理设施的管理。（1）废气处理系统改进实验室的通风系统，每个实验室不仅配有通风柜，还在学生实验台面上增加通风柜。此外，在化学实验楼顶新安装吸附塔和淋洗塔，对于实验过程中产生的有毒气体与酸碱性气体进行处理。（2）废水处理系统严格要求学生对实验过程中产生的废液进行分类回收。有机实验的废液通常是各种有机溶剂和有机试剂，对于含有苯胺或苯酚类的废液，常加入漂白粉或过氧化氢等促使其分解后排放。对于用量较大的有机溶剂如乙醚、氯仿等采取蒸馏、精馏等手段处理后回收再利用。对于其他用量较少有机溶剂或有机试剂，采取焚烧后再排放的方式处理。（3）废渣处理系统首先需尽可能避免实验过程中产生废渣，对于产生的废渣则可根据实际情况综合处理，建立专门用于贮存废渣库房，并根据废渣的化学特性的不同选择合适的容器分类存储，严防二次污染，回收的废渣达一定数量后送至有機废弃物处理公司进行处理。

1.2 软件建设方面

绿色的化学实验室不仅指宽敞明亮的实验室，良好的安全设施，还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教师和学生。近年来，我们结合我校实际情况将实验室各项制度、规定进行了修订和补充，结合国家有关部门对危险化学品的管理规定制订了实验室废弃物处理条例并印制上墙，学生进实验室前先学习实验室常用化学试剂的性质、使用方法及处理方法，积极推进实验室规范化和制度化建设。除此之外，我们还着重培养教师和学生的绿色化学理念，教师必须随时保持强烈的绿色化学意识，系统学习绿色化学的理论知识和实验技术，在教学中向学生适时教授绿色化学思想，培养学生绿色化学理念，让学生充分理解“5R”原则，从小处着手，培养学生利用“5R”原则来分析问题和解决问题的能力，使学生在潜移默化中受到绿色化学教育。

2 科学安排实验内容

实验内容是培养学生动手能力、分析问题、解决问题能力及创新能力的重要载体，科学安排实验内容是实施绿色化学的关键环节。要实现有机化学实验的绿色化，从源头上遏制化学污染物的生成是最优选择。为此，我们从以下几个手段对实验内容进行调整。

2.1 优化实验内容

我们对实验内容进行了归纳总结，以实验的科学性和训练的全面性为原则，尽量避免有毒有害和易挥发性有机溶剂的使用，选择无毒无公害的绿色原料、产物、副产物、溶剂、试剂等，删除或替代实验资源耗费多，药品毒性大，污染严重的实验，比如我们删除了溴苯的制备、乙醚的合成等实验，浓硫酸是有机反应中常用的催化剂，但其产生的废酸难以处理，反应副产物多，使用危险性大，而固体超强酸具有选择性高，副反应少，易和反应物分离，可重复使用，废催化剂处理简单，对环境污染少等优点，因此，我们以Al2O3/SO42-固体超强酸代替浓硫酸作为乙酸乙酯的制备及乙酰水杨酸的制备等的催化剂。除此之外，我们还建立了各实验之间的连续性，使上一个实验的产物成为下一个实验的原料，或将上一个实验的产物作为下一个实验的分析对象，有利于减少副产物的生成，实现有机化学实验的绿色化。

2.2 开展微量、半微量实验

微量、半微量实验作为成功教学经验已在多个高校推广应用，并已有多套相关教材出版发行，其最突出的优点是使用最少的药品、试剂完成教学任务，由于试剂用量大大减少，产生的“三废”量也就非常少，既节省了实验经费，又减少了环境污染，并且，实践证明，微量、半微量实验与常量化实验在准确性与严密性方面并无明显差别[1]，而且，学生在做实验时更细心，更认真。因此，在我校财政支持下，我们购置了部分微型实验仪器，积极开展微量、半微量实验并取得了较好的效果。

2.3 借助先进的教学手段

将多媒体技术、仿真技术等先进的教学手段引入实验教学。计算机多媒体系统通过文字、声音、图像、动画在不同的界面上流动从而对实验的原理，装置，实验步骤及实验注意事项进行展示，学生还可以自由搭建实验装置，添加药品，实验现象逼真，实验数据准确，不仅具有形象生动的特点，而且真正实现了化学实验的零排放、零污染。在实践教学中效果显著。除此之外，还鼓励学生通过手机模拟化学实验，应用“烧杯”、“化学方程式”、“NB化学实验室”等app随时随地进行实验，既可以进行常规实验，还可以进行“化学老师严厲禁止”的操作，在保证学生安全的前提下充分满足学生的好奇心，除了能提高学生的学习兴趣之外，还能提高学生实验时的警惕性和敏感性。

3 应用绿色化学实验技术开展实验

采用常规合成技术进行有机合成实验时常存在药品、试剂及溶剂用量大，毒性高，反应时间长，副反应多，“三废”多等缺点，从而制约了有机合成实验的开展，采用绿色化学实验技术开展有机合成实验是实施绿色化学的重要途径。因此，我们积极引入绿色化学实验新技术，以期进一步推动有机化学实验的绿色化。

3.1 微波加热技术

微波加热技术是一种通过微波介电热效应把电磁能转化为热能来加热物料的新技术。具有加热快，效率高，反应条件温和，操作简单等优势，且微波加热属于分子意义上的搅拌，反应物的转化率高且产品质量高，副反应少，原子经济性好，可直接减少环境污染。微波加热技术在无机合成，材料科学等领域都有较大成果，有机合成中微波加热技术也有具体的应用，比如将微波辐射合成阿司匹林，可以不需要有机溶剂，显著降低环境污染，微波辐射合成苯甲酸也是典型的微波化学实验的范例[2]，反应时间仅为15min，不仅大大缩短反应时间，而且副产物可以回收，不污染环境。除了这些已报道的微波合成实验之外，我们还对乙酸乙酯的制备，正丁醚的制备等进行了微波合成探索并取得了一定的效果。

3.2 超声合成技术

超声合成技术是将有机反应置于超声条件下完成的。超声的化学作用不是直接与物质作用，而是主要通过液体的声空化完成，所谓的声空化是指液体中微小泡核的形成、振荡、生长、收缩至崩溃引起的物理、化学变化，液体声空化的过程是集中声场能量并迅速释放的过程，这为在一般条件下不可能或难以实现的化学反应提供了一种非常特殊的物理环境，因此，超声合成技术具有反应速率快，产率高，时间短，条件温和等特点。超声合成技术作为一种新型绿色化实验技术已在有机合成中有一定的应用，它能显著提高原子经济性，符合绿色化学理念，具有重要的现实意义和开发前景。

对有机化学实验实施绿色化教学改革符合环境可持续发展要求，控制有机化学实验过程中产生的污染是我们每位有机化学教育工作者一项义不容辞的责任。经过近几年来我们对有机化学实验课绿色化教学的改革，不仅大大减轻了对环境带来的污染，降低了对师生健康的危害，还培养了学生的科学发展观，加深对科学、人和环境关系的认识，实现了良好的教学效果。在今后的实验教学中，我们需要进一步优化实验内容，尝试新的实验技术改进现有实验，以期彻底实现有机化学实验的绿色化。

【参考文献】

[1]张敏，谭成玉，刘远.半微量有机化学实验提高实验效能的教学实践[J].实验室研究与探索，2019，38（2）：192-194.

[2]张金峰，沈寒晰，张存社.新反应技术在有机合成中的应用[J].化工技术与开发，2015，44（5）：39-42+49.