绿色化理念指导下的有机化学实验教学改革与实践

孙世清， 金 鑫， 姜 辉 ，王立波

(吉林农业科技学院生物与制药工程学院，吉林 132101)

绿色化学( Green Chemistry) ，又称环境无害化学( Enviromental Benign Chemistry) 和清洁化学(Clean Chemistry)，它是1991年美国环境保护署提出的，自1995年被美国正式采用后，现已被国际学术界所公认[1]。绿色化学核心理念就是不使用有毒有害的物质，不产生有毒有害的废弃物，生产对环境无害的绿色产品，实现有害物质的零排放，力争从源头上阻止任何污染[2]。因此在高等学校的教学中渗透绿色化理念是十分必要和可行的。“绿水青山就是金山银山”就是绿色化理念的一种体现，即保护环境，减少污染。在农业类高校中有机化学实验如何实现绿色化既是实验教学改革中的重要组成部分，也是有机化学实验教学中面临的课题。

1 有机化学实验绿色化的必要性和可行性

有机化学实验是应用化学专业的一门重要的基础课。由于教学和科研的需求，每学期都有大量教师和学生在做各种有机化学实验，经常使用一些有一定毒性的、腐蚀性的试剂和溶剂，同时在实验过程中还会产生废气、废液、废渣等，如果处理不当就会影响身体健康，还会对环境产生持久的危害。另外，一些实验室缺乏科学管理，有些教师在实验课上不够认真，对学生督查不严格，而学生在实验中也缺乏相关的环保意识，实验中药品任意取用，实验废液随意倾倒等。一些实验设计不够科学合理也导致了不必要的浪费和环境的污染[3]。因此，在加强实验教学的科学管理、合理安排基础上，还要积极开展绿色化实验教学研究，并通过实验课教学培养学生绿色化理念，培养学生的环保意识和可持续发展的意识，严格控制学生取药剂量及实验后废液废渣的收集和处理。

2 有机化学实验教学过程中加强学生绿色化理念培养和养成

化学实验课教学环节是培养学生绿色化学理念和意识的重要环节。首先任课教师在思想上、认识上要重视起来，要在课堂讲解和实验指导过程中将绿色化学的理念逐渐进行渗透，潜移默化地对学生产生影响。其次在实验教学过程中让学生知道有机化学实验的危险性，可能对自身和环境产生的危害性，使学生养成良好的实验习惯，提高学生的绿色环保意识，逐步形成绿色化学理念[4]。第三要求学生对实验进行预习，充分了解本次实验的原理，实验要达到的目的，认真预习实验内容和步骤以及本次实验的注意事项。通过网上查找资料了解本次实验所用实验药品的物理性质和部分化学性质，特别是所用药品是否有毒性、毒性的强弱、中毒途径有哪些、如何预防等。实验产品的物理性质，特别是其毒性对环境的污染，实验过程中所产生的废物应当如何处理等。让学生意识到其对身体健康及环境的危害性，引导学生养成良好的实验行为习惯和安全环保意识，规范学生基本操作方法，尽可能减少和避免取样过程中药品的挥发、洒落、不按要求称量等。

3 实现有机化学实验绿色化的途径

3.1 合理安排实验顺序

有机化学实验课是一门重要的基础实验课，肩负着对学生进行实验操作技能的培养与训练，是为后续实验课乃至于以后的工作打基础的。这就要求在实验课教学过程中要教会学生常用玻璃仪器和设备的认知和使用，基本操作技能的训练和考核。因此，将实验内容分成两部分：基本操作技能的学习实验；有机合成和天然产物提取实验(含基本操作技能的训练和考核内容)。删除了性质实验，如:熔沸点(微量法)测定技术，重结晶技术、乙醇的分馏技术等实验中教会学生掌握基本操作的技术，要求学生既要知道所用仪器的名称，还要知道使用方法、操作手法及使用的注意事项。而仪器设备的具体使用训练和考核则安排在有机合成和天然产物提取实验进行。学生在实验技能的学习和训练中做到由简到繁，循序渐进，有利于学生的学习和掌握。同时在保证实验效果的前提下，在实验试剂的选择上则尽可能选择污染性小、毒性低、易处理的试剂。如在实验中能用水做溶剂的绝不用其它有机溶剂，能用乙醇的就不用甲醇等，实现有机化学实验教学绿色化，最大程度从源头上减少污染的产生。

3.2 推广微型化、减量化实验

近些年来，化学实验的微型化是一个发展的大趋势，既节省了药品又减少了“三废”的排放，减少了对环境的污染。微型化实验所需试剂用量少、污染少，可降低药品的损耗，减少环境的污染，是很值得推广的。因此，结合学校的实际，在保证实验效果和实验操作训练的基础上，在部分合成实验中采用试剂减量化，仪器小型化[5]。例如：将烧瓶容积由250 mL换成100 mL或50 mL，同时相应的药品也进行减量。这样减少了试剂的消耗量，又完成了基本操作技能培训，也降低了“三废”的排放，取得事半功倍的效果。

3.3 整合部分合成实验内容将之连续化

有机化学合成实验是有机化学实验的重要组成部分，肩负着重要任务，就是将刚刚学习到的基本操作技能技术在有机合成实验中进行应用，通过有机合成实验来训练和考核学生基本操作技能的掌握程度和熟练程度，但各个合成实验一般都是独立进行，互不相连，学生基本操作技能的掌握程度难于考核，此外有些合成实验的产品又可以做另一实验的原料。因此，将部分有机合成实验进行整合成循环式实验，将实验内容连续化[6]。例如：将制备环己醇、环己烯、己二酸三个独立的合成实验进行整合成连续实验，即：将环己醇→环己烯→己二酸串成一个大的合成实验。前一步的实验产品为下一步实验的主要原料，通过每步的产量可以判断出该组学生的基本操作技能掌握情况和熟练程度，既节约了原料，也减少了“三废”排放，实现有机化学实验的绿色化。

3.4 实现实验产品重复利用

以往实验课教学中有机合成实验的产品一般都不进行回收，多数成为废弃物而被扔掉，既产生了浪费又污染了环境。在绿色环保理念的指导下，在每个实验结束时对每组学生的实验产品进行回收，同时向学生提问回收的产品目的、用途，作为实验课后的思考题，要求学生寻找答案并在下次实验课时进行抽查。这样可以督促学生由被动的学习逐渐向主动学习发展，扩展学生的发散思维，培养创新思维能力。还可以极大程度地提高药品的利用率，加深学生对所做过的实验的印象，同时还教育学生要勤俭节约和保护环境。例如，乙酰苯胺合成实验中的产物乙酰苯胺，可以作为下一年级学生基本操作部分“熔点的测定”“重结晶”实验中的药品；甲基橙的制备实验的产品甲基橙，经过处理后，可以作为无机化学实验和分析化学实验的指示剂等[7]。

3.5 选择性引进新的研究成果，改进实验

实验教材中编写的有机化学合成实验是与有机化学理论教材内容相匹配的，是满足有机化学理论的基本条件。但很多合成实验都存在产率低、污染大、实验方法落后的问题。因此很多教师都在进行实验改进的研究，取得了较好的成果。将那些效果好、产量高、原料利用率高、污染少的实验改进成果引进到具体的实验教学中，同时开设对比实验，让学生亲身感受到实验改进的成果，使学生对探索未知产生兴趣，调动学生学习的主动性和积极性，为大学生科技创新打下基础。如乙酸乙酯的合成实验中，将传统实验中使用腐蚀性很强的浓硫酸作催化剂，改用FeCl3或NaHSO4等固体作催化剂(要求学生上网查找乙酸乙酯制备论文，从中找出所用的催化剂，提前两周提出，只要实验室有的就满足学生)；己二酸的制备实验将KMnO4改用H2O2或FeCl3等。

3.6 引用网络资源，借助微信功能强化实验预习

“互联网+”信息时代下，微信是人们进行交流的常用方式，将微信引进有机化学实验中，建立有机化学实验微信群，在实验进行前在群中发出消息，给出预习的实验题目和预习内容，要求学生到网络上观看有关实验视频并完成预习报告，还特别强调在预习报告中要将实验所用的药品及产品的熔沸点、挥发性、毒性、溶解性及实验过程中产生的废品如何处理体现出来，为实验完成后的废品处理做准备。还可以利用微信随时解答学生提出的问题，进行有关知识的补充和延伸，满足学生的各种需要。

3.7 引进新的实验技术，提高有机化学实验效率

现阶段在有机化学实验经常用到的新的实验技术主要有微波技术和超声波技术。这两种新技术具有反应条件温和、操作方便、时间短 、产率高、用量少、副反应少、产率高、无污染等优点，被广泛应用到有机合成中，有研究表明，微波和超声辐射可以应用到有机合成反应的大部分领域[8]。因此，在有机合成实验教学引进微波或超声辅助实验，与其他传统实验方法作对比试验，使学生真正感受到新技术的优点，例如将合成阿司匹林改为微波辅助法等。

3.8 设立模拟仿真化学实验

有机化学实验是应用化学专业在大二时开设的一门实验课，受实验学时的限制，开设的实验课内容较少，仅仅能满足对学生进行基本操作技能的训练要求，再加上实验室的条件限制，那些实验条件要求高、所用药品挥发性强、毒性大、实验所用仪器设备比较昂贵的实验等都无法对学生开设。因此，学校设立计算机模拟仿真实验室是必要的。由于是虚拟实验操作，可以不受实验条件、药品、仪器的限制，学生可以通过仿真实验将实验课上不能开设的实验在计算机上进行，补充学生实验技术的短板。利用多媒体技术将视频和动画引入仿真实验中，对实验原理、装置、步骤、实验过程进行仿真，还可设计违反实验要求的不当操作，让学生看到不良操作的后果，还可以将学生拍摄的实验视频放到计算机中，让学生进行挑错并记录成绩[9]。还可以将实验废弃物的危害模拟展示出来，让学生更加直观地感受到其危害。使学生从思想上认识到环境污染的危害，保护环境的重要性，从思想上更加容易接受绿色化学的理念，更有利于促进有机化学实验内容的绿色化。

4 实验的废液和废渣处理

4.1 废液处理

将每次实验过程中所产生的废液进行统一收集，并在实验结束后，安排学生对实验的废液进行无害化处理。例如乙酸乙酯的制备实验，将实验产品乙酸乙酯收集到试剂瓶用作后续实验的溶剂，同时对粗乙酸乙酯提纯过程中每次分液的废弃液进行合并，再分离出乙酸乙酯，然后加入强碱NaOH或Ca(OH)2(可以用咖啡因提取升华废弃物)进行中和处理(PH在7～8之间)，然后倒入废液桶中放置一段时间后再排入下水中。再如乙醇分馏实验的产品乙醇，收集后一部分重新配成50%乙醇做分馏的原料，一部分还可以作为酒精灯的燃料。对于无法回收利用的废液，收集到专用桶中，每学期结束后送到指定地点进行生化处理。

4.2 废渣处理

实验室产生的固体废弃物主要有固体催化剂、沸石、固体产物，废弃的催化剂、沸石采用溶剂清洗，回收再利用，而固体产物进行提纯处理后用做其它的实验的原料。不能再利用的废弃物放到指定的容器内在指定地点进行无害化处理[10]。

5 结 语

通过绿色化理念指导下的有机化学实验教学改革的尝试，在实现有机化学实验目标的前提下，在实验过程中减少药品的浪费，减少废弃物的产量，也减少了污染，对学生形成并渗透绿色化理念，培养学生的绿色环保意识，同时激发学生的创新思维能力和实验的积极性、主动性。在今后的实验教学中，教师应不断研究和探索绿色化实验教学方法，改进或改造有机化学实验，从源头上杜绝污染物的排放，彻底实现有机化学实验的绿色化。