化学实验教学的绿色化改革与实践

化学实验教学的绿色化改革与实践

钟国清

(西南科技大学材料科学与工程学院　四川绵阳　621010)

摘　要　积极开展绿色化学实验研究，并推进化学实验教学的绿色化，是可持续发展的必要选择。探讨了在化学实验教学中实施绿色化学实验教学的重要性和必要性，介绍了开展绿色化学实验教学的尝试。通过开展微型化学实验、串联实验以及试剂的回收利用、对一些合成实验进行改进、妥善处理实验产生的“三废”等途径实现化学实验绿色化的目标。

关键词　化学实验；绿色化学；教学改革；实践

化学是一门以实验为基础的学科，实验教学对学生科学思维、动手能力、创新意识的培养起着重要的作用。但多数化学实验不可避免地对环境造成污染，产生的废水、废气、废渣未经处理就直接排放到环境中，对环境造成了破坏。20世纪80年代发展起来的绿色化学，是一门具有明确的社会需求和科学目标的新型交叉学科，其目标是：用化学的技术方法去减少或消灭对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、溶剂、试剂、催化剂、产物、副产物等的使用和产生，其终极理想是不再使用有毒有害的物质、不再产生废物、不再处理废物。

一、化学教学实验绿色化的重要性

化学实验课的目的在于观察、认识和理解化学反应事实，验证理论和方法；掌握化学实验的基本技能，进行科学实验工作方法的初步训练，培养学生独立思考和独立工作的能力，培养学生的创新思维和创新能力；培养学生严肃的科学态度、严谨的学风和良好的实验室工作习惯。随着人们环境保护意识的提高及环境保护工作的深入，科学实验(含实验教学)的环境保护问题越来越受到人们的重视。人们在开展实验室“三废”处理的探索中，逐步形成了清洁实验的概念，通过对实验“三废”的集中处理和综合利用，实现对贵重金属和试剂的回收利用以及“三废”的达标排放。但这种集中处理需要消耗大量人力、财力，因此以绿色化学的原则为指导，开展教学实验的绿色化改革是非常必要的。1997年由国家科委主办的主题为“可持续发展问题对科学的挑战——绿色化学”的香山科学会议在北京召开，宣告我国绿色化学研究工作正式起步。

绿色化学是实施始端污染预防，保护环境，维护生态平衡的新科学技术手段。可持续发展要求具有先进技术和尖端技术的绿色化学具有高效益性，在资源开发与转换过程中取得多方面、多层次、多时效的最佳经济和社会效益，同时要考虑时空变化和条件变化，以动态的观点去发展新的绿色化学，服从自然生态发展规律，维护生态平衡，减轻有限资源的迅速消耗和避免出现新的污染。绿色化学的研究原则主要有：

①采用无毒无害的原料，即在选择化学实验时应尽量选择采用那些无毒无害试剂的实验。

②在无毒无害的反应条件(催化剂、溶剂)下进行反应，即在选择化学实验时应尽量选择水作溶剂或无溶剂下进行反应，尽量避免有毒有害和易挥发性有机溶剂的使用；尽量避免使用有毒有害的物质作为催化剂，而采用无毒无害的物质作催化剂，如固体酸碱、酶等作为催化剂。

③具有原子经济性，即反应具有高选择性，副产物极少，甚至实现“零排放”。

④产品应是环境友好的，即在选择化学实验时应尽量使生成物无毒无害。

绿色化学理念作为可持续发展素质的重要组成部分，是当代大学生应具备的基本素质。只有具备较强的绿色化学理念和环境保护意识，才能适应社会和经济发展的需要。21世纪的大学生的知识面不应太窄、太专，应是复合型、综合型的。当今学科发展高度综合化，学科交叉渗透是学科发展的必然，作为绿色化学这一更高层次的交叉学科，与教育部门目前对学科专业建设的要求完全一致，符合21世纪社会发展对人才培养的要求，与高等教育改革的形势要求相符。因此，在教学中向学生灌输绿色化学思想，积极开展绿色化学实验研究，并推进化学实验教学的绿色化，具有十分重要的作用。

二、开展绿色化学实验教学的尝试

1.开展微型化学实验

微型化学实验是绿色化学实验的重要组成部分，我们应该把握住微型化学实验的精髓，积极开展化学实验的微型化研究。微型化学实验是以尽可能少的试剂，来获取所需化学信息的实验原理与技术，而不一定要在微型仪器中进行。由于试剂用量大大减少，产生的“三废”量也非常少，基本解决了对环境的污染问题，也大大地节约了实验费用。多年来，我们对传统的实验进行了改进，采用了“性质实验点滴化，分析实验减量化，合成实验微型化”，用已有的仪器就能完成大多数实验，从而实现了“以尽可能少的试剂获取所需化学信息”的目标。如性质实验，在不影响实验效果的前提下，尽可能降低试剂的浓度，减少试剂的用量；滴定分析实验，将标液的浓度由0.1mol/L降至0.01mol/L～0.02mol/L，使用25mL的滴定管，改用100mL的锥形瓶。微型化学实验的主要优越性在于：大大减少了试剂用量，减少了相关辅助材料、水电的消耗，降低了实验成本，提高了实验的安全性；产生的“三废”量很少，改善了实验环境条件，极大地减少了对环境的污染。微型化学实验具有减少污染、安全、节约实验经费与时间等优点，是化学实验绿色化的重要手段，值得大力提倡和采用。

2.串联实验以及试剂的回收利用

串联实验是指通过调整实验次序，使一个实验的产物成为下一个实验的原料。如把萃取和蒸馏实验安排在一起，利用四氯化碳萃取碘的水溶液，得到碘的四氯化碳溶液；然后在碘的四氯化碳溶液中加入氢氧化钠溶液至紫色刚好消失，利用反萃取把四氯化碳分离出来；最后进行蒸馏，使四氯化碳回收再利用。串联实验以及试剂的回收利用在一定程度上减轻了常规实验对环境的污染，有利于环境保护。

3.对一些合成实验进行改进

如酯合成实验的共同特点是采用浓硫酸为催化剂，实验过程中会产生废酸，造成环境污染，若选择固体强酸(如NaHSO₄、氨基磺酸、Fe₂O₃－SO4 2－等)为催化剂，就可以克服这一缺点。大量研究表明，固体强酸催化酯化反应，不仅具有很高的转化率、选择性，而且反应速度快，催化剂易于分离回收重复使用等特点，是一类理想的环保催化剂。因此用固体强酸取代浓硫酸作为催化剂，就可以实现酯合成教学实验的绿色化。化学实验中，合理地采用微波合成技术进行基础化学实验设计是进行化学实验绿色化工作的重要组成部分。如阿司匹林的微波合成，我们采用Na₂CO₃或NaHSO₄作催化剂，不仅反应速度大大提高，而且产率高，产品质量好。此外，固相合成反应也是值得推广的一类清洁实验方法。

4.妥善处理实验产生的“三废”

化学实验室的环境保护应规范化、制度化，应对每次产生的“三废”进行处理。把用过的酸类、碱类、盐类等各种废液、废渣，分别倒入各自的回收容器内，按照国家要求的排放标准进行处理，可采取中和、吸收、燃烧、回收循环利用等方法来处理废弃物；对于实验过程中产生大量有毒有害及腐蚀性的气体，应在通风橱内完成实验，并将尾气进行集中收集，采用吸收、中和等方法集中处理；对于重金属废液一般采用回收的方法进行处理。在开放实验中，鼓励学生设计一些废液的处理或回收实验，如含银废液回收银、含碘废液回收碘、含铬废水的处理等，这有利于提高学生的环保意识。

总之，化学教学实验的绿色化需要相当长的过程，一方面需要绿色化学理论的深入研究，另一方面需要从事实验教学工作人员的共同努力。同时，在实现化学教学实验绿色化进程中也应充分认识到，绿色化自身也不是万能的，有些经典实验可能根本就不具备绿色化条件，对于一些试剂药品昂贵、实验中容易引起爆炸或必须采用有毒、有害的试剂的实验，并在实验中排放较多的有毒气体、有毒废水，给师生健康带来极大的危害，且对环境造成较大破坏的实验，可采用计算机进行仿真实验来加以解决，现在已有相关的计算机仿真化学实验软件销售。现阶段的实验教学还不能完全达到绿色化学的要求，我们应该从第一次实验开始，把绿色化学思想、内容、技术和方法贯穿于整个实验教学的全过程，培养学生的绿色化学意识和环境保护意识。

参考文献

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