绿色化学实验教学初探

王 伟，马 艳

（山东中医药大学 药学院，山东 济南 250000）

摘 要：化学实验教学改革的重要内容之一就是实验教学绿色化，通过对实验的研究和设计实现减少对环境的污染，是可持续化发展的必要选择.本文就绿色化学概念、意义、原则等方面，浅析高校绿色化实验的必要性，并初步探讨了如何实施绿色化学实验.

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关键词 ：实验教学改革；绿色化学实验；环境保护

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）02-0222-02

化学是一门以实验为基础的自然学科，但在实验中由于药品用量大、危险性大和使用一些易挥发、易燃、有毒的试剂很难避免对人体产生危害、对环境造成污染.在全球环境问题日益严峻化的现在，珍惜资源和保护环境是人类面临的重大课题.自20世纪80年代明确提出的绿色化学，是具有明确社会需求和学科目标的新的、重要的交叉学科，近年来受到更多的高校重视[1].绿色化学实验正是在此要求下，按照预防化学药剂造成环境污染的思想指导下，应用新方法、新技术对常规实验教学进行改革而形成的新的化学实验方法.现在有很多高校在实验教学中针对绿色化学的要求对实验进行设计和改进做出了很多有益的尝试，也取得了理想的效果，而且实践证明实验教学的绿色化对激发学生对化学的兴趣、强化动手能力、培养创新思维和对树立环境保护意识上有重要的促进作用.

笔者结合多年的实验教学经验，针对实验教学绿色化的要求、意义、原则等方面进行了初步的探讨.

1 绿色化学实验教学的必要性

1.1 绿色化学的定义

绿色化学是20世纪80年代提出的新的概念，进而产生了一个新的交叉学科，其目的是用化学的技术和方法来减少那些对人类健康和环境有害的催化剂、试剂、原料等的使用，所以又被称为环境无害化学或是环境友好化学[2].绿色化学主要是从原材料的安全行、过程的节能性、反应的经济性和产物的环境友好性几个方面来评价一个化学反应的可行性.其中“4R”原则是其核心内容：即拒绝使用危害品原则（Rejection）、对实验中必须使用的有毒物质或是产生有毒物质的实验实行减量原则（Reduction）、对一些催化剂等非反应试剂的循环利用原则（Recycling）、对可重新利用原料和试剂按照“省资源、少污染、减成本”的目标的重新利用原则（Reuse）[3].在生态环境问题日益严峻的今天，绿色化学的出现，为人类利用化学来解决环境问题带来了希望.

1.2 实验教学绿色化的必要性

化学是以实验为基础的自然学科，在高校化学课程中实验教学占了很大的比重，是学生学习化学的关键.化学实验教学的目的在于让学生观察、认识和理解化学反应、验证已有理论和方法；熟练掌握实验方法和技能是进行科学实验工作的初步，能培养学生独立思考能力、对待科学严肃的态度、严谨的学风和良好的实验习惯和创新能力.近年来环境保护问题越来越被重视，且在实验室逐步开展清洁实验的概念，通过对实验“三废”的集中处理和科学的回收利用，达到对贵重金属和试剂的重复利用和对“三废”的达标处理.但实际过程中需要大量的人力，为此在绿色化学原则的指导下，开展实验教学的绿色化是非常必要的.所以在日常教学中，应在教师和学生头脑中树立绿色化学的意识，从环境保护等各个方面来考虑实验的设置、实验方法手段等因素，使化学对环境保护发挥积极作用.

绿色化学概念也是21世纪大学生应具备的基本素质，只有较强的绿色化学理念和保护环境意识才能适应社会经济发展的需要.当代大学生的知识面应该是复合型、综合型的[4]，而学科的交叉渗透是学科发展的必然趋势，因此在实验教学中不但要知道学生使用绿色的实验方法更要向学生灌输绿色化学理念，积极开展绿色化学实验，努力推进实验教学绿色化具有十分重要作用.

2 绿色化学实验教学的要求和原则

2.1 实验设计要求

绿色化学实验要求实验产物对环境无物质种类改变，或是影响极小，具体细化以下几个方面：

（1）最佳利用率，即实验反应中原料利用率尽可能达到百分之百.

（2）不向环境排放有毒物质或者排放物质是正常环境中本身具有的，例如N2、O2、CO2等.例如在进行有NO2气体的实验时，如果在普通条件下加热一定会有一部分气体进入空气中，对人体和环境造成影响，但是用密封的U型胖肚管进行温度对平衡影响的实验时，则不会排放有毒气体NO2.

（3）如果实验现象明显，可以设计微型实验或是利用多媒体模拟实验来减少药品使用量和使污染物达到最小值.

（4）在处理“三废”时尽量回收利用或是转化为非污染物，例如实验室常用的铬酸洗液，在处理废液时可将pH值调到3以下，再加入亚硫酸氢钠使其实的Cr(Ⅵ)还原成Cr(Ⅲ)，然后调节废液pH在7.5-8.5之间，使Cr(Ⅲ)形成沉淀析出[5].

2.2 绿色化学实验的原则

绿色化学实验首先要遵循一般的实验原则即目的性、安全性、可行性、简约性等，但更要遵循绿色化学原则.P.T.Anastas和J.C.Waner曾提出绿色化学12项原则，这些原则目前被国际所公认，它反应了近年来绿色化学领域的工作内容也指明了今后发展方向，它包括从试剂使用出发的5R原则和从化学反应出发的绿色化学原则.具体为：原来最高利用率，理想达到100%、目标产物无污染或是现有物种改变影响、反应原料和试剂绿色化、反应溶剂和催化剂等的重复利用.

3 化学实验绿色化实现的途径

3.1 实验微型化

所谓实验微型化即是在实验中尽量减少反应物质来获得所需要的化学信息的方法与技术，虽然在实验过程中使用的试剂剂量很小但是也能达到准确的效果，更方便、安全、减少对环境的污染[6].从中学化学实验到大学化学有机、无机化学实验很多都可以用少量的试剂来进行，所以微型化学实验覆盖面很广，可行性强.更值得注意的是美国的《化学教育》杂志从20世纪末就开辟了Zippo博士主持的微量化学实验专栏，这表示微型化学实验已成为国际化学教育的发展趋势，国内也在这方面做了大量工作取得了丰盛成果.微型化学实验是着眼与环境保护和实验安全的需求，除了具有方便、安全、节省经费、保护环境的作用，还能提高学生的环保意识更能培养学生的科学素质.虽然微型化实验兴起早于绿色化学，但它的理念与绿色化学是一致的，在推广绿色化学的今天微型实验具有相当重要的意义.但是，在进行微型化实验时，由于试剂剂量很小很可能带来大的结果误差，由此更需要注意操作的准确性与规范性.

3.2 微波化学实验

某些实验可以使用家用微波炉来进行，因其体积小、造价低、适应性强的特性，微波实验一般分为湿反应和干反应.湿（液相）反应一般需要对微波炉进行改造，设计可以进行回流的微波装置；干（非溶剂）反应使用一般的微波炉就可以.干反应由于避免了使用溶剂试剂，对环境污染较小，是微波化学反应研究的热点.微波反应一般有以下三个特点：一是加热速度快，反应完成时间大大缩短，符合经济效益；二是操作简单，适应性强，一般学生都能操作，劳动强度低；三是微波化学反应剂量很小，很多微型化学实验都可以重新设计成微波实验，大大减少对环境污染.

3.3 计算机辅助实验

在设计实验教学时既要考虑到实验的可靠性与可行性，又要考虑经济因素和尽可能少产生废物，由此计算机辅助实验就体现出了自身的优越性.它的做法首先是建立起一个尽可能全面的有机反应资料料库，在确定明确产物之后找出一切可能产生目标产物的反应，再以此反应的原料为中间目标再去寻找可能的反应，直到找出与我们事先设计好的原料一致的路径.这样不但可以节省原料试剂、大大节省实验时间，更能做到零排放物达到对环境的零污染.

有些实验是可以通过计算机进行仿真实验的，通过文字、图片、动画向学生展示实验的基本原理、实验过程以及注意事项，让学生在电脑屏幕上做实验.例如展示某些有毒气体例如NO2的化学结构，或是金刚石等晶体结构，搭建各种复杂分子的微观模型来直观展示微观世界，可以激发学生学习的兴趣[7].

4 结束语

化学实验教学的绿色化需要很长的时间来完善，一方面需要在理论上对绿色化学进行深入研究，另一方面需要从事教学工作的科研人员共同努力.而且在实施的时候也意识到了绿色化是一个理想状态，有些经典的实验是无法达到绿色化的要求，即使使用计算机仿真模拟也难以达到教学要求，现在能够做到的就是尽量妥善处理“三废”或是最大化的回收利用.总之，在每一次的实验教学中都向学生传输绿色化学的理念，把绿色化学要求的实验方法、技术贯穿到整个实验教学中，培养学生的绿色化学意识和环境保护意识.

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参考文献：

〔1〕汪朝阳，李景宁.大学化学教学中绿色化学教育的渗透[J].大学化学，2001，16（2）：19-24.

〔2〕汪敏，等.基础化学实验绿色化的改革与实践[J].锦州医学院学报，2004，2（1）：24-26.

〔3〕宋广治.在实验室及实验室建设中实施绿色化学教学[A].全国大学化学实验绿色化教学研讨会论文集，2000.134-136.

〔4〕闵恩泽，等.绿色化学与化工[M].北京：化学工业出版社，2000.

〔5〕韦连喜，等.创建学校绿色化学实验室[J].实验技术与管理，2005，22（5）：105-106.

〔6〕牛丽颖，曹秀莲，刘姣，等.中药专业《有机化学》实验教学模式探索[J].河北中医药学报学报，2007，22（4）：46.

〔7〕税永红.浅议化学教学实验的“绿色化”[J].成都纺织高等专科学校学报，2003，12（1）：15-18.