化學實驗的綠色化設(shè)計及研究

王寧芳

摘 要：隨著科技的迅速發(fā)展，在藥物合成及化學實驗中污染嚴重和消耗較大的傳統(tǒng)實驗方法已經(jīng)不能符合綠色化學的理念，即化學實驗要達到“原子經(jīng)濟性”和“零排放”的標準。因此，化學實驗中，應提倡微型化學實驗、開發(fā)“原子經(jīng)濟性”的實驗、改進實驗的方法、利用多媒體網(wǎng)絡(luò)教學等手段來實現(xiàn)化學實驗的綠色化，以達到對環(huán)境的“零”污染。

關(guān)鍵詞：化學實驗 綠色化 原子經(jīng)濟性 零排放 零污染

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：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

化學是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，化學中的定律和學說都來源于實驗，同時又為實驗所檢驗。然而，有時化學實驗在操作上存在著一些缺陷，如儀器不配套，儀器不嚴密、漏氣，以及實驗藥品本身的氣味、毒性揮發(fā)到空氣中，影響周邊環(huán)境及實驗者的身心健康。化學實驗的綠色化理念[1]是從源頭上阻止污染，把有危險性、有污染性等不良因素的實驗用較科學的方法轉(zhuǎn)變成相對比較安全的、比較環(huán)保的實驗，這樣把對周邊環(huán)境的污染降低到最小以達到對環(huán)境的“零”污染。

1 微型化學實驗是實現(xiàn)化學實驗綠色化的有效途徑之一

微型化學實驗在微小型的實驗儀器中，用盡可能少的試劑、藥品來進行實驗。它不是常規(guī)實驗的簡單微縮[2]，也不是對常規(guī)實驗的補充，而是在綠色化學理念倡導下，用預防化學污染的新方法和新技術(shù)對常規(guī)化學實驗加以改進，這樣使化學實驗不僅具有節(jié)約試劑用量、污染少、安全省時的特點，而且還具有培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維、樹立環(huán)保意識等優(yōu)點。

例如：有機化學實驗，Diels-Alder反應的實例之一，蒽與順丁烯二酸酐的加成反應，反應式見圖1[3]。

采用常量法和微量法對上述反應進行試驗，實驗結(jié)果對比，見表1。

可見微型化實驗不僅縮短了實驗用時，節(jié)約了實驗成本，而且還減少了實驗對環(huán)境所產(chǎn)生的污染。

2 開發(fā)“原子經(jīng)濟性”實驗，實現(xiàn)“零”污染

“原子經(jīng)濟性”是綠色化學的核心內(nèi)容之一。原子經(jīng)濟性的概念是1991年美國著名有機化學家Trost（為此他曾獲得1998年度的總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎的學術(shù)獎）提出的，用原子利用率衡量反應的原子經(jīng)濟性，表達式為[2]：

原子利用率=（預期產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量/參與反應各原子相對原子質(zhì)量總和）×100%

以反應A+B=C+D為例（假設(shè)C為反應的預期產(chǎn)物，而D為反應的副產(chǎn)物），則該反應的原子利用率的計算式為：原子利用率=[C的相對分子質(zhì)量/（A的相對分子質(zhì)量+B的相對分子質(zhì)量）]×100%。原子利用率越高，反應產(chǎn)生的副產(chǎn)物就越少，對環(huán)境產(chǎn)生的污染也越少。

例如，無機化學實驗中以鋁屑等物質(zhì)為基本原料，來制備Al（OH）3，反應途徑有以下3種[4]，見圖2。

若以生成1molAl（OH）3來計算反應過程中消耗H+及OH-的量，結(jié)果見表2，在這3個方案中，丙是體現(xiàn)原子經(jīng)濟性的最佳方案。

3 改進化學實驗方法，實現(xiàn)化學實驗的綠色化

綠色化學實驗的核心問題是，采用無毒、無害的化學原料，采用無毒、無害的、能循環(huán)、重復使用的催化劑和溶劑，選用具有高選擇性“原子經(jīng)濟性”的化學反應，即反應具有極少副產(chǎn)品，甚至是無副產(chǎn)品，達到零排放，且得到的產(chǎn)品應是對環(huán)境友好的。例如，有機化學制備實驗“苯甲酸的制備”，傳統(tǒng)的制備工藝是將甲苯在高錳酸鉀水溶液中氧化，然后酸化得苯甲酸，其缺點是反應時間長、產(chǎn)生大量固體二氧化錳污染物等。改進后的實驗，以苯甲醇作為原料，采用金屬銅作為催化劑，催化氧化制備苯甲酸，化學反應的反應式[5]見圖3。

改進后的實驗優(yōu)點是：實驗中使用的銅為催化劑，不僅可以重復使用，而且無毒、無害，對環(huán)境無污染，整個實驗過程無有害廢物排放。

4 采用多媒體技術(shù)模擬仿真實驗，以減少對環(huán)境的污染

化學實驗課程內(nèi)容繁雜、涉及廣泛、實驗過程復雜等特點，要解決這些問題，應結(jié)合信息時代發(fā)展的特點，制作成網(wǎng)絡(luò)課件，使課程內(nèi)容信息化。如采用多媒體技術(shù)模擬仿真實驗[6]，針對化學實驗教學中易燃、易爆、資源消耗大、毒性大或產(chǎn)生有害物質(zhì)的實驗，將這些實驗制作成多媒體課件，不僅減少實驗對環(huán)境及實驗者身心造成的危害，而且對實驗中易出錯或需注意的細節(jié)之處，可以通過特寫鏡頭看得一清二楚。這樣既避免了消耗許多藥品和水資源的問題，又節(jié)約了大量的資金，而且節(jié)省了昂貴試劑藥品，避免了實驗中易燃易爆現(xiàn)象的發(fā)生，同時也避免了有毒、有害的試劑（如苯、苯酚、砷化物、重金屬等）的使用，解決了給師生身體健康帶來極大危害、對環(huán)境造成較大破壞的難題，實現(xiàn)了“零排放、零污染”。例如，化學教學論實驗中，電解飽和食鹽水的實驗，該實驗過程中會產(chǎn)生大量氯氣，氯氣是有刺激性氣味的有毒氣體，會危害師生身體健康且對周邊環(huán)境產(chǎn)生污染。如果將該實驗用三維動畫演示，即從微觀的角度詮釋了微觀粒子的運動狀態(tài)，又能顯示兩極的變化情況，這樣不僅避免了實驗對環(huán)境產(chǎn)生的危害，而且還能使學生更好地理解微觀粒子的運動狀態(tài)。

總之，化學為提高人類生活質(zhì)量，促進科學、文化的發(fā)展做出了很大貢獻，但同時也伴隨著對環(huán)境的污染和對人類的危害。這就要求化學工作者必須改進化學實驗方法，即在化學實驗反應中提高反應的“原子經(jīng)濟性”[7]，盡可能使原子利用率達100%，實現(xiàn)“原子經(jīng)濟性”和“零排放”，做到充分利用資源，又不產(chǎn)生污染；還應采取適當措施，縮短反應步驟、替換有毒原料、催化劑和溶劑、回收有毒產(chǎn)物等，以減少化學實驗對環(huán)境的污染，使化學實驗趨于綠色化，以符合綠色化學理念。

參考文獻

[1] 朱文祥.綠色化學與綠色化學教育[J].化學教育，2001（1）：1-4.

[2] 周寧懷.抓住機遇，大力推行微型無機化學實驗[J].廣西師范大學學報：自然科學版，200（S1）：2-4.

[3] 胡宏紋.有機化學（上冊）[M].北京：高等教育出版社， 1994.

[4] 人民教育出版社化學室.全日制普通高級中學教科書（試驗修訂本 選修）化學第三冊[M].2版.北京：人民教育出版社，2001：78-82.

[5] 楊家玲.綠色化學與技術(shù)[M].北京：北京郵電大學出版社，2004.

[6] 蘇惠.基礎(chǔ)化學實驗的綠色化探究[J].南教育學院學報：自然科學版，2006，15（13）：77-78.

[7] 肖佳薇.綠色化學的應用研究[J].科技創(chuàng)新與應用， 2014（6）：286-287.endprint