綠色有機化學實驗的教學研究

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摘要：隨著環(huán)境污染問題日益嚴重，人們的環(huán)保意識逐漸增強，如何有效解決實驗教學過程中的污染問題逐漸引起大家的關(guān)注。本文以綠色化學理念為基礎(chǔ),從實驗內(nèi)容、實驗設(shè)計和“三廢”處理等方面對有機化學實驗綠色化進行了研究，并將其應用到實驗課教學中，不僅減少了有機化學實驗過程的環(huán)境污染，還增強了學生的環(huán)保意識和責任意識，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：綠色化學；有機化學實驗；教學理念

有機化學是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，許多有機化學的理論和規(guī)律都是從實驗中總結(jié)出來的。有機化學實驗過程中所涉及到的藥品、試劑較多，其中不乏有毒有害、易燃易爆以及有腐蝕性的物質(zhì)，同時實驗過程中還會產(chǎn)生許多廢氣廢液廢渣等，對環(huán)境造成嚴重的污染。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們的環(huán)保意識增強，綠色化學的理念應運而生[1]。綠色化學是利用化學原理和方法來減少或消除對人類健康、生態(tài)環(huán)境有害的反應原料、催化劑、溶劑和試劑、產(chǎn)物和副產(chǎn)物的新興科學。其最大的特征在于從產(chǎn)品生產(chǎn)的始端就采用科學手段來控制污染，并且在生產(chǎn)過程和最終產(chǎn)品使用中均做到零排放和零污染。綠色化學實驗中使用化學藥品應遵循5R原則，即減量（Reduce）、重復使用（Reuse）、拒用（Rejection）、回收（Recycling）、再生（Regeneration）[2]。在人類對環(huán)境保護日益重視的今天，有機化學實驗的“綠色化”在人才培養(yǎng)過程中具有尤為重要的意義。要做到有機化學實驗的綠色化，首先在有機化學實驗教學中實施綠色化學理念，其次要在實驗過程中不斷探索和應用綠色化方法。

一倡導綠色化學理念，增強環(huán)保意識

綠色化學不僅僅是一種預防污染的方法，還是一種新式教學思維。有機化學實驗的主體是大學生，是未來國家的棟梁之才，將在各個崗位上發(fā)揮著重要的作用，因此培養(yǎng)學生的綠色化學理念和環(huán)保意識尤為重要。有機化學主要是研究化合物的組成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及合成，而綠色化學則是圍繞化學反應、原料、溶劑、催化劑等綠色化進行的，與有機化學內(nèi)容息息相關(guān)。在實驗過程中，將綠色化學理念灌輸給學生，增強學生的環(huán)保意識，培養(yǎng)學生的綠色化學實踐能力。將綠色化學理念貫穿有機化學實驗始終，讓學生切身體會綠色化學的內(nèi)涵，養(yǎng)成綠色環(huán)保的意識，并保留到日后的工作生活中，從源頭減少污染、保護環(huán)境,促進可持續(xù)發(fā)展[3]。我們依托《有機化學實驗》課程，通過教學模式優(yōu)化，在傳統(tǒng)的有機化學實驗內(nèi)容模式上，改變教學內(nèi)容，增加了綜合性、設(shè)計性與創(chuàng)新性內(nèi)容，這對學生的動手能力、分析與解決問題能力的培養(yǎng)有較大提高。其次是強調(diào)和關(guān)注實驗安全問題，通過實驗開始時的講授，讓學生從心理層面上提高認識，從內(nèi)心帶著敬畏的態(tài)度開始實驗。實驗過程中，做到操作規(guī)范嚴格，設(shè)置實驗操作分項表，提高實驗安全措施保證實驗安全。再次是實驗過程中優(yōu)化操作、試劑使用保質(zhì)減量，要做到有機化學實驗的綠色化。

二實驗內(nèi)容綠色化

傳統(tǒng)的實驗設(shè)計注重實驗內(nèi)容的典型性、代表性以及實驗現(xiàn)象的明顯性、學生能否掌握實驗操作，輕視所用藥品、試劑的毒性以及會造成的環(huán)境污染。有機化學實驗多具有藥品用量大、毒性大、腐蝕性強、副產(chǎn)物多等特點，因此，將綠色化學理念融入到有機化學實驗教學是非常有必要的。

（一）準備實驗綠色化

實驗準備過程中教師全程參與并指導，保證實驗的順利進行。因為學生多數(shù)沒有參與過具體的實驗準備工作，對藥品的用量、配制方法等都會感到?jīng)]有信心，無從下手，手忙腳亂。學生參與實驗準備工作，鍛煉了學生動手，把實驗步驟落實到實際的能力，為以后的畢業(yè)設(shè)計中的實驗準備和實施打下基礎(chǔ)。有機化學實驗通常需要大量的試劑和儀器設(shè)備，在實驗準備時可提前計算好所需藥品和儀器，避免造成不必要的浪費；在不影響實驗效果的前提下，試劑減量并盡可能選擇無毒無害、污染性小的試劑。如正溴丁烷的合成試劑減量，最終的蒸餾部分多人合作完成。在己二酸的制備實驗中，以環(huán)已烯為原料，以H2O2氧化劑合成己二酸，該工藝以綠色氧化劑H2O2代替危險、有強腐蝕性的HNO3，反應條件溫和，易于控制。實施效果表明，既保證了教學質(zhì)量，降低了教學成本，同時也增強了學生之間的團隊合作能力，減少了廢棄物的排放，反饋效果較好。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，可選擇離子液體、水溶劑、固定化溶劑、超臨界液體等綠色化溶劑和催化劑，可以加快反應速率和循環(huán)使用，減少環(huán)境污染[3]。

（二）實驗設(shè)計的綠色化

微量化實驗與常規(guī)實驗相結(jié)合，倡導綠色化學。微量化實驗是指在保證教學效果的前提下，用微量化學試劑（試劑用量一般僅為常規(guī)實驗的十分之一以下)在微型儀器裝置中進行的化學實驗。微量化實驗不僅能夠減少試劑用量、縮短反應時間、降低實驗成本，而且還能減少“三廢”，降低環(huán)境污染程度。另外，微量化實驗對學生的實驗操作能力提出了更高的要求。由于微量化實驗所用試劑用量較少，一滴試劑、一粒藥品有可能就會對實驗結(jié)果造成很大的影響，甚至導致實驗的失敗，從而促使學生能夠更加認真仔細的對待實驗過程、增強他們的實驗技能、培養(yǎng)優(yōu)良的科研態(tài)度。這也是未來有機化學實驗發(fā)展的方向之一，通過合理的設(shè)計實驗內(nèi)容，將單個實驗串聯(lián)起來，形成一個體系；也可以開設(shè)多步反應，使每一步的反應產(chǎn)物能夠在下一步中得到充分的利用，提高了藥品的使用率，促使學生認真的對待實驗，因為一旦失敗，實驗就可能無法繼續(xù)。此外，連續(xù)實驗每一步都是環(huán)環(huán)相扣，上一步的產(chǎn)率和純度都會對下一步造成一定的影響，對學生的實驗操作能力提出了更高的要求，促使學生更加認真細致的對待每一個實驗操作，極大地調(diào)動了學生的實驗積極性[4,5]。

（三）實驗結(jié)果的綠色化

有機化學實驗過程中不可避免地會產(chǎn)生廢棄物，妥善處理“三廢”是有機化學實驗綠色化的重要環(huán)節(jié)。實驗過程中，不能將用過的化學試劑或者過量的酸堿等隨意倒入下水道，應該分類放入專門的廢液桶中，回收后由專門人員進行處理。對于強酸或強堿廢液，我們要中和到pH為6-8再進行排放；對于產(chǎn)生大量有毒或者腐蝕性氣體的反應，必須在通風櫥中進行[5]。實驗過程中的產(chǎn)物回收利用情況和“三廢”處理情況不容樂觀，未來需要結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)進行教學，有效避免了部分危險操作和環(huán)境污染問題。如何應對有機化學實驗課程的綠色化、微量化和綜合多步化，是擺在當今有機化學實驗課程面前亟待解決的另一個難題，也是有機化學實驗教學改革的重點方向之一。

三結(jié)合先進技術(shù)進行實驗教學

目前多媒體技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于理論教學中，但實驗教學涉及較少。對于一些實驗藥品毒性較大、操作難度高、儀器設(shè)備費用較高的實驗，我們可以采用多媒體教學的形式為學生們展示整個實驗過程以及一些容易出現(xiàn)的錯誤操作和相應的危險處理方式，用生動形象的視頻動畫加深學生對理論知識的理解和掌握，激發(fā)學生的研究興趣。與傳統(tǒng)的板書相比，多媒體教學技術(shù)能夠?qū)⒊橄蟮挠袡C化學實驗知識轉(zhuǎn)化為動畫、視頻的形式傳輸給學生，使晦澀難懂的知識更易理解，增強了講授內(nèi)容的生動性[6]。我們對本校2016-2018級海洋生命學院、水產(chǎn)學院和食品科學與工程三個學院進行調(diào)查問卷發(fā)現(xiàn)，73%的同學愿意通過減少試劑用量和避免額外失誤等方法，為環(huán)境保護事業(yè)盡綿薄之力，綠色化意識較高。在談及綠色化問題時，大家首先從自身考慮，減少環(huán)境污染問題，從源頭來控制污染，如：減少錯誤試劑的使用和試劑回收等。對于實現(xiàn)有機化學實驗綠色化問題，學生們能夠考慮到自己應該做什么，但缺乏大局意識，需要教師們正確的引導。經(jīng)過一個學期的課程，學生們已經(jīng)養(yǎng)成妥善處理廢液的習慣，課前認真預習，實驗過程井然有序，避免了許多因操作失誤引起的試劑浪費和污染，取得了較好的成果。實驗教學過程中以實際行動引導學生貫徹環(huán)保理念是最為行之有效的環(huán)保宣傳措施，這就需要實驗設(shè)計者不斷調(diào)整實驗內(nèi)容，同時教導學生正確處理三廢的方式。綠色有機化學實驗新理念必將成為今后實驗教學的中重要參考和首要考慮因素。

參考文獻

[1]劉立增,孫萌萌,張弘青,等.有機化學實驗教學中環(huán)境保護的探討[J].實驗室科學,2016,19(02):218-221+224.

[2]王曉紅,郝臣.有機化學實驗綠色化教學模式探討[J].實驗科學與技術(shù),2012,10(04):85-86+131.

[3]陳銘祥,鄭明彬.綠色理念指導下有機化學實驗的改革[J].高校實驗室工作研究,2017(02):107-110.

[4]張鳳,羅景,周軍.將綠色化學理念滲透到有機化學教學中的幾點思考[J].化工時刊,2017,31(01):44-46.

[5]馬楠,王筱平.有機化學實驗教學中體現(xiàn)綠色化學的探索[J].實驗室研究與探索,2011,30(07):141-143.

[6]趙海所.有機化學教學中進行綠色化學教育的研究[J].教育現(xiàn)代化,2017,4(20):101-102.

作者：邢蕓霞 胡肖涵 李先國 張靜 張大海 單位：中國海洋大學 化學化工學院