绿色化学教育的探索与实践

　　绿色化学又称为环境无害化学、环境友好化学、清洁化学, 它是以绿色意识为指导, 研究和设计对环境副作用尽可能少, 在技术和经济上可行的化学和化工生产过程.

　　国外对绿色化学的研究始于九十年代中期. 1995 年美国宣布建立5绿色化学计划6 并于1996 年设立了/ 总统绿色化学挑战奖0, 日本制定了以环境无害制造技术等绿色化学为内容的/ 新阳光计划0, 欧洲、拉美的一些国家也纷纷制定了绿色化学与技术的科研计划.

　　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0绿色化学的香山科学会议在北京召开, 宣告了我国绿色化学研究工作正式起步. 如何把绿色化学融合于化学系列课程教学内容和课程体系改革中, 对化学教育工作者来说是一个重要的课题.

　　在教学实践中, 沧州师范学院化学与环境科学系教师不断探索绿色化学实验教学理念, 1993 年率先在无机化学实验教学中进行了实验微型化的实践探索并获得成功, 之后其他实验室全面开展了实验室绿色化的教学实践.

　　1 绿色化学实验探索

　　1. 1 减量( Reduction)

　　1. 1. 1 性质实验的微型化

　　我们的微型化学实验探索始于1993 年, 首先从基础无机化学实验开始. 基础无机化学实验中气体的制备与性质试验一直占有相当大的比例, 很多都是有毒气体( 如Cl2 ,HCl, HBr,H2S, NO2 ,NH3 , CO, SO2 等) , 排入环境会导致环境污染, 即使在通风设备良好的实验室对实验者也会造成一定的伤害.

　　我们首先对常规实验中/ 氯气、次氯酸钠、氯酸钾的制备和性质实验0的全部内容和/ 硫0、/ 氮0的部分内容实行了微型化改革[ 1-5] .

　　无机化学的性质实验一般在试管中完成, 液体用量大多为2ml- 3ml, 甚至更多, 药品用量大, 废液处理工作量也很大. 于是, 我们把微型实验引入其中. 学生把实验改在白瓷板、井穴板、玻璃板或塑料片上, 用几滴药品即可完成实验.

　　随着微型实验研究的深入, 从单纯的性质验证发展为理论探讨性实验, 如反应速率和活化能测定实验.

　　反应速率和活化能测定实验, 在现行的高等无机化学实验和基础化学实验教材中都是用过二硫酸铵和碘化钾的反应, 实验现象明显, 但试剂用量大. 我们在实际教学中, 减少药品用量为常规剂量的十分之一, 用微型注射器量取液体, 反应器改为微型容量瓶进行实验, 指示剂淀粉的用量降低到1 滴, 微型化测定过二硫酸铵与碘化钾的反应速率和活化能, 实验效果令人满意, 实验的重现性很高, 提高了实验的准确度[ 6] .

　　1. 1. 2 合成实验的减量与微型化

　　有机合成实验中采取试剂用量减半的操作方法. 过去, 多数有机合成实验为常量合成实验, 试剂平均使用量约15- 25g( ml) , 再加上相应的反应溶剂, 每年每名学生要消耗多达1Kg, 选用小量-半微量实验, 由于试剂用量的减少, 废液废气的产生也少[ 7] .

　　实践证明, 微型化后的实验有以下几方面的优点:

　　( 1) 药品用量大大减少, 有毒气体的排放量大大减少, 同时节约了大量实验经费. 以氯气及其性质实验为例, 实验向200 名学生开出( 100 组) . 微型实验药品消耗经费仅为常规实验的3. 7% , 且微型仪器相对常规仪器也便宜, 这也节省了不少经费, 如表1 所示.( 2) 反应时间短, 污染小. 气体的制备、收集、性质、尾气吸收用胶管连接成套, 气体不易泄漏, 污染减小,反应时间大大缩短. 氯气及其性质实验, 从实验开始的5min 之内即可完成, 且一个班的学生同时进行, 氯气泄漏很少, 实验内容基本能顺利完成. 而SO2 的制备及性质实验只需1min. NH3 制备和性质实验在2min 内即可完成.

　　( 3) 增强学生创新能力, 提高动手能力. 在微型实验中, 通过新想法、新思维、新手段和新成果的不断涌现, 增强了学生的创新意识, 提高了动手能力[8] .

　　1. 2 循环( Reuse)

　　1. 2. 1 多步合成反应循环

　　把合成实验的产品作为后一步合成的原料来实现学生的实验产品的循环利用, 提高原子经济性. 这种实验教学方法不仅能渗透绿色化学教育的思想, 而且也能较好地检查学生的操作技能和实验教学效果, 增强了学生的实验综合能力. 由于实验原料由学生自己合成, 更增加了他们的学习兴趣, 可谓一举而多得. 例如, 选择乙酸乙酯和乙酰乙酸乙酯的制备两个实验, 其中制备的乙酸乙酯用作制备乙酰乙酸乙酯的原料. 乙酰苯胺、对硝基苯胺、对位红的制备三个实验连续进行, 制备的乙酰苯胺作为合成对硝基苯胺的原料, 而对硝基苯胺又作为合成对位红的原料[ 9] .

　　1. 2. 2 有机废弃物的循环利用

　　化学实验中常用的一些溶剂甲醇、乙醚、乙醇、丙酮、四氯化碳等, 容易对环境造成污染. 实验过程我们对这些有机废弃物进行了循环利用的探索. 例如液相色谱实验用甲醇-水做流动相, 每年需要消耗大量高纯度甲醇, 虽然液相色谱用甲醇哪怕引入微量杂质都不能再用, 我们尝试把甲醇水溶液用于化工的精馏实验, 精馏产物又用于做有机实验的溶剂.

　　1. 3 回收[ 10] ( Recycling)

　　1. 3. 1 废液集中处理

　　对于实验后的废液, 尤其是一些有毒的重金属离子废液, 养成了集中处理的习惯, 避免了废液流入下水道污染地下水, 达到了绿色实验的效果. 如含汞的废液我们采用硫化物共沉淀法, 将含汞盐废液加过量的Na2S 生成HgS 沉淀, 再用FeSO4 , 与过量的S2- 生成FeS 沉淀. 使废液中含汞量可降至容许排放的浓度.

　　1. 3. 2 以废治废绿色排放

　　试验中我们尝试废物的利用, 以废治废, 节约费用, 降低环境污染. 如银量法测定食盐中氯离子含量所用的铬酸钾指示剂, 重铬酸钾法测定铁矿石中铁的标准溶液重铬酸钾均含有致癌的Cr( ? ) , 如果将其直接排入水体, 将会造成环境污染. 我们启发学生/ 以废治废0, 利用所学的氧化还原知识, 将废酸、废铁钉、铁片、铁丝等与含铬废液混合放置数日, 在酸性条件下Cr( ? ) 被还原为Cr( ?) , 废液由黄色转变为灰绿色, 然后加入消石灰使Cr

　　3+ 转化为低毒的Cr( OH) 3 沉淀, 分离沉淀, 达标后排放废液.

　　1. 4 再生( Regeneration)

　　1. 4. 1 贵金属的提取再生[ 11] ( P51-53)

　　我们设计了/ 实验室含银废液的回收利用0实验方案, 从含Ag+ 废液得到硝酸银. 实验前布置学生自己查找相关的资料, 设计实验方案, 列出实验步骤. 通过方案设计教学将理论和实验有机地结合了起来, 改变了以往重理论轻实践, 眼高手低, 照方抓药的不良学习风气. 实验的废弃物变成了可利用的宝贝, 既节约了贵金属药品又对以前的知识进行了综合提高, 同时也锻炼了学生设计实验、解决实际问题的能力.

　　1. 4. 2 陈化试剂的再生

　　例如把陈放的苯胺用水蒸气蒸馏, 得到较纯的苯胺用于其它实验中.

　　1. 4. 3 配位滴定法实验中含Bi3+ 和Pb2+ 废液的再生[ 11] ( P51-53)以配位连续滴定法测定混合液中Bi3+ 和Pb2+ 的含量是无机及分析化学教学的一个重要实验, 供学生测定的混合试液几乎都是由分析纯的硝酸盐配制. 众所周知, 可溶性铅盐对人体危害极大, 是6 种剧毒金属元素之一; 铋只占地壳重量的2 @ 10- 5% , 资源稀少, 价格较贵. 含Bi3+ 和Pb2+ 的废液如不回收, 既污染环境又浪费资源. 若以硫化钠为沉淀剂处理废液则Bi3+ 和Pb2+ 的EDTA 配合物均可转化为硫化物沉淀的形式回收.

　　继而用稀硝酸加以溶解, 并通过硝酸用量的控制, 使再生后试液的酸度恰为滴定所需的pH, 则可供学生实验反复使用.

　　1. 5 拒用( Rejection)

　　1. 5. 1 在设计性试验中选用低毒物质

　　例如设计大豆或花生中粗脂肪提取及肥皂制备, 在提取工艺上有压榨、溶出两种, 在我们实验室中压榨方式不易实现, 采取溶出方法在溶剂的选择使用上有多种选择可进行比较, 我们选择低毒的溶剂作为溶出溶剂, 虽然可能产率低些但既节约又环保.

　　1. 5. 2 改进实验方法选用绿色化学试剂

　　尽量选用无毒无害的试剂, 这样可最大限度地减少甚至避免实验过程中产生的污染. 有机化学实验基本操作训练所涉及熔点测定、蒸馏、折光率测定、重结晶、水蒸气蒸馏等, 教材上指定的试剂都是萘、苯甲酸、甲醇、苯甲醛、呋喃甲醛、苯胺等有机化合物, 这些试剂都有不同程度的毒性, 而且有的气味很难闻. 基本操作实验的目的主要是训练学生的操作技能, 使学生熟悉各种操作的应用范围, 为此, 设计改进实验试剂, 以无毒试剂、毒性较小的试剂或合成实验的粗产品做基本操作训练的原料. 比如蒸馏实验用水代替乙醇或者甲苯, 效果也非常好.

　　1. 6 生活化的化学

　　在中学化学实验研究中, 我们利用生活中的物品和废弃物设计了/ 实验探究) ) ) 哪种物质催化H2O2 分解制氧气效果最好0、/ 自制水电解器探究水的组成0、/ 鉴别真假葡萄酒0、/ 寻找理想的天然酸碱指示剂0等实验, 开拓了学生实验探究式教学设计的思路. 如自制水电解器探究水的组成: 利用身边的废旧物品, 小组合作自制水电解器, 探究水的组成. 实验材料是两只大铁钉( 用作电极) 、一个饮料瓶、橡皮塞、两只小试管、铜导线、学生电源( 或用六节一号电池、或用6V 废手机充电器代替) 、两个五角的铜币、线绳, 稀氢氧化钠溶液( 8%) 或碳酸钠溶液.

　　2 绿色化学教研成果

　　2. 1 促进了教师专业化发展

　　从1993 年微型实验教学改革开始, 经过多年的探究与实践, 绿色化学理念已经深深扎下了根, 在教学和管理中始终贯穿绿色化学理念, 形成了我们的特色和传统. 通过一系列的绿色化学教学改革和活动, 在绿色化学研究与实践中形成了系列成果, 发表数十篇有价值的论文, 省级立项课题多项, 并获河北省优秀教学成果二等奖和三等奖等奖项, 教师绿色化学理念得到提升, 教研能力得到提高.2. 2 体现了新的育人观在绿色化学探索与实践中, 改变了学生的培养模式, 提升了学生的科学素质, 增强了探索与发现的意识和主动设计、组织的能力. 实验中很多方案是学生自己设计的, 简单仪器设备也是学生自己制作的, 学生们在绿色化实验的不断设计、实验、改进、完善的过程中, 新想法、新手段和新成果不断涌现, 探究理念逐渐形成,创新能力和动手能力得到提高, 并能把这种创新理念应用于今后学习和工作中.

　　2. 3 加强了绿色理念的推广与普及

　　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. 在我们的日常教学和各级各类教师培训中, 充分体现绿色化学理念, 对中小学绿色化学理念的普及起到了极大的推动作用,更是对全社会绿色意识、环保意识和可持续发展意识的提高做出了贡献. 我们的绿色化学工作, 5科学时报6以/ 沧州师院绿色化学教育显成效0为题在2011 年11 月1 日B2 版进行了报道, 5河北科技报6也在2011 年11月12 日以/ 沧州师范学院绿色化学实验实现零污染0为题进行了报道. 在此基础上编写的绿色化学科普系列读物5生活中的绿色化学6、5绿色联想6、5化学实验绿色化探索与实践6也即将出版.

　　在国培农村化学培训班上, 我们把绿色化学作为特色课程进行教学, 学员们把经验带回各自学校广泛开展实验, 并把实验图片上传到网上推广, 取得了很好的社会效果.