王寧芳

摘 要：隨著科技的迅速發(fā)展，在藥物合成及化學(xué)實(shí)驗(yàn)中污染嚴(yán)重和消耗較大的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)不能符合綠色化學(xué)的理念，即化學(xué)實(shí)驗(yàn)要達(dá)到“原子經(jīng)濟(jì)性”和“零排放”的標(biāo)準(zhǔn)。因此，化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)提倡微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)、開(kāi)發(fā)“原子經(jīng)濟(jì)性”的實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的方法、利用多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化，以達(dá)到對(duì)環(huán)境的“零”污染。

關(guān)鍵詞：化學(xué)實(shí)驗(yàn) 綠色化 原子經(jīng)濟(jì)性 零排放 零污染

中圖分類(lèi)號(hào)：G63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，化學(xué)中的定律和學(xué)說(shuō)都來(lái)源于實(shí)驗(yàn)，同時(shí)又為實(shí)驗(yàn)所檢驗(yàn)。然而，有時(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)在操作上存在著一些缺陷，如儀器不配套，儀器不嚴(yán)密、漏氣，以及實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)者的身心健康。化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化理念[1]是從源頭上阻止污染，把有危險(xiǎn)性、有污染性等不良因素的實(shí)驗(yàn)用較科學(xué)的方法轉(zhuǎn)變成相對(duì)比較安全的、比較環(huán)保的實(shí)驗(yàn)，這樣把對(duì)周邊環(huán)境的污染降低到最小以達(dá)到對(duì)環(huán)境的“零”污染。

1 微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的有效途徑之一

微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)在微小型的實(shí)驗(yàn)儀器中，用盡可能少的試劑、藥品來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。它不是常規(guī)實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)單微縮[2]，也不是對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，而是在綠色化學(xué)理念倡導(dǎo)下，用預(yù)防化學(xué)污染的新方法和新技術(shù)對(duì)常規(guī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)，這樣使化學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅具有節(jié)約試劑用量、污染少、安全省時(shí)的特點(diǎn)，而且還具有培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、樹(shù)立環(huán)保意識(shí)等優(yōu)點(diǎn)。

例如：有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，Diels-Alder反應(yīng)的實(shí)例之一，蒽與順丁烯二酸酐的加成反應(yīng)，反應(yīng)式見(jiàn)圖1[3]。

采用常量法和微量法對(duì)上述反應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，見(jiàn)表1。

可見(jiàn)微型化實(shí)驗(yàn)不僅縮短了實(shí)驗(yàn)用時(shí)，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，而且還減少了實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生的污染。

2 開(kāi)發(fā)“原子經(jīng)濟(jì)性”實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)“零”污染

“原子經(jīng)濟(jì)性”是綠色化學(xué)的核心內(nèi)容之一。原子經(jīng)濟(jì)性的概念是1991年美國(guó)著名有機(jī)化學(xué)家Trost（為此他曾獲得1998年度的總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)的學(xué)術(shù)獎(jiǎng)）提出的，用原子利用率衡量反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性，表達(dá)式為[2]：

原子利用率=（預(yù)期產(chǎn)物的相對(duì)分子質(zhì)量/參與反應(yīng)各原子相對(duì)原子質(zhì)量總和）×100%

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

例如，無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中以鋁屑等物質(zhì)為基本原料，來(lái)制備Al（OH）3，反應(yīng)途徑有以下3種[4]，見(jiàn)圖2。

若以生成1molAl（OH）3來(lái)計(jì)算反應(yīng)過(guò)程中消耗H+及OH-的量，結(jié)果見(jiàn)表2，在這3個(gè)方案中，丙是體現(xiàn)原子經(jīng)濟(jì)性的最佳方案。

3 改進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化

綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的核心問(wèn)題是，采用無(wú)毒、無(wú)害的化學(xué)原料，采用無(wú)毒、無(wú)害的、能循環(huán)、重復(fù)使用的催化劑和溶劑，選用具有高選擇性“原子經(jīng)濟(jì)性”的化學(xué)反應(yīng)，即反應(yīng)具有極少副產(chǎn)品，甚至是無(wú)副產(chǎn)品，達(dá)到零排放，且得到的產(chǎn)品應(yīng)是對(duì)環(huán)境友好的。例如，有機(jī)化學(xué)制備實(shí)驗(yàn)“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(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)生大量固體二氧化錳污染物等。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)，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(xué)反應(yīng)的反應(yīng)式[5]見(jiàn)圖3。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)驗(yàn)中使用的銅為催化劑，不僅可以重復(fù)使用，而且無(wú)毒、無(wú)害，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程無(wú)有害廢物排放。

4 采用多媒體技術(shù)模擬仿真實(shí)驗(yàn)，以減少對(duì)環(huán)境的污染

化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容繁雜、涉及廣泛、實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜等特點(diǎn)，要解決這些問(wèn)題，應(yīng)結(jié)合信息時(shí)代發(fā)展的特點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)[6]，針對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中易燃、易爆、資源消耗大、毒性大或產(chǎn)生有害物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，將這些實(shí)驗(yàn)制作成多媒體課件，不僅減少實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)者身心造成的危害，而且對(duì)實(shí)驗(yàn)中易出錯(cuò)或需注意的細(xì)節(jié)之處，可以通過(guò)特寫(xiě)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(wèn)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(shí)驗(yàn)中易燃易爆現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)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(lái)極大危害、對(duì)環(huán)境造成較大破壞的難題，實(shí)現(xiàn)了“零排放、零污染”。例如，化學(xué)教學(xué)論實(shí)驗(yàn)中，電解飽和食鹽水的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量氯氣，氯氣是有刺激性氣味的有毒氣體，會(huì)危害師生身體健康且對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生污染。如果將該實(shí)驗(yàn)用三維動(dòng)畫(huà)演示，即從微觀(guān)的角度詮釋了微觀(guān)粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，又能顯示兩極的變化情況，這樣不僅避免了實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的危害，而且還能使學(xué)生更好地理解微觀(guān)粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

總之，化學(xué)為提高人類(lèi)生活質(zhì)量，促進(jìn)科學(xué)、文化的發(fā)展做出了很大貢獻(xiàn)，但同時(shí)也伴隨著對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人類(lèi)的危害。這就要求化學(xué)工作者必須改進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，即在化學(xué)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)中提高反應(yīng)的“原子經(jīng)濟(jì)性”[7]，盡可能使原子利用率達(dá)100%，實(shí)現(xiàn)“原子經(jīng)濟(jì)性”和“零排放”，做到充分利用資源，又不產(chǎn)生污染；還應(yīng)采取適當(dāng)措施，縮短反應(yīng)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(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境的污染，使化學(xué)實(shí)驗(yàn)趨于綠色化，以符合綠色化學(xué)理念。

參考文獻(xiàn)

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