低碳及可再生化學實驗教學內容和方法
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1引言
在當前全球氣候變暖、環境污染加劇的形式下，以低能耗、低污染、低排放為基礎的低碳經濟（Low－carboneconomy）成為當今世界潮流［1］。發達國家大力推進高能效、低能耗的“低碳革命”，著力發展“低碳技術”及可再生資源的回收利用，低碳經濟已席卷全球成為各行業發展的主題。1991年，化學工業最發達的美國最早提出了“綠色低碳化學”的口號［2］。所謂的綠色低碳化學就是指用化學技術和方法從源頭上減少或消除對人類健康、社區安全、生態環境有害的原料、催化劑、試劑、溶劑及產物和副產物等的使用和再生，開發原子經濟性反應，采用無毒無害的原料或可再生資源，在無毒無害的條件下，生產出環境友好的化學品。“綠色低碳化學”是為適應人類可持續發展的要求而提出的全新觀念［3］。低碳及可再生化學的核心內容是原子經濟性，這一概念最早是1991年美國Stanford大學的著名有機化學家Trost（為此他曾獲得了1998年度的“總統綠色化學挑戰獎”的學術獎）提出的，即原料分子中究竟有百分之幾的原子轉化成了產物。理想的原子經濟反應是原料分子中的原子百分之百地轉變成產物，不產生副產物或廢物，實現廢物的“零排放”。他用原子利用率衡量反應的原子經濟性，認為高效的有機合成應最大限度地利用原料分子的每一個原子，使之結合到目標分子中。綠色化學的原子經濟性的反應有兩個顯著優點：一是最大限度地利用了原料，二是最大限度地減少了廢物的排放。原子利用率的表達式是：原子利用率＝（預期產物的式量／反應物質的式量之和）×100％如無公害氧化劑過氧化氫的制備可采用乙基蒽醌法，即由氫和氧在2－乙基蒽醌和Pd為催化劑作用下直接合成，2－乙基蒽醌復出并可循環使用。此反應原子利用率為100％，體現了原子經濟性，減少廢物的生成和排放，是典型的零排放例子［4］。為了簡述了綠色化學的主要觀點，P．T．Anas－tas和J．C．Waner曾提出綠色化學的12項原則，這12項原則對我們今后從事綠色化學的研究具有一定的指導作用。Ⅰ．防止———防止產生廢棄物要比產生后再去處理和凈化好得多。Ⅱ．講原子經濟———應該設計這樣的合成程序，使反應過程中所用的物料能最大限度地進到終極產物中。Ⅲ．較少有危害性的合成反應出現———無論如何要使用可以行得通的方法，使得設計合成程序只選用或產出對人體或環境毒性很小最好無毒的物質。Ⅳ．設計要使所生成的化學產品是安全的———設計化學反應的生成物不僅具有所需的性能，還應具有最小的毒性。Ⅴ．溶劑和輔料是較安全的———盡量不用輔料（如溶劑或析出劑）當不得已使用時，盡可能應是無害的。Ⅵ．設計中能量的使用要講效率———盡可能降低化學過程所需能量，還應考慮對環境和經濟的效益。合成程序盡可能在大氣環境的溫度和壓強下進行。Ⅶ．用可以回收的原料———只要技術上、經濟上是可行的，原料應能回收而不是使之變壞。Ⅷ．盡量減少派生物———應盡可能避免或減少多余的衍生反應（用于保護基團或取消保護和短暫改變物理、化學過程），因為進行這些步驟需添加一些反應物同時也會產生廢棄物。Ⅸ．催化作用———催化劑（盡可能是具選擇性的）比符合化學計量數的反應物更占優勢。Ⅹ．要設計降解———按設計生產的生成物，當其有效作用完成后，可以分解為無害的降解產物，在環境中不繼續存在。Ⅺ．防止污染進程能進行實時分析———需要不斷發展分析方法，在實時分析、進程中監測，特別是對形成危害物質的控制上。Ⅻ．特別是從化學反應的安全上防止事故發生———在化學過程中，反應物（包括其特定形態）的選擇應著眼于使包括釋放、爆炸、著火等化學事故的可能性降至最低。低碳經濟時代的到來，各行各業都開展了各種形式的節能減排運動，但是各大專院校和中小學實驗室成了節能減排運動的盲區，既要讓這些實驗室能順應低碳環保的要求，又要充分發揮實驗室的培養科學后備人才的功能。化學實驗是高等院校化工、化學、生物、材料、環保等專業的一門重要的基礎實驗課程，但在開展實驗同時，會帶來一定的環境污染。化學實驗所用的試劑多有毒、有害，而且實驗過程中一般都有廢棄物產生，不妥善處理或隨意排放，會污染環境，威脅師生健康。因此，在大學化學實驗教學中要以實驗室為主陣地，將實驗教學與環境保護相結合，努力做到“5R”原則，即Reject———拒用危害品，Reduce———減量使用，Recycle———循環使用，Reuse———重復利用，Regeneration———再生利用，［5］對現行的基礎化學實驗從綠色化認識到實驗方法、實驗內容等多方面進行低碳化改革。實踐證明，通過對存在于基礎化學實驗中的環境污染問題的不斷升華，學生的低碳與可再生化學思想意識普遍得到提高，化學實驗興趣濃厚，實驗操作能力提高，社會責任感得到了加強。
2國內外研究進展
國內外化學科研工作者結合化學實驗室的具體特點，對建設綠色化學實驗室做了許多探索與嘗試。美國的Mayo博士和他的同事們自1982年開始研究試用一種新型的實驗方法———微型化學實驗。我國于1988年末開始，由十幾所院校組成了微型化學實驗課題研究協作組，本著立足國內教學實際情況，開展微型化學實驗的研究和推廣工作。微型化學實驗（MicroscaleChemicalExperi－ment）是近20年來發展很快的一種化學實驗的新方法、新技術，被譽為“化學實驗的革命”。微型化學實驗是著眼于環境安全和污染預防的需要，用盡可能少的藥品，在微型化的儀器裝置中進行的化學實驗［6］。微型化學實驗不是常規實驗的簡單縮微或減量，而是在微型化的條件下對實驗進行重新設計與探索，達到以盡可能少的試劑來獲取盡可能多的化學信息和目標。值得注意的是美國《化學教育》雜志從1989年第11期起開辟了由Zipp博士主持的微型化學實驗專欄，這是微型化學實驗己成為國際化學教育發展的重要趨勢的一個標志。關于微型實驗、低碳化學等己有大量文獻報道［7］，國內有關微型低碳化學實驗的研究成果也陸續出版［8－10］。微型化學實驗的研究是著眼于環境保護和化學實驗安全的需要，體現了現代科學技術發展水平的要求。微型實驗除了具有現象明顯、操作簡便快速、節省經費、減少污染、安全、便于攜帶等優點外，在培養、提高人的科學素質上也發揮著不可估量的作用。它的興起和推廣雖然早于綠色化學，然而它的理想目標和方法，與綠色化學是完全一致的，現在把微型實驗作為綠色化學實驗的一項實驗方法與技術是恰當的。但是微型化實驗所用儀器裝置和操作方法都與常規實驗有較大差別，某些實驗中甚至是完全不同的，學生學到一些處理微量樣品的特殊方法和技巧，卻并不能完全覆蓋常量實驗的基本操作技能，所以，微型化實驗只能作為一類提高性項目局限在一個適當的比例之內。化學實驗中使用有機溶劑是較為普遍的，近年來，各國化學家創造并研究了許多取代傳統有機溶劑的綠色化學方法，如，以水為介質、以超臨界流體、室溫離子液體為溶劑［11－12］等方法，而最徹底的方法就是完全不用有機溶劑的無溶劑反應。這些方法克服了反應過程中溶劑對環境的污染，尤其是無溶劑反應更值得大力提倡和研究。但在化學實驗教學中的應用還是比較少見。近年來，微波作為一種新型能量形式用于許多化學反應，微波以其加熱迅速、受熱體系均勻、便于控制、產品質量高等特點，在化學反應中已成為一種加速化學反應的經典技術［13］。微波促進的反應具有條件溫和、操作方便、時間短（節能）、產率高、產品易純化、減少用量或不用溶劑、對環境友好等優點。因此，微波化學發展迅猛，已涉及到化學的方方面面，成功地應用于多種化學反應，并展示了廣泛的應用前景。在化學實驗中引入微波技術，有助于學生對相關的先進科學技術的了解，激發求知欲，因而也是化學實驗“低碳化”的一個重要方法。因此，在大學化學實驗中，合理地采用微波輻射技術進行基礎化學實驗設計是進行化學實驗低碳化工作的重要組成部分，具有重要的開發前景。
采取低碳化學的理念對實驗教學內容進行優化，減少驗證性實驗的課時，適當加強基本操作技能訓練，同時增開綜合性和設計性實驗內容，將本科實驗教學的重心轉移到基本實驗操作技能的培養上來。通過實驗內容的調整，既符合低碳化學的理念，又使學生受到更加系統全面的低碳及可再生化學教育和實驗技能訓練，加強了學生觀察能力和創新能力的培養。
3．1培養具有低碳及可再生化學觀念的實驗師資教師是教學的基礎，為了向學生傳授和加強低碳化學實驗的教學，首先必須要有合格的師資，要對化學實驗教師進行培訓。化學實驗教師的培訓內容是低碳化學實驗的具體內涵和如何實施可再生化學實驗，著重學習低碳化學的概念、原理、方法、優點、評價體系等；方法是引導教師將自己的科學研究課題與低碳化學實驗結合起來，這樣教師在進行綠色化學實驗的教學時，就能結合自己的研究成果對學生進行講解。另外，教師也要深入研究實驗教材，對原來的實驗在科學的基礎上進行低碳化的創新實驗。
3．2開設微型化學的教學內容，增強學生的低碳環保意識相對于常量實驗，微型實驗對學生的實驗技能、實驗準確性和精密度、綜合能力等，都提出了更高的要求，因此我們為學生配備了便攜式微型玻璃實驗儀器。在此基礎上，我們設計了小量、半微量合成實驗（一般，固、液起始原料約為1～3g，少數約為3g），從而達到既能培養學生實驗技能，又可增加學生的學習興趣，提高實驗教學效率的目的。在采用微量實驗的同時，對實驗內容的“低碳化”、“可再生化”也進行了相應地調整。低碳及可再生化的教學內容是實施綠色化教學的核心問題。低碳及可再生化學的基本內容是：由環境友好型的原料，在無毒害的催化劑、溶劑等反應條件下，獲得對環境友好的產物，同時最大可能的回收副產物及廢棄物。
3．3調整、開發綠色化學實驗內容實驗內容的選擇應以實驗的科學性和實驗技能訓練的全面性為原則，盡量選擇無毒無公害的綠色化學反應，除了對經典的實驗采取更加合理的綠色化設計，重點還應補充一些綠色化學的原理、合成方法、研究方法和新技術［14］。在無機化學實驗中，教師可用ClO2或不含氯的H2O2、O3等物質來代替具有漂白作用的氯氣代用品；還可以利用H2O2、O3的氧化性來代替具有環境污染氧化劑使用，如代替高錳酸鉀和重鉻酸鉀等。NO2對上呼吸道有刺激作用，所以在做性質實驗時，用“三氯化鐵”代替“硝酸”清洗銀鏡反應的試管可避免產生有毒的NO2。在有機化學實驗中，教師可用“肉桂酸”實驗代替“喹啉”實驗，避開苯胺、硝基苯等有毒致癌試劑；可用“溴乙烷”實驗代替“溴苯”實驗，避開了苯、溴、吡啶等有毒、對空氣污染大的試劑，減少對環境的污染。在分析化學實驗中，教師可采用無汞定鐵法代替用汞鹽測定鐵礦石中的鐵含量，防止了汞污染；用硫代乙酰胺代替硫化氫進行陽離子沉淀鑒定實驗，避免了硫化氫氣體直接對人體的傷害。在物理化學實驗中，在繪制鉛錫合金相圖時，樣品為熔融態的鉛和鉛錫合金，蒸氣的毒性很大，而且所用的玻璃管容易破裂，易導致實驗失敗和有毒蒸氣泄漏。現在改為測鉍和錫合金的相圖，不僅去除了鉛蒸氣，而且樣品的用量從幾十克減少到幾克，不僅降低了實驗成本，而且減少了污染。
3．4適當開設多步驟微型合成實驗提高實驗教學的質量很大程度上依賴于改革教學方法，充分調動了學生學習的積極性，讓學生自己查文獻、設計方案，發揮自己的聰明才智做好每一個試驗。通過一定微型實驗的開設，學生在經過多次操作訓練后已基本上掌握了有機化學實驗的基本操作和技能，在此基礎上，適當開設多步驟微型合成實驗。例如：由環己醇為原料，經由環己酮、環己酮肟合成ε－己內酰胺及聚己內酰胺。對于多步驟的有機合成實驗，由于每一步產品的產率及純度都關系到下一步實驗的進行，這就要求學生必須細心操作。通過這種復雜的有機合成實驗，使學生掌握各類有機化學反應的機理、各種官能團之間轉化的方法，從而全面了解有機化合物的內在關系，并且使學生的實驗綜合能力也得到了提高。
綜上所述，進行化學實驗“低碳化”改革，是順應時代潮流發展，保護人類賴以生存的自然環境的一項必要措施。新實驗技術的應用，實驗內容的更新，對環境友好的化學試劑和反應的選用，實驗的微量化、半微量化、實驗的綜合化等構成了本科化學實驗“低碳化”的改革方向。只有在實驗教學中，從點滴入手，不斷研究、發現和探索綠色化反應及條件，加強綠色化教育和環保意識，才有可能從根本上切斷污染源，建設環境友好型社會。
