有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化教學(xué)的改革與實(shí)踐

蔡敏 吳春燕(廣西民族師范學(xué)院 化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 崇左 532200)

0 引言

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化工、制藥等專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，通過實(shí)驗(yàn)操作可加強(qiáng)有機(jī)化學(xué)理論知識(shí)的吸收和消化，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立觀察、思考和操作能力，逐步養(yǎng)成發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題的良好科學(xué)習(xí)慣[1-2]，隨著綠色可持續(xù)發(fā)展理念的深入，高?；瘜W(xué)化工類實(shí)驗(yàn)室如何實(shí)現(xiàn)污染零排放和防止有毒有害物質(zhì)對(duì)學(xué)生的傷害已經(jīng)成為化學(xué)實(shí)驗(yàn)的必然要求，也是培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成良好的環(huán)?？茖W(xué)習(xí)慣的重要途徑。因此，開展綠色有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革和建設(shè)符合可研究(research)、再利用(reuse)、減量化(reduce)、再循環(huán)(recycle)、可靠(reliable)的綠色化“5R”有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室勢(shì)在必行[3-5]。

1 綠色化有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必要性

目前，高校有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，主要由有機(jī)化學(xué)基本實(shí)驗(yàn)操作(如苯甲酸熔點(diǎn)的測(cè)定)、有機(jī)化合物的制備(如乙酸正丁酯的制備)、天然有機(jī)化合物的提取(如從茶葉中提取咖啡因)和有機(jī)化合物的基本化學(xué)性質(zhì)及鑒定(如烴的性質(zhì)實(shí)驗(yàn))等四大部分組成。實(shí)驗(yàn)中涉及的反應(yīng)物、催化劑、溶劑以及產(chǎn)物、副產(chǎn)物等均會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生一定的危害，并對(duì)環(huán)境造成污染。一方面，雖然在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將反應(yīng)液、產(chǎn)物等回收或倒至指定容器(或廢液池)，但大部分都僅混合倒在廢液池存放而未進(jìn)行分類無(wú)害化處理，這對(duì)綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是不利的。另一方面，由于部分教師不重視每次課前的安全、綠色教育，且在教學(xué)中無(wú)法全面監(jiān)管到每個(gè)學(xué)生的操作，部分學(xué)生隨意往水池丟棄化學(xué)試劑或倒掉溶液廢液而未被及時(shí)制止，造成對(duì)環(huán)境的污染，未能養(yǎng)成良好實(shí)驗(yàn)行為習(xí)慣。隨著近年來化學(xué)、制藥類專業(yè)人數(shù)不斷增多，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量和實(shí)驗(yàn)室使用頻率明顯增加，污染物總量也隨之增多。綠色化有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的目的，就是在保證教學(xué)質(zhì)量的前提下，通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)方式，建設(shè)綠色化“5R”有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，最大限度提高有機(jī)試劑的利用率，對(duì)有毒有害和污染進(jìn)行有效全面處理，避免其對(duì)學(xué)生健康的影響，消除對(duì)環(huán)境的污染，培養(yǎng)學(xué)生綠色發(fā)展理念。

2 綠色化有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施

2.1 加強(qiáng)綠色化學(xué)思想教育，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范操作

以綠色化學(xué)的“5R”為指導(dǎo)思想，對(duì)學(xué)生進(jìn)行課前綠色化學(xué)理念的教育，樹立養(yǎng)成良好行為習(xí)慣的目標(biāo)，使其初步具備可持續(xù)發(fā)展、化學(xué)原子經(jīng)濟(jì)、原料再利用和防止污染優(yōu)于污染后再處理的綠色化學(xué)思維和意識(shí)。通過課堂理論講解，學(xué)生明確綠色化學(xué)的內(nèi)涵，充分利用線上教學(xué)平臺(tái)(如超星平臺(tái)等)進(jìn)行綠色化學(xué)元素的宣傳，開設(shè)綠色化學(xué)討論板塊給學(xué)生充分學(xué)習(xí)和探討如何讓本次有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)更加綠色化，初步培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)中“5R”中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“可研究”和“可循環(huán)”意識(shí)。在實(shí)驗(yàn)過程中，始終強(qiáng)調(diào)所有試劑、反應(yīng)液、產(chǎn)物、副產(chǎn)物等均不允許隨意倒入水池，在取用化學(xué)試劑時(shí)，不允許多取或浪費(fèi)試劑，要始終保持精準(zhǔn)的態(tài)度和良好的實(shí)驗(yàn)基本行為準(zhǔn)則。

2.2 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新綠色教學(xué)方式

教學(xué)內(nèi)容是有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)載體，教師在制定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之前，應(yīng)廣泛查閱關(guān)于經(jīng)典實(shí)驗(yàn)改革實(shí)驗(yàn)資料或文獻(xiàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方式進(jìn)行改進(jìn)，擬定實(shí)驗(yàn)方案，提交教研室組織討論、審議、修改后實(shí)施。

2.2.1 提高化學(xué)試劑的利用率和反應(yīng)產(chǎn)物的再利用率

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)之一是加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，在此目標(biāo)的原則下，以環(huán)己烯的制備為例，在反應(yīng)的過程中需要中強(qiáng)酸作為催化劑和脫水劑，原來的實(shí)驗(yàn)中一直使用濃硫酸，原因在于其脫水能力較強(qiáng)且催化效率較高，但在反應(yīng)過程中易發(fā)生焦化而使產(chǎn)物難處理，且廢液對(duì)環(huán)境的影響較大。經(jīng)過改進(jìn)，采用磷酸代替硫酸，一方面，磷酸在反應(yīng)過程中不會(huì)發(fā)生焦化而生成炭渣，也不會(huì)產(chǎn)生刺激性氣體。另一方面，殘余在反應(yīng)液中的磷酸更易無(wú)害化處理，例如可以將無(wú)機(jī)相中和后作為磷肥使用。通過用磷酸代替濃硫酸，既保證了實(shí)驗(yàn)操作流程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不變，又能夠培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中思考化學(xué)試劑替代品的靈活思維。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，原來處理產(chǎn)物環(huán)己烯的方法是統(tǒng)一收集存放在廢棄的試劑瓶中而不做任何處理。在綠色“5R”中“再利用(Reuse)”思想的指導(dǎo)下進(jìn)行改革，將收集的產(chǎn)物環(huán)己烯作為學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)“環(huán)己烯的分餾”的原料，替代原來“乙醇的分餾”實(shí)驗(yàn)，夠培養(yǎng)學(xué)生資源利用最大化的理念。反應(yīng)結(jié)束分離出環(huán)己烯后的反應(yīng)液中，主要包括環(huán)己醇、磷酸、環(huán)己醚等化合物可以作為課余時(shí)間學(xué)生進(jìn)行下一步分離無(wú)機(jī)相(磷酸)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等現(xiàn)代化教育技術(shù)

部分涉及到毒性、危險(xiǎn)性較大的化學(xué)試劑，而教師在實(shí)驗(yàn)過程中無(wú)法全面掌控安全系數(shù)或者防控措施有限、三廢處理較難的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，可采用有機(jī)化學(xué)3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)代替。例如乙酰水楊酸的制備涉及的化學(xué)試劑有水楊酸、乙酸酐、濃硫酸等，其中乙酸酐屬于國(guó)家管控危險(xiǎn)化學(xué)品，易燃，其蒸氣與空氣可形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸，且有腐蝕性，若接觸皮膚或眼睛，會(huì)引起損傷。因此，可以考慮采用虛擬仿真試驗(yàn)代替，既能夠讓學(xué)生充分了解實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)和操作方法流程，又能夠避免對(duì)學(xué)生健康的傷害和后續(xù)的三廢處理，演示模式下可以快速學(xué)習(xí)瀏覽實(shí)驗(yàn)過程，并且可以選擇性地學(xué)習(xí)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作，在操作模式下，學(xué)生可以在高度仿真實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中進(jìn)行場(chǎng)景漫游，并且可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作，具體的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)將通過動(dòng)畫演示，相應(yīng)動(dòng)畫將會(huì)隨著實(shí)驗(yàn)操作的進(jìn)行在對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)后自動(dòng)觸發(fā)，還原反應(yīng)現(xiàn)象和細(xì)節(jié)操作。此外，一些化學(xué)試劑使用量較大，但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為簡(jiǎn)單的也可以考慮用虛擬仿真試驗(yàn)代替，例如在苯甲酸熔點(diǎn)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，由于使用的毛細(xì)熔點(diǎn)管不易觀察試樣的熔程等現(xiàn)象，且使用到較多的傳熱介質(zhì)溶劑，如二甲基硅油(性能較穩(wěn)定，但價(jià)格昂貴)，使用過程中受熱時(shí)體積也會(huì)膨脹，若學(xué)生裝入B型管的硅油過多，加熱過程中可能會(huì)溢出而發(fā)生危險(xiǎn)，因此可以將此類實(shí)驗(yàn)用虛擬仿真的形式進(jìn)行，或者多媒體視頻演示操作和展示熔程現(xiàn)象等，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的理解，大幅節(jié)約資源。

2.2.3 推廣微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)

微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)，就是在保證實(shí)驗(yàn)效果準(zhǔn)確、明顯和安全的前提條件下，通過大幅降低化學(xué)試劑的用量(微型化實(shí)驗(yàn)用量一般為常規(guī)用量的幾十分之一乃至幾千分之一)，以盡可能少的化學(xué)試劑來獲取所需化學(xué)信息或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象的技術(shù)，同時(shí)防止或降低環(huán)境污染，是實(shí)現(xiàn)綠色有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要方法。例如在從茶葉中提取咖啡因的實(shí)驗(yàn)中，教材中用到的茶葉約8g，95%的乙醇用量約為80mL，生石灰約3g，連續(xù)抽提1h。從多次實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)來看，此實(shí)驗(yàn)的用量完全可以縮減至50%，抽提的時(shí)間縮短為0.5h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明乙醇的用量雖然減少一半以上，學(xué)生也均能得到茶色粉末和清晰觀察到咖啡因升華現(xiàn)象，在紅外光譜檢測(cè)中也有明顯特征。其他諸如酯類的制備、醇類的分餾、有機(jī)物的重結(jié)晶以及溴代烴的制備等實(shí)驗(yàn)均可進(jìn)行微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革，有效降低化學(xué)試劑用量、減少“三廢”排放和縮短反應(yīng)的時(shí)間，同時(shí)也保證了實(shí)驗(yàn)的效果和質(zhì)量，學(xué)生也有更多的時(shí)間思考和探討實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)際用量的降低，對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響程度也成為學(xué)生實(shí)驗(yàn)思考的問題之一，也賦予了有機(jī)實(shí)驗(yàn)的可研究性。

2.3 加強(qiáng)“三廢”處理的綠色化

化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的廢氣主要通過在反應(yīng)裝置上加裝吸收裝置，防止廢氣溢出對(duì)學(xué)生健康產(chǎn)生傷害。廢液主要包括強(qiáng)酸強(qiáng)堿性溶液、有機(jī)溶劑、有機(jī)合成產(chǎn)物等。固體廢物主要包括用于性質(zhì)鑒定的有機(jī)物(如苯甲酸測(cè)熔點(diǎn))和產(chǎn)物后處理使用的固體化學(xué)試劑等。過去化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的三廢主要依靠實(shí)驗(yàn)員和教師進(jìn)行處理，改革后，讓每次實(shí)驗(yàn)的班級(jí)值日小組參與處理廢液和廢渣，有利于強(qiáng)化學(xué)生的綠色環(huán)保意識(shí)，可讓學(xué)生總結(jié)不同類型廢棄物的處理方法，在其后續(xù)的專業(yè)學(xué)習(xí)和就業(yè)中學(xué)以致用。

學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，將產(chǎn)生的廢液、廢渣按照性質(zhì)和危險(xiǎn)級(jí)別，按要求分別倒至制定的分類儲(chǔ)存容器中，統(tǒng)一進(jìn)行處理。在處理時(shí)，對(duì)一般無(wú)法重復(fù)利用的而成分較為簡(jiǎn)單的普通酸堿廢液(例如稀硫酸、稀鹽酸等廢液)，可以用在中和后，用大量水沖入下水道；可重復(fù)利用的有機(jī)溶劑，可以用儀器進(jìn)行分離提純，例如提取咖啡因后回收的乙醇，可以組織學(xué)生利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀對(duì)其進(jìn)行分離提純，在下次實(shí)驗(yàn)時(shí)重復(fù)利用在其他天然有機(jī)物的提取實(shí)驗(yàn)中，大幅節(jié)約實(shí)驗(yàn)化學(xué)試劑的用量。固體廢棄物可以分類進(jìn)行處理，例如用于干燥的無(wú)水氯化鈣在吸水后，可以重新收集進(jìn)行干燥處理，在下次實(shí)驗(yàn)第一次脫水處理時(shí)仍可使用，提高化學(xué)試劑的循環(huán)利用率。

3 結(jié)語(yǔ)

通過加強(qiáng)學(xué)生綠色化學(xué)理念的培養(yǎng)，營(yíng)造良好的實(shí)驗(yàn)室綠色環(huán)保風(fēng)氣；優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容及創(chuàng)新教學(xué)方式，降低化學(xué)試劑使用量，既保證了教學(xué)效果又提高了資源利用率，應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等現(xiàn)代化教育技術(shù)有效達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的同時(shí)避免了高危化學(xué)試劑對(duì)師生健康的不利影響，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)使得教學(xué)事半功倍；加強(qiáng)“三廢”處理，資源的回收和再利用得到進(jìn)一步提升，學(xué)生處理“三廢”的能力也得到進(jìn)一步提高。在綠色化學(xué)“5R”原則的指導(dǎo)下，初步構(gòu)建了綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。