“雙碳”目標(biāo)下綠色化學(xué)理念融入有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探究*

馬 忠，張 續(xù)，賈明民，毛恒洋，裴洪昌，李梅生，周守勇

(1.淮陰師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 淮安 223300；2.山東理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 淄博 255000)

資源和環(huán)境是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。伴隨著工業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，資源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，綠色化學(xué)作為一種理念應(yīng)運(yùn)而生，繼而發(fā)展成為一門集經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境等因素為一體的前沿交叉學(xué)科。綠色化學(xué)，又稱環(huán)境友好化學(xué)或可持續(xù)發(fā)展化學(xué)，利用化學(xué)原理和新化學(xué)技術(shù)，在化學(xué)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及應(yīng)用中減少或消除有害物質(zhì)的使用和生產(chǎn)，使研發(fā)的化學(xué)品及其工藝更加安全環(huán)保[2]。為評(píng)價(jià)一種化合物、一條合成路線或者一個(gè)化工過(guò)程是否符合綠色化學(xué)的目標(biāo)，Anastas和Warner于1998年提出綠色化學(xué)十二條原則，為綠色化學(xué)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，并得到國(guó)際化學(xué)界的認(rèn)可。此外，為了強(qiáng)調(diào)綠色化學(xué)在原料、試劑、溶劑及催化劑等方面的原則，一些學(xué)者總結(jié)了綠色化學(xué)的“5R”原則，即減量(Reduction)、重復(fù)使用(Reuse)、回收(Recycling)、再生(Regeneration)和拒用(Rejection)[3-4]。

1 “雙碳”目標(biāo)下綠色有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性

有機(jī)化學(xué)是研究有機(jī)化合物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備方法與應(yīng)用的科學(xué)，是化學(xué)中極重要的一個(gè)分支。有機(jī)化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的課程，開展有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以使學(xué)生更加全面地掌握有機(jī)化學(xué)的理論知識(shí)。然而，不同類型的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)會(huì)涉及不同類型的化學(xué)藥劑，在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中會(huì)排放一些污染物[5]。污染物種類繁多，主要包括強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬等無(wú)機(jī)污染物和苯酚、甲醛、甲苯等有機(jī)污染物。無(wú)論哪種污染物都會(huì)產(chǎn)生不利影響，不僅破壞校園生態(tài)環(huán)境，還會(huì)對(duì)師生的健康造成危害。因此，基于綠色化學(xué)理念的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革已成為節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、保障人民健康和安全的迫切需要[6，7]。此外，綠色化學(xué)是高校有機(jī)化學(xué)自身以及教育的未來(lái)發(fā)展方向，高校應(yīng)在綠色化學(xué)理念指導(dǎo)下開展有機(jī)化學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)課程。因此，基于綠色化學(xué)理念的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是高校有機(jī)化學(xué)改革的重要組成部分。

2 “雙碳”目標(biāo)下綠色化學(xué)理念融入有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的策略

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境的綠色化

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是我校基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室之一。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室已初具規(guī)模，可承擔(dān)化學(xué)化工、應(yīng)用化學(xué)、生物醫(yī)藥等專業(yè)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。在“雙碳”目標(biāo)大背景下，對(duì)高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)施的要求越來(lái)越高，尤其是“三廢”處理設(shè)施的管理[4]。針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的有毒氣體，實(shí)驗(yàn)室不僅配備了公共通風(fēng)柜，還給每位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)臺(tái)加裝了通風(fēng)柜，并在實(shí)驗(yàn)樓頂部安裝了氣體吸收塔。針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢液，嚴(yán)格要求學(xué)生對(duì)其進(jìn)行分類回收。對(duì)于僅含高濃度酸堿的廢液，建立統(tǒng)一的酸堿廢液桶，中和后稀釋排放。對(duì)于用量較大的乙醚、丙酮等有機(jī)溶劑，常采用蒸餾和精餾的方法進(jìn)行處理和回收。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢渣嚴(yán)禁隨意放置，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行綜合治理，建立廢渣專用倉(cāng)庫(kù)分類存放，防止二次污染。

綠色有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室不僅指硬件設(shè)施良好的實(shí)驗(yàn)室，還應(yīng)包括建立健全的實(shí)驗(yàn)室規(guī)章制度，以及具有綠色化學(xué)理念的師生。近年來(lái)，學(xué)院結(jié)合國(guó)家和學(xué)校相關(guān)規(guī)定，修訂完善了實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)規(guī)章制度。學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)首先學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)規(guī)章制度，如常用化學(xué)試劑的分類、存放和使用方法等。綠色化學(xué)不僅是一門從源頭上防止污染的化學(xué)技術(shù)，也是一種新的思維方式，培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)理念是實(shí)現(xiàn)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的最基本保障。教師必須系統(tǒng)地學(xué)習(xí)綠色化學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作，從而強(qiáng)化綠色化學(xué)意識(shí)，在教學(xué)中適時(shí)向?qū)W生講授基于“5R”原則的綠色化學(xué)理念，讓學(xué)生在潛移默化中接受綠色化學(xué)教育。

2.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與教學(xué)方法的綠色化

優(yōu)化、整合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師通常選擇實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、有利于學(xué)生掌握基本操作技能的實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有足夠重視所用試劑的毒性和實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的污染，只是簡(jiǎn)單地告訴學(xué)生如何防護(hù)。要想在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中體現(xiàn)“綠色化學(xué)”思想，就應(yīng)在嚴(yán)格遵循安全性原則的基礎(chǔ)上，改進(jìn)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)步驟和方法，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，去掉對(duì)環(huán)境污染和毒性影響較大的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的和實(shí)驗(yàn)效果的前提下，用一些安全無(wú)害的物質(zhì)替換有害物質(zhì)，選擇低毒、污染輕的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

此外，高?；A(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)通常包括兩部分內(nèi)容(如表1)，第一部分是基本操作，重點(diǎn)學(xué)習(xí)有機(jī)物性質(zhì)測(cè)定手段和有機(jī)物提取與純化方法，包括熔點(diǎn)、折光率、旋光度、沸點(diǎn)、簡(jiǎn)單蒸餾、重結(jié)晶、萃取、分餾以及水蒸氣蒸餾等內(nèi)容。這部分每個(gè)內(nèi)容獨(dú)立存在，關(guān)聯(lián)性較弱，且有些需要使用大量試劑。第二部分是綜合性更強(qiáng)的有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)應(yīng)用基本操作來(lái)制備重要的化工原料和具有特殊性能的新化合物，幫助學(xué)生深刻理解有機(jī)化學(xué)的基本理論，主要包括1-溴丁烷、環(huán)己烯、正丁醚以及乙酸乙酯的制備等內(nèi)容。通常，有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)僅基于化合物的合成反應(yīng)，這種帶有一定鼓勵(lì)性的傳統(tǒng)教學(xué)模式導(dǎo)致一些學(xué)生更加注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而忽視了實(shí)驗(yàn)的基本操作過(guò)程，無(wú)法很好地掌握有機(jī)化合物合成實(shí)驗(yàn)的基本原理。因此，傳統(tǒng)的教學(xué)模式使學(xué)生無(wú)法全面深入地掌握與認(rèn)識(shí)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，忽略了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容間的相關(guān)性。這導(dǎo)致一些學(xué)生存在到了后面環(huán)節(jié)卻忘記了已經(jīng)學(xué)過(guò)的理論知識(shí)。此外，合成實(shí)驗(yàn)往往安排在教學(xué)后期，實(shí)驗(yàn)中獲得的諸多化學(xué)物質(zhì)無(wú)法通過(guò)科學(xué)可行的措施再利用，甚至嚴(yán)重破壞環(huán)境，這種操作方式違背了綠色化的教學(xué)理念。因此，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化整合，應(yīng)注意增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間的連續(xù)性?？蓪⑶耙粚?shí)驗(yàn)中制得的產(chǎn)物作為后一實(shí)驗(yàn)的原料，如“折光率測(cè)定”實(shí)驗(yàn)可以放在“環(huán)己烯的制備”實(shí)驗(yàn)之后。這樣，不僅合成產(chǎn)物可以重復(fù)利用，節(jié)約化學(xué)試劑，而且可以通過(guò)折光率測(cè)試對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行表征，從而全面深入掌握有機(jī)化合物的制備與表征方法。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目改進(jìn)情況

推行微量、半微量實(shí)驗(yàn)。目前，我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)已進(jìn)入以降碳為重點(diǎn)戰(zhàn)略方向、推動(dòng)減污降碳協(xié)同增效、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善由量變到質(zhì)變的關(guān)鍵時(shí)期。在此背景下，有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)也朝著減少反應(yīng)用量、提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的方向發(fā)展。微量或半微量實(shí)驗(yàn)是指使用盡可能少的藥品和試劑來(lái)獲取所需化學(xué)信息的實(shí)驗(yàn)方法，這是一種符合簡(jiǎn)約性原則的實(shí)驗(yàn)方法。由于所需藥品和試劑數(shù)量少，反應(yīng)時(shí)間也縮短，從而降低實(shí)驗(yàn)成本和實(shí)驗(yàn)室安全事故的發(fā)生機(jī)率，同時(shí)也減少實(shí)驗(yàn)室“三廢”的產(chǎn)生。與常量實(shí)驗(yàn)相比，微量或半微量實(shí)驗(yàn)的難度系數(shù)較大，這對(duì)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能提出了更高的要求。因此，在教學(xué)中開展微量或半微量實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)好處是可以培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度，從而提升學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)技能。

實(shí)驗(yàn)室制備1-溴丁烷主要是通過(guò)濃硫酸與溴化鈉反應(yīng)得到的氫溴酸作溴化劑，再與正丁醇反應(yīng)。由于反應(yīng)是可逆的，通過(guò)增加溴化鈉的量并添加過(guò)量硫酸以吸收反應(yīng)中生成的水，可以促進(jìn)反應(yīng)正向進(jìn)行。然而，環(huán)境污染和后處理等問(wèn)題也因大量酸廢液的產(chǎn)生而產(chǎn)生。對(duì)此，我們?cè)?-溴丁烷合成實(shí)驗(yàn)中采用了微量反應(yīng)，將原料正丁醇的用量減少到常量實(shí)驗(yàn)的1/3，溴化鈉和濃硫酸的用量也隨之減少，反應(yīng)時(shí)間由常量實(shí)驗(yàn)的1.5～2 h 縮短至 40 min。實(shí)驗(yàn)表明，微量實(shí)驗(yàn)達(dá)到了與常量實(shí)驗(yàn)相同的教學(xué)目的，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和操作方法有了更深入的理解，1-溴丁烷的產(chǎn)率也和常量實(shí)驗(yàn)相同，學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的態(tài)度因?qū)嶒?yàn)藥品劑量的減少而更加細(xì)致。同時(shí)，由于減少了酸的消耗，實(shí)驗(yàn)室的工作環(huán)境也得到了改善。

引進(jìn)多媒體技術(shù)展示有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目會(huì)排放有毒氣體，甚至有嚴(yán)重的安全隱患。為了防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生意外，教師往往會(huì)仔細(xì)、快速地展示一遍，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法全面細(xì)致地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還有一些教師選擇直接跳過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。為避免事故與環(huán)境污染問(wèn)題的發(fā)生，可以引入多媒體計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)與仿真技術(shù)，對(duì)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程、裝置和基礎(chǔ)原理進(jìn)行計(jì)算機(jī)演練，使枯燥復(fù)雜的有機(jī)化學(xué)原理和實(shí)驗(yàn)過(guò)程以動(dòng)畫、圖像、聲音和文字的形式生動(dòng)、形象、直觀、全面地展示出來(lái)，不僅降低了實(shí)驗(yàn)成本，還減少了風(fēng)險(xiǎn)和污染，無(wú)形中還提高了學(xué)生的環(huán)保意識(shí)，幫助學(xué)生鞏固和復(fù)習(xí)有機(jī)化學(xué)課本知識(shí)，提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的自主性與積極性。

完善課程考核體系，凸顯綠色化學(xué)理念。課程的考核評(píng)價(jià)體系對(duì)引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)造性學(xué)習(xí)具有重要作用。傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程考核主要側(cè)重于學(xué)生實(shí)際操作的規(guī)范性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，實(shí)驗(yàn)考核部分的成績(jī)主要取決于學(xué)生對(duì)儀器操作的熟練程度和獲得產(chǎn)物的多少，這種方法缺乏對(duì)學(xué)生綠色化學(xué)思維的考核?？己嗽u(píng)價(jià)體系應(yīng)以整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程為基礎(chǔ)，應(yīng)從評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)內(nèi)容和評(píng)價(jià)主體等方面進(jìn)行改進(jìn)，并將綠色化學(xué)理念貫穿其中(如表2)。評(píng)價(jià)方法應(yīng)強(qiáng)調(diào)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行全面、動(dòng)態(tài)的評(píng)價(jià)，在學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行巡回指導(dǎo)與評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)內(nèi)容應(yīng)側(cè)重于反應(yīng)條件及過(guò)程是否污染環(huán)境和影響人體健康，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中“三廢”的處理方法是否合理等方面?？傊P(guān)鍵要凸顯綠色化學(xué)理念。

表2 實(shí)驗(yàn)考核(以滿分100分計(jì))

2.3 實(shí)驗(yàn)主體的綠色化

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)現(xiàn)學(xué)生理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的重要手段，對(duì)學(xué)生綜合科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)有著重要的意義。學(xué)生作為有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作的主體，應(yīng)主動(dòng)落實(shí)綠色化學(xué)理念。首先，應(yīng)掌握廢氣、廢液、廢渣的處理方案和注意事項(xiàng)，嚴(yán)禁將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣、廢液、廢渣直接排放到空氣或排水管中，應(yīng)根據(jù)廢棄物處理回收機(jī)制進(jìn)行合理的處理或回收。此外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意節(jié)約水電，如做冷凝回流實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)根據(jù)物質(zhì)的沸點(diǎn)選擇長(zhǎng)度合適的冷凝管并調(diào)節(jié)冷凝水流量盡可能的小。

學(xué)生是綠色化學(xué)的傳承者，課后應(yīng)積極開展校內(nèi)外宣傳活動(dòng)，讓更多的人了解綠色化學(xué)。課外活動(dòng)和社會(huì)實(shí)踐是有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的延申和補(bǔ)充，是實(shí)施環(huán)境教育的有效途徑。在校內(nèi)可以通過(guò)知識(shí)競(jìng)賽、黑板報(bào)、校園宣傳欄、科技節(jié)上的變廢為寶實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽等途徑進(jìn)行綠色化學(xué)的宣傳。此外，還可以舉辦環(huán)境知識(shí)專題講座，利用課余時(shí)間對(duì)一些涉及環(huán)境問(wèn)題的基礎(chǔ)知識(shí)以專題講座形式進(jìn)行介紹，如《香煙的危害》《本地區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀》等。還可以利用一些網(wǎng)絡(luò)途徑進(jìn)行宣傳，比如可以創(chuàng)建微信公眾號(hào)，定期發(fā)一些有關(guān)綠色化學(xué)的文章、實(shí)驗(yàn)和社會(huì)熱點(diǎn)等。在宣傳過(guò)程中，不僅學(xué)生自己的綠色化學(xué)意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感得到增強(qiáng)，而且有助于提高全社會(huì)的環(huán)保意識(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

“雙碳”戰(zhàn)略倡導(dǎo)綠色、環(huán)保、低碳的生活方式。高校有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程內(nèi)容較多，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容易出現(xiàn)各種污染問(wèn)題，不利于學(xué)生的身體健康發(fā)展。因此，教師要把綠色化學(xué)理念滲透到有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開展綠色有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)降低實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的污染，保護(hù)學(xué)生的身心健康，培養(yǎng)學(xué)生環(huán)保意識(shí)和良好的科學(xué)素養(yǎng)，從而助力構(gòu)建化學(xué)生態(tài)課堂。