低碳及可再生化学实验教学内容和方法
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1引言
在当前全球气候变暖、环境污染加剧的形式下，以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济（Low－carboneconomy）成为当今世界潮流［1］。发达国家大力推进高能效、低能耗的“低碳革命”，着力发展“低碳技术”及可再生资源的回收利用，低碳经济已席卷全球成为各行业发展的主题。1991年，化学工业最发达的美国最早提出了“绿色低碳化学”的口号［2］。所谓的绿色低碳化学就是指用化学技术和方法从源头上减少或消除对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、试剂、溶剂及产物和副产物等的使用和再生，开发原子经济性反应，采用无毒无害的原料或可再生资源，在无毒无害的条件下，生产出环境友好的化学品。“绿色低碳化学”是为适应人类可持续发展的要求而提出的全新观念［3］。低碳及可再生化学的核心内容是原子经济性，这一概念最早是1991年美国Stanford大学的著名有机化学家Trost（为此他曾获得了1998年度的“总统绿色化学挑战奖”的学术奖）提出的，即原料分子中究竟有百分之几的原子转化成了产物。理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不产生副产物或废物，实现废物的“零排放”。他用原子利用率衡量反应的原子经济性，认为高效的有机合成应最大限度地利用原料分子的每一个原子，使之结合到目标分子中。绿色化学的原子经济性的反应有两个显著优点：一是最大限度地利用了原料，二是最大限度地减少了废物的排放。原子利用率的表达式是：原子利用率＝（预期产物的式量／反应物质的式量之和）×100％如无公害氧化剂过氧化氢的制备可采用乙基蒽醌法，即由氢和氧在2－乙基蒽醌和Pd为催化剂作用下直接合成，2－乙基蒽醌复出并可循环使用。此反应原子利用率为100％，体现了原子经济性，减少废物的生成和排放，是典型的零排放例子［4］。为了简述了绿色化学的主要观点，P．T．Anas－tas和J．C．Waner曾提出绿色化学的12项原则，这12项原则对我们今后从事绿色化学的研究具有一定的指导作用。Ⅰ．防止———防止产生废弃物要比产生后再去处理和净化好得多。Ⅱ．讲原子经济———应该设计这样的合成程序，使反应过程中所用的物料能最大限度地进到终极产物中。Ⅲ．较少有危害性的合成反应出现———无论如何要使用可以行得通的方法，使得设计合成程序只选用或产出对人体或环境毒性很小最好无毒的物质。Ⅳ．设计要使所生成的化学产品是安全的———设计化学反应的生成物不仅具有所需的性能，还应具有最小的毒性。Ⅴ．溶剂和辅料是较安全的———尽量不用辅料（如溶剂或析出剂）当不得已使用时，尽可能应是无害的。Ⅵ．设计中能量的使用要讲效率———尽可能降低化学过程所需能量，还应考虑对环境和经济的效益。合成程序尽可能在大气环境的温度和压强下进行。Ⅶ．用可以回收的原料———只要技术上、经济上是可行的，原料应能回收而不是使之变坏。Ⅷ．尽量减少派生物———应尽可能避免或减少多余的衍生反应（用于保护基团或取消保护和短暂改变物理、化学过程），因为进行这些步骤需添加一些反应物同时也会产生废弃物。Ⅸ．催化作用———催化剂（尽可能是具选择性的）比符合化学计量数的反应物更占优势。Ⅹ．要设计降解———按设计生产的生成物，当其有效作用完成后，可以分解为无害的降解产物，在环境中不继续存在。Ⅺ．防止污染进程能进行实时分析———需要不断发展分析方法，在实时分析、进程中监测，特别是对形成危害物质的控制上。Ⅻ．特别是从化学反应的安全上防止事故发生———在化学过程中，反应物（包括其特定形态）的选择应着眼于使包括释放、爆炸、着火等化学事故的可能性降至最低。低碳经济时代的到来，各行各业都开展了各种形式的节能减排运动，但是各大专院校和中小学实验室成了节能减排运动的盲区，既要让这些实验室能顺应低碳环保的要求，又要充分发挥实验室的培养科学后备人才的功能。化学实验是高等院校化工、化学、生物、材料、环保等专业的一门重要的基础实验课程，但在开展实验同时，会带来一定的环境污染。化学实验所用的试剂多有毒、有害，而且实验过程中一般都有废弃物产生，不妥善处理或随意排放，会污染环境，威胁师生健康。因此，在大学化学实验教学中要以实验室为主阵地，将实验教学与环境保护相结合，努力做到“5R”原则，即Reject———拒用危害品，Reduce———减量使用，Recycle———循环使用，Reuse———重复利用，Regeneration———再生利用，［5］对现行的基础化学实验从绿色化认识到实验方法、实验内容等多方面进行低碳化改革。实践证明，通过对存在于基础化学实验中的环境污染问题的不断升华，学生的低碳与可再生化学思想意识普遍得到提高，化学实验兴趣浓厚，实验操作能力提高，社会责任感得到了加强。
2国内外研究进展
国内外化学科研工作者结合化学实验室的具体特点，对建设绿色化学实验室做了许多探索与尝试。美国的Mayo博士和他的同事们自1982年开始研究试用一种新型的实验方法———微型化学实验。我国于1988年末开始，由十几所院校组成了微型化学实验课题研究协作组，本着立足国内教学实际情况，开展微型化学实验的研究和推广工作。微型化学实验（MicroscaleChemicalExperi－ment）是近20年来发展很快的一种化学实验的新方法、新技术，被誉为“化学实验的革命”。微型化学实验是着眼于环境安全和污染预防的需要，用尽可能少的药品，在微型化的仪器装置中进行的化学实验［6］。微型化学实验不是常规实验的简单缩微或减量，而是在微型化的条件下对实验进行重新设计与探索，达到以尽可能少的试剂来获取尽可能多的化学信息和目标。值得注意的是美国《化学教育》杂志从1989年第11期起开辟了由Zipp博士主持的微型化学实验专栏，这是微型化学实验己成为国际化学教育发展的重要趋势的一个标志。关于微型实验、低碳化学等己有大量文献报道［7］，国内有关微型低碳化学实验的研究成果也陆续出版［8－10］。微型化学实验的研究是着眼于环境保护和化学实验安全的需要，体现了现代科学技术发展水平的要求。微型实验除了具有现象明显、操作简便快速、节省经费、减少污染、安全、便于携带等优点外，在培养、提高人的科学素质上也发挥着不可估量的作用。它的兴起和推广虽然早于绿色化学，然而它的理想目标和方法，与绿色化学是完全一致的，现在把微型实验作为绿色化学实验的一项实验方法与技术是恰当的。但是微型化实验所用仪器装置和操作方法都与常规实验有较大差别，某些实验中甚至是完全不同的，学生学到一些处理微量样品的特殊方法和技巧，却并不能完全覆盖常量实验的基本操作技能，所以，微型化实验只能作为一类提高性项目局限在一个适当的比例之内。化学实验中使用有机溶剂是较为普遍的，近年来，各国化学家创造并研究了许多取代传统有机溶剂的绿色化学方法，如，以水为介质、以超临界流体、室温离子液体为溶剂［11－12］等方法，而最彻底的方法就是完全不用有机溶剂的无溶剂反应。这些方法克服了反应过程中溶剂对环境的污染，尤其是无溶剂反应更值得大力提倡和研究。但在化学实验教学中的应用还是比较少见。近年来，微波作为一种新型能量形式用于许多化学反应，微波以其加热迅速、受热体系均匀、便于控制、产品质量高等特点，在化学反应中已成为一种加速化学反应的经典技术［13］。微波促进的反应具有条件温和、操作方便、时间短（节能）、产率高、产品易纯化、减少用量或不用溶剂、对环境友好等优点。因此，微波化学发展迅猛，已涉及到化学的方方面面，成功地应用于多种化学反应，并展示了广泛的应用前景。在化学实验中引入微波技术，有助于学生对相关的先进科学技术的了解，激发求知欲，因而也是化学实验“低碳化”的一个重要方法。因此，在大学化学实验中，合理地采用微波辐射技术进行基础化学实验设计是进行化学实验低碳化工作的重要组成部分，具有重要的开发前景。
采取低碳化学的理念对实验教学内容进行优化，减少验证性实验的课时，适当加强基本操作技能训练，同时增开综合性和设计性实验内容，将本科实验教学的重心转移到基本实验操作技能的培养上来。通过实验内容的调整，既符合低碳化学的理念，又使学生受到更加系统全面的低碳及可再生化学教育和实验技能训练，加强了学生观察能力和创新能力的培养。
3．1培养具有低碳及可再生化学观念的实验师资教师是教学的基础，为了向学生传授和加强低碳化学实验的教学，首先必须要有合格的师资，要对化学实验教师进行培训。化学实验教师的培训内容是低碳化学实验的具体内涵和如何实施可再生化学实验，着重学习低碳化学的概念、原理、方法、优点、评价体系等；方法是引导教师将自己的科学研究课题与低碳化学实验结合起来，这样教师在进行绿色化学实验的教学时，就能结合自己的研究成果对学生进行讲解。另外，教师也要深入研究实验教材，对原来的实验在科学的基础上进行低碳化的创新实验。
3．2开设微型化学的教学内容，增强学生的低碳环保意识相对于常量实验，微型实验对学生的实验技能、实验准确性和精密度、综合能力等，都提出了更高的要求，因此我们为学生配备了便携式微型玻璃实验仪器。在此基础上，我们设计了小量、半微量合成实验（一般，固、液起始原料约为1～3g，少数约为3g），从而达到既能培养学生实验技能，又可增加学生的学习兴趣，提高实验教学效率的目的。在采用微量实验的同时，对实验内容的“低碳化”、“可再生化”也进行了相应地调整。低碳及可再生化的教学内容是实施绿色化教学的核心问题。低碳及可再生化学的基本内容是：由环境友好型的原料，在无毒害的催化剂、溶剂等反应条件下，获得对环境友好的产物，同时最大可能的回收副产物及废弃物。
3．3调整、开发绿色化学实验内容实验内容的选择应以实验的科学性和实验技能训练的全面性为原则，尽量选择无毒无公害的绿色化学反应，除了对经典的实验采取更加合理的绿色化设计，重点还应补充一些绿色化学的原理、合成方法、研究方法和新技术［14］。在无机化学实验中，教师可用ClO2或不含氯的H2O2、O3等物质来代替具有漂白作用的氯气代用品；还可以利用H2O2、O3的氧化性来代替具有环境污染氧化剂使用，如代替高锰酸钾和重铬酸钾等。NO2对上呼吸道有刺激作用，所以在做性质实验时，用“三氯化铁”代替“硝酸”清洗银镜反应的试管可避免产生有毒的NO2。在有机化学实验中，教师可用“肉桂酸”实验代替“喹啉”实验，避开苯胺、硝基苯等有毒致癌试剂；可用“溴乙烷”实验代替“溴苯”实验，避开了苯、溴、吡啶等有毒、对空气污染大的试剂，减少对环境的污染。在分析化学实验中，教师可采用无汞定铁法代替用汞盐测定铁矿石中的铁含量，防止了汞污染；用硫代乙酰胺代替硫化氢进行阳离子沉淀鉴定实验，避免了硫化氢气体直接对人体的伤害。在物理化学实验中，在绘制铅锡合金相图时，样品为熔融态的铅和铅锡合金，蒸气的毒性很大，而且所用的玻璃管容易破裂，易导致实验失败和有毒蒸气泄漏。现在改为测铋和锡合金的相图，不仅去除了铅蒸气，而且样品的用量从几十克减少到几克，不仅降低了实验成本，而且减少了污染。
3．4适当开设多步骤微型合成实验提高实验教学的质量很大程度上依赖于改革教学方法，充分调动了学生学习的积极性，让学生自己查文献、设计方案，发挥自己的聪明才智做好每一个试验。通过一定微型实验的开设，学生在经过多次操作训练后已基本上掌握了有机化学实验的基本操作和技能，在此基础上，适当开设多步骤微型合成实验。例如：由环己醇为原料，经由环己酮、环己酮肟合成ε－己内酰胺及聚己内酰胺。对于多步骤的有机合成实验，由于每一步产品的产率及纯度都关系到下一步实验的进行，这就要求学生必须细心操作。通过这种复杂的有机合成实验，使学生掌握各类有机化学反应的机理、各种官能团之间转化的方法，从而全面了解有机化合物的内在关系，并且使学生的实验综合能力也得到了提高。
综上所述，进行化学实验“低碳化”改革，是顺应时代潮流发展，保护人类赖以生存的自然环境的一项必要措施。新实验技术的应用，实验内容的更新，对环境友好的化学试剂和反应的选用，实验的微量化、半微量化、实验的综合化等构成了本科化学实验“低碳化”的改革方向。只有在实验教学中，从点滴入手，不断研究、发现和探索绿色化反应及条件，加强绿色化教育和环保意识，才有可能从根本上切断污染源，建设环境友好型社会。
