淺談如何基于綠色化學(xué)理念下改進(jìn)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)
環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今社會(huì)的共識(shí)，綠色化學(xué)技術(shù)是化學(xué)科學(xué)研究的熱門領(lǐng)域。為了節(jié)約實(shí)驗(yàn)藥品并減少環(huán)境污染，越來越多的化學(xué)教師開展了化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的相關(guān)研究。有效開展實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，有多種途徑，本文主要探討綠色化學(xué)原則在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)過程中的運(yùn)用。
1.1 綠色化學(xué)理念
綠色化學(xué)理念由美國環(huán)境保護(hù)總署Anastas及其合作者率先提出，其內(nèi)涵表現(xiàn)在三個(gè)方面：潔凈性，致力于從源頭防止和消除污染;原子經(jīng)濟(jì)性，在獲取新物質(zhì)轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)過程中充分利用每個(gè)原子;安全性，即在實(shí)驗(yàn)過程中，盡可能不使用和不生產(chǎn)有毒有害的物質(zhì)，反應(yīng)條件盡量溫和或安全。綠色化學(xué)是追求人與自然和諧發(fā)展、主動(dòng)防止污染而產(chǎn)生的一門科學(xué)。
1.2 中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化
綠色化學(xué)理念的普及離不開綠色化學(xué)教育。1995年，由美國總統(tǒng)克林頓發(fā)起，美國化學(xué)學(xué)會(huì)、國家環(huán)境保護(hù)署、白宮和國家科學(xué)院共同創(chuàng)辦了每年一次的“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)”。約瑟夫·布林是美國綠色化學(xué)研究所的首任負(fù)責(zé)人，在他的努力下，綠色化學(xué)研究所設(shè)立了綠色化學(xué)領(lǐng)導(dǎo)獎(jiǎng)和紀(jì)念聯(lián)誼會(huì)員獎(jiǎng)，該獎(jiǎng)旨在促進(jìn)綠色化學(xué)教育，培養(yǎng)未來的綠色化學(xué)家和領(lǐng)導(dǎo)人。同年，中國科學(xué)院化學(xué)部確定了《綠色化學(xué)與技術(shù)》的'院士咨詢課題。1997年，香山科學(xué)會(huì)議以“可持續(xù)發(fā)展問題對(duì)科學(xué)的挑戰(zhàn)--綠色化學(xué)”為主題，召開學(xué)術(shù)討論會(huì)，推動(dòng)了我國綠色化學(xué)的發(fā)展。2003年，教育部下發(fā)“普通化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))”，要求學(xué)生應(yīng)形成科學(xué)的自然觀和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。綠色化學(xué)理念的普及改變了傳統(tǒng)化學(xué)教學(xué)模式，更注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神，是貫徹新課程理念的重要途徑。
基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在化學(xué)教學(xué)中占有重要地位，許多教學(xué)活動(dòng)都是在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中展開。由于教學(xué)用的實(shí)驗(yàn)室空間較小，實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)會(huì)污染教學(xué)環(huán)境，影響學(xué)生及教師的身體健康，產(chǎn)生的廢氣、廢水和廢渣不經(jīng)處理就直接排出，小小的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室成了污染源。基于以上，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的“三廢”治理勢(shì)在必行，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中滲透綠色化學(xué)理念是必然要求。教材是教學(xué)內(nèi)容的載體，是提高教育質(zhì)量的基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇上，主要從典型性方面著手，忽略了環(huán)境污染的影響。為了使實(shí)驗(yàn)過程綠色化，必須從源頭上，也就是實(shí)驗(yàn)方法中，阻止污染物的產(chǎn)生。下面以乙酸乙酯制備為例，來談?wù)劵瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化。
1.3 傳統(tǒng)乙酸乙酯制備的不足
乙酸乙酯又稱醋酸乙酯，是食品工業(yè)及化工生產(chǎn)的重要原料，與生活生產(chǎn)息息相關(guān)。乙酸乙酯的制備是中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)。目前“人教版”化學(xué)教材中采用濃硫酸催化酯化合成乙酸乙酯，該實(shí)驗(yàn)存在以下不足：實(shí)驗(yàn)中以濃硫酸為催化劑，腐蝕性強(qiáng)，使用不安全，且不利于環(huán)境保護(hù);傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不利于激發(fā)學(xué)生的積極性及創(chuàng)新精神的培養(yǎng);實(shí)驗(yàn)易發(fā)生事故，對(duì)學(xué)生的健康造成極大威脅。
2 實(shí)驗(yàn)部分
2.1 實(shí)驗(yàn)原理
乙酸與乙酯的反應(yīng)經(jīng)歷了加成消除的過程，質(zhì)子活化的羰基被親核的醇進(jìn)攻發(fā)生加成，在酸的作用下脫水成酯。由于酯化反應(yīng)是可逆反應(yīng)，須不斷移除生成的水才能使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。
2.2 實(shí)驗(yàn)過程
以人教版選修四中“乙酸乙酯的制備”為對(duì)照實(shí)驗(yàn)：乙酸和乙醇在110℃-120℃下，濃硫酸催化合成乙酸乙酯。
改進(jìn)方案一：乙酸和乙醇在84℃-87℃下，AlCl3催化生成乙酸乙酯。
改進(jìn)方案二：乙酸和乙醇在92℃-96℃下，硫酸氫鈉催化生成乙酸乙酯。
改進(jìn)方案三：乙酸和乙醇在80℃-90℃下，F(xiàn)eCl3·6H2O催化生成乙酸乙酯。
2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
取等量的原材料，通過不同的方案制備乙酸乙酯，精制產(chǎn)品，測(cè)得產(chǎn)率。將三組平行試驗(yàn)取平均值后再進(jìn)行對(duì)比，見下表。
表1 實(shí)驗(yàn)對(duì)比
由此可知，使用無水三氯化鋁作催化劑時(shí)，反應(yīng)體系呈無色透明狀，便于觀察。降低了反應(yīng)的溫度，縮短了反應(yīng)時(shí)間，操作安全無腐蝕，適合做演示實(shí)驗(yàn)，也適合學(xué)生探究。
NaHSO4·H2O作為催化劑， 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備簡(jiǎn)單，代替濃硫酸減少副反應(yīng)發(fā)生，有利于提高酯化率， 且產(chǎn)生廢酸少，利于學(xué)生環(huán)保意識(shí)的樹立。
六水三氯化鐵作催化劑，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，不僅提高相對(duì)產(chǎn)率，還可降低反應(yīng)溫度，節(jié)約反應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，催化劑本身用量少，可重復(fù)使用，無毒無害且不污染環(huán)境。
3 結(jié)論
本文旨在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中滲透綠色化學(xué)教育思想，從源頭上阻止污染的產(chǎn)生。遵循綠色化學(xué)原則，選取三種不同類型的催化劑，對(duì)“乙酸乙酯的制備”進(jìn)行改進(jìn)，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)最優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)表明：使用無水三氯化鋁和六水三氯化鐵作催化劑，不僅能夠達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)效果，還能減少對(duì)環(huán)境的污染，是典型的綠色實(shí)驗(yàn)，與中學(xué)化學(xué)教學(xué)中滲透綠色化學(xué)教育思想是相符合的。
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