绿色化学实验设计初探

2019-10-17 版权声明 举报文章

绿色化学实验设计初探

摘 要:绿色是化学的未来发展方向。绿色化学能够有效控制污染。本文对绿色化学实验设计进行分析,以供参考。

关键词:绿色化学 涵义 实验设计

一、前言

化学教学离不开科学实验,化学实验更是化学教学的组成部分。在化学实验中应用绿色实验能够有效控制污染。

二、绿色化学的涵义

1.绿色化学的定义

绿色化学或称环境友好化学,是利用化学的技术与方法来降低或消除化学产品设计、制造与应用中有害物质的使用与产生,使所设计的化学过程和产品更加环保友好,是一门从源头上阻止污染的化学。

2.绿色化学的核心内容

绿色化学主要从原料安全性、工艺过程节能性、反应原子经济性和产物环境友好性等方面评价一个化学反应的优劣。原子利用率、环境因子和“5R”原则是绿色化学的核心内容。

(1)原子经济性。原子经济性是指充分利用反应物中的各个原子,从而既能充分利用资源又能防止污染。原子利用率越高,反应产生的废弃物越少,环境因子也就小,对环境造成的污染也越少。环境因子则是衡量生产过程对环境的影响程度的参量,是指在一个化学反应过程中,所生成废物质量占目标产物质量的比值。

(2)“5R”原则。就是“减量”(Reduciton),即减少“三废”排放;“循环使用”(Reuse);“回收”(Recy-cling),实现“省资源、少污染、减成本”的要求;“再生”(Regeneration),即变废为宝;“拒用”(Rejection),指对一些无法替代又无法回收、再生和重复使用的,有毒副作用及污染作用明显的原料,拒绝在化学实验过程中使用。

三、绿色化学实验设计的策略和方法

绿色化学实验方案的构思、设计是一种开放的创造性思维活动,因此其策略和方法也没有固定的模式可以遵循,下面仅仅结合绿色化学实验设计与创新的类型进行探讨。

1.优选实验项目策略

根据实验大纲的要求,充分考虑试剂和产物的毒性以及整个实验过程产生的“三废”对环境的污染,尽量排除或减少对环境污染大、毒性大、危害大、三废处理困难的实验项目,如氰化物、砷化物的实验,溴的制备,苯的硝化还原制备苯胺等,以毒性小的实验代替来完成基本操作训练。尽量选择系列化实验,用前一实验的产物作为后一实验的反应物,在合成实验“苯甲酸和苯甲醇的制备”中,学生合成的产品苯甲酸粗品,可以为基本操作实验“重结晶”之用,精制以后的苯甲酸纯品又为基本操作实验“熔点的测定”之用,这不仅可以大大节省试剂和原料,而且可以通过熔点检查学生做的产品是不是合格,一举而多得。设计绿色化学,尽量选择与环境保护密切相关的实验,如大气中SO2含量的测定,废干电池的综合利用,由废铁屑制FeCl3,水中溶解氧的测定等,既锻炼了学生科学实验的能力,又让学生了解了污染物对环境的危害,培养了学生的环保意识。

2.优选反应物质的策略

化学反应原理是实验设计中的核心要素。化学实验中反应物的优选、操作过程的优化、实验装置的改进都与反应原理密切相关,因此研究反应原理,依据反应原理对实验进行绿色化改进和创新,就是抓住了实验的本质和成败的关键,是化学实验改进和创新的重要策略。例如在乙酸乙酯制备实验中,目前常用的硫酸催化酯化法存在用酸量大、副反应多、过程复杂、产品损失多、环境污染严重等不足。对此实验的改进与创新可以从酯化反应的实验原理入手:

由反应原理可知,酯化反应的实质是在路易斯酸催化下,酸和醇反应成酯,温度过高或催化剂氧化性过强时易发生副反应。作为优良的酯化催化剂必须满足在非水介质中酸性要足够强,氧化性要弱,以减少副反应。因此,对这个实验的改进就可依据上述实验原理,选用绿色催化剂,以取代浓硫酸。可分别利用H2SO4、FeCl3、PW12、PW12/SiO2催化合成乙酸乙酯。结果表明,用自制的新型催化剂PW12/SiO2代替硫酸催化酯化,不仅产率高,反应温度低,操作简单,无污染,而且催化剂能重复使用,适应绿色化学发展趋势,取得了良好的实验效果。

3.实验装置改进策略

实验装置是实验的载体,是影响实验的又一个重要因素。一套好的实验装置,不仅能减少实验可能产生的污染又能给人以美的享受,因此对化学实验绿色化改进与创新自然离不开实验装置。实验装置的改进一般有如下策略:

3.1简约化策略(微型实验)。在不影响实验效果的前提下,尽量采用用药少、装置简单或微型的实验装置。微型化学实验具有污染小、节约经费(其试剂用量为常规实验的1/10或1/100)、缩短实验时间(大约为常规实验的40%)的优点,同时降低了水、电资源的消耗。微型化学实验的开设对毒性大、药品贵、耗量大、污染严重、操作复杂的化学实验尤为必要。微型实验除了可以用已经研制成功的井穴板等微型仪器外,还可以把容量瓶、烧瓶、冷凝管等微型化。在微型化带来实验现象不明显时,可以借助现代化教学手段把结果放大。微型化学实验还要努力减少实验对玻璃仪器的依赖性,例如,对有些颜色变化明显的定性实验可以放在点滴板中进行,如指示剂与酸碱作用实验和Fe3+的显色实验等,而有些定性实验可以放在定性滤纸上完成,如检验醛基、MnO4-离子存在等。

3.2设计封闭实验装置策略。封闭的实验装置应包括气体发生、收集装置,气体性质实验装置,尾气的收集、处理装置和导气装置等。对于气体发生装置可以从密闭和控制反应两方面着手。

四、创新实验方式

1.微型处理

即在保证实验现象明显的前提下,对实验进行重新设计与探索,实验药品微量化或实验装置微型化。例如:在研究氯化钡和硫酸钠反应时,应在试管中加硫酸钠,然后用胶头滴管逐滴加入氯化钡溶液(可溶性的钡盐是有毒的),边加边观察实验现象。这样可以减少氯化钡的使用量,防止过量的氯化钡对环境造成的污染。

2.多媒体演示

有些实验成本昂贵、容易造成浪费;有的实验必须采用有毒、有害的试剂,实验时会排放出有毒气体和有毒废液,或容易引起爆炸,对于中学生来说,存在很大的安全隐患,不便于在普通学生实验室中进行。为了让学生对实验原理、过程、现象和结果有直观的感受,又能规避实验风险,可以利用多媒体技术进行模拟演示。事实上,在国内外已有不少学校采用这种方法进行实验教学,效果很好。

五、结束语

综上所述,绿色化学实验设计具有很大的环保性,但是我国基础化学实验绿色化的道路还很漫长,需要我们持之以恒的探索,才能推动我国绿色化学事业的快速发展。

参考文献

[1]钟国清.化学实验教学的绿色化改革与实践[J].实验技术与管理,2006,23(12):18-19.

[2]敖波.绿色化学实验的研究与应用[J].西南民族大学学报(自然科学版),2006,32(4):701-704.

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