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1引言

在當(dāng)前全球氣候變暖、環(huán)境污染加劇的形式下，以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的低碳經(jīng)濟(jì)（Low－carboneconomy）成為當(dāng)今世界潮流［1］。發(fā)達(dá)國(guó)家大力推進(jìn)高能效、低能耗的“低碳革命”，著力發(fā)展“低碳技術(shù)”及可再生資源的回收利用，低碳經(jīng)濟(jì)已席卷全球成為各行業(yè)發(fā)展的主題。1991年，化學(xué)工業(yè)最發(fā)達(dá)的美國(guó)最早提出了“綠色低碳化學(xué)”的口號(hào)［2］。所謂的綠色低碳化學(xué)就是指用化學(xué)技術(shù)和方法從源頭上減少或消除對(duì)人類健康、社區(qū)安全、生態(tài)環(huán)境有害的原料、催化劑、試劑、溶劑及產(chǎn)物和副產(chǎn)物等的使用和再生，開發(fā)原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)，采用無(wú)毒無(wú)害的原料或可再生資源，在無(wú)毒無(wú)害的條件下，生產(chǎn)出環(huán)境友好的化學(xué)品。“綠色低碳化學(xué)”是為適應(yīng)人類可持續(xù)發(fā)展的要求而提出的全新觀念［3］。低碳及可再生化學(xué)的核心內(nèi)容是原子經(jīng)濟(jì)性，這一概念最早是1991年美國(guó)Stanford大學(xué)的著名有機(jī)化學(xué)家Trost（為此他曾獲得了1998年度的“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)”的學(xué)術(shù)獎(jiǎng)）提出的，即原料分子中究竟有百分之幾的原子轉(zhuǎn)化成了產(chǎn)物。理想的原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)是原料分子中的原子百分之百地轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物，不產(chǎn)生副產(chǎn)物或廢物，實(shí)現(xiàn)廢物的“零排放”。他用原子利用率衡量反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性，認(rèn)為高效的有機(jī)合成應(yīng)最大限度地利用原料分子的每一個(gè)原子，使之結(jié)合到目標(biāo)分子中。綠色化學(xué)的原子經(jīng)濟(jì)性的反應(yīng)有兩個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：一是最大限度地利用了原料，二是最大限度地減少了廢物的排放。原子利用率的表達(dá)式是：原子利用率＝（預(yù)期產(chǎn)物的式量／反應(yīng)物質(zhì)的式量之和）×100％如無(wú)公害氧化劑過氧化氫的制備可采用乙基蒽醌法，即由氫和氧在2－乙基蒽醌和Pd為催化劑作用下直接合成，2－乙基蒽醌復(fù)出并可循環(huán)使用。此反應(yīng)原子利用率為100％，體現(xiàn)了原子經(jīng)濟(jì)性，減少?gòu)U物的生成和排放，是典型的零排放例子［4］。為了簡(jiǎn)述了綠色化學(xué)的主要觀點(diǎn)，P．T．Anas－tas和J．C．Waner曾提出綠色化學(xué)的12項(xiàng)原則，這12項(xiàng)原則對(duì)我們今后從事綠色化學(xué)的研究具有一定的指導(dǎo)作用。Ⅰ．防止———防止產(chǎn)生廢棄物要比產(chǎn)生后再去處理和凈化好得多。Ⅱ．講原子經(jīng)濟(jì)———應(yīng)該設(shè)計(jì)這樣的合成程序，使反應(yīng)過程中所用的物料能最大限度地進(jìn)到終極產(chǎn)物中。Ⅲ．較少有危害性的合成反應(yīng)出現(xiàn)———無(wú)論如何要使用可以行得通的方法，使得設(shè)計(jì)合成程序只選用或產(chǎn)出對(duì)人體或環(huán)境毒性很小最好無(wú)毒的物質(zhì)。Ⅳ．設(shè)計(jì)要使所生成的化學(xué)產(chǎn)品是安全的———設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)的生成物不僅具有所需的性能，還應(yīng)具有最小的毒性。Ⅴ．溶劑和輔料是較安全的———盡量不用輔料（如溶劑或析出劑）當(dāng)不得已使用時(shí)，盡可能應(yīng)是無(wú)害的。Ⅵ．設(shè)計(jì)中能量的使用要講效率———盡可能降低化學(xué)過程所需能量，還應(yīng)考慮對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的效益。合成程序盡可能在大氣環(huán)境的溫度和壓強(qiáng)下進(jìn)行。Ⅶ．用可以回收的原料———只要技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上是可行的，原料應(yīng)能回收而不是使之變壞。Ⅷ．盡量減少派生物———應(yīng)盡可能避免或減少多余的衍生反應(yīng)（用于保護(hù)基團(tuán)或取消保護(hù)和短暫改變物理、化學(xué)過程），因?yàn)檫M(jìn)行這些步驟需添加一些反應(yīng)物同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生廢棄物。Ⅸ．催化作用———催化劑（盡可能是具選擇性的）比符合化學(xué)計(jì)量數(shù)的反應(yīng)物更占優(yōu)勢(shì)。Ⅹ．要設(shè)計(jì)降解———按設(shè)計(jì)生產(chǎn)的生成物，當(dāng)其有效作用完成后，可以分解為無(wú)害的降解產(chǎn)物，在環(huán)境中不繼續(xù)存在。Ⅺ．防止污染進(jìn)程能進(jìn)行實(shí)時(shí)分析———需要不斷發(fā)展分析方法，在實(shí)時(shí)分析、進(jìn)程中監(jiān)測(cè)，特別是對(duì)形成危害物質(zhì)的控制上。Ⅻ．特別是從化學(xué)反應(yīng)的安全上防止事故發(fā)生———在化學(xué)過程中，反應(yīng)物（包括其特定形態(tài)）的選擇應(yīng)著眼于使包括釋放、爆炸、著火等化學(xué)事故的可能性降至最低。低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來，各行各業(yè)都開展了各種形式的節(jié)能減排運(yùn)動(dòng)，但是各大專院校和中小學(xué)實(shí)驗(yàn)室成了節(jié)能減排運(yùn)動(dòng)的盲區(qū)，既要讓這些實(shí)驗(yàn)室能順應(yīng)低碳環(huán)保的要求，又要充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室的培養(yǎng)科學(xué)后備人才的功能。化學(xué)實(shí)驗(yàn)是高等院?；?、化學(xué)、生物、材料、環(huán)保等專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，但在開展實(shí)驗(yàn)同時(shí)，會(huì)帶來一定的環(huán)境污染?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)所用的試劑多有毒、有害，而且實(shí)驗(yàn)過程中一般都有廢棄物產(chǎn)生，不妥善處理或隨意排放，會(huì)污染環(huán)境，威脅師生健康。因此，在大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要以實(shí)驗(yàn)室為主陣地，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與環(huán)境保護(hù)相結(jié)合，努力做到“5R”原則，即Reject———拒用危害品，Reduce———減量使用，Recycle———循環(huán)使用，Reuse———重復(fù)利用，Regeneration———再生利用，［5］對(duì)現(xiàn)行的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)從綠色化認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等多方面進(jìn)行低碳化改革。實(shí)踐證明，通過對(duì)存在于基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的環(huán)境污染問題的不斷升華，學(xué)生的低碳與可再生化學(xué)思想意識(shí)普遍得到提高，化學(xué)實(shí)驗(yàn)興趣濃厚，實(shí)驗(yàn)操作能力提高，社會(huì)責(zé)任感得到了加強(qiáng)。

2國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)外化學(xué)科研工作者結(jié)合化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的具體特點(diǎn)，對(duì)建設(shè)綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)室做了許多探索與嘗試。美國(guó)的Mayo博士和他的同事們自1982年開始研究試用一種新型的實(shí)驗(yàn)方法———微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)。我國(guó)于1988年末開始，由十幾所院校組成了微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)課題研究協(xié)作組，本著立足國(guó)內(nèi)教學(xué)實(shí)際情況，開展微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究和推廣工作。微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)（MicroscaleChemicalExperi－ment）是近20年來發(fā)展很快的一種化學(xué)實(shí)驗(yàn)的新方法、新技術(shù)，被譽(yù)為“化學(xué)實(shí)驗(yàn)的革命”。微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)是著眼于環(huán)境安全和污染預(yù)防的需要，用盡可能少的藥品，在微型化的儀器裝置中進(jìn)行的化學(xué)實(shí)驗(yàn)［6］。微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)不是常規(guī)實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)單縮微或減量，而是在微型化的條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與探索，達(dá)到以盡可能少的試劑來獲取盡可能多的化學(xué)信息和目標(biāo)。值得注意的是美國(guó)《化學(xué)教育》雜志從1989年第11期起開辟了由Zipp博士主持的微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)專欄，這是微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)己成為國(guó)際化學(xué)教育發(fā)展的重要趨勢(shì)的一個(gè)標(biāo)志。關(guān)于微型實(shí)驗(yàn)、低碳化學(xué)等己有大量文獻(xiàn)報(bào)道［7］，國(guó)內(nèi)有關(guān)微型低碳化學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究成果也陸續(xù)出版［8－10］。微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究是著眼于環(huán)境保護(hù)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)安全的需要，體現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的要求。微型實(shí)驗(yàn)除了具有現(xiàn)象明顯、操作簡(jiǎn)便快速、節(jié)省經(jīng)費(fèi)、減少污染、安全、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)外，在培養(yǎng)、提高人的科學(xué)素質(zhì)上也發(fā)揮著不可估量的作用。它的興起和推廣雖然早于綠色化學(xué)，然而它的理想目標(biāo)和方法，與綠色化學(xué)是完全一致的，現(xiàn)在把微型實(shí)驗(yàn)作為綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)是恰當(dāng)?shù)?。但是微型化?shí)驗(yàn)所用儀器裝置和操作方法都與常規(guī)實(shí)驗(yàn)有較大差別，某些實(shí)驗(yàn)中甚至是完全不同的，學(xué)生學(xué)到一些處理微量樣品的特殊方法和技巧，卻并不能完全覆蓋常量實(shí)驗(yàn)的基本操作技能，所以，微型化實(shí)驗(yàn)只能作為一類提高性項(xiàng)目局限在一個(gè)適當(dāng)?shù)谋壤畠?nèi)?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)中使用有機(jī)溶劑是較為普遍的，近年來，各國(guó)化學(xué)家創(chuàng)造并研究了許多取代傳統(tǒng)有機(jī)溶劑的綠色化學(xué)方法，如，以水為介質(zhì)、以超臨界流體、室溫離子液體為溶劑［11－12］等方法，而最徹底的方法就是完全不用有機(jī)溶劑的無(wú)溶劑反應(yīng)。這些方法克服了反應(yīng)過程中溶劑對(duì)環(huán)境的污染，尤其是無(wú)溶劑反應(yīng)更值得大力提倡和研究。但在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用還是比較少見。近年來，微波作為一種新型能量形式用于許多化學(xué)反應(yīng)，微波以其加熱迅速、受熱體系均勻、便于控制、產(chǎn)品質(zhì)量高等特點(diǎn)，在化學(xué)反應(yīng)中已成為一種加速化學(xué)反應(yīng)的經(jīng)典技術(shù)［13］。微波促進(jìn)的反應(yīng)具有條件溫和、操作方便、時(shí)間短（節(jié)能）、產(chǎn)率高、產(chǎn)品易純化、減少用量或不用溶劑、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。因此，微波化學(xué)發(fā)展迅猛，已涉及到化學(xué)的方方面面，成功地應(yīng)用于多種化學(xué)反應(yīng)，并展示了廣泛的應(yīng)用前景。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入微波技術(shù)，有助于學(xué)生對(duì)相關(guān)的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的了解，激發(fā)求知欲，因而也是化學(xué)實(shí)驗(yàn)“低碳化”的一個(gè)重要方法。因此，在大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，合理地采用微波輻射技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)低碳化工作的重要組成部分，具有重要的開發(fā)前景。

3低碳及可再生化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容和方法

采取低碳化學(xué)的理念對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的課時(shí)，適當(dāng)加強(qiáng)基本操作技能訓(xùn)練，同時(shí)增開綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重心轉(zhuǎn)移到基本實(shí)驗(yàn)操作技能的培養(yǎng)上來。通過實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的調(diào)整，既符合低碳化學(xué)的理念，又使學(xué)生受到更加系統(tǒng)全面的低碳及可再生化學(xué)教育和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，加強(qiáng)了學(xué)生觀察能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3．1培養(yǎng)具有低碳及可再生化學(xué)觀念的實(shí)驗(yàn)師資教師是教學(xué)的基礎(chǔ)，為了向?qū)W生傳授和加強(qiáng)低碳化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，首先必須要有合格的師資，要對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教師進(jìn)行培訓(xùn)?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教師的培訓(xùn)內(nèi)容是低碳化學(xué)實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)涵和如何實(shí)施可再生化學(xué)實(shí)驗(yàn)，著重學(xué)習(xí)低碳化學(xué)的概念、原理、方法、優(yōu)點(diǎn)、評(píng)價(jià)體系等；方法是引導(dǎo)教師將自己的科學(xué)研究課題與低碳化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，這樣教師在進(jìn)行綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)時(shí)，就能結(jié)合自己的研究成果對(duì)學(xué)生進(jìn)行講解。另外，教師也要深入研究實(shí)驗(yàn)教材，對(duì)原來的實(shí)驗(yàn)在科學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行低碳化的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

3．2開設(shè)微型化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生的低碳環(huán)保意識(shí)相對(duì)于常量實(shí)驗(yàn)，微型實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性和精密度、綜合能力等，都提出了更高的要求，因此我們?yōu)閷W(xué)生配備了便攜式微型玻璃實(shí)驗(yàn)儀器。在此基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)了小量、半微量合成實(shí)驗(yàn)（一般，固、液起始原料約為1～3g，少數(shù)約為3g），從而達(dá)到既能培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能，又可增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率的目的。在采用微量實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的“低碳化”、“可再生化”也進(jìn)行了相應(yīng)地調(diào)整。低碳及可再生化的教學(xué)內(nèi)容是實(shí)施綠色化教學(xué)的核心問題。低碳及可再生化學(xué)的基本內(nèi)容是：由環(huán)境友好型的原料，在無(wú)毒害的催化劑、溶劑等反應(yīng)條件下，獲得對(duì)環(huán)境友好的產(chǎn)物，同時(shí)最大可能的回收副產(chǎn)物及廢棄物。

3．3調(diào)整、開發(fā)綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇應(yīng)以實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的全面性為原則，盡量選擇無(wú)毒無(wú)公害的綠色化學(xué)反應(yīng)，除了對(duì)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)采取更加合理的綠色化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)還應(yīng)補(bǔ)充一些綠色化學(xué)的原理、合成方法、研究方法和新技術(shù)［14］。在無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，教師可用ClO2或不含氯的H2O2、O3等物質(zhì)來代替具有漂白作用的氯氣代用品；還可以利用H2O2、O3的氧化性來代替具有環(huán)境污染氧化劑使用，如代替高錳酸鉀和重鉻酸鉀等。NO2對(duì)上呼吸道有刺激作用，所以在做性質(zhì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，用“三氯化鐵”代替“硝酸”清洗銀鏡反應(yīng)的試管可避免產(chǎn)生有毒的NO2。在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，教師可用“肉桂酸”實(shí)驗(yàn)代替“喹啉”實(shí)驗(yàn)，避開苯胺、硝基苯等有毒致癌試劑；可用“溴乙烷”實(shí)驗(yàn)代替“溴苯”實(shí)驗(yàn)，避開了苯、溴、吡啶等有毒、對(duì)空氣污染大的試劑，減少對(duì)環(huán)境的污染。在分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，教師可采用無(wú)汞定鐵法代替用汞鹽測(cè)定鐵礦石中的鐵含量，防止了汞污染；用硫代乙酰胺代替硫化氫進(jìn)行陽(yáng)離子沉淀鑒定實(shí)驗(yàn)，避免了硫化氫氣體直接對(duì)人體的傷害。在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，在繪制鉛錫合金相圖時(shí)，樣品為熔融態(tài)的鉛和鉛錫合金，蒸氣的毒性很大，而且所用的玻璃管容易破裂，易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗和有毒蒸氣泄漏。現(xiàn)在改為測(cè)鉍和錫合金的相圖，不僅去除了鉛蒸氣，而且樣品的用量從幾十克減少到幾克，不僅降低了實(shí)驗(yàn)成本，而且減少了污染。

3．4適當(dāng)開設(shè)多步驟微型合成實(shí)驗(yàn)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量很大程度上依賴于改革教學(xué)方法，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生自己查文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)方案，發(fā)揮自己的聰明才智做好每一個(gè)試驗(yàn)。通過一定微型實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，學(xué)生在經(jīng)過多次操作訓(xùn)練后已基本上掌握了有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作和技能，在此基礎(chǔ)上，適當(dāng)開設(shè)多步驟微型合成實(shí)驗(yàn)。例如：由環(huán)己醇為原料，經(jīng)由環(huán)己酮、環(huán)己酮肟合成ε－己內(nèi)酰胺及聚己內(nèi)酰胺。對(duì)于多步驟的有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)，由于每一步產(chǎn)品的產(chǎn)率及純度都關(guān)系到下一步實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，這就要求學(xué)生必須細(xì)心操作。通過這種復(fù)雜的有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握各類有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理、各種官能團(tuán)之間轉(zhuǎn)化的方法，從而全面了解有機(jī)化合物的內(nèi)在關(guān)系，并且使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)綜合能力也得到了提高。

綜上所述，進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)“低碳化”改革，是順應(yīng)時(shí)代潮流發(fā)展，保護(hù)人類賴以生存的自然環(huán)境的一項(xiàng)必要措施。新實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新，對(duì)環(huán)境友好的化學(xué)試劑和反應(yīng)的選用，實(shí)驗(yàn)的微量化、半微量化、實(shí)驗(yàn)的綜合化等構(gòu)成了本科化學(xué)實(shí)驗(yàn)“低碳化”的改革方向。只有在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，從點(diǎn)滴入手，不斷研究、發(fā)現(xiàn)和探索綠色化反應(yīng)及條件，加強(qiáng)綠色化教育和環(huán)保意識(shí)，才有可能從根本上切斷污染源，建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)。