基于绿色化学理念下中学化学实验的改进

上传者：admin
|

翻新时间：2022-12-30

收藏到账号

全屏

基于绿色化学理念下中学化学实验的改进

环境保护和可持续发展是当今社会的共识，绿色化学技术是化学科学研究的热门领域。为了节约实验药品并减少环境污染，越来越多的化学教师开展了化学实验改进的相关研究。有效开展实验改进，有多种途径，本文主要探讨绿色化学原则在实验改进过程中的运用。

1.1 绿色化学理念

绿色化学理念由美国环境保护总署Anastas及其合作者率先提出，其内涵表现在三个方面：洁净性，致力于从源头防止和消除污染;原子经济性，在获取新物质转化的实验过程中充分利用每个原子;安全性，即在实验过程中，尽可能不使用和不生产有毒有害的物质，反应条件尽量温和或安全。绿色化学是追求人与自然和谐发展、主动防止污染而产生的一门科学。

1.2 中学化学实验绿色化

绿色化学理念的普及离不开绿色化学教育。1995年，由美国总统克林顿发起，美国化学学会、国家环境保护署、白宫和国家科学院共同创办了每年一次的“总统绿色化学挑战奖”。约瑟夫·布林是美国绿色化学研究所的首任负责人，在他的努力下，绿色化学研究所设立了绿色化学领导奖和纪念联谊会员奖，该奖旨在促进绿色化学教育，培养未来的绿色化学家和领导人。同年，中国科学院化学部确定了《绿色化学与技术》的院士咨询课题。1997年，香山科学会议以“可持续发展问题对科学的挑战--绿色化学”为主题，召开学术讨论会，推动了我国绿色化学的发展。2003年，教育部下发“普通化学课程标准(实验)”，要求学生应形成科学的自然观和严谨求实的科学态度。绿色化学理念的普及改变了传统化学教学模式，更注重培养学生的科学精神，是贯彻新课程理念的重要途径。

基础实验教学在化学教学中占有重要地位，许多教学活动都是在化学实验室中展开。由于教学用的实验室空间较小，实验过程中产生的有毒有害物质会污染教学环境，影响学生及教师的身体健康，产生的废气、废水和废渣不经处理就直接排出，小小的化学实验室成了污染源。基于以上，化学实验室的“三废”治理势在必行，在化学实验教学中渗透绿色化学理念是必然要求。教材是教学内容的载体，是提高教育质量的基础。在实验内容的选择上，主要从典型性方面着手，忽略了环境污染的影响。为了使实验过程绿色化，必须从源头上，也就是实验方法中，阻止污染物的产生。下面以乙酸乙酯制备为例，来谈谈化学实验绿色化。

1.3 传统乙酸乙酯制备的不足

乙酸乙酯又称醋酸乙酯，是食品工业及化工生产的重要原料，与生活生产息息相关。乙酸乙酯的制备是中学化学实验教学的重点。目前“人教版”化学教材中采用浓硫酸催化酯化合成乙酸乙酯，该实验存在以下不足：实验中以浓硫酸为催化剂，腐蚀性强，使用不安全，且不利于环境保护;传统的实验教学方法不利于激发学生的积极性及创新精神的培养;实验易发生事故，对学生的健康造成极大威胁。

2 实验部分

2.1 实验原理

乙酸与乙酯的反应经历了加成消除的过程，质子活化的羰基被亲核的醇进攻发生加成，在酸的作用下脱水成酯。由于酯化反应是可逆反应，须不断移除生成的水才能使反应继续进行。

图1 乙醇和乙酸反应制取乙酸乙酯的反应机理

2.2 实验过程

以人教版选修四中“乙酸乙酯的制备”为对照实验：乙酸和乙醇在110℃-120℃下，浓硫酸催化合成乙酸乙酯。

改进方案一：乙酸和乙醇在84℃-87℃下，AlCl3催化生成乙酸乙酯。

改进方案二：乙酸和乙醇在92℃-96℃下，硫酸氢钠催化生成乙酸乙酯。

改进方案三：乙酸和乙醇在80℃-90℃下，FeCl3·6H2O催化生成乙酸乙酯。

2.3 实验结果分析

取等量的原材料，通过不同的方案制备乙酸乙酯，精制产品，测得产率。将三组平行试验取平均值后再进行对比，见下表。

表1 实验对比

由此可知，使用无水三氯化铝作催化剂时，反应体系呈无色透明状，便于观察。降低了反应的温度，缩短了反应时间，操作安全无腐蚀，适合做演示实验，也适合学生探究。

NaHSO4·H2O作为催化剂，实验准备简单，代替浓硫酸减少副反应发生，有利于提高酯化率，且产生废酸少，利于学生环保意识的树立。

六水三氯化铁作催化剂，实验现象更加明显，不仅提高相对产率，还可降低反应温度，节约反应时间。同时，催化剂本身用量少，可重复使用，无毒无害且不污染环境。

3 结论

本文旨在中学化学实验教学中渗透绿色化学教育思想，从源头上阻止污染的产生。遵循绿色化学原则，选取三种不同类型的催化剂，对“乙酸乙酯的制备”进行改进，从而达到实验最优化。实验表明：使用无水三氯化铝和六水三氯化铁作催化剂，不仅能够达到良好的实验效果，还能减少对环境的污染，是典型的绿色实验，与中学化学教学中渗透绿色化学教育思想是相符合的。