医用化学实验绿色化的几点尝试

　　摘要：为实现医用化学实验的绿色化，探索和研究了采用设计系列实验、优化实验过程、实验微型化及多媒体实验教学等策略来
　　
　　医用化学实验是医学、药学等专业的一项十分重要的学习内容，在完成实验教学并收到良好教学效果的同时，无意之中会将一些有害气体排放到大气中，或将能引起水质污染的废液排放到下水道中。而大多数学校对学生每次实验后排放的污染物很少做处理，尽管每次实验排放污染物量不算大，但学生实验的化学试剂种类成分复杂，具有“聚丘成壑，聚沙成塔”的污染效应。随着教学改革的深入以及化学实验面向全体学生的开放，每位化学教育工作者必须清醒地认识到减少化学实验污染以及对污染物进行处理的重要性、必要性和紧迫性。
　　绿色化学（Green Chemistry）是当今国际化学研究的前沿课题。它的根本目的是从节约资源和防止污染的观点来重新审视和改革传统化学。由传统化学向绿色化学的转变可看作是化学从“粗放型”向“集约型”的转变，从而使我们对环境的治理从治标（即从末端治理污染）转向治本（即开发清洁工艺技术、减少污染源头、生产环境友好产品）。[1]在医用化学实验教学中实现实验的绿色化，就是把绿色化学教育理念贯穿在化学实验及教学的全过程中。为此，我们积极探索方法，认真研究实施策略，尝试采用了系列实验设计、实验过程优化、实验微型化及借助多媒体实验教学手段等一系列措施来实现医用化学实验的绿色化，取得了良好的教学效果和社会效益。
　　
　　绿色化学的概念
　　
　　绿色化学又称环境无害化学（Environmentally Benign Chemistry）、环境友好化学（Environmentally Friendly Chemistry）或清洁化学（Clean Chemistry）。它强调的是用化学的技术和方法减少或杜绝那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等化学用品的使用和产生。这是一门从源头阻止污染的化学，所研究的中心问题是使化学反应、化工工艺及其产物具有五个方面的特点：（1）采用无毒、无害的原料（即原料绿色化的）；（2）在无毒、无害的反应条件（催化剂和溶剂的绿色化）下进行；（3）使化学反应具有极高的选择性，极少的副产物，甚至达到“原子性”的程度，即原料分子中原子百分之百的转化产物，不产生副产物或废物，实现废物的零排放（zero emission）（即化学反应的绿色化）；（4）产物应是对环境无害（产品的绿色化）；（5）满足“物美价廉”的传统标准。化学实验绿色化设计主要遵循5R原则，即减少量（Reduce）、重复使用（Reuse）、拒用（Rejection）、回收（Recycling）、再生（Regeneration）。
　　绿色化学的原则[2]
　　Anastas PT和 Warner JC在《绿色化学理论和实践》一书中，提出了绿色化学的12条原则：（1）最好是防止废物的产生而不是产生后再处理；（2）合成方法应设计成能将所有的起始物质并入最终产物中；（3）只要可能，反应中使用和生成的物质应对人类健康和环境无毒或毒性很小；（4）设计的化学产品应在保持原有功效的同时，尽量使其无毒或毒性很小；（5）应尽量不使用辅助性物质，如溶剂、分离试剂等，如果一定要用，也应使用无毒物质；（6）能量消耗越小越好，应能为环境和经济方面的考虑所接受；（7）只要技术上和经济上可行，使用的原材料应是能再生的；（8）尽量避免不必要的衍生过程，如基因的保护与去保护，物理与化学过程的临时性修改等；（9）尽量使用选择性高的催化剂，而不是靠提高反应物的配料比；（10）设计化学产品时，应考虑当该物质完成自己的功能后，不再滞留于环境中，而可降解为无毒的产物；（11）分析方法也需要进一步研究开发，能够做到现时、现场监控，以防有害物质的形成；（12）一个化学过程中使用的物质或物质的形态，应考虑尽量减少实验事故的潜在危险，如气体释放、爆炸和着火等。
　　从以上原则中可以看出，绿色化学提出的标准和任务不是被动地治理环境污染，而是主动地防止化学污染，只有从根本上切断污染源，才能真正做到环境保护。我们尝试在医用化学实验绿色化的进程中，遵从以上这些原则作为绿色化的指导方针和标准。在教师和学生的头脑中形成绿色化学的思维意识，从环境保护的角度来考虑实验设备、实验手段、实验方法等各方面因素。绿色化学的实验，必将带来化学产品的生产方式、化学实验方法的绿色革命，对环境保护具有重要的作用。
　　医用化学实验绿色化的方法
　　设计系列实验方法是指通过调整实验，把几个分散的实验设计成一个整体，使一个实验的产物设计成为下一个实验的原料，这种方法的使用，能够尽可能减少化学试剂的消耗和废液的排放。在医用化学实验中，有许多实验内容之间是相互联系的，往往是前一个实验的产物就是下一个实验的反应物。如在医用化学的无机实验部分中，在做一种元素不同价态化合物的性质实验时，经常会出现这些化合物之间的转化，若将这些实验进行合理的安排，有效利用它们之间的转化关系，重新将其设计为系列实验，就会既能节约药品、节省时间，又能促进学生掌握物质之间的转化关系。以铁的化合物的性质实验为例，我们可以将实验内容设计为一个系列实验：[3]KMnO4溶液和（NH4）2SO4·FeSO4溶液混合后，加H2SO4酸化，观察溶液颜色的变化，了解Fe2+的还原性；再滴入2滴KSCN溶液，观察血红色溶液生成，了解Fe3+的定性检测实验；再加入少量NaF固体，观察血红色消失，了解Fe3+与F-的配位反应及常用的掩蔽Fe3+方法；再逐滴加入NaOH溶液，观察Fe（OH）3沉淀的析出，了解配合物和沉淀物之间的转换；然后离心沉淀中加入浓HCl，观察沉淀的溶解及溶液的颜色，了解Fe(OH)3在HCl中的溶解性；再向溶液中滴加K4[Fe（CN）6]溶液，观察深蓝色沉淀的析出，了解普鲁士蓝的生成和性质。经过实验证明，实验内容经过这样重新设计和改进后，化学试剂的使用量和废液的排放量都大为减少，同时学生对实验现象和实验过程中的知识点也有了更清楚的认识。　　精选实验内容，优化实验过程我们在医用化学实验中对污染严重，危害性大的实验应排除或重新设计。每一个实验项目都要进行优化考虑，尽可能达到以下标准：原材料廉价易得，实验过程中副反应少（体现原子性），反应过程中使用的试剂、溶剂、催化剂等尽可能无毒无害（实现反应过程绿色化），产出物无毒或无毒害性，并易处理，反应条件温和、节约能源等等。这种优化过程是一个完善的过程，是有条件、有选择地对一些重复出现的低水平教学内容进行改革，对不合理的实验进行合理的改进。改进实验是指在教材中提供的原有实验的基础上对其实验操作、实验装置进行改造，在保证实验方法更加合理化，实验目标更加清晰的前提下，力求在源头上清除污染。例如在一些有毒气体的性质和制备实验中，就必须增加尾气处理装置或及时烧掉，把有毒气体转化成无毒或毒性降解物。例如铜与浓、稀硝酸的反应性质实验，按照医用化学教材的实验操作，将会产生一定量的NO2或NO气体，危害师生身体健康，污染环境。如果把此实验按照实验绿色化的原则和标准进行改进，在注射器内完成上述性质的实验，既可明显地观察到现象，掌握铜与浓、稀硝酸反应的实质，又能避免NO2或NO的逸出，消除环境污染，而且反应所得的生成物NO2便于用NaOH溶液吸收。
　　采用微型化实验，实现化学实验绿色化微型实验是实验绿色化的重要途径。微型化学实验是在微型的化学仪器装置中进行的化学实验，从理论上讲，它是以尽可能少的化学试剂而获得比较明显的反应结果和准确的化学信息的一种新型实验方法，是一门新的实验技术。它是20世纪80年代由美国几所大学首先发起的化学实验改革，它不是常规实验的简单微缩，而是在微型化的条件下对实验进行创新的再现。采取微型实验技术，不仅可以大幅度减少实验费用，而且可以扩大化学实验的覆盖面，提高化学教学质量。这种方法一开始问世就深受广大教师、学生的欢迎，近些年在我国得到迅速和普及。在大力倡导可持续发展战略的今天，普及和推广微型化学实验具有特殊的时代意义。微型实验具有以下特点：[4]（1）成本低。微型实验仪器可以利用废弃物，像青霉素药瓶可以做试剂瓶、集气瓶；一次性输液器可做导气管、多用滴管；装药片塑料板可以做点滴板等等。因此，微型实验降低了实验成本。（2）试剂用量小。试剂用量仅为常规实验的1/10至1/100，缩短实验时间（大约为常规实验的40%），同时也降低了水、电能源的消耗。微型实验的开设对毒性大、药品贵、耗量大、易燃、易爆、污染严重、操作复杂的化学实验尤为必要，它能杜绝或明显减少实验过程中给环境带来的污染。如卤素的性质实验，所用药品种类多、分量大，改用透明塑料制作的微型滴管及井穴板做实验，既减少了药品消耗及废物排放量，又保证了实验现象明显。
　　采用多媒体辅助教学，实现化学实验绿色化多媒体技术在化学实验中的具体应用，是化学实验摆脱实物的一场革命。它的运用和发展，对保护资源，缓解化学实验对环境所造成的污染，设备复杂（投资较大），反应速度慢和操作条件要求苛刻，常规实验无法开展，但又是很重要的实验，以生动有趣的多媒体形式表现出来，寓教于乐，可取得较好的教学效果。另外，有些化学实验常容易引起爆炸或必须使用有毒有害的试剂，或实验过程中排放出有毒的气体或有毒废液，不仅给师生的身体健康带来极大的危害，而且对环境也会造成较大的破坏。目前，还无法通过改进实验来实现绿色化或减少、减轻污染。对于这类实验，采用多媒体技术演示实验，不仅能使学生感受到实验现象，学会了实验操作的流程，而且那些毒性大，危险性较大的实验，始终不会对人体和环境造成污染，自然也就实现了化学实验的绿色化。[5]
　　我们必须深刻地认识到减少、降低、避免化学实验污染和提倡绿色化学在化学教学中的重要意义。在实验教学中，大力推动实施绿色化的化学实验教学，为树立发展观，实现经济社会的可持续发展而积极探索，努力工作。
　　
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　　[1]朱清时.绿色化学与可持续发展[J].科学院刊，1997，（6）：415-420.
　　[2]Anastas P T，warner J C.Green chemistry Theory and Practice[M].London：Oxford University Press，1998.
　　[3]周云，唐亚文，陆天虹.无机化学实验绿色化的探讨[J].南京晓庄学院学报，2004，（4）：103-105.
　　[4]马志成，项光其，张卫岳，等.基础化学实验绿色化探讨[J].实验室研究与探索，2004，（2）：4-5.
　　[5]彭菊花，冯伯虎.基于绿色化学理念下的实验教学策略[J].承德民族师专学报，2004，（2）：44-45.