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基于绿色化学理念下中学化学实验的改进

来源:论文联盟  作者: [字体: ]

基于绿色化学理念下中学化学实验的改进

1 前言
  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,是提高教育质本文由论文联盟http://www.LWlm.cOM收集整理量的基础。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。

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