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在中学化学教学中,有意识选择体现绿色化学教育的试题,让学生在解题过程中培养绿色意识、接受绿色教育是一种有效的方法。但由于中学教材没有专门系统的介绍绿色化学知识,需要教师整理和归纳。比较多的做法概括起来基本有两种:渗透在日常教学中;进行专门的辅导和训练。本文尝试为后一种绿色化学的教学提供一个范例。
一、对绿色化学的理解
1.绿色化学的核心内容之一是“原子利用率”
原子利用率
附图
理想状态的100%的原子利用率是指参加化学反应的所有原子都转化到目标产物中,绿色化学的核心是实现原子经济反应,其特点是: (1)最大限度利用原料;(2)最大限度减少废物的排放。但在目前的条件下还不可能将所有的化学反应的原子经济性都提高到100%。
例1 在“绿色化学工艺”中,理想状态是反应物中原子全部都转化为欲制得的产物。假设 与下列物质均能发生反应,产物只有一种,要想合成且原子利用率达到最高,理论上能够实现的是()
附图
解析 根据题意,这种转化属于化合反应,而化合反应的原子利用率都为100%。比较发现生成物比反应物多2个C原子、2个O原子和4个H原子,答案A、C都能满足这一要求。
例2 环氧乙烷是一种重要的化工原料,其经典工艺的制备步骤为,乙烯先与氯水加成,之后用碱对含有氯乙醇的体系脱氯化氢,反应的化学方程式为:
附图
(1)上述经典工艺的总反应式是____,原子利用率是____。
(2)现代石油化学工艺中,环氧乙烷的生产仍以乙烯为原料,只是以金属银为催化剂、在一定温度下用氧气进行氧化,但其反应的原子利用率为100%,试写出该反应化学方程式。
解析 该工艺的期待产品为,合并得总反应式为:
附图
2.绿色化学的研究内容
绿色化学的核心是利用化学原理从源头上减少或消除化学工业对环境的污染,目前这方面的研究主要是围绕化学反应、原料、催化剂、溶剂和产品的绿色化展开的。绿色化学主要研究领域可简单表示如图1:
附图
图1
例3 20世纪90年代,国际上提出了“预防污染”的根本手段,它的目标是研究和寻找能充分利用的无毒害原材料,最大限度地节约能源,在化工生产各环节都能实现净化和无污染的反应途径。下列各项属于“绿色化学”的是( )
A.处理废弃物B.治理污染点
C.减少有毒物D.杜绝污染源
解析 如图1所示最佳答案应选D。
例4 己二酸是合成尼龙66的重要原料。以环己烯为原料,可以与多种氧化剂反应得到己二酸(反应均在一定条件下进行)。下列氧化剂中可称为绿色化学试剂的是( )
A.高锰酸钾B.过氧化氢
C.硝酸D.重铬酸钾
解析 氧化剂被还原后产物最好是环境友好产品,过氧化氢被还原后生成水,对环境无影响,而其他选项的产物对环境都会造成污染,故答案为B。
二、应用
例5 由于原料和环境方面的考虑,对生产中的化学反应提出了绿色化学的要求,现有4种合成苯酚的反应,最符合绿色化学生产过程的是( )
附图
解析 A、B法是古老的生产苯酚的方法,由于其污染严重,目前已被淘汰,C法产生的丙酮虽然也是重要有机原料,但其原子利用率低于D法。D法是由苯直接制苯酚的一步法工艺,产率可达99%,副产物也是环境友好产品,是“绿色化学反应”。故答案为D。
例6 过氧化氢是一种重要的化学试剂和化工原料,其有多种方法得到:
(1)实验室可以用过氧化钡与稀硫酸的反应来制备,反应后得到6%~8%过氧化氢的分离操作是____。
(2)工业上,电解法生成的过二硫酸钾在酸性溶液中水解可以生成过氧化氢,即,其原子利用率为____。
(3)目前工业上生产过氧化氢的新方法是用钯(Pd)做催化剂的乙基蒽醌法,其生产流程可用循环图简单表示(见图2)。
附图
图2
①写出有机化合物A的分子式;
②写出循环图中涉及氧化反应的反应式;
③写出循环图中涉及还原反应的反应式;
④有关有机化合物B说法错误的是( )
A.1mol B可以与2mol NaOH反应
B.B不可以发生酯化反应
C.B可以作为还原剂,也可以被还原
D.B燃烧时可能有大量的黑烟
(4)在上述的3种方法中,符合绿色化学工艺的是第____种方法,简述理由。
解析 (1)写出化学反应方程式
附图