刊名: 教师教育研究
主办: 北京师范大学;华东师范大学;高等学校教资培训交流北京中心
周期: 月刊
出版地:北京市
语种: 中文;
开本: 大16开
ISSN: 1672-5905
CN: 11-5147/G4
邮发代号:2-418
历史沿革:
曾用刊名:高等师范教育研究
期刊荣誉:社科双效期刊;国家新闻出版总署收录;中国期刊网核心源刊;CSSCI 中文社会科学引文索引来源期刊;北京大学《中文核心期刊要目总览》来源期刊;
创刊时间:1989
高考绿色化学试题对中学绿色化学教育的导向(或启示)
【作者】 夏开国
【机构】 四川省苍溪中学校
【摘要】【关键词】
【正文】20世纪以来,化学科学及其生产技术的迅速发展,在和其它科学一起为人类创造巨大财富的同时,也给人类带来了一个严峻的问题一环境污染,当今十大环境问题几乎每个都直接或间接与化学和化学工业污染有关。因此,化学学科、化学产品在一般人的心目中由受欢迎转为对其恐惧,谈“化”色变。同时,由于工业发展的需要而向自然界进行掠夺式的开发使人类正面临着严重的能源危机。因此,从环保、经济和社会的要求看,化学工业不能再使用和产生有毒、有害物质,需要大力研究与开发能从源头上减少或消除污染的清洁型、节能型化学工业,创造出一个优良的循环型经济的社会。因此,绿色化学应运而生。
1 对绿色化学的理解
1.1 绿色化学的概念透析
绿色化学(green chemistry)又称环境友好化学(environmetal benign chemistry),绿色化学不是一门全新的科学,它是一种战略思想或一种理念。对大自然和生态环境而言,绿色化学要求社会和经济发展与之协调,不损害和浪费自然资源;对人及动物的生命体而言,绿色化学要求经济发展不损害健康,不危及安全。绿色化学的目标是寻找充分利用原材料和能源且在各个环节都洁净和无污染的反应途径和工艺。
1.2 绿色化学的中心内容
绿色化学的中心内容是化学反应及其产物,应具有“四化”的特点:
(1)原料绿色化。即采用无毒、无害的可再生原料,如生物质、淀粉、纤维素等,拒绝使用一些无法替代又无法回收、再生和重复使用的有毒副作用及污染作用明显的原料。
(2)反应介质绿色化。探索新的反应条件,使化学反应在无毒无害的反应条件(催化剂、溶剂)下进行。
(3)化学反应绿色化,即反应具有“原子经济性”。绿色化学原理的核心内容之一就是反应的“原子经济性”,它的目标是在设计化学合成时使原料分子中的原子更多或全部变成最终希望的产品中的原子,这样才能保证尽量少地产生或不产生废物。原子经济性给我们指出了实现清洁生产的目标,同时也是评判一个化学反应是否为绿色的、环境友好的重要依据。
(4)产品的绿色化,即产品应是环境友好的,对人体是健康的。
1.3 绿色化学的特质所在
“绿色化学”与人们常说的“环境保护”是不同的。绿色化学是对环境更友善的化学.这种绿色意识是人类追求自然完美的一种表现,它追求的是人对自然的尊重以及人与自然和谐的关系,而通常讲的环保意识带有明显的被动状态,它是把人放在与自然相对立的位置上,是在以人为中心的基点上来处理人与自然的关系。绿色化学提出的目标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,它是一门从源头上阻止污染的化学。绿色化学是“防”,环境保护是“治’,只有从根木上切断污染源,才能真正做到保护环境。
自1995年美国设立了“总统绿色化学挑战奖”以后,绿色化学得到世界各国、企业界和化学界的普遍关注,它已成为世界各国可持续发展战略的重要组成部分。那么增强当今中学生绿色化学意识,使之具有一定的环境意识、科学与人文素养则显得尤为必要。但在当前急功近利的高考指挥棒下,中学阶段绿色化学教学尚未被足够重视。如何增强当今中学生的绿色化学意识,使学生了解和接受绿色化学理念,全面提高学生的科学素养是化学教师面临的一个重要课题。将“绿色化学”理念渗透到中学化学教学中的对策之一就是将绿色化学运用到高考试题中去,以高考绿色化学试题引领绿色化学热潮。
2 充分利用好高考试题中的绿色化学试题
2000年广东省首次在高考命题中明确使用了“绿色化学”一词。下面就有关绿色化学思想在近几年高考试题中的体现作适当列举和分析。
2.1 高考绿色试题回放
例一:根据以下叙述,回答1~2小题.。(1996年全国高考化学题1~2题)
1995年诺贝尔化学奖授予致力于研究臭氧层被破坏问题的三位环境化学家。大气中的臭氧层可滤除大量的紫外光,保护地球上的生物。氟利昂(如CCl2F2)可在光的作用下分解,产生Cl原子,Cl原子会对臭氧层产生长久的破坏作用(臭氧的分子式为O3).有关反应为:
1.在上述臭氧变成氧气的反应过程中,Cl是( D ).
A.反应物 B.生成物 C.中间产物 D.催化剂
2.O3和O2是( C )
A.同分异构体 B.同系物 C.氧的同素异形体 D.氧的同位素
很多学生知道氟利昂是冰箱所使用的传统致冷剂,致冷效果较好,而该题分析的是氟利昂是如何破坏臭氧层的,通过对该题的分析,会让学生意识到这种致冷剂不可能长期使用下去,迟早会被拒绝,必然会有更安全高效的致冷剂面世!其对学生的绿色思想渗透可谓润物细无声……
例二:甲基丙烯酸甲酯是世界上年产量超过100万吨的高分子单体,旧法合成的反应是:
90年代新法的反应是:
与旧法比较,新法的优点是( C ) (1997年全国高考化学题6题)
A.原料无爆炸危险 B.原料都是无毒物质
C.没有副产物,原料利用率高 D. 对设备腐蚀性较小
该题为一道典型的绿色化学题材,用新法能达到单一反应的“原子经济性”(即原子利用率100%),避免了使用有毒反应原料HCN、反应试剂H2SO4,实现了绿色化学中的原料绿色化、化学反应绿色化的宗旨。
此外,1999年全国高考题1,内容为禁用含铅汽油的原因,这也是一个绿色化学中拒用危害品的实例;2000年广东省高考综合能力测试题13、14、21,内容包括提炼黄金,拒用氰化物毒性物质,乙苯生产中的原子经济性,首次在高考命题中明确使用了“绿色化学”一词;2001年全国高考化学题11,内容是环氧乙烷的生产制备中有关绿色化学的原子利用率概念。不过,众观近几年来的全国高考化学试题,关于绿色化学题材并不突出,体现的绿色化学思想也大都停留在浅层次,对中学阶段绿色化学教学尚未取得敲山震虎的效果,笔者觉得有待加强。
2.2 典例补充
例三:我国第二代身份证采用的是具有绿色环保性能的PETG新材料,PETG材料可以回收再利用,而且对周边环境不构成任何污染,PETG的结构简式如下:
这种材料可采用如下图所示的合成路线:
试回答下列问题:
(1)⑦的反应类型是:________ ;
(2)写出I的结构简式:__________;
(3)合成时应控制单体的物质的量:n(H):n(E):n(D)=_______用(m n表示)
(4) 写出反应②的化学方程式:_____________ ;
(5) 写出同时符合下列两项要求的所有同分异构体的结构简式
a.该同分异构体的苯环上相邻的三个碳原子上都有取代基
b.该同分异构体在一定条件下能发生银镜反应和水解反应,遇到三氯化铁溶液显紫色
答案:(1)取代反应
(2)
该题贴近实际生活,颇能激发学生兴趣。因为作为身份证必然有一定的使用期限,当它完成自己的功能后不应再滞留于环境中,而绿色化学的处理思想是通过绿色处理手段使之降解为无毒物质,甚至能够回收利用或循环使用。作为主要含塑料成份的第一代身份证是达不到这些要求的,但以PETG新材料制成的第二代身份证使用到期后又可重新降解为合成该材料的单体,所以无论在制作和使用总成本上都显示出了优越性,这就体现了绿色化学巨大的经济效益。
例四:用可再生生物质作化工原料,是绿色化学的一项战略任务。现代95% 以上的有机化学品都来自石油和煤.但石油和煤的储量有限.其开采和加工对环境影响大。用生物质取代它们既可以保护资源又有利于环境。生物质中最丰富的是淀粉和纤维素,尤其是纤维素在草料和木材等可再生资源中丰富存在,它是自然界中最为丰富的可再生的天然高分子资源。纤维素可制备用于纺织、造纸等的粘胶纤维[成分是(C6H10O5)n,其生产过程涉及多个化学反应,工艺简图如下:
近来,化学家开发了一种使用NMMO加工纤维素的新方法,产品“Lyocell纤维”成分也是(C6H10O5)n,工艺流程如下图:
(1)①“Lyocell纤维”工艺流程中,可充分循环利用的物质是 ________________;
② 与“Lyocell纤维”工艺相比,粘胶纤维工艺中会产生含有 ______的废物,并由此增加了生产成本;(只填非金属元素符号)
③“Lyocell纤维”被誉为“21世纪绿色纤维”,原因是 ___________________。
(2)“Lyocell纤维”工艺流程中的NMMO可按如下路线制备(反应条件均省略)
(其中化合物I可三聚为简单的芳香烃,化合物Ⅱ可使溴水褪色)
①化合物I也可聚合为在一定条件下具有导电性的高分子化合物,该化合物的化学式为______________;
②化合物Ⅱ与O2反应的原子利用率达100%,其化学方程式______________;
③关于化合物Ⅲ、Ⅳ的说法正确的是______________(填代号)
A.都可发生酯化反应 B.Ⅲ可被氧化,Ⅳ不可被氧化
C.都溶于水 D.Ⅲ可与钠反应,Ⅳ不可与钠反应
E.Ⅲ是乙醇的同系物 F.Ⅲ可以由卤代烃的取代反应制备
④写出合成NMMO最后一步的化学方程式: ____________________________。
答案:(1)①NMMO ② S 、Cl ③新工艺环境污染小,纤维素原料可再生
该题充分体现了绿色化学的宗旨,在制“Lyocell纤维”的工艺流程中使用的是可再生纤维素原料,实现了反应原料绿色化;无论是制备“Lyocell纤维”还是NMMO的反应基本上是在无毒无害的条件下进行的,实现了反应介质绿色化;由化合物Ⅱ即乙烯与O2反应生成环氧乙烷和水,然后环氧乙烷再与水反应生成乙二醇,则由最初的乙烯与O2反应使最终生成乙二醇的原子利用率达100%,实现了化学反应绿色化,即反应具有“原子经济性”;制得的“Lyocell纤维”使用到一定程度变为废纺丝还可转化为NMMO使之循环使用,体显了绿色产品的两个特性,一是在保持产品的功效的同时尽量降低其毒性,二是产品使用后要容易被降解为无毒无害物质,达到了产品的绿色化要求。
结束语
随着时间的推移,随着人们对环境和可持续发展的关注以及绿色化学的完善与绿色化学知识的普及化,绿色化学题材在高考中的比重有加大的可能,因为绿色化学的内容与社会密切相关,而高考理科综合的时效性考查的就是关注社会的各种问题。我希望这种命题走向能更明朗更突出,在命制化学试题中既要以教材中绿色化学意识为基点,又要以社会生产实际为延伸点,联系当前社会热点,从而真正的起到一个意识导向的作用,以高考绿色化学试题倡导中学绿色化学教育。而我们一线工作的化学教师在中学化学教学中,也应有意识的多选择一些体现绿色化学教学的试题,让学生在解题过程中受到绿色教育,强化学生绿色意识!
1 对绿色化学的理解
1.1 绿色化学的概念透析
绿色化学(green chemistry)又称环境友好化学(environmetal benign chemistry),绿色化学不是一门全新的科学,它是一种战略思想或一种理念。对大自然和生态环境而言,绿色化学要求社会和经济发展与之协调,不损害和浪费自然资源;对人及动物的生命体而言,绿色化学要求经济发展不损害健康,不危及安全。绿色化学的目标是寻找充分利用原材料和能源且在各个环节都洁净和无污染的反应途径和工艺。
1.2 绿色化学的中心内容
绿色化学的中心内容是化学反应及其产物,应具有“四化”的特点:
(1)原料绿色化。即采用无毒、无害的可再生原料,如生物质、淀粉、纤维素等,拒绝使用一些无法替代又无法回收、再生和重复使用的有毒副作用及污染作用明显的原料。
(2)反应介质绿色化。探索新的反应条件,使化学反应在无毒无害的反应条件(催化剂、溶剂)下进行。
(3)化学反应绿色化,即反应具有“原子经济性”。绿色化学原理的核心内容之一就是反应的“原子经济性”,它的目标是在设计化学合成时使原料分子中的原子更多或全部变成最终希望的产品中的原子,这样才能保证尽量少地产生或不产生废物。原子经济性给我们指出了实现清洁生产的目标,同时也是评判一个化学反应是否为绿色的、环境友好的重要依据。
(4)产品的绿色化,即产品应是环境友好的,对人体是健康的。
1.3 绿色化学的特质所在
“绿色化学”与人们常说的“环境保护”是不同的。绿色化学是对环境更友善的化学.这种绿色意识是人类追求自然完美的一种表现,它追求的是人对自然的尊重以及人与自然和谐的关系,而通常讲的环保意识带有明显的被动状态,它是把人放在与自然相对立的位置上,是在以人为中心的基点上来处理人与自然的关系。绿色化学提出的目标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,它是一门从源头上阻止污染的化学。绿色化学是“防”,环境保护是“治’,只有从根木上切断污染源,才能真正做到保护环境。
自1995年美国设立了“总统绿色化学挑战奖”以后,绿色化学得到世界各国、企业界和化学界的普遍关注,它已成为世界各国可持续发展战略的重要组成部分。那么增强当今中学生绿色化学意识,使之具有一定的环境意识、科学与人文素养则显得尤为必要。但在当前急功近利的高考指挥棒下,中学阶段绿色化学教学尚未被足够重视。如何增强当今中学生的绿色化学意识,使学生了解和接受绿色化学理念,全面提高学生的科学素养是化学教师面临的一个重要课题。将“绿色化学”理念渗透到中学化学教学中的对策之一就是将绿色化学运用到高考试题中去,以高考绿色化学试题引领绿色化学热潮。
2 充分利用好高考试题中的绿色化学试题
2000年广东省首次在高考命题中明确使用了“绿色化学”一词。下面就有关绿色化学思想在近几年高考试题中的体现作适当列举和分析。
2.1 高考绿色试题回放
例一:根据以下叙述,回答1~2小题.。(1996年全国高考化学题1~2题)
1995年诺贝尔化学奖授予致力于研究臭氧层被破坏问题的三位环境化学家。大气中的臭氧层可滤除大量的紫外光,保护地球上的生物。氟利昂(如CCl2F2)可在光的作用下分解,产生Cl原子,Cl原子会对臭氧层产生长久的破坏作用(臭氧的分子式为O3).有关反应为:
1.在上述臭氧变成氧气的反应过程中,Cl是( D ).
A.反应物 B.生成物 C.中间产物 D.催化剂
2.O3和O2是( C )
A.同分异构体 B.同系物 C.氧的同素异形体 D.氧的同位素
很多学生知道氟利昂是冰箱所使用的传统致冷剂,致冷效果较好,而该题分析的是氟利昂是如何破坏臭氧层的,通过对该题的分析,会让学生意识到这种致冷剂不可能长期使用下去,迟早会被拒绝,必然会有更安全高效的致冷剂面世!其对学生的绿色思想渗透可谓润物细无声……
例二:甲基丙烯酸甲酯是世界上年产量超过100万吨的高分子单体,旧法合成的反应是:
90年代新法的反应是:
与旧法比较,新法的优点是( C ) (1997年全国高考化学题6题)
A.原料无爆炸危险 B.原料都是无毒物质
C.没有副产物,原料利用率高 D. 对设备腐蚀性较小
该题为一道典型的绿色化学题材,用新法能达到单一反应的“原子经济性”(即原子利用率100%),避免了使用有毒反应原料HCN、反应试剂H2SO4,实现了绿色化学中的原料绿色化、化学反应绿色化的宗旨。
此外,1999年全国高考题1,内容为禁用含铅汽油的原因,这也是一个绿色化学中拒用危害品的实例;2000年广东省高考综合能力测试题13、14、21,内容包括提炼黄金,拒用氰化物毒性物质,乙苯生产中的原子经济性,首次在高考命题中明确使用了“绿色化学”一词;2001年全国高考化学题11,内容是环氧乙烷的生产制备中有关绿色化学的原子利用率概念。不过,众观近几年来的全国高考化学试题,关于绿色化学题材并不突出,体现的绿色化学思想也大都停留在浅层次,对中学阶段绿色化学教学尚未取得敲山震虎的效果,笔者觉得有待加强。
2.2 典例补充
例三:我国第二代身份证采用的是具有绿色环保性能的PETG新材料,PETG材料可以回收再利用,而且对周边环境不构成任何污染,PETG的结构简式如下:
这种材料可采用如下图所示的合成路线:
试回答下列问题:
(1)⑦的反应类型是:________ ;
(2)写出I的结构简式:__________;
(3)合成时应控制单体的物质的量:n(H):n(E):n(D)=_______用(m n表示)
(4) 写出反应②的化学方程式:_____________ ;
(5) 写出同时符合下列两项要求的所有同分异构体的结构简式
a.该同分异构体的苯环上相邻的三个碳原子上都有取代基
b.该同分异构体在一定条件下能发生银镜反应和水解反应,遇到三氯化铁溶液显紫色
答案:(1)取代反应
(2)
该题贴近实际生活,颇能激发学生兴趣。因为作为身份证必然有一定的使用期限,当它完成自己的功能后不应再滞留于环境中,而绿色化学的处理思想是通过绿色处理手段使之降解为无毒物质,甚至能够回收利用或循环使用。作为主要含塑料成份的第一代身份证是达不到这些要求的,但以PETG新材料制成的第二代身份证使用到期后又可重新降解为合成该材料的单体,所以无论在制作和使用总成本上都显示出了优越性,这就体现了绿色化学巨大的经济效益。
例四:用可再生生物质作化工原料,是绿色化学的一项战略任务。现代95% 以上的有机化学品都来自石油和煤.但石油和煤的储量有限.其开采和加工对环境影响大。用生物质取代它们既可以保护资源又有利于环境。生物质中最丰富的是淀粉和纤维素,尤其是纤维素在草料和木材等可再生资源中丰富存在,它是自然界中最为丰富的可再生的天然高分子资源。纤维素可制备用于纺织、造纸等的粘胶纤维[成分是(C6H10O5)n,其生产过程涉及多个化学反应,工艺简图如下:
近来,化学家开发了一种使用NMMO加工纤维素的新方法,产品“Lyocell纤维”成分也是(C6H10O5)n,工艺流程如下图:
(1)①“Lyocell纤维”工艺流程中,可充分循环利用的物质是 ________________;
② 与“Lyocell纤维”工艺相比,粘胶纤维工艺中会产生含有 ______的废物,并由此增加了生产成本;(只填非金属元素符号)
③“Lyocell纤维”被誉为“21世纪绿色纤维”,原因是 ___________________。
(2)“Lyocell纤维”工艺流程中的NMMO可按如下路线制备(反应条件均省略)
(其中化合物I可三聚为简单的芳香烃,化合物Ⅱ可使溴水褪色)
①化合物I也可聚合为在一定条件下具有导电性的高分子化合物,该化合物的化学式为______________;
②化合物Ⅱ与O2反应的原子利用率达100%,其化学方程式______________;
③关于化合物Ⅲ、Ⅳ的说法正确的是______________(填代号)
A.都可发生酯化反应 B.Ⅲ可被氧化,Ⅳ不可被氧化
C.都溶于水 D.Ⅲ可与钠反应,Ⅳ不可与钠反应
E.Ⅲ是乙醇的同系物 F.Ⅲ可以由卤代烃的取代反应制备
④写出合成NMMO最后一步的化学方程式: ____________________________。
答案:(1)①NMMO ② S 、Cl ③新工艺环境污染小,纤维素原料可再生
该题充分体现了绿色化学的宗旨,在制“Lyocell纤维”的工艺流程中使用的是可再生纤维素原料,实现了反应原料绿色化;无论是制备“Lyocell纤维”还是NMMO的反应基本上是在无毒无害的条件下进行的,实现了反应介质绿色化;由化合物Ⅱ即乙烯与O2反应生成环氧乙烷和水,然后环氧乙烷再与水反应生成乙二醇,则由最初的乙烯与O2反应使最终生成乙二醇的原子利用率达100%,实现了化学反应绿色化,即反应具有“原子经济性”;制得的“Lyocell纤维”使用到一定程度变为废纺丝还可转化为NMMO使之循环使用,体显了绿色产品的两个特性,一是在保持产品的功效的同时尽量降低其毒性,二是产品使用后要容易被降解为无毒无害物质,达到了产品的绿色化要求。
结束语
随着时间的推移,随着人们对环境和可持续发展的关注以及绿色化学的完善与绿色化学知识的普及化,绿色化学题材在高考中的比重有加大的可能,因为绿色化学的内容与社会密切相关,而高考理科综合的时效性考查的就是关注社会的各种问题。我希望这种命题走向能更明朗更突出,在命制化学试题中既要以教材中绿色化学意识为基点,又要以社会生产实际为延伸点,联系当前社会热点,从而真正的起到一个意识导向的作用,以高考绿色化学试题倡导中学绿色化学教育。而我们一线工作的化学教师在中学化学教学中,也应有意识的多选择一些体现绿色化学教学的试题,让学生在解题过程中受到绿色教育,强化学生绿色意识!