化学与环境保护生物工程学院张志斌精品PPT

1、化学与环境保护生物工程学院张志斌2007.2第一章 化学对人类社会的贡献l化学：是研究物质的组成、结构和性质及其变化规律的科学，是与人类生活有密切关系的基础学科。l物质运动能量l微观宏观宇观l分子原子离子1.1 化学在粮食增产中的作用l化肥农药植物生长调节剂l粮食l1.1.1 化学肥料l肥料三大要素：氮、磷、钾l光合作用：l化肥（n、p、k）肥料（包括农家、有机等）粮食增产1.1.2 农药杀虫剂：杀害虫除草剂：除杂草第一代农药：天然的第二代农药：合成的第三代农药：生物的无机农药：砒霜、砷酸铅、砷酸钙有机农药：666、ddt、乐果、敌敌畏1.1.3 植物生长调节剂定义：调节植物生理功能的一类化合

2、物（促进、抑制作用）植物生长调节剂是从天然植物内源激素研究中发展出来的一类农药。1.2 合理使用能源离不开化学的指导l能源：就是能量的源泉，指能为人类利用，而获得有用能量的各种来源。l例如：。（p5）l化学在能源的研究和利用过程中的作用(p5）：化学反应。l1.2.1 化石燃料的有效利用l化石燃料：石油、天然气、煤l1.2.1.1 煤炭l包括：。（p6）l主要成分：c、h、o （n、s、p。）l1.2.1.2 石油l石油即原油：。（p6）1。石油的分馏分馏分馏塔石油的分馏产品：表1.2(p7)2。汽油性能的表征辛烷值辛烷值：相对辛烷值：辛烷值90表示什么？l3。重整汽油l重整：把馏分中的烃类分

3、子重新排列而构成新的分子结构（重排）l重整：可以提高汽油的辛烷值。l4。提高汽油辛烷值的方法l加入pbet4l加高辛烷值的组分（调合辛烷值p10表）l重整l。l裂化：断链提高汽油产量l裂化汽油：l催化裂化：l商品汽油的主要来源：l催化裂化汽油 重整汽油1.2.1.3 天然气天然气组分：。？天然气是否有毒？完全燃烧不完全燃烧煤气的成分：。？煤气的毒性：？1.2.2 发展清洁、安全和经济的核能见书p1012。1.2.3 新能源的开发与利用1. 太阳能：p122. 生物能：p133. 风能：p144. 地热能：p145. 海洋能：p146. 化学电源：p1417 氢镍电池： 锂电池： 燃料电池：第三

4、节 化学为人类提供不竭的新材料l定义：材料是用于制造各种有用物品的的物质，是人类生产和生活必须的物质基础。l 材料、信息、能源：并称现代社会进步的三大支柱。l分类：结构材料l 功能材料举例：举例：天然高分子材料： 合成高分子材料： 三大合成材料：塑料 纤维 橡胶人们的衣食住行：都与化学和材料有关 金属材料 陶瓷材料 有机高分子材料 复合材料第四节 人体的化学反应与新药开发一、人体中的化学变化人体中化学反应特点：复杂 反应多 反应快 反应完全l酶人体中化学反应的催化剂l酶的定义：酶是一种蛋白质，是人体反应的催化剂。由细胞产生，但脱离细胞仍有作用。l酶的性质：酶溶于水成胶体溶液，极不稳定，遇热、酸

5、、碱变性。l酶的种类：脂肪酶l 蛋白酶l 蔗糖酶化学反应正、逆化学平衡化学热力学化学动力学二、化学与新药的开发药物：提取的 化学合成的 生化合成的生物制药：以生物为原料，采用生物学和生物化学的原理和方法，制备具有防病治病价值的药物生产。习题与思考题：习题与思考题：1. 化学是一门什么样的科学？2. 如何看待化学与人类生活和社会发展的关系？l内容提要：p9l学习要求：p9第一节 化学污染l一、环境污染概述l四个圈层：l环境污染的因素：物理的l 化学的l 生物的1. 大气污染：主要来自化石燃料的燃烧化石燃料：酸雨、温室效应、臭氧层破坏。2. 水体污染：主要是污水排放水资源：淡水：污水：3. 固体废

6、物、生活垃圾。l4。 光和热的污染：l眩光：引起不舒服感觉的一种视觉现象。l眩光污染：在光环境中的眩光。l城市热岛：城市高大的建筑物阻止热浪的疏散。l城市热岛效应：l。二、化工污染化学工业的特点：原料、产品种类多，生产工艺多样化。工业污染占环境污染的70。我国的工业废水治理率约20 工业废气治理率约56 工业废渣治理率约50国外化工污染分三个阶段：国外化工污染分三个阶段：1. 化工污染的发生期（1890）：主要是酸碱盐污染2. 化工污染的发展时期（19101950）：主要是煤及其产品。无机有机污染3. 化工污染的泛滥时期（1950）：主要是石油、天然气。 由原来的煤烟型转化成石油型污染l工业污

7、染分类：无机化学工业污染l 有机化学工业污染l按污染物形态：废气、废水、废渣l化工污染物来源化工污染物来源：化学反应不完全产生的废料；副反应产生的废料；燃烧过程中产生的废气；冷却水（废水。）；设备和管道的泄漏物；化工生产中排出的废弃物。三、化肥生产中的污染1。废气 化肥生产中的废气来源：氨合成中矿物燃料的燃烧以及各个流程中排出的硫氧化物、氮氧化物和co等。2。废水 生产氮肥的工厂排出的废水来源：用于制造过程的水；冷却水；用于辅助操作的水。磷肥生产中会产生大量的废气、废水及固体废弃物的污染。钾肥的生产中也会产生废水和固体废弃物的污染。四、农药的污染四、农药的污染农药的污染：农药可污染大气、水体和

8、土壤。 另外，农药的生态效应十分深远，尤其是对生物多样性保护的影响；农药对人体健康的危害，尤其是三致作用（致畸、致癌、致突变）和对生殖性能的影响。一、环境公害一、环境公害环境问题：人与自然界的关系问题。是人 为的和自然的原因引起环境的破坏和污染，给人类带来灾难。“公害”：主要指人为原因引起环境的破坏和污染。l公害发展的三个时期：公害发展的三个时期：l1。公害发生期煤l 足尾事件：p16l2。公害发展期石油、天然气l 烟雾事件：l3。公害泛滥期汽车尾气l 洛杉矶烟雾事件。世界环境污染八大公害事件l1. 公害病与公害事件l2. 公害事件之一：日本的水俣事件l3. 公害事件之二：日本的痛痛病l4.

9、公害事件之三：美国的多诺拉烟雾事件l5. 公害事件之四：比利时的马斯河谷烟 雾事件l6. 公害事件之五：日本的四日气喘病l7. 公害事件之六：日本的米糠油事件l8. 公害事件之七：英国伦敦烟雾事件l9. 公害事件之八：美国洛杉矶烟雾事件l二、重大污染事件l见书 p17 表：20世纪80年代l对环境污染危害较大的l三大工业部门：化工、冶金、轻工l六大企业：发电厂、钢铁厂、炼油厂、石油化工厂、矿山有色金属冶炼厂、造币厂第三节 人类面临的重大环境问题一、温室效应和全球气温上升一、温室效应和全球气温上升（1）温室效应：（2）温室效应加剧： 矿物燃烧、森林破坏 ，使co2不断增加 。（3）温室气体：水蒸

10、气、co2、甲烷、co、臭 氧。l二、海平面上升二、海平面上升l据统计：l 南北极的冰是世界上江河湖泊总水量的9倍左右。l 南极的冰熔化10，海平面将上升49米l温室效应加剧的结果（危害）。l温室效应加剧的结果（危害）。l这将造成：l淹没沿海城市或平原等；l影响播种及降雨量；l变暖的气候有利于病毒生长；l食物污染、变质加剧；疾病的流行会影响人类的健康。 l三、土地荒漠化三、土地荒漠化l定义定义：荒漠化指由于气候变异和人为活动等因素造成的干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化。l世界防治荒漠化和干旱日世界防治荒漠化和干旱日：6月17日（1995年6月17日是第一个）l世界环境日世界环境日：6月5

11、日（1972.6.5-16联合国在瑞典首都斯德哥尔摩召开了人类环境会议。1972年6月5日为第一个世界环境日）l四、臭氧层空洞四、臭氧层空洞l分布分布：位于平流层内，离地面约25km高度的地方，其厚度约20km（分布在高约1535km范围内）。l作用作用：o3吸收=220330nm的紫外线，防止紫外线对地球上生物的伤害。 l问题问题：氮氧化物和氟氢烃（如氟里昂等）及大型喷气机尾气和核爆炸烟尘产生的污染物（如no和某些自由基等），可以破坏臭氧层，使臭氧层变薄，甚至出现空洞 （南极和北极上空）。l危害危害：紫外线对生物具有破坏性，可以对人类的皮肤、眼睛和免疫系统造成损伤，使皮肤癌患者增多。强烈的紫

12、外线还将影响鱼类和其它水性生物的正常生长，以及造成全球性气温的变化。l五、酸雨五、酸雨l定义定义：酸雨是指ph5.6的酸性降水，是大气污染现象之一。有些严重的地方5.0左右，甚至4.0左右。l成分成分：酸雨中含有许多无机酸和有机酸，绝大部分是硝酸和硫酸。l危害危害：酸雨可腐蚀建筑物，损毁庄稼，并使水域和土壤酸化，破坏整个生态环境，损害森林，使树叶、树枝枯黄甚至死亡。 l危害具体表现在如下几方面（书危害具体表现在如下几方面（书p22）：）：l（1）森林毁灭l（2）湖泊酸化l（3）农作物减产l（4）人体健康受损l（5）建筑物腐蚀l六、森林萎缩六、森林萎缩l l森林的作用森林的作用： 森林通过光合作

13、用，吸收大气中的co2，产生游离的o2，供人和其他动物及植物呼吸之用。被称为“天然的超级肺”。l全球和我国的森林萎缩状况见书p23l七、生物多样性丢失七、生物多样性丢失l到20世纪末，全球有100多万种生物被灭绝。l生物多样性包括物种、基因和生态环境的多样性，其中物种的数量是衡量生物多样性丰富程度的标志。l具体内容参见书p2325l八、灾害与国际减灾八、灾害与国际减灾l1。自然灾害（p25）l2。人为灾害（p2526）l3。世界末日论与国际减灾10年（p2627）l九、环境纠纷和生态战争九、环境纠纷和生态战争l1。资源纠纷资源纠纷（p2728）：争夺矿物资源，如石油。l2。转移污染转移污染（p

14、28）：转移污染严重的企业到发展中国家。l3。生态侵略生态侵略（p2829）：掠夺发展中国家的自然资源和初级产品。习题与思考题l1. 简述环境污染的主要来源。l2. 什么是“八大公害事件”？l3. 20世纪80年代以来的重大环境污染事件有哪些？l4. 当前人类面临哪些重大环境问题？l5. 如何解决化学对人类社会的贡献与化学污染对环境和生态破坏的矛盾？l内容提要：p30l学习要求：p30l一、环境与环境科学一、环境与环境科学l环境：l社会环境：l自然环境：由四个圈层组成l环境科学：是涉及自然科学、工程科学、医学和社会科学的一门边缘学科。l环境科学研究的目的：p31l环境科学研究的对象：p31l二

15、、可持续发展二、可持续发展l可持续发展：是既满足当代人的需求，又不对后代人满足其需求的能力构成危害的发展。（参见p31）l可持续发展理论的主要内容：l可持续发展不否定经济增长l可持续发展以自然资源为基础l可持续发展以提高生产质量为目标l可持续发展应体现环境资源的价值l可持续发展的实施以适宜的政策和法律体系为条件l一、两座里程碑一、两座里程碑l1。1972年斯德哥尔摩人类与环境大会年斯德哥尔摩人类与环境大会（1972.6.5-16）：环境与污染问题l联合国针对世界性的资源危机和环境恶化趋势，召开的会议，发表了人类环境宣言（见p33）l2。1992年巴西里约热内卢世界环境与发展首年巴西里约热内卢世

16、界环境与发展首脑大会脑大会（1992.6.3-14)：环境与发展问题l参见书p3435l二、我们共同的未来与可持续发展二、我们共同的未来与可持续发展l世界上的石油储量：维持4060年l世界上的天然气储量：维持5060年l世界上的煤炭储量：维持220年l可持续发展：满足当代人的需求，不损坏后代人需求的发展。l三、可持续发展的基本理论三、可持续发展的基本理论三三种生产的和谐种生产的和谐l1、三种生产及其联系l物质生产：获取资源l人的生产：消费资源l环境生产：产生资源l2、三种生产的调和l参见书p37l一、里约热内卢会议的伟大成果一、里约热内卢会议的伟大成果21世纪议程世纪议程l1、保护大气层l2、

17、改善陆地环境l3、净化海洋环境l二、中国对可持续发展的重大贡献二、中国对可持续发展的重大贡献l1、中国21世纪议程内容简介：l（主要内容见书p39）l2、中国可持续发展战略的实施（见书p39） ：l建立和健全可持续发展的法制l行业和地方制定规划的具体推进l3、中国致力于加大环境治理的力度（见书p40）l4、中国积极参与环境与发展领域的国际合作（见书p41）习题与思考题l1、什么是可持续发展？l2、可持续发展理论有哪些主要内容？如何协调三种生产力？l3、简述1972年斯德哥尔摩人类与环境大会以及1992年巴西里约热内卢世界环境与发展首脑大会对环境可持续发展的重要贡献。l4、中国对可持续发展有哪些

18、贡献？l内容提要：p42l学习要求：p42l热力学：热力学：是研究自然界各种形式的能量之间相互转化的规律，以及能量转化对物质的影响的一门科学。l化学热力学：化学热力学：是把热力学的基本原理用来研究化学现象以及和化学有关的物理现象的一门科学。l热力学第一定律：热力学第一定律：l能量守恒和转换定律在热力学上的表现。l它指明热是物质运动的一种形式。l并表明：外界传递给一个物质系统的热量等于系统内能的增量和系统对外所做的功的总和（即第一类永动机是无法制造的）。l uqw （ uqw ）l热力学第二定律：热力学第二定律：l它有不同的表述方式：l（1）热量总是从高温物体传到低温物体，不能作相反的传递而不带

19、有其它变化。l（2）功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地、连续不断地把所受的热量转变为功（即无法制造第二类永动机）。l（3）在孤立系统内实际发生的过程，总使整个系统的熵的数值增大（即熵增加原理）l热力学第三定律：热力学第三定律：l即能斯特（nernst）热定理：当温度趋向于绝对零度时（273.16），体系的熵趋向于一个固定的数值，而与其它性质如压强等无关。l另一种表述：绝对零度不可能达到；不可能用有限个手续使物体冷却到绝对零度。l永动机永动机：不可能实现的空想发动机。l第一类永动机第一类永动机：不消耗任何能量就能永远做功的机器。（违反热力学第一定律）l第二类永动机第二类永动机：能在没有温度

20、差的情况下，从某一巨大物质系统（如海水、空气）不断吸取热量而将它转变为机械能的发动机。（违反热力学第二定律）l化学热力学研究的主要内容：化学热力学研究的主要内容：l（1）化学和物理变化中的能量转化问题。l（2）化学和物理变化进行的方向和限度。l即：l热一：过程的能量转换l热二：过程的方向限度l一、基本概念一、基本概念l1、系统与环境l敞开系统、封闭系统、孤立系统l2、状态和状态函数l状态：体系的热力学状态（始态、终态 ）l状态函数（性质）：确定体系状态的宏观性质的物理量（m,t,p,v,c,n,e,mol,)l包括：l容量性质（广度性质）：其数值与体系中物质的数量成正比，具有加和性（v，m，m

21、ol，u。）。l强度性质：其数值与体系中物质的数量无关，不具有加和性（p，t， ， 。）。l强度性质容量性质/容量性质l 如 m/vl3、过程和途径l理想气体状态方程式：pv=nrtl4、聚集状态和相l气体：l液体：l固体：l5、化学方程式的一般形式l aa+bb=gg+ddl反应式通式：l反应速率表达式：l标准摩尔焓变：l标准摩尔熵变：l标准摩尔吉布斯函数变：l（见书p4445）l二、化学反应热效应二、化学反应热效应l1、热力学第一定律l（1）能的意义l（2）能的互变l (3) 能量的传递l（4）热力学第一定律l uqwlq：吸热反应为正值，放热反应为负值lw：环境对系统做功为正值，系统对环

22、境做功为负值（膨胀功0，压缩功0）l2、化学反应热效应l化学热力学：l热化学：l反应的热效应：l（1）恒容反应热（v0）：qvul（2）恒压热效应：qp h= up vl焓的定义：hupvlh up vqpl（3）热效应的测量lqcmtl3. 化学反应热效应的计算l因为化学反应前后的总内能不同，所以总是伴随有能量的变化，通常以热的形式与环境交换。即是反应的热效应。l因为体积功热效应（热量），因此，研究化学反应的能量主要考虑热量。l放热反应：l吸热反应：l（1）热化学方程式l定义：涉及热效应的化学反应方程式。l写法：l注意事项：l符号：l状态：l正负值：l数值表示：l见书p49l（2）标准摩尔生

23、成焓和反应的标准摩尔焓变l1)物质的标准摩尔生成焓物质的标准摩尔生成焓l化合物的生成焓（化合物的生成焓（fhm）：在一定条件下，由稳定单质生成1mol化合物时的等压反应热。l规定：稳定单质的生成焓为零。l物质的标准摩尔生成焓（物质的标准摩尔生成焓（fh m)：在标准态下，由稳定单质生成单位物质量的纯物质时反应的焓变。l规定：l稳定单质的标准摩尔生成焓为零。lfh m(稳定单质）0l水合h+的浓度c=1mol.dm-3的标准摩尔生成焓为零。l即 fh m (h+ ，aq，298.15k)=0l标准态：指在标准压力p下物质的确切聚集状态。l标准压力选定： p 100kpa；标准态的温度t不具体指定

24、，一般用298.15k。l对于气体：其标准态就是它的分压为100kpa的状态。l对于溶液：其标准态就是处于标准压力p下，溶液的浓度c=1mol.dm-3的状态。l对于液体和固体：其标准态就是处于标准压力p下的纯物质。l2)反应的标准摩尔焓变（反应的标准摩尔焓变（ rh m ）l在标准条件下，反应的摩尔焓变叫反应的标准摩尔焓变。l计算公式见书p50：l注意事项见书p51：6点l三、化学反应的方向三、化学反应的方向l1.自发过程：无需外界干涉即可自动发生的过程。l例子：见书p53l2.gibbs函数l（1）gibbs函数与自发过程l在等温、等压只做体积功的条件下，凡是系统gibbs函数减少的过程都

25、能自发进行（热力学第二定律的一种表达式）。lgibbs判据：见书p54l(2)化学反应的标准摩尔gibbs函数变rgml标准态反应的gibbs判据：见书p54l定义：在标准态下，由稳定单质生成1mol该物质的反应的标准摩尔gibbs函数变称为该物质标准摩尔生成gibbs函数。记为fgm(298.15k)。l规定：fg m(稳定单质）0lfg m (h+ ，aq，298.15k)=0l计算公式见书p55：（4.17)l3. 混乱度与熵l自发过程的方向：混乱度（无序度）增大的方向（即熵增加的方向，这是自然界物质运动的基本规律）。l标准摩尔熵sm和标准摩尔熵变 sm l热三：在绝对零度时，任何纯净的

26、完整晶态物质的熵等于零。l定义：单位物质的量的纯物质在标准条件下的规定熵叫做该物质的标准摩尔熵，记为sml熵值大小比较：见书p56（）l注意事项：见书p57l4. 反应自发进行方向的判断lgh公式：见书p58l（1）反应自发进行方向的粗略判断：见书p59 （）l（2）化学反应的g的计算及自发进行方向的判断：见书p59 l查表法计算：l标准熵法计算（近似gh公式）：l转向温度的计算：见书p60l一、化学反应速率的表示法：一、化学反应速率的表示法：见书p62l二、浓度对化学反应速率的影响二、浓度对化学反应速率的影响：l1.质量作用定律：见书p6263l2.反应级数：见书p63l三、温度的影响和三、

27、温度的影响和arrhenius公式公式l1.经验规律：l2. arrhenius公式：见书p6465l四、化学反应速率理论四、化学反应速率理论l1.碰撞理论：l2.过渡状态理论：见书p6667l五、提高反应速率的方法五、提高反应速率的方法：见书p6768l1.增大浓度（或气体压力）l2.升高温度l3.降低活化能第三节 化学反应进行的程度和化学平衡l一、化学平衡一、化学平衡l1.化学平衡的特征：见书p68l2.平衡常数的表达式：l注意事项：l3.平衡常数（k）与反应的标准摩尔gibbs函数变（rgm）：lrgm rtlnkl二、弱电解质的解离平衡二、弱电解质的解离平衡l1.一元弱酸、弱碱的解离平

28、衡：见书p71l2.多元酸的解离平衡l3.同离子效应与缓冲溶液l（1）同离子效应：见书p73l（2）缓冲溶液及其ph的计算：见书p74l（3）缓冲溶液的应用、选择与配制：见书p76l三、配离子的解离平衡三、配离子的解离平衡l1.配位化合物的组成和命名：见书p7778l2.配离子的解离平衡：见书p7879l四、沉淀溶解平衡四、沉淀溶解平衡l1.溶度积的概念：见书p80l2.溶度积与溶解度的关系：见书p81l3.溶度积规则及其应用l（1）溶度积规则：见书p83l（2）分步沉淀和共同沉淀：见书p8485l一、原电池与电极电势一、原电池与电极电势l1.原电池：见书p8485l2.电极电势： p8586

29、l（1）电极电势的产生l（2）标准氢电极l（3）标准电极电势的确定l3.原电池的电动势与gibbs函数变的关系l rgm nfel4.浓度对电极电势的影响（nernst方程式）：见书p88l二、电极电势的应用二、电极电势的应用l1.判断氧化剂、还原剂氧化还原能力的相对强弱：见书p8990l2.判断氧化还原反应进行的方向：见书p90l3.判断氧化还原反应进行的程度：见书p91l三、电解及其应用三、电解及其应用l1.电解的基本原理：见书p92l2.分解电压：见书p9293l3.电解产物的判断l4.电解原理在工程实际中的应用：见书p9395习题与思考题l115题l全做l大气：l大气组成：l大气污染：

30、l大气污染防治：l一、大气圈的结构（一、大气圈的结构（见书p98100）l对流层：l平流层：l中间层：l热成层：l逸散层l二、大气的组成二、大气的组成l1.原始大气的组成：见书p100l2.当代大气的组成：见书p101102l一、大气污染的发展变迁史一、大气污染的发展变迁史l见书p102104l二、重大的大气污染事件二、重大的大气污染事件l见书p104106l三、我国的大气污染状况与特征三、我国的大气污染状况与特征l见书p106107l一、大气污染源及主要污染物一、大气污染源及主要污染物l见书p107108l二、控制大气污染的必要性二、控制大气污染的必要性l见书p108l三、大气污染防治的基本途径l见书p109l一、臭氧层空洞对人类的威胁一、